远距离水上工程施工中的测量放样

远距离水上工程施工中的测量放样

摘 要 针对远距离水上工程施工的特点，阐述运用GPS定位技术和全站仪常规测量方法相结合进行远距离水上工程施工中的测量放样的基本原理，对其精度进行分析，并在跨海大桥工程建设中实际应用。

关键词 GPS定位技术 静态测量 精度 坐标转换 放样

一、前 言

随着GPS测量定位技术的蓬勃发展，许多远距离水上工程（如跨海大桥、大型码头等）的建设迅速展开。由于远距离水上工程离岸很远，一般长达数公里甚至数十公里，而且潮流、风浪等施工环境非常恶劣，其测量工程的施工，无论是测量方法还是精度都受到很多制约，与岸上测量工程的施工孑然不同。

本文针对远距离水上工程施工的特点和技术要求，推出以GPS测量定位技术与常规测量仪器全站仪相结合进行测量放样的方法，阐述其基本原理，对其精度进行分析，并叙述作业要求及施工作业流程。

二、GPS测量定位技术与全站仪测量的优缺点

GPS定位技术在工程施工中主要运用GPS静态测量和RTK测量技术，常规的测量放样则主要使用全站仪进行，它们的优缺点如下：

1.GPS静态测量 (1)优点 ①自动化程度高

用GPS接收机进行测量时，只要将天线准确地安置在测站上，主机放在离测站不远处，接通电源，启动接收机，仪器即可开始工作。结束测量时，仅需关闭电源，取下接收机，便完成了野外数据采集任务。内业计算则通过精良的软件进行解算即可。

②观测速度快

GPS测量不受通视条件、控制网网形、雾、黑夜等因素的限制，可远距离、全天候、数台仪器同时作业。根据控制网的等级要求，一个时段的观测时间从几十分钟到几小时甚至数十小时不等。一般情况下，用三台GPS接机一天就可以完成一个由10个控制点左右组成的施工控制网的外业测设工作。比如一个由4、5个泊位组成的码头工程，两天时间就能完成施工控制网布测和内业计算任务，而常规测量则需一星期左右。

③定位精度高

大量试验表明，GPS卫星静态定位测量精度高，定位计算的内符合与外符合精度均符合（5mm+1ppm·D）的标称精度，二维平面位置相当好，仅高程方面稍逊一些，用GPS相对定位结果，还可以推算出两测站的间距和方位角，精度也很好。

(2)缺点

GPS静态测量定位需要根据不同的精度要求，观测数个时段，每个时段要观测几十分钟以上，且需用相应软件进行内业计算才能得到测量成果才能进行外业施工，所以该方法适用于测量控制而不适合用于测量放样。

2.RTK动态测量 (1)优点

RTK动态测量具有实时、动态等优点，平面精度能够达到亚厘米级精度，但高程精度较差。

(2)缺点

①RTK的高程精度很差，无法用于高程放样。

②RTK测量有假锁现象，具体测量放样时，不容易判断数据的正确性。

③由于GPS采用的是54坐标系，像这样大跨距的工作无法建立一个与局部工程轴线平行或垂直的施工坐标系，放样数据不直观，易出错。

④用RTK放样出来的点，局部整体性不好。比如码头的一个桩帽用RTK放样出来，则边长条件不好。

所以，RTK测量适用于精度要求不高的测量工作，如校核、测桩偏位等。 3.全站仪 (1)优点

①用全站仪进行测量放样，可以根局部工作的轴线建立局部的施工坐标系，放样时，直观、方便。

②用全站仪放样出来的点的，局部符合性很很好，如码头的桩帽、横梁等放样出来，相对位置整齐划一。

(2)缺点

全站仪的缺点是，控制点之间要求通视，成像要求清析，放样距离有限，像雾、黑夜等气候无进行作业。

三、原理

远距离水上工程的测量放样，其主要原理是：根据相应的精度要求，利用GPS定位技术中的静态测量的方法，在桩基、承台等基础工程的适当部位按相应等级GPS控制网的要求，布测一定距离且相互通视的控制点，然后在该控制点上架设全站仪，用坐标法进行测量放样。

图1

如图1所示，A、M点为GPS静态测量点，P为放样点，β为放样角、SAP为放样距离。

四、精度分析

1.中误差计算式

在图1中，由于测距有误差，将使放样点在放样距离的长度方向上站生位移，这种位移称为纵向误差，相应的中误差称为纵向误差，以C表示。由于测角有误差，将使放样点在导线长度的垂直方向产生位移，这种位移称为横向误差，相应的中误差称为横向中误差，以

m?表示。

用全站仪进行测量放样时，其中误差计算式为[2]：

ms?a?b?SAB （1）

a为固定误差，b为比例误差。

设放样角有误差d?，则使放样点产生横向位移??，而???sAB向中误差为[2]：

m??m??sABd??，则放样点的横

? （2）

设起始坐标方位角误差为m?0，由于起始坐标方位角误差由已知点A、M引起，则根据误差传播定律[3]，坐标方位角误差计算公为：

m?0??mA????mM?????????S??S?22 （3）

一般地， A、M点为同等级控制点，其中误差相等，设为mA，则：

m?0?2?mA??S （4）

此外放样点还受到起始点点位中误差mA的影响，以及由于起始座标方位角中误差m?0而使放样点站生横向位移为

m?0?S影响，还有前后、视棱镜照准误差mv、仪器对中误差

?mi。考虑到起始误差、测量中的偶然误差的综合影响，放样点的总误差为：

Mp??mA2?m??S?m?0?2?????S?m?s????????2???2mv2?mi2 （5） ??2代入(4)式，则：

M??3mA2p?m??S2?ms????????2mv2?mi2 （6） ??2例1：设mA?10mm，ms?2?2ppm，m??2?，S?500m，??206265，

mv?5mm，mi?2mm代入上（6）式，得：

??3?102?2??2?0.5?2?2??2?500000?22????2?5?2 ?206265?2??19.6mm另外还有温度、气压、大气折光的影响，但是由于放样距离一般不太远，而且全站仪都有这方面的改正系数，所以这里不予考虑。

2.点位误差和相邻点位误差

点位误差指相对控制网起算点的误差，相邻点位误差是指控制网点相对于相邻控制点的误差，桥梁墩、台等放样的轴线偏位值一般可以认为是相对于最近控制点的放样误差，因此用于放样的测站宜按GPS二级网的精度施测且应该尽量靠近放样点，这样才可能达到放样精度，对于用常规仪器测量，这样做是很自然的，但GPS测量由于边长不受限制，在工程测量中就应强调逐级控制的原则，即在布测低等级控制点时应尽可能用最近的高等级点做为起算点，测量放样进应以最近的控制点做为测设放样测站起算点。

所以桥梁墩、台等轴线放样的误差，可不考虑控制点误差的影响，所以（6）可写为

M?m??S2??ms????????2mv2?mi2 （7） ??2p代入例1的已知数据，则有

M?m??S2??ms????????2mv2?mi2??9.1mm ??2p式（7）即为放样点相对于最近控制点的误差计算式，取其2倍中误差为限差，若选取测角精度在2″以上，测距精度在2+2ppm以上的全站仪，则在500m的距离内，放样点的精度能够达到20mm以内。

五、在跨海大桥工程中的应用

跨海大桥工程的承台一般由两个对称于大桥轴线的墩台组成。根据大桥的施工工艺，沉桩完成后，要求在钢桩上放样钢套箱等特大型模板的安装线。但是由于：

①大桥的桥轴线及承台轴线与大桥所采用的坐标系的纵横轴线不平行，所以设计放样数据在数值上表现出很不直观，且没有规律，不容易检查出数据的正确性。

②实际所沉钢桩与设计桩位有偏差，所以需计算出桩顶（钢桩壁厚一般为2cm）上设计放样数据。

③大桥的平面几何图形由若干直线段及曲线段组成，也就是说大桥的轴线是曲线，无法以轴线为基准建立一个统一的施工坐标系而完成所有的测量放样工作。

所以必须根据工程结构特点，建立局部施工坐标系（承台坐标系），利用GPS静态测量的成果及平面坐标转换公式，用全站仪完成大桥的放样工作。 1.原理和数学模型

(1)原理

①如图2所示，以承台L、R墩的中心连线为A轴，与其垂直方向为B轴建立左手施工坐标系；然后把该承台的所有设计数据转换至承台施工坐标系内的坐标。

②在相邻承台或已加固的桩基上按相应控制网的要求，用静态测量方法测设控制点，并把静态测量成果转换成需要放样的承台坐标系内的坐标。

③在上述控制点上加设全站仪，用坐标法进行测量放样。 (2)数学模型

如图2所示，设A-L-B为第一坐标系，X-L-Y为第二坐标系，则P点在两个系统内的坐标A、B和X、Y的关系式为：

A?Xcos????Ysin????MB?Xsin????Ycos????N[1]

（8）

式中：?、M、N——两坐标系的转换三参数

设承台L、R墩中点在两个坐标系的坐标如表1所示。

表1 点名 设计坐标 X X1 X2 Y Y1 Y2 墩台施工坐标 A A1 A2 B B1 B2 图2

R（右）墩中心 L（左）墩中心 把坐标代入（8）式，则有：

???2??1M?A1?X1cos????Y1sin??? （9） N?B1?X1sin????Y1cos???所以通过上述（9）式可提前计算出所有承台的局部施工坐标系转换参数，把转换参数代入（8）式即可计算出全部承台的转换参数，然后进行测量施工作业。

2.施工流程及要求 (1)桩基上的测量放样

工程开工初期，海中只有有限的几个承台的桩基沉桩完成，此时只能借助已采取加固措施的桩基进行测量放样，作业流程包括以下几个步骤：

①工具准备：长1.7m（具体根据钢桩的直径确定）的［32槽钢4段，1.1m长（具体视仪器观测人员的身高而定）的［16槽钢一段，钢筋数根，自制长10mm的GPS天线转接头（铁制品）2～3个。

②在该承台内取两根合适的桩（两根桩的距离尽量远），将三段槽钢并列焊牢在其中一根桩的桩顶上（槽钢的凹面朝上），在中间的一段槽钢上竖直焊牢1.2m槽钢并用钢筋跟钢桩焊牢，然后在该槽钢顶端垂直焊牢GPS天线转接头（该点作为测站使用），在另一根桩顶上焊牢一段槽钢，并在其顶面焊牢GPS天线转接头（该点为后视）。具体见图3

天线［16槽钢钢筋加固［32槽钢钢管桩自制接头图3

③静态测量：在上述GPS天线转接头上安置GPS天线，按要求进行静态测量外业工作，然后用平差软件计算出两点的设计坐标。

④利用上述公(8)式把测量结果转换至承台施工坐标系内的坐标，然后用坐标法进行测量放样。

⑤实际作业中，在桩顶上架设全站仪时，要特别注意安全工作。项目部的安全部门和生产部门必须有相应的措施来保证测量人员和仪器的安全。

一般情况下，全站仪的基座连接螺栓与GPS天线转接头的螺纹是一致的，否则，应在架设全站仪的槽钢顶部采取适当措施，使GPS天线转接头可拆卸以便加设全站仪。

(2)部分承台等基础工程已完成时的测量放样

随着工程的进展，当部分承台已完工时，其附近承台的测量放样工作，可通过在该承台上用GPS静态测量方法加密控制点，然后用全站仪进行测量放样工作。

3.算例

下面我们以某个承台的测量放样为例，详细阐述整个作业过程。

(1)建立承台施工坐标系，其承台左右墩中心施工坐标和设计坐标如表2所示。

承台墩中心设计和施工坐标 表2

点名 右墩中心 左墩中心 设计坐标 X 3376308.520 3376316.850 Y 498230.498 498245.318 承台施工坐标 A 100 117 B 100 100 (2)求转换参数

把上表数据代入（9）式，求得设计坐标与承台施工坐标系的转换参数如下。

??299.3393948M?-2088553.97 N?2699214.196(3)静态测量

如图3所示在钢桩顶上制作控制点，然后按相应等及控制网的要求进行GPS静态测量作业。由于承台的钢桩桩径1.5m以上，其稳定性好。静态测量时及测量放样时，均选择低平潮时间进行，这时水流条件很好，桩身很稳定，测量数据精确可靠。

(4)把静态测量结果转换成承台施工坐标，如表3所示。

表3

设计坐标（GPS静态测量成果） X A B 3376308.409 3376313.465 Y 498230.387 498245.674 A 99.849 115.652 墩台施工坐标 B 100.042 103.125 点名 (5)由于套箱的安装线与局部承台坐标系的坐标轴平行，所以放样 以A（或B）点为测站，B（或A）点为后视，用全站仪按坐标法在桩顶上放样出放样点X（或Y）坐标即可。另外由于各承台坐标系的建立方法相同，所以相同结构承台的放样数据也相同（可以用这一点检查计算成果的正确性）。

实践证明按上述方法操作，现场施工放样非常直观、方便。

六、结束语

通过以上阐述，证明了用常规测量仪器配合GPS测量定位技术，运用上述方法，能够完成远距离水上工程的测量放样任务。

参考文献

[1] 《工程测量学》.测绘出版社，1992 [2] 顾孝烈.测量学.同济大学出版社，2002

[3] 於宗俦，鲁林成.测量平差基础.测绘出版社，1984

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rpbf.html