長距離跨水域高程控制關鍵技術研究

廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507

隨著公路設計水平的提升和建設項目的需求，項目中出現了較多水域跨度大的特大橋工程。在此類工程測量過程中，需布設高精度的高程控制網。

文章的研究依托湛江東海島至雷州高速公路項目中通明海特大橋的控制網布設工程。通明海特大橋全長5830m，通過分析橋位附近的測量條件，對測量技術與方法進行了創新和改進，最終得到了高精度的高程控制數據。

1 項目方案設計

1.1 橋梁控制網方案優化

控制網的方案設計會影響整個控制網的精度。文章在高程控制測量階段充分考慮大型構造物精度要求高的因素，從以下三個方面對布設及測量方案進行改進，以提高控制網的精度。

（1）結合項目的特點和現場的地形、地質條件以及后期的施工階段需求，對控制網的網形和控制點點位進行設計，以提高整個控制網的平差解算精度。

（2）針對精度級別要求較高、觀測條件較為苛刻的特點，對傳統的跨水域高程控制測量方法以及測量儀器加以改進，以克服較差的測量觀測條件，從而提高獲取的原始數據精度。

（3）結合工程項目中的實際情況，綜合采用水準測量、跨河三角高程測量、GNSS高程擬合多種測量方法，對得到的數據成果進行綜合對比及融合分析，從而獲取最優的數據模式，以確保高程控制測量成果的高精度和可靠性。

1.2 測量方法改進

由于傳統的高程控制測量方案各有優缺點，因此在觀測條件差的跨水域高程控制測量中，需總結以往工程實際應用過程中的經驗教訓，根據項目的具體情況對測量方法進行改進。

（1）光學水準測量技術方法較為成熟，一般在長距離跨水域水準測量過程中依據現場情況選用光學測微法、傾針螺旋法等方法；特殊情況下會根據現場情況采用夜間觀測方法。

（2）GNSS高程擬合方法相對靈活，對于海拔較低、水系較多，似大地水準面較平滑，尤其是高等級高程起算點不足或沒有的地區，用GNSS跨河水準方法建立統一的跨河高程控制網非常高效適用。其誤差來源主要為GNSS儀器自身測量誤差和似大地水準面的擬合誤差。在項目的操作過程中，采用了相應的方法來提高高程控制測量的精度：①在選用GNSS儀器硬件上需配備大地型雙頻接收機，以提高觀測數據的精度。②布設強制觀測墩，可避免儀器高度測量的誤差。③似大地水準面的擬合精度決定了其觀測精度，而似大地水準面的擬合需要布設外延點，布點方案優化設計會顯著提升其擬合精度。根據測區面積、地形起伏大小、所采用的擬合模型及擬合精度等級等因素，綜合選定相應的布網方式。一般而言，GNSS水準點應均勻分布在整個測區，故測區邊緣必須有足夠數量的公共點，地形起伏較大、高程異常，有明顯變化的局部區域應適當增設GNSS水準點。④選擇在地形較為平坦的平原、丘陵與河流兩岸地貌形態基本一致地區布設控制點，非跨河點位于跨河點連線的延長線上，且各點間距離大致與跨河距離相等。按照GNSS跨河水準測量的技術要求（見表1），在兩岸各布設了2個非跨河控制點。

表1 GNSS跨河水準測量的技術要求

（3）采用測距三角高程測量進行長距離跨水域高程控制測量，其誤差來源大致可分為外界環境的影響、儀器誤差的影響、照準和讀數誤差的影響。在高程控制測量中，針對各種影響因素，對測量方法及相關儀器進行的優化、改進如下：①對全站儀進行改造，并在全站儀把手上設計定做了一個棱鏡頭連接器，并按過河水準距離專門設計定做了2個寬60cm、高40cm大小的覘板，在實現跨河水準測量的同時進行對向觀測，以消除地球曲率和大氣折光對觀測高差的影響。②按規范要求過河水準測量多組數據，垂直角每組觀測多測回。所用儀器測角精度為一測回方向觀測中誤差不大于1″。測距等級為Ⅱ級（5＜mD≤10，mD為測距中誤差）。③晴天光線較強，從順光方向看目標較為清晰，而從逆光方向看目標則很模糊，觀測過程中，選擇撐測傘并在鏡頭上配備遮光罩，以解決該問題。

2 控制測量實施

2.1 控制網測設

通明海特大橋跨越通明海峽，兩岸適宜布設控制點的位置的直線距離為3.9km。依據工程實際情況及相關規范，對此項目的橋梁獨立高程控制網進行了專題設計，綜合選用測距三角高程法結合光學水準測量方法和GNSS高程擬合法進行。

在河兩邊選取GD10、GD11、GL54、GL27四個點組成四邊形，過河水準采用經典雙線跨江的方法，并在兩岸水準點間（GD10-GD11、GL54-GL27）用電子水準儀按二等水準精度進行往返測，再和過河水準高差一起進行平差計算。

過河水準采用距三角高程同時對向觀測的方法，選擇氣象條件穩定、成像清晰的時段同時對向觀測。過河水準觀測了8組，垂直角每組觀測32測回，指標差、測回互差超限時進行了補測，氣象不穩定時則對該組全部進行了重測。每組間變換儀器高和棱鏡高，儀器高和棱鏡高分別在測前測后量測2次，2次較差不大于1mm，觀測邊長時在全站儀進行溫度和氣壓的自動改正，邊長對向觀測4測回以上，每測回邊長較差不大于1mm。觀測完畢后及時對手簿進行檢查，確認觀測成果符合規定后進行高差計算，取往返測高差中數作為測段高差。

岸上水準點間二等水準使用電子數字水準儀配相對應的銦鋼水準標尺，采用后—前—前—后順序進行往返測；外業觀測的各項限差均滿足《國家一、二等水準測量規范》（GB/T 12897—2006）（以下簡稱《規范》）要求，見表2。

表2 水準外業觀測限差值

采用GNSS高程擬合方法進行外業觀測的過程中，借助LeicaGS15大地型雙頻接收機對跨河點與非跨河點進行測量，GNSS高程控制外業觀測的相關指標參數嚴格按照《規范》中的高程觀測要求進行（見表3）。觀測時段數采用4×s，其中，跨河視線長度s取4，則觀測時段數為16。對跨河點與非跨河點進行測量后，在同岸點之間進行水準測量。使用水準儀測定同岸跨河點與非跨河點的水準高差，依據觀測數據進行擬合平差。

表3 GNSS高程觀測要求

2.2 控制數據分析

二等橋梁獨立高程控制網平差計算采用南方公司平差易程序計算，以GD10作為起算點，平差后每公里高差中誤差為0.68mm，小于《規范》允許值±2.0mm；最弱點高程中誤差為0.86mm，小于《規范》允許值±10.0mm；每公里高差偶然中誤差為0.32mm，小于《規范》允許值±1mm；其各項精度指標均滿足《規范》要求。

為確保控制網高程控制測量數據的可靠性，對三角高程觀測數據和GNSS擬合高程數據進行對比。對比結果見表4。

表4 高程結果數據對比

3 結束語

文章依據項目的實際特點，制訂了相應的控制測量方案，采用了多種測量方法，以提高測量結果的可靠性，并對各測量技術手段進行了改進，對多種測量成果數據進行了對比分析和綜合平差。通過在實際工程項目中的實踐應用，提升了測量成果的精度和可靠性，提高了效率并節省工程造價，可為國內跨度大于3.5km的長距離跨海高程控制測量提供一定參考價值。長距離跨水域高程測量作為一種高精度控制測量，今后還需在實際項目中不斷被研究和創新，從而得到精度更高、更為可靠的成果數據。