遠(yuǎn)距離水上工程施工中的測(cè)量放樣

1、遠(yuǎn)距離水上工程施工中的測(cè)量放樣摘要針對(duì)遠(yuǎn)距離水上工程施工的特點(diǎn),闡述運(yùn)用GPS定位技術(shù)和全站儀常規(guī)測(cè)量方法相結(jié)合進(jìn)行遠(yuǎn)距離水上工程施工中的測(cè)量放樣的基本原理,對(duì)其精度進(jìn)行分析,并在跨海大橋工程建設(shè)中實(shí)際應(yīng)用。關(guān)鍵詞GPS定位技術(shù)靜態(tài)測(cè)量精度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換放樣一、前言隨著GPS測(cè)量定位技術(shù)的蓬勃發(fā)展,許多遠(yuǎn)距離水上工程(如跨海大橋、大型碼頭等的建設(shè)迅速展開。由于遠(yuǎn)距離水上工程離岸很遠(yuǎn),一般長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里甚至數(shù)十公里,而且潮流、風(fēng)浪等施工環(huán)境非常惡劣,其測(cè)量工程的施工,無(wú)論是測(cè)量方法還是精度都受到很多制約,與岸上測(cè)量工程的施工孑然不同。本文針對(duì)遠(yuǎn)距離水上工程施工的特點(diǎn)和技術(shù)要求,推出以GPS測(cè)量定位技術(shù)與常

2、規(guī)測(cè)量?jī)x器全站儀相結(jié)合進(jìn)行測(cè)量放樣的方法,闡述其基本原理,對(duì)其精度進(jìn)行分析,并敘述作業(yè)要求及施工作業(yè)流程。二、GPS測(cè)量定位技術(shù)與全站儀測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn)GPS定位技術(shù)在工程施工中主要運(yùn)用GPS靜態(tài)測(cè)量和RTK測(cè)量技術(shù),常規(guī)的測(cè)量放樣則主要使用全站儀進(jìn)行,它們的優(yōu)缺點(diǎn)如下:1.GPS靜態(tài)測(cè)量(1優(yōu)點(diǎn)自動(dòng)化程度高用GPS接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量時(shí),只要將天線準(zhǔn)確地安置在測(cè)站上,主機(jī)放在離測(cè)站不遠(yuǎn)處,接通電源,啟動(dòng)接收機(jī),儀器即可開始工作。結(jié)束測(cè)量時(shí),僅需關(guān)閉電源,取下接收機(jī),便完成了野外數(shù)據(jù)采集任務(wù)。內(nèi)業(yè)計(jì)算則通過精良的軟件進(jìn)行解算即可。觀測(cè)速度快GPS測(cè)量不受通視條件、控制網(wǎng)網(wǎng)形、霧、黑夜等因素的限制,可遠(yuǎn)距

3、離、全天候、數(shù)臺(tái)儀器同時(shí)作業(yè)。根據(jù)控制網(wǎng)的等級(jí)要求,一個(gè)時(shí)段的觀測(cè)時(shí)間從幾十分鐘到幾小時(shí)甚至數(shù)十小時(shí)不等。一般情況下,用三臺(tái)GPS接機(jī)一天就可以完成一個(gè)由10個(gè)控制點(diǎn)左右組成的施工控制網(wǎng)的外業(yè)測(cè)設(shè)工作。比如一個(gè)由4、5個(gè)泊位組成的碼頭工程,兩天時(shí)間就能完成施工控制網(wǎng)布測(cè)和內(nèi)業(yè)計(jì)算任務(wù),而常規(guī)測(cè)量則需一星期左右。定位精度高大量試驗(yàn)表明,GPS衛(wèi)星靜態(tài)定位測(cè)量精度高,定位計(jì)算的內(nèi)符合與外符合精度均符合(5mm+1ppm·D的標(biāo)稱精度,二維平面位置相當(dāng)好,僅高程方面稍遜一些,用GPS相對(duì)定位結(jié)果,還可以推算出兩測(cè)站的間距和方位角,精度也很好。(2缺點(diǎn)GPS靜態(tài)測(cè)量定位需要根據(jù)不同的精度要求

4、,觀測(cè)數(shù)個(gè)時(shí)段,每個(gè)時(shí)段要觀測(cè)幾十分鐘以上,且需用相應(yīng)軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)計(jì)算才能得到測(cè)量成果才能進(jìn)行外業(yè)施工,所以該方法適用于測(cè)量控制而不適合用于測(cè)量放樣。2.RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量(1優(yōu)點(diǎn)RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)等優(yōu)點(diǎn),平面精度能夠達(dá)到亞厘米級(jí)精度,但高程精度較差。(2缺點(diǎn)RTK的高程精度很差,無(wú)法用于高程放樣。RTK測(cè)量有假鎖現(xiàn)象,具體測(cè)量放樣時(shí),不容易判斷數(shù)據(jù)的正確性。由于GPS采用的是54坐標(biāo)系,像這樣大跨距的工作無(wú)法建立一個(gè)與局部工程軸線平行或垂直的施工坐標(biāo)系,放樣數(shù)據(jù)不直觀,易出錯(cuò)。用RTK放樣出來(lái)的點(diǎn),局部整體性不好。比如碼頭的一個(gè)樁帽用RTK放樣出來(lái),則邊長(zhǎng)條件不好。所以,RTK測(cè)量適用

5、于精度要求不高的測(cè)量工作,如校核、測(cè)樁偏位等。3.全站儀(1優(yōu)點(diǎn)用全站儀進(jìn)行測(cè)量放樣,可以根局部工作的軸線建立局部的施工坐標(biāo)系,放樣時(shí),直觀、方便。用全站儀放樣出來(lái)的點(diǎn)的,局部符合性很很好,如碼頭的樁帽、橫梁等放樣出來(lái),相對(duì)位置整齊劃一。(2缺點(diǎn)全站儀的缺點(diǎn)是,控制點(diǎn)之間要求通視,成像要求清析,放樣距離有限,像霧、黑夜等氣候無(wú)進(jìn)行作業(yè)。三、原理遠(yuǎn)距離水上工程的測(cè)量放樣,其主要原理是:根據(jù)相應(yīng)的精度要求,利用GPS定位技術(shù)中的靜態(tài)測(cè)量的方法,在樁基、承臺(tái)等基礎(chǔ)工程的適當(dāng)部位按相應(yīng)等級(jí)GPS控制網(wǎng)的要求,布測(cè)一定距離且相互通視的控制點(diǎn),然后在該控制點(diǎn)上架設(shè)全圖1站儀,用坐標(biāo)法進(jìn)行測(cè)量放樣。如圖1所

6、示,A、M點(diǎn)為GPS靜態(tài)測(cè)量點(diǎn),P為放樣點(diǎn),為放樣角、S AP為放樣距離。四、精度分析1.中誤差計(jì)算式在圖1中,由于測(cè)距有誤差,將使放樣點(diǎn)在放樣距離的長(zhǎng)度方向上站生位移,這種位移稱為縱向誤差,相應(yīng)的中誤差稱為縱向誤差,以C 表示。由于測(cè)角有誤差,將使放樣點(diǎn)在導(dǎo)線長(zhǎng)度的垂直方向產(chǎn)生位移,這種位移稱為橫向誤差,相應(yīng)的中誤差稱為橫向中誤差,以m 表示。用全站儀進(jìn)行測(cè)量放樣時(shí),其中誤差計(jì)算式為2:AB s S b a m += (1a 為固定誤差,b 為比例誤差。設(shè)放樣角有誤差d ,則使放樣點(diǎn)產(chǎn)生橫向位移,而d s AB=,則放樣點(diǎn)的橫向中誤差為2:ABs m m =(2設(shè)起始坐標(biāo)方位角誤差為0m ,

7、由于起始坐標(biāo)方位角誤差由已知點(diǎn)A 、M 引起,則根據(jù)誤差傳播定律3,坐標(biāo)方位角誤差計(jì)算公為:220+ =S m S m m M A (3一般地, A 、M 點(diǎn)為同等級(jí)控制點(diǎn),其中誤差相等,設(shè)為A m ,則:Sm m A =20 (4此外放樣點(diǎn)還受到起始點(diǎn)點(diǎn)位中誤差A(yù) m 的影響,以及由于起始座標(biāo)方位角中誤差0m 而使放樣點(diǎn)站生橫向位移為S m 0影響,還有前后、視棱鏡照準(zhǔn)誤差v m 、儀器對(duì)中誤差i m 。考慮到起始誤差、測(cè)量中的偶然誤差的綜合影響,放樣點(diǎn)的總誤差為:22222022i v s Apm m S m m S m m M+ +±= (5 代入(4式,則:2222223i

8、v s Apm m S m m m M+±= (6 例1:設(shè)mm m A 10=,ppm m s 22+=,"=2m ,m S 500=,206265=,mm m v 5=,mm m i 2=代入上(6式,得:(mm6.1925220626550000025.022103222222±+ +±= 另外還有溫度、氣壓、大氣折光的影響,但是由于放樣距離一般不太遠(yuǎn),而且全站儀都有這方面的改正系數(shù),所以這里不予考慮。2.點(diǎn)位誤差和相鄰點(diǎn)位誤差點(diǎn)位誤差指相對(duì)控制網(wǎng)起算點(diǎn)的誤差,相鄰點(diǎn)位誤差是指控制網(wǎng)點(diǎn)相對(duì)于相鄰控制點(diǎn)的誤差,橋梁墩、臺(tái)等放樣的軸線偏位值一般可以認(rèn)為

9、是相對(duì)于最近控制點(diǎn)的放樣誤差,因此用于放樣的測(cè)站宜按GPS 二級(jí)網(wǎng)的精度施測(cè)且應(yīng)該盡量靠近放樣點(diǎn),這樣才可能達(dá)到放樣精度,對(duì)于用常規(guī)儀器測(cè)量,這樣做是很自然的,但GPS 測(cè)量由于邊長(zhǎng)不受限制,在工程測(cè)量中就應(yīng)強(qiáng)調(diào)逐級(jí)控制的原則,即在布測(cè)低等級(jí)控制點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡可能用最近的高等級(jí)點(diǎn)做為起算點(diǎn),測(cè)量放樣進(jìn)應(yīng)以最近的控制點(diǎn)做為測(cè)設(shè)放樣測(cè)站起算點(diǎn)。所以橋梁墩、臺(tái)等軸線放樣的誤差,可不考慮控制點(diǎn)誤差的影響,所以(6可寫為22222i v s pm m S m m M+±= (7 代入例1的已知數(shù)據(jù),則有mm m m S m m Mi v s p1.922222±=+±= 式(7即

10、為放樣點(diǎn)相對(duì)于最近控制點(diǎn)的誤差計(jì)算式,取其2倍中誤差為限差,若選取測(cè)角精度在2以上,測(cè)距精度在2+2ppm 以上的全站儀,則在500m 的距離內(nèi),放樣點(diǎn)的精度能夠達(dá)到20mm 以內(nèi)。五、在跨海大橋工程中的應(yīng)用跨海大橋工程的承臺(tái)一般由兩個(gè)對(duì)稱于大橋軸線的墩臺(tái)組成。根據(jù)大橋的施工工藝,沉樁完成后,要求在鋼樁上放樣鋼套箱等特大型模板的安裝線。但是由于:大橋的橋軸線及承臺(tái)軸線與大橋所采用的坐標(biāo)系的縱橫軸線不平行,所以設(shè)計(jì)放樣數(shù)據(jù)在數(shù)值上表現(xiàn)出很不直觀,且沒有規(guī)律,不容易檢查出數(shù)據(jù)的正確性。實(shí)際所沉鋼樁與設(shè)計(jì)樁位有偏差,所以需計(jì)算出樁頂(鋼樁壁厚一般為2cm 上設(shè)計(jì)放樣數(shù)據(jù)。大橋的平面幾何圖形由若干直線

11、段及曲線段組成,也就是說(shuō)大橋的軸線是曲線,無(wú)法以軸線為基準(zhǔn)建立一個(gè)統(tǒng)一的施工坐標(biāo)系而完成所有的測(cè)量放樣工作。所以必須根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立局部施工坐標(biāo)系(承臺(tái)坐標(biāo)系,利用GPS 靜態(tài)測(cè)量的成果及平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式,用全站儀完成大橋的放樣工作。 1.原理和數(shù)學(xué)模型(1原理如圖2所示,以承臺(tái)L 、R 墩的中心連線為A 軸,與其垂直方向?yàn)锽 軸建立左手施工坐標(biāo)系;然后把該承臺(tái)的所有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至承臺(tái)施工坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)。 在相鄰承臺(tái)或已加固的樁基上按相應(yīng)控制網(wǎng)的要求,用靜態(tài)測(cè)量方法測(cè)設(shè)控制點(diǎn),并把靜態(tài)測(cè)量成果轉(zhuǎn)換成需要放樣的承臺(tái)坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)。在上述控制點(diǎn)上加設(shè)全站儀,用坐標(biāo)法進(jìn)行測(cè)量放樣。 (2數(shù)學(xué)模

12、型如圖2所示,設(shè)A-L-B 為第一坐標(biāo)系,X-L-Y 為第二坐標(biāo)系,則P 點(diǎn)在兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的坐標(biāo)A 、B 和X 、Y 的關(guān)系式為1:(NY X B M Y X A +=+-=cos sin sin cos (8式中:、M 、N 兩坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換三參數(shù)設(shè)承臺(tái)L 、R 墩中點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)如表1所示。 把坐標(biāo)代入(8式,則有:(cos sin sin cos 11111112Y X B N Y X A M -=+-=-= (9 所以通過上述(9式可提前計(jì)算出所有承臺(tái)的局部施工坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù),把轉(zhuǎn)換參數(shù)代入(8式即可計(jì)算出全部承臺(tái)的轉(zhuǎn)換參數(shù),然后進(jìn)行測(cè)量施工作業(yè)。2.施工流程及要求 (1樁基上的測(cè)量

13、放樣工程開工初期,海中只有有限的幾個(gè)承臺(tái)的樁基沉樁完成,此時(shí)只能借助已采取加固措施的樁基進(jìn)行測(cè)量放樣,作業(yè)流程包括以下幾個(gè)步驟:工具準(zhǔn)備:長(zhǎng)1.7m (具體根據(jù)鋼樁的直徑確定的32槽鋼4段,1.1m 長(zhǎng)(具體視儀器觀測(cè)人員的身高而定的16槽鋼一段,鋼筋數(shù)根,自制長(zhǎng)10mm 的GPS 天線轉(zhuǎn)接頭(鐵制品23個(gè)。在該承臺(tái)內(nèi)取兩根合適的樁(兩根樁的距離盡量遠(yuǎn),將三段槽鋼并列焊牢在其中一根樁的樁頂上(槽鋼的凹面朝上,在中間的一段槽鋼上豎直焊牢1.2m 槽鋼并用鋼筋跟鋼樁焊牢,然后在該槽鋼頂端垂直焊牢GPS 天線轉(zhuǎn)接頭(該點(diǎn)作為測(cè)站使用,在另一根樁頂上焊牢一段槽鋼,并在其頂面焊牢GPS 天線轉(zhuǎn)接頭(該點(diǎn)

14、為后視。具體見圖3圖2天線 16槽鋼 鋼筋加固 32槽鋼 鋼管樁 自制 接頭 圖3 靜態(tài)測(cè)量： 在上述 GPS 天線轉(zhuǎn)接頭上安置 GPS 天線， 按要求進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量外業(yè)工作， 然后用平差軟件計(jì)算出兩點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)。 利用上述公(8式把測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換至承臺(tái)施工坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)，然后用坐標(biāo)法進(jìn)行測(cè) 量放樣。 實(shí)際作業(yè)中，在樁頂上架設(shè)全站儀時(shí)，要特別注意安全工作。項(xiàng)目部的安全部門和生 產(chǎn)部門必須有相應(yīng)的措施來(lái)保證測(cè)量人員和儀器的安全。 一般情況下，全站儀的基座連接螺栓與 GPS 天線轉(zhuǎn)接頭的螺紋是一致的，否則，應(yīng)在 架設(shè)全站儀的槽鋼頂部采取適當(dāng)措施，使 GPS 天線轉(zhuǎn)接頭可拆卸以便加設(shè)全站儀。 (2部分承

15、臺(tái)等基礎(chǔ)工程已完成時(shí)的測(cè)量放樣 隨著工程的進(jìn)展，當(dāng)部分承臺(tái)已完工時(shí)，其附近承臺(tái)的測(cè)量放樣工作，可通過在該承臺(tái) 上用 GPS 靜態(tài)測(cè)量方法加密控制點(diǎn)，然后用全站儀進(jìn)行測(cè)量放樣工作。 3.算例 下面我們以某個(gè)承臺(tái)的測(cè)量放樣為例，詳細(xì)闡述整個(gè)作業(yè)過程。 (1建立承臺(tái)施工坐標(biāo)系，其承臺(tái)左右墩中心施工坐標(biāo)和設(shè)計(jì)坐標(biāo)如表 2 所示。 承臺(tái)墩中心設(shè)計(jì)和施工坐標(biāo) 點(diǎn)名 X 右墩中心 左墩中心 3376308.520 3376316.850 設(shè)計(jì)坐標(biāo) Y 498230.498 498245.318 承臺(tái)施工坐標(biāo) A 100 117 B 100 100 表2 (2求轉(zhuǎn)換參數(shù) 把上表數(shù)據(jù)代入（9）式，求得設(shè)計(jì)坐標(biāo)與

16、承臺(tái)施工坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)如下。 b = 299.339394 8 M = -2088553.9 7 N = 2699214.19 6 (3靜態(tài)測(cè)量 如圖 3 所示在鋼樁頂上制作控制點(diǎn)，然后按相應(yīng)等及控制網(wǎng)的要求進(jìn)行 GPS 靜態(tài)測(cè)量 作業(yè)。由于承臺(tái)的鋼樁樁徑 1.5m 以上，其穩(wěn)定性好。靜態(tài)測(cè)量時(shí)及測(cè)量放樣時(shí)，均選擇低 平潮時(shí)間進(jìn)行，這時(shí)水流條件很好，樁身很穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)精確可靠。 (4把靜態(tài)測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換成承臺(tái)施工坐標(biāo)，如表 3 所示。 表3 點(diǎn)名 A B 設(shè)計(jì)坐標(biāo)（GPS 靜態(tài)測(cè)量成果） X 3376308.409 3376313.465 Y 498230.387 498245.674 A 99.849 墩臺(tái)施工坐標(biāo) B 100.042 103.125 115.652 (5由于套箱的安裝線與局部承臺(tái)坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸平行，所以放樣 以 A（或 B）點(diǎn)為測(cè) 站，B（或 A）點(diǎn)為后