基于GPS-RTK技術(shù)的橋梁監(jiān)控應(yīng)用研究

趙建

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京210000）

0 引言

現(xiàn)階段，社會(huì)對于交通運(yùn)輸?shù)男枨笕找嬖鲩L。為滿足社會(huì)需求，我國陸路運(yùn)輸交通網(wǎng)得到快速發(fā)展，橋梁成為陸路運(yùn)輸交通網(wǎng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。為保障橋梁的施工質(zhì)量，引入各類先進(jìn)技術(shù)手段，對橋梁工程質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁施工中存在的各類問題，保障橋梁施工質(zhì)量，為后續(xù)橋梁的正常使用提供重要支持。

1 橋梁控制測量的主要內(nèi)容

1.1 橋梁控制網(wǎng)

相比較常規(guī)測量工程中的控制網(wǎng)來說，橋梁控制網(wǎng)具有范圍小、密度大、精度要求較高等特點(diǎn)。通常情況下，實(shí)際橋梁控制網(wǎng)縱向范圍處于0.2～10km 以內(nèi)，橫向范圍則處于0.1～2.0km 以內(nèi)。想要在此控制網(wǎng)內(nèi)對承臺、橋墩、梁體等各類關(guān)鍵構(gòu)件施工進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，就必須要布設(shè)更為密集的監(jiān)測點(diǎn)[1]。

此外，從全項(xiàng)目周期角度來看，橋梁控制網(wǎng)中的控制點(diǎn)需要發(fā)揮軸線放樣監(jiān)控、墩臺基礎(chǔ)開挖監(jiān)控、橋梁梁體安裝監(jiān)控等多方面作用。也就是說，橋梁控制網(wǎng)中的控制點(diǎn)大多需要重復(fù)使用，所以在具體控制點(diǎn)布設(shè)過程中不僅需要考慮控制點(diǎn)的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性，還需要對使用中的便利性進(jìn)行考慮分析。控制點(diǎn)布設(shè)完成后，還需要做好控制點(diǎn)的護(hù)樁工作，并安排專人定期對控制點(diǎn)精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性進(jìn)行檢查分析，保障控制點(diǎn)的應(yīng)用成效。

1.2 布置控制網(wǎng)

橋梁控制網(wǎng)的布置質(zhì)量將會(huì)直接影響到橋梁工程施工的整體精度及可靠性，所以必須提高相關(guān)重視。結(jié)合實(shí)際情況來看，橋梁控制網(wǎng)的布置應(yīng)從精度、靈敏度、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行綜合考慮。其中精度是對控制網(wǎng)中監(jiān)控點(diǎn)布設(shè)精準(zhǔn)程度的有效描述；靈敏度是指在給定顯著水平和檢驗(yàn)功效條件下，對所獲取的橋梁某方面變形介質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，進(jìn)而分析橋梁變形監(jiān)測質(zhì)量；可靠性是指在給定顯著水平下，監(jiān)測點(diǎn)對橋梁監(jiān)控中粗差發(fā)現(xiàn)能力和抵抗能力；經(jīng)濟(jì)性則是指監(jiān)測過程中可能會(huì)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用。在具體控制網(wǎng)布置過程中，應(yīng)對上述四種指標(biāo)進(jìn)行充分考慮，進(jìn)而設(shè)計(jì)出一種經(jīng)濟(jì)性、精度、靈敏度以及可靠性均相對較高的橋梁控制網(wǎng)布置方法，降低施工成本的同時(shí)，提高橋梁監(jiān)控效果。

1.3 控制網(wǎng)施測

一直以來，傳統(tǒng)的橋梁控制網(wǎng)多是采用三角測量法進(jìn)行具體橋梁監(jiān)控活動(dòng)，而隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，如今GPS 技術(shù)已經(jīng)成為橋梁控制網(wǎng)施測過程中的常用技術(shù)，并促使如導(dǎo)線網(wǎng)、邊角網(wǎng)、測邊網(wǎng)等各類控制網(wǎng)構(gòu)建方式開始得到普及應(yīng)用。結(jié)合當(dāng)前實(shí)際來看，想要有效控制橋梁控制網(wǎng)的應(yīng)用效果，促使橋梁施工達(dá)成預(yù)期目標(biāo)，應(yīng)根據(jù)橋梁實(shí)際，合理選擇測距方式[2]。現(xiàn)階段，多數(shù)特大型新型橋梁工程在實(shí)施監(jiān)測控制時(shí)都引入了測邊網(wǎng)方式，相對于傳統(tǒng)三角測量法來說，此種方式雖然監(jiān)控效果更為優(yōu)秀，但受限于橋梁的線性特征，實(shí)際橋梁橫縱比例存在較為嚴(yán)重失調(diào)，使得測邊網(wǎng)監(jiān)控方式在應(yīng)用過程中難以有效保障橫向測量精度。因此，對于高精度大型橋梁，應(yīng)優(yōu)先采用全測邊部分測角邊角網(wǎng)方式進(jìn)行控制網(wǎng)施測。

2 GPS 技術(shù)及GPS-RTK 技術(shù)

2.1 GPS 技術(shù)

GPS 技術(shù)可以細(xì)化為GPS 靜態(tài)相對定位測量技術(shù)和GPS 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位測量技術(shù)兩種。其中GPS靜態(tài)相對定位測量技術(shù)在橋梁監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用起步時(shí)間相對較早，并在應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)于三角測量法的監(jiān)控精度和測量效率。現(xiàn)如今，GPS 靜態(tài)相對定位測量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到橋梁工程平面控制測量、橋梁變形監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域，并在應(yīng)用中有效解決傳統(tǒng)三角測量法無法長距離施工監(jiān)測定位等問題；GPS 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位測量技術(shù)可以通過安裝在運(yùn)動(dòng)載體上的GPS 信號接收器和設(shè)置在基準(zhǔn)站上的GPS 信號接收器來實(shí)現(xiàn)對GPS 衛(wèi)星定位的同步跟蹤，進(jìn)而對所采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行差分處理，獲取到運(yùn)動(dòng)載體的實(shí)際運(yùn)行軌跡。結(jié)合實(shí)際情況來看，GPS 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位測量技術(shù)可以與數(shù)字回聲探測技術(shù)相互配合，進(jìn)而更為快速地獲取水域水下地形圖，解決傳統(tǒng)技術(shù)水下地形圖繪制難的問題。

2.2 GPS-RTK 定位測量技術(shù)

RTK 技術(shù)作為一種新型GPS 測量方法，其應(yīng)用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分的方法，可以在野外應(yīng)用過程中將測量精度控制在厘米級，無須進(jìn)行后續(xù)計(jì)算分析。在橋梁監(jiān)控領(lǐng)域中，RTK 技術(shù)的應(yīng)用則可以解決超長距離施工定位問題，并有效提高橋梁監(jiān)控精度。相對于GPS 技術(shù)來說，RTK 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化測量，可以有效減少施工測量中人力需求，提高測量精度和測量效率。

3 GPS-RTK 技術(shù)在橋梁監(jiān)控中的應(yīng)用

3.1 橋梁控制網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.1.1 精度設(shè)計(jì)

基于橋梁項(xiàng)目的實(shí)際要求，合理確定橋梁控制網(wǎng)的控制精度級別。通常情況下，為保障橋梁工程的施工質(zhì)量，實(shí)際橋梁控制網(wǎng)所選定的控制精度越高越好，尤其是針對高精度大型橋梁工程來說，更需要盡可能選擇高精度測量級別。以大型橋梁橋墩精度控制為例，其控制網(wǎng)通常要求橋墩中心與橋梁軸線方向偏差應(yīng)控制在±2.0cm 以內(nèi)，具體計(jì)算過程中所獲取到的定位點(diǎn)誤差則應(yīng)控制在±8mm 以內(nèi)，此標(biāo)準(zhǔn)與C級GPS-RTK 控制網(wǎng)精度基本一致，所以在橋梁控制網(wǎng)精度設(shè)計(jì)中可以選用GPS-RTK 中的C 級控制網(wǎng)作為橋梁控制網(wǎng)精度控制級別[3]。

3.1.2 基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行基準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將現(xiàn)有的地面坐標(biāo)系數(shù)據(jù)信息與GPS-RTK 測量中所獲取到的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配重合，進(jìn)而從橋梁控制網(wǎng)中合理選擇控制點(diǎn)，將控制點(diǎn)轉(zhuǎn)化為地面坐標(biāo)系參數(shù)，為后續(xù)GPS-RTK 定位測量技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用提供重要支持。此外，為保障GPS-RTK 技術(shù)的應(yīng)用成效，還需要對過往之間信息進(jìn)行充分分析考慮，并保持資料的連續(xù)性，避免過往資料有效性下降，解決地面坐標(biāo)線起算點(diǎn)不兼容問題。

3.1.3 網(wǎng)型設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，常用的GPS-RTK 橋梁控制網(wǎng)主要分為跟蹤站式、多基準(zhǔn)式、會(huì)戰(zhàn)式、單基準(zhǔn)站式、同步圖形拓展式等形式。在進(jìn)行橋梁控制網(wǎng)的網(wǎng)型設(shè)計(jì)時(shí)，工作人員還可在上述各種形式的GPS-RKT 橋梁控制網(wǎng)型式中融入三角網(wǎng)形式，進(jìn)而促使所設(shè)計(jì)的橋梁控制網(wǎng)的獨(dú)立環(huán)和附和路線坐標(biāo)閉合差滿足現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際要求。

3.2 橋梁控制網(wǎng)的布置

由于GPS-RTK 定位測量技術(shù)在應(yīng)用過程中會(huì)受到工作環(huán)境、衛(wèi)星狀況等因素的影響，所以為能夠有效營造出更好的工作環(huán)境，降低測量干擾，應(yīng)在測量過程中減少周邊信號源的存在，確保信號接收器能夠正常接收信號，保障信號傳輸正常。同時(shí)，還需要將監(jiān)控點(diǎn)布設(shè)在開闊地帶，并要求監(jiān)控點(diǎn)周邊區(qū)域不存在障礙物。再次，還需要在進(jìn)行橋梁控制網(wǎng)布置過程中對多路徑效應(yīng)進(jìn)行充分考慮，即要求控制點(diǎn)周邊區(qū)域不存在強(qiáng)反射面，并要遠(yuǎn)離高壓線等電磁干擾區(qū)域。最后，在進(jìn)行具體監(jiān)控點(diǎn)布置時(shí)，還要避免使用支點(diǎn)，保障監(jiān)控點(diǎn)的穩(wěn)固性和使用便利性，多維度保障橋梁控制網(wǎng)的應(yīng)用成效。

3.3 橋梁控制網(wǎng)的施測

3.3.1 GPS-RTK 設(shè)備選擇

在進(jìn)行GPS-RTK 設(shè)備選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)橋梁控制網(wǎng)的精度級別要求合理進(jìn)行，并在GPS-RTK 設(shè)備應(yīng)用前，對所有設(shè)備的性能、精度及使用可靠性進(jìn)行全面檢驗(yàn)，避免施工過程中因設(shè)備精度問題導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)精度受到影響。通常情況下，GPS-RTK 設(shè)備檢驗(yàn)主要采用一般檢驗(yàn)、通電檢驗(yàn)、實(shí)測檢驗(yàn)等流程，為保障測量數(shù)據(jù)精度，必須要對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行著重關(guān)注。

3.3.2 外業(yè)實(shí)測

根據(jù)橋梁網(wǎng)點(diǎn)布置的相關(guān)要求，合理選擇埋設(shè)標(biāo)志石，確保標(biāo)志石的長期重復(fù)利用。具體來說，應(yīng)在GPS 點(diǎn)位置布設(shè)必要的重心標(biāo)志石，并保障標(biāo)志石的穩(wěn)固性，尤其是針對施工周期相對較長的大型橋梁來說，其GPS-RTK 監(jiān)測點(diǎn)使用更為頻繁，所以為保障測量的精準(zhǔn)性，可以選擇施工強(qiáng)制中對觀測墩來作為橋梁控制網(wǎng)的基準(zhǔn)中心點(diǎn)。

3.3.3 外業(yè)作業(yè)模式

隨著GPS-RTK 技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，如今兩點(diǎn)之間定位技術(shù)也形成了諸多技術(shù)方法，進(jìn)而衍生出多種外業(yè)作業(yè)模式，并且不同的作業(yè)模式在觀測時(shí)間、作業(yè)方式以及應(yīng)用范圍上也存在一定差異。現(xiàn)階段，常用的外業(yè)作業(yè)模式主要包括靜態(tài)相對定位、動(dòng)態(tài)定位、快速相對靜態(tài)定位等，由于橋梁控制網(wǎng)對于GPS 控制網(wǎng)的精度要求相對不高，所以無須選用觀測時(shí)間較長的靜態(tài)相對定位外業(yè)作業(yè)模式，可以選用快速靜態(tài)定位外業(yè)作業(yè)模式來達(dá)成外業(yè)監(jiān)控效果。

3.4 數(shù)據(jù)處理

GPS-RTK 技術(shù)的數(shù)據(jù)處理主要包括基線解算和外業(yè)檢核兩部分內(nèi)容。其中基線解算通常選用相對觀測值雙差分技術(shù)，配合隨機(jī)軟件應(yīng)用廣播星歷進(jìn)行具體外業(yè)基線解算；外業(yè)檢核則是對每天上傳到系統(tǒng)中的外業(yè)作業(yè)數(shù)據(jù)通過隨機(jī)軟件進(jìn)行基線解算，檢核外業(yè)作業(yè)數(shù)據(jù)的有效性，對于不合格數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，并要求外業(yè)作業(yè)人員進(jìn)行重新觀測和補(bǔ)測，保障外業(yè)作業(yè)質(zhì)量。

4 結(jié)語

綜上所述，相對于傳統(tǒng)測量方式來說，GPS-RTK技術(shù)在橋梁監(jiān)控中具有更強(qiáng)優(yōu)勢，尤其是在數(shù)據(jù)采集以及橋梁狀態(tài)動(dòng)態(tài)分析方面，其可以獲取到更加精準(zhǔn)有效的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而為后續(xù)橋梁施工及管理提供重要數(shù)據(jù)支持，保障橋梁施工的安全性，提高橋梁整體運(yùn)營效益。