跨海大橋水中構筑物的高精度測量

趙慶安

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東廣州 510507）

0 引言

隨著國內跨水域長距離大型橋梁投入使用年數和交通量的增長，許多大型跨海橋梁需要面臨運營期間的改擴建的勘測和變形監測。特別是當前現有高速公路的通行能力擴容的改擴建工程正在如火如荼的進行，所以超寬水域中橋梁墩柱或者其他構筑物的精確測量顯得尤為重要。

1 工程案例

某高速公路改擴建工程的施工圖設計的勘測任務中包含一座跨江大橋的水中墩柱的測量，現狀舊橋如圖1所示。

圖1 現狀跨海大橋舊橋

（17×20+15×30+70+4×120+70+3×30+20+2×30+2×20+10×30+26×20+23+2×30+27+30+6×20+3×13）m PC小箱梁、PC連續剛構箱梁、PC連續箱梁，擬在現狀橋梁南側新建一座橋，橋梁參數為：

（130+240+240+130+36+65+36+2×21.5+9×30+26×20+4×30+7×20+3×13）m PC小箱梁、斜拉橋、PC連續箱梁。由于此跨海大橋所跨水域屬于一級航道，所以新建橋梁的主橋墩要求要和舊橋墩對齊且連線需平行于航線方向，以提高船舶的通行效率，降低船舶撞擊橋墩的風險。故此處墩柱的勘測要求對測量成果的三維精度要求比較高。筆者主要結合此處勘測內容的實際情況，展開分析其難點以及要點問題，并提出解決問題的方法。

2 水中構筑物施測的要點和難點

平面和高程精度要求盡可能高，常用的工程測量方法各有優缺點，全站儀極坐標法施測時無論是有棱鏡或無棱鏡，優勢在于短距離的高精度測量，劣勢在長距離施測時距離的絕對精度受溫度、氣壓等影響大。GPS-RTK施測時優勢在于測區范圍內坐標絕對精度保持一致，劣勢在于需要施測時實時保持導航衛星通視情況良好，然而有些結構物的特征點施測時不能對衛星通視。

3 提高平面精度的主要措施

3.1 控制測量方案的制定

首先根據行業規范《公路勘測規范》，在選擇路線平面控制測量坐標系時，應使測區內投影長度變形值不大于2.5cm/km；大型構造物平面控制測量坐標系，其投影長度變形值不大于1cm/km。所以項目前期開展勘測任務時就要結合測區所在地理位置、平均高程等控制因素去選擇合理的坐標系當投影長度變形值滿足要求時，應采用高斯正形投影3°帶平面坐標系，當投影長度變形值不能滿足要求時，可采用投影于抵償投影面上的高斯正形投影3°帶平面直角坐標系統或參考橢球的高斯正形投影任意帶的平面直角坐標系，也可以采用假定坐標系，當采用獨立坐標系、抵償坐標系時，應提供與國家坐標系的轉換關系。

平面控制測量坐標系的選擇要使測區的平均高程面的投影變形不能超過1cm/km。但是有些跨海大橋橋型是斜拉橋或者懸索橋，主塔高度比較高，有些橋的塔頂與塔底高差大于100m，由于塔頂和塔根處距離投影面的高差不一致會導致塔頂和塔底處在同一投影面上的投影變形不一致，會影響構筑物的測量精度，應該通過優化坐標系的選擇去解決這類問題，如圖2所示。

圖2 高主塔斜拉橋垂直度的檢測

本案例項目的跨海大橋上部和下部高差相差30m左右，所以由結構物的頂和底的高差造成的影響不大，在前期開展勘測任務時已經考慮此問題，跨海大橋在平面坐標系中處最大投影變形值0.06872cm/km，優于規范要求。

3.2 施測方法的選擇

距離控制點較遠的構筑物的測量，首選GPS-RTK施測，GPS-RTK精度高，可以將誤差控制在厘米以內，并實現測站點在特定坐標系中三維定點，具有操作時間短、使用方便等優異性能。將參考站接收機設置在參考點，點校正后就可以直接施測，保證現有坐標系下絕對精度，但是有些水中構筑物的下部結構會被水淹沒，不能近距離接觸，或者有些構筑物可以近距離接觸施測，但是選用RTK施測時不能保證對衛星良好的通視，也就不能選用RTK施測。

其次選用全站儀極坐標法施測，如果水中構筑物可以近距離接觸，最好可以在結構物特征點安裝棱鏡再進行特征點的施測，如果不能近距離接觸，只能選擇免棱鏡施測，但是免棱鏡模式測距精度低于有棱鏡模式。全站儀施測的影響因素很多，需要高精度的儀器、定向和施測時的照準誤差、測距時的溫度，氣壓對測距的影響、定向邊長要盡量大于施測邊長、架儀器控制點的點位坐標精度，單方向觀測一般都是不能同時觀測到全部特征點，需要多方向同時觀測，所以不能保證構筑物的特征點間的幾何相關性。所以選擇全站儀施測時，盡量不要直接讓儀器進行坐標計算，而是導出原始測量的斜距和角度，記錄施測時的氣溫，氣壓等參數進行一系列的改正得到改正后的數據，在內業中進行前方交會進行特征點的定位。

3.3 結合構筑物的固有幾何因素進行改正

首先結構物的幾何因素是已知的前提下，例如水中橋墩在水平面投影是圓形或者橢圓等，水中防撞限高架是矩形等，內業中要適當對數據進行相關性改正，才能達到理想的結果，如圖3所示。

圖3 高精度測量構筑物成果

4 提高高程精度的主要措施

水中結構物碎部點的高程施測首選水準測量，但是因為受距離限制達不到水準測量的條件，更多的是選用三角高程施測。三角高程施測需要盤左、盤右多測回觀測垂直角并變換儀器高進行多次施測，也需要對斜距進行改正，同時從不同方向進行觀測相互檢核提高測量精度，所以在進行三角高程施測時一般不在儀器內進行坐標計算而是記錄原始數據，內業時對數據進行改正得到最終的成果。

5 結語

綜上所述，隨著目前越來越多超寬水域結構的建設和投入使用，對于水中結構物的超高精度的測量的需求越來越多，各種跨海大橋的變形監測等，所以除了提高我們的測量儀器的測量精度和減弱施測環境的影響，更多的是利用工程測量理論技巧去提高施測成果的測量精度。

本文通過工程實例勘察測繪時遇到的實際問題以及應對策略進行分析，其目的在于更好地了解和掌握超寬水域中構筑物高精度施測的相關要點。為同類工程提供建議，具有借鑒意義，值得推廣。