GPS桥梁控制测量技术案例分析
摘要：结合实际工程，笔者较为详细的介绍了GPS技术在桥梁控制测量中的应用。验证了GPS测量精度高、数据可靠、定位速度快、能动态监测等多方面的优越性。
关键词：GPS技术、桥梁工程、工程测量
1工程概况
某跨江大桥工程:总长8206米，其中主桥采用100+100+300+1088+300+100+100=2088米的双塔双索面钢箱梁斜拉桥。斜拉桥主孔跨度1088米，;斜拉索的长度580米;群桩基础平面尺寸113.75米×48.1米。专用航道桥采用140+268+l40=548米的T型刚构梁桥；南北引桥采用30、50、75米预应力混凝土连续梁桥。
2基准选取
2.1坐标系与起算数据的确定
该大桥位于东经120º59’，北纬31º47’。若按国家统一坐标系采用3º投影中央子午线为120º,根据计算桥轴线每公里的高斯投影变形为54mm，这对精密桥梁控制网而言是绝对不允许的，为此采用任意带投影独立坐标系，中央子午线取120º59’，计算偏离中央子午线1km的边每公里的高斯投影变形为0.15mm，可以忽略不计。
考虑与道路的衔接以及桥梁建设中的高精度要求。采用挂靠在国家统一坐标系下的独立坐标系统，中央子午线取120º59’。为了引入坐标系统，联测I第八村、II时思镇、I联合村三点国家一、二等三角点，这样确定桥梁控制网的国家统一坐标系以及120º59’的独立坐标系坐标。由于采用三点约束平差，桥梁各控制点的精度受起算点的精度影响，不能满足桥梁控制网的需要。这时可采用控制网中的一点与一方向进行重新平差，得到独立坐标系的坐标。
2.2投影面的选取
为了满足该大桥不同施工面的使用，投影面选择“0米正常高面”、“8米正常高面”、“76米正常高面”几个投影面。“0米正常高面”可以实现与道路的连接。“8米正常高面”为控制点平均墩面高程，也是使用最多最频繁的一个施工面，主要解决基础施工放样问题。“76米正常高面”为主桥桥面高程，主要应用于钢箱制作和桥面施工放样。
3平面控制网的精度确定
根据《公路工程质量检验评定标准》对桥长的规定，桥长允许偏差和桥长中误差分别为100mm与50rnrn。该项误差是桥梁构件的制造误差、施工误差和测量误差。将三项误差视为相互独立，依据等影响原则可得测量中误差为士28.9mm，实际上前两项误差较后者要大，因此一般取20mm,控制点的精度为8mm。
4平面控制网的布设
该大桥桥位区覆盖层厚度在290~340米之间，以粘土、亚粘土、粉沙、粗沙和砾石为主。地层处下沉趋势，江南不均匀下沉显著，据国家测绘局掌握的资料，苏州地区存在着每年厘米级的不均匀性地表下沉，对平面和高程控制点稳定性不利。这对大桥的平面控制测量和高程控制测量的精度提出了更高的要求。GPS控制网的布设是为满足该大桥的勘测设计、施工放样和大桥的变形监测的需要，遵循“整体控制、局部加密”的原则。并且在控制点位置的选择上考虑了桥梁施工的特点，一方面将点的位置于施工便道以外并适于GPS观测要求的位置，另一方面尽可能保持相邻点间相互通视以及临近线位控制点设站、长边定向的施工放样原则，该大桥的GPS平面控制网由18个点组成，网形为以桥轴线为公共边的两个大地四边形，两边各扩展一个大地四边形，这增加了网的图形强度。同时在桥轴线的延长线两端1~2公里及周围选点，其中北岸桥轴线延长线布设两个大地四边形，南岸桥轴线延长线布设四个大地四边形，各平面控制点保证有两个以上的通视方向。控制网范围东西长约2km，南北宽约10km，桥轴线相对中误差不低于1/70万；平面控制网各相邻点点位中误差不大于8mm。
5GPS平面控制测量
5.1选点造标
根据设计的网形与GPS选点的原则共布设18个点。为了方便使用以及通视的需要建造强制对中观测墩。共建造观测墩22座，其中8米高观测墩4座、6米高观测墩3座、3米高观测墩H座、2米高观测墩4座;20米深埋水准点4座、50米、6.85米深埋水准点各一座。依据长江两岸地质特点，在基础处理中分别采用了不同的加固处理方法。
5.2外业施测
根据上述布网方案以及精度指标要求，制定了严密的施测方案与施测计划。实际观测使用了8台GPS双频接收机，其中5台ASHTECHZ-xrteme型、3台ASHTECHZXII型接收机，其标称精度位5mm+lppm，均使用相同扼径圈天线(可达到3mm+0.5ppm)进行观测。观测时，观测参数设置如下:(1)同步观测有效卫星数大于等于9颗，(2)截至高度角大于15º，(3)由卫星星座和测站组成的图形几何强度小于等于6，(4)采样间隔时间15秒，(5)卫星象限分布(2520)%，(6)连续观测24小时，整个观测进行了13天，共完成该大桥首级平面控制网观测点18个及联测国家坐标点3点，形成5个同步环。同步环和同步环之间采取边连接。
观测中仪器设备工作正常。每天的观测数据都及时下载，查验数据观测质量，结果全部合格。
5.3基线解算
为了提高GPS基线解算的精度，联测武汉跟踪站(WUHN)和北京房山跟踪站(BJFS)。并采用GAMIT软件、精密星历、TIRF97框架，解算ST02的坐标，然后固定ST02，共解算基线84条。
5.4外业数据检核
对同步环、异步环和重复基线进行检核。基本情况如下:
可见外业成果均满足限差要求，说明外业观测成果质量可靠。
(4)激光测距边长检核:采用高精度测距仪分别施测网中三条边长(桥轴线边、中长边、短边)，并与GPS观测边长比较，最大差值为2.3毫米。表明GPS测量的精度结果很好，也说明测距边与GPS边尺度是基本兼容的。三条激光测距边和相应的GPS观测边比较结果如下表4。
5.5内业数据处理
首先在WGS84坐标系进行三维无约束平差，经检查基线向量的改正数(V△x、V△y、V△z)均小于三倍标准差。说明外业观测质量优良。然后进行一点一方向的二维约束平差，基线向量的改正数与剔除粗差的无约束平差结果的同名基线相应改正数的较差(dV△x、dV△y)均小于二倍标准差。平差计算的工艺流程:外业GPS数据检核核→GPS基线边的投影改化化→POWERADJ网平差→结果输出。
5.6精度统计分析
5.6.1GPS控制网地心坐标
选取WUHNGPS跟踪站为固定点，用GAMTI基线解算的结果进行坐标传递，WUHNGPS跟踪站空间地心坐标值为TIRF97(2003历元)框架下的地心坐标;
X=-2267749.3365m
Y=5009154.2898m
Z=3221290.6629m
平差后最弱点位中误差为ST13点:士0.64cm。
5.6.2桥位控制网“54北京坐标系”
中央子午线120度，I001、I002、I003为起算点，投影面为高斯椭球面，观测数据为32条GPS独立基线边，为三点约束平差方法。
起算坐标:
I001:X=3502692.9000mY=609199.6600m
I002:X=3532461.1700mY=608630.4600m
I003:X=3539125.0700mY=589648.1700m
最弱点:ST20，Mx=1.78cmMy=1.97cmMp=2.66cm
最弱边:ST16-ST20，相对精度:1/48072
可以满足道路施工的需要。
5.6.3桥位控制网独立坐标系
8米正常高投影面成果，中央子午线120度59分，STOZ为起算点、ST02至ST11的方位角固定，高程异常为62.2m，观测数据为28条GPS独立基线数据，并按GPS观测量至投影面的距离进行投影改化：
ST02坐标：X=3515101.775Y=500405.440m
ST02至ST11的方位角:4º34’22’’
最弱点:ST20，Mx=0.17mcMy0.20cmMp=0.26cm
最弱边:ST16-ST20，相对精度:1/438290
结果表明其满足8mm的精度需要。
参考文献：
[1]熊小莉.GPS在桥梁控制测量中的应用[J].北京:铁道学报，2005.8
[2]岑敏仪,付新国.大桥施工测量与GPS技术的应用[J].北京:铁道学报，2006.7
