GPS與CAD技術(shù)在特大型橋梁測量中的運(yùn)用研究

王 颯，徐 珂，鄧 樂

(1.河南省第二公路工程有限公司，河南 鄭州 450015；2.河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)，河南 鄭州 450047)

0 引 言

隨著社會的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對交通出行品質(zhì)提出了更高的要求。打造多式聯(lián)運(yùn)樞紐型交通強(qiáng)省，成為各省積極探索交通治堵的新舉措。河南省與山東省經(jīng)過多年的公路建設(shè)，兩省東西向交通路網(wǎng)框架已基本搭建完成，但是南北向交通主干道還非常缺乏，特別是兩省之間一條黃河阻斷公路交通，群眾出行不便，成為了區(qū)域經(jīng)濟(jì)合作的阻礙因素之一。

為此，針對黃河阻斷高速公路通行的問題，兩省根據(jù)全國高速公路網(wǎng)規(guī)劃，決定新建設(shè)一座特大黃河大橋。但是，由于黃河河水水流湍急，為游蕩型河流，河床地質(zhì)復(fù)雜，施工難度大。為了提高黃河特大橋工程測量效率,在保證所有GPS測量項(xiàng)目的數(shù)據(jù)均滿足高速公路橋梁勘查要求的前提下，運(yùn)用GPS進(jìn)行平面測量控制，建立了測區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)系，使用無人機(jī)航拍進(jìn)行地形圖測繪，再使用相應(yīng)程序編輯成CAD下的DWG格式電子地形圖[1]。通過計(jì)算黃河橋跨以通航凈空控制的梁底標(biāo)高的控制數(shù)據(jù)，為特大型橋梁工程施工提供技術(shù)支持。

1 工程概況

項(xiàng)目起于濮陽至湖北陽新高速公路濮陽段一期工程終點(diǎn)，橋頭順接一期工程，向南跨越黃河，路線終點(diǎn)(K42+042.788)位于山東省菏澤市牡丹區(qū)李村鎮(zhèn)東高寨東南，對接濮陽至湖北陽新高速公路山東段。路線全長8.127 km，其中河南省境內(nèi)4.864 km，山東省境內(nèi)3.263 km。沿線主要控制點(diǎn)：路線起點(diǎn)，黃河北岸大堤，主河槽，黃河南岸大堤，沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)、濮陽縣和菏澤市規(guī)劃區(qū)。該工程為獨(dú)立黃河特大橋，河南段長4.864 km，山東段長3.263 km。其中路橋段8.127 km，設(shè)計(jì)速度80 km/h，采用雙向六車道一級公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)；黃河特大橋工程為項(xiàng)目二期，始于一期工程終點(diǎn)，向南跨越北大堤，跨越省界，于菏澤市東高寨東跨越黃河南大堤，止于黃河大橋南橋頭，到達(dá)項(xiàng)目終點(diǎn)。

該工程項(xiàng)目將與區(qū)內(nèi)已建成運(yùn)營的濮范高速、菏寶高速共同構(gòu)成區(qū)域高速公路網(wǎng)主骨架，既可完善地方道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，又可實(shí)現(xiàn)(山東)魯、(河南)豫兩省高速公路網(wǎng)絡(luò)體系的融合，進(jìn)一步優(yōu)化路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高道路的運(yùn)輸效益，為豫北以及魯西地區(qū)居民的快捷出行提供陸路通道。

2 GPS在特大型橋梁工程控制測量中的優(yōu)勢

2.1 GPS任務(wù)依據(jù)

特大型橋梁工程具有橋體巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，相比于一般橋梁工程設(shè)計(jì)和施工難度更大。因此，加強(qiáng)對特大型橋梁控制測量，收集信息工作尤為重要。GPS三維定位、快速、全天候測量的優(yōu)點(diǎn)，為跨河高程測量實(shí)現(xiàn)精密控制提供技術(shù)支撐[2]，GPS適用于特大型橋梁控制測量和高速公路地形圖的測繪[3]。GPS與CAD相結(jié)合，生成精準(zhǔn)度極高的DWG格式電子地形圖，廣泛應(yīng)用于大地測量、工程測量等方面。

2.2 GPS與CAD技術(shù)控制測量優(yōu)勢

隨著設(shè)計(jì)施工一體化在交通行業(yè)應(yīng)用程度逐步提高，BIM設(shè)計(jì)將成為主流，AI技術(shù)、無人機(jī)應(yīng)用及高精度遙感測量逐步融合到勘探和測量行業(yè)，再通過BIM+AI技術(shù)來解決測量疑難問題和測繪痛點(diǎn)。測繪GPS與CAD大數(shù)據(jù)技術(shù)的運(yùn)用，需要在BIM新設(shè)計(jì)工具中融入最新的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)AI輔助建立橋梁模型。

公路橋梁工程實(shí)踐證明，GPS與CAD在特大型橋梁工程控制測量中優(yōu)勢明顯，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是可以聯(lián)系橋梁兩端點(diǎn)位，從而減少地面控制點(diǎn)；二是選點(diǎn)方便，人員工作量大大減少，同時(shí)避免爬高作業(yè)，大大提升了安全性；三是控制結(jié)構(gòu)簡單、觀測量小；四是可以連續(xù)作業(yè)，測量和繪圖速度比較快，綜合效益高。GPS在特大型橋梁工程控制測量中具有廣闊發(fā)展前景，所以，要加強(qiáng)GPS與CAD及AI技術(shù)的研究，為公路橋工程控制測量提供可靠的保障。

2.3 控制網(wǎng)布設(shè)

采用GPS技術(shù)對橋梁和橋面測量時(shí)，需要在GPS高級網(wǎng)中加密控制點(diǎn)，布網(wǎng)盡量采用正三角網(wǎng)，既能保證布網(wǎng)的精度高，又能保證密度分布較均勻。鑒于黃河底部地形復(fù)雜，也可以使用一些短邊三角形，來保證網(wǎng)的密度和精度。GPS技術(shù)要與CAD及AI技術(shù)相結(jié)合，才能發(fā)揮出更大作用。由于特大型橋梁工程跨度比較大，所以在設(shè)計(jì)控制網(wǎng)時(shí)要以《公路全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》中的B級網(wǎng)精度指標(biāo)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，要根據(jù)控制網(wǎng)布設(shè)的要求進(jìn)行GPS選擇，路橋工程測量一般采用高精度雙頰的GPS接收機(jī)，三角網(wǎng)布設(shè)，這樣能有效發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果的誤差，使得網(wǎng)中基線向量精度分布均勻。同時(shí)，控制網(wǎng)布設(shè)選擇應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目地地質(zhì)控制情況進(jìn)行三角網(wǎng)布設(shè)、環(huán)形網(wǎng)布設(shè)和星型網(wǎng)布設(shè)選擇。

2.4 選點(diǎn)及觀測

由于特大型橋梁兩岸跨度較大，在設(shè)置橋位控制點(diǎn)時(shí)要綜合考慮選點(diǎn)，滿足布網(wǎng)的要求，同時(shí)為施工放樣做好準(zhǔn)備。為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)GPS技術(shù)的觀測要求進(jìn)行選點(diǎn)時(shí)，要確保測量站接收衛(wèi)星信號穩(wěn)定，注意對信號干擾較強(qiáng)的大功率無線發(fā)射源適當(dāng)弱化或者使之頻率偏移，GPS測量遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射臺、雷達(dá)站、發(fā)射塔等強(qiáng)電磁信號，避免對高精度測量帶來不利影響，因?yàn)閷蛄航Y(jié)構(gòu)來說，高速公路橋梁建設(shè)中的測量準(zhǔn)確是其質(zhì)量的可靠保障[4]。選點(diǎn)和觀測要選擇較為開闊的區(qū)域布置控制點(diǎn)，當(dāng)布置點(diǎn)和地面角度小于15°時(shí)，要掃除周圍的障礙物，其原因是控制點(diǎn)會因?yàn)檎系K物產(chǎn)生強(qiáng)反射面，同時(shí)要注意的是應(yīng)該遠(yuǎn)離湖泊、河流等。當(dāng)做好上述工作后，要適當(dāng)提升衛(wèi)星觀測高度，對于提升觀測水平有一定的幫助。點(diǎn)位選擇要進(jìn)行綜合考慮，保證具有安全性、長期性，為后期工作及施工建設(shè)做好準(zhǔn)備。同時(shí)要結(jié)合施工橋位CAD編輯設(shè)計(jì)工作平面圖及施工平面圖來布置，在GPS與CAD+AI技術(shù)檢測數(shù)據(jù)的支持下，準(zhǔn)確估算施工區(qū)域，這樣可以避免測量工作對施工區(qū)域產(chǎn)生的影響[5]。需要注意的是，可以適當(dāng)增加一些觀測基線，從而實(shí)現(xiàn)充分測量，不斷提升整網(wǎng)測繪的可靠性。

3 GPS-CAD技術(shù)在特大型橋梁測繪中的應(yīng)用

3.1 基于GPS-CAD技術(shù)的測量控制

GPS基線向量一定程度上代表了不同監(jiān)測站之間的位置關(guān)系，是測站和測站之間的坐標(biāo)增量[6]。在使用GPS技術(shù)時(shí)要配合其他技術(shù)，一個(gè)模型無法滿足跨階段的、多專業(yè)的、多樣化的需求，以免造成單一GPS信息表達(dá)的困難與復(fù)雜化。所以，運(yùn)用新技術(shù)對特大型橋梁工程開展工程勘察和地質(zhì)勘察時(shí)，測量要使用AI+BIM三維正向設(shè)計(jì)，結(jié)合GPS-CAD技術(shù)測量，實(shí)現(xiàn)AI輔助的橋梁測站點(diǎn)選址。完成控制點(diǎn)選擇及標(biāo)識埋石工作后，為了提升標(biāo)識埋石穩(wěn)定性，需要對標(biāo)識埋石進(jìn)行觀察，經(jīng)過一段時(shí)間確認(rèn)河水中的標(biāo)識埋石變得穩(wěn)固后再進(jìn)行觀測。為了發(fā)揮出GPS的最大作用，確保測量的全面性、準(zhǔn)確性，要在GPS點(diǎn)之間使用基線構(gòu)成的非同步的閉合環(huán)，保證測量工作的順利開展，減少不利因素影響。

3.2 橋梁梁底標(biāo)高控制計(jì)算

在橋梁梁底標(biāo)高控制設(shè)計(jì)中，根據(jù)路線布設(shè)綜合考慮沿線地形、水文、環(huán)保等多方面因素，科學(xué)推算出橋梁梁底控制標(biāo)高：按通航要求HL(梁底標(biāo)高)≮Ht(十年一遇洪水設(shè)計(jì)水位)+h(通航凈高)；按防洪要求HL(梁底標(biāo)高)≮Hp(校核洪水設(shè)計(jì)水位)+hb(浪高、壅水高和安全高度)+Δh0(橋下凈空)；跨越堤防處HL(梁底標(biāo)高)≮Hd(設(shè)計(jì)水平年堤頂標(biāo)高)+hj(交通凈空4.5 m)。因此黃河特大橋梁底控制標(biāo)高計(jì)算出來后的數(shù)據(jù)如下，通航孔跨以通航凈空控制，梁底標(biāo)高不得低于71.93 m；而灘地范圍以設(shè)計(jì)水位控制，梁底標(biāo)高不得低于66.93 m；黃河左岸、右岸大堤控制標(biāo)高，梁底標(biāo)高不低于72.25 m。橋梁工程中新技術(shù)GPS的應(yīng)用具有較高綜合效益，除了保證控制測量質(zhì)量外，還體現(xiàn)在施工效率、質(zhì)量、安全等方面，具有較高應(yīng)用價(jià)值。

3.3 GPS點(diǎn)位的觀測值

黃河特大型橋梁跨越省界，構(gòu)建起省際南北交通大通道，對緩解地區(qū)交通緊張狀態(tài)，同時(shí)構(gòu)建地區(qū)高速交通骨架，促進(jìn)沿線資源開發(fā)和旅游事業(yè)的發(fā)展具有重要作用。陽新高速濮陽段北接濮范高速，向南跨越黃河，止于山東省菏澤市牡丹區(qū)李村鎮(zhèn)東高寨東南，路線全長約42.748 5 km。其中河南省內(nèi)路線長39.485 5 km(包含陽新一期高速公路、陽新二期黃河特大橋)，山東省境內(nèi)路線全長3.263 km。其中放線測量、橫斷面測量、橋梁、占地、防排調(diào)查和路線地質(zhì)調(diào)查等工作繁重，迫切需要GPS結(jié)合CAD技術(shù)來解決定位路徑難題[7]。特大型橋梁附近跨越黃河的相關(guān)道路主要有G106東明黃河公路大橋，國道G240范縣黃河公路大橋和S304白堽黃河公路大橋，G106東明黃河公路大橋位于本橋位上游15 km處，S304白堽黃河公路大橋位于本橋位下游17 km處，外業(yè)踏勘按照《公路勘測規(guī)范》、《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》和《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》等要求，并嚴(yán)格執(zhí)行ISO9001：2000 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行平面控制點(diǎn)的布設(shè)、埋點(diǎn)和四等GPS控制點(diǎn)測量工作，對這些點(diǎn)位進(jìn)行四等水準(zhǔn)測量，完成了中線放線測量、橫斷面測量、橋梁、占地、防排調(diào)查和路線地質(zhì)調(diào)查等工作，精確確定了路線起終點(diǎn)、中間控制點(diǎn)等。

(1)平面指標(biāo)

路線全長8.127 km，共設(shè)兩個(gè)彎道，平曲線占路線全長43.52%，最大偏角αz=61°27′34″，最小偏角αy=52°26′08″，最小平曲線半徑R=2 300 m，最大平曲線半徑R=4 000 m，直線段長4 590.349 m。

(2)縱斷面指標(biāo)

縱斷面共設(shè)置7個(gè)變坡點(diǎn)，平均0.861個(gè)/km，最大縱坡2.5%/1處(1 057.066 m)，最大坡長2 494.067 m/0.45%，最小坡長690 m/1處，最小凸曲線20 000 m，最小凹曲線12 000 m，曲線段占整個(gè)路線長度的42.432%。

其中，平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用1980西安坐標(biāo)系，中央子午線為115°17′，3度帶；高程系統(tǒng)采用1985年國家高程基準(zhǔn)。水位控制的梁底標(biāo)高不得低于66.93 m，梁底標(biāo)高不得低于72.25 m。GPS基線的向量數(shù)據(jù)為準(zhǔn)確銜接城市主干道黃河路以及省道304等干線公路提供了技術(shù)保證，達(dá)到合理的選擇線位，合理控制用地?cái)?shù)量，減少征地范圍的目的。測繪主要工作內(nèi)容為路線、路面、橋梁、交通工程及其他工程的初步勘察設(shè)計(jì)。黃河特大橋項(xiàng)目的路線布設(shè)采用高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度120 km/h，采用雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，路基寬34.5 m，與工可報(bào)告批復(fù)完全一致。

4 結(jié) 語

綜上所述，GPS結(jié)合CAD技術(shù)在特大型橋梁工程控制測量中的應(yīng)用，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。控制測量主要作用是收集工程相關(guān)信息，GPS技術(shù)可充分發(fā)揮其在復(fù)雜地形測量中的作用，為黃河特大橋橋位、路線、路面、橋梁的勘察設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，保證了特大型橋梁梁底控制的準(zhǔn)確性，沿線高速公路整網(wǎng)銜接的可靠性，橋梁施工的科學(xué)合理性，提升了橋梁工程的勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量。