離岸遠距離海島工程高精度高程傳遞

王曉智，李付偉，胡在華，趙 燕

中鐵大橋工程局集團第一工程有限公司測繪分公司，河南鄭州 450053

1 概述

隨著我國交通建設的快速、健康發展，在過去被視為天塹的寬闊海域建設的大跨度橋梁越來越多，高程貫通測量成為大橋能否順利合攏的關鍵。由于受海上氣候條件、通視條件的制約，常規的水準測量方法無法實現超長距離、高精度、高效率的高程傳遞。特別是在海中沒有高程基準的孤島上，采用何種有效的測量方式進行將高程傳遞到遠離海岸的孤島，實現長距離、高精度的高程傳遞，提高長距離水準測量作業效率，滿足離岸海島工程施工不同階段對高程精度的需求，保障工程建設順利進行，是一個迫切需要解決的問題。

南澳縣位于南海北部，廣東省東部海面，是廣東省唯一的海島縣。離岸距離約9km，受臺風和季風影響全年通航時間不多，陸島交通非常困難，島上沒有高程控制點。大橋施工開始之前，為保證大橋施工基準的統一以及首級網的精度，首先需要研究如何將大陸的高程基準傳遞到遠離海岸的海島上，以滿足本項目對高程控制網的穩定性要求，保障設計、施工放樣的順利進行。根據實踐的經驗和試驗總結并考慮海中施工的具體條件我們選擇：按橋梁不同施工部位對高程測量精度的不同要求，分階段按不同方法進行跨海高程控制測量。

2 GPS高程傳遞

2.1 GPS基準網布測

南澳大橋施工前期，為了解決工程在缺少高程觀測資料和高程基準信息的情況下，進行GPS水準高程傳遞的實用技術方法，首先對大橋首級控制網進行了認真設計和測量，在大橋兩岸幾公里范圍內地形相近的位置特意布設8個高等級GPS控制點，控制點采用建立在基巖上的強制觀測墩的形式，并分別用二等水準進行聯測。為了得到這些控制點的高精度的大地高成果，對首級網的觀測采用長時間連續觀測并聯測國家高等級GPS控制點的辦法，分4個時段，連續觀測24小時，進行GPS數據采集、處理及精度分析，從而獲得各個觀測點較為精確的WGS-84坐標。

圖1 首級平面控制網示意圖

2.2 GPS 水準測量

GPS 水準測量最重要的是精確的推求出測點高程異常值或兩點間的高程異常差值，這有多種方法可以選擇。但是這些方法都要求在待測點的周圍布測一定密度、分布合理并且具有同一高程基準的水準點，在其上進行靜態GPS觀測以求得這些點的大地高，稱這些點為高程公共點，然后用高程公共點的高程異常值內插或外推待測點的高程異常值，它的準確程度很大程度上取決于高程公共點的密度、分布的合理性及測區地形條件。

GPS水準測量，可用物理大地測量方法進行輔助，即由密集的重力測量數據、高分辨率的數字地形模型和高階重力場模型精化測區局部的似大地水準面，進而通過GPS靜態測量，求得較為精確的大地高，根據測區的高程異常，求得觀測點的高程。但該方法在遠離大陸的海島上要達到等級水準的精度技術成本過高，難以在工程中得到推廣應用；目前國內GPS水準的研究還僅限于有統一高程基準的測區[1]，主要是為了跨越障礙物。

對于遠離大陸的海島，常規測量方法無法跨越寬闊的水域，只能求助于GPS技術，但因為海島上沒有高程點，這就使得離岸海島工程高程傳遞非常困難，是工程開始前必須要解決的一個難題。

結合南澳大橋實際，前期輔助工程對高程的精度要求較低，在條件不具備的情況下，片面要求高精度，實際意義不大，并且代價過于高昂。因此，我們通過對不同地點的試驗結果、各種擬合方案、布網方案的對比，結合兩岸擬合區域的地形特點，選取一個能與兩岸地面形狀吻合得較好的、成熟的函數模型，用最小二乘方法擬合測區的似大地水準面，再用數學外推的方法求的海島上控制點的高程異常值, 先期求得島上控制網點的擬合高程。由此，就可根據GPS測得的大地高得到一個與水準高程比較接近的擬合高程，用于海上平臺、優先墩等大橋前期輔助工程的施工。

南澳大橋GPS網的基線處理采用TGO軟件，網平差采用PowerADJ 4.0軟件進行，GPS高程的擬合利用matlab采用最小二乘曲面擬合方法進行[2-4]，數據處理模型嚴密可靠，方法合理。

表1 島上控制網點的擬合高程

在海島無高程基準的情況下，經選用大陸側岸5個首級網點進行試算，數學外推GPS水準高程的方法求得海島上待測點GPS擬合高程。根據《公路橋涵施工技術規范》（JTJ 041-2000），大型橋梁臨時水準點高程允許偏差△h=±20=±60mm。由上表可知其精度可以滿足海中施工平臺的施工要求。

3 超長距離跨海三角高程傳遞

3.1 超長距離跨海三角高程傳遞技術方案設計

為了給后續工程施工提供更為精確可靠的高程基準，根據海島工程特點，充分利用沿測線及測線兩端一定區域范圍的地形，從嚴密三角高程測量計算公式出發，進行超長距離跨海三角高程傳遞技術設計、方案設計、測量實施細則制定、數據處理方案設計等。

由于南澳大橋兩岸直線距離將近8km，目前的常規測量儀器無法使用，因此必須尋找合適的觀測點，盡可能的縮短觀測距離，以期獲得較高的觀測精度。考慮到大橋大陸一側海水深度不大，海底較為平緩，因此前期施工中優先安排海中過渡平臺的施工，在施工平臺完工后，充分利用平臺設計施測方法和線路。通過在淺水區建立穩定的簡易過渡平臺，這樣使得原本8km的測距改變為4跨，最遠觀測距離為3.1km的一條觀測線路，使得高精度的跨海高程傳遞變為可能。

3.2 嚴密三角高程測量計算公式

由于目前在一般文獻中的三角高程測量公式，其函數模型誤差達厘米級，不宜用在高精度三角高程高差測量中。因此采用嚴密的三角高程測量計算公式，為高精度三角高程測量在跨海工程中的應用提供參考。

直接用觀測天頂距導出的嚴密三角高程測量計算公式[5]：

單向觀測計算公式：

雙向觀測計算公式：

上述嚴密三角高程測量計算公式充分考慮了垂直折光差和地球曲率、相對垂線偏差分量、橢球項影響、儀器殘余系統誤差對高差測量的影響等，對于2km的三角高程測量其函數模型誤差小于0.5mm，能夠滿足高精度三角高程測量的應用，國內對此已有專門的研究和實踐[6]。我們在實踐的基礎之上，考慮試驗在＞3km的距離上進行高精度三角高程傳遞的可行性和技術方法。為此從嚴密三角高程公式出發，分析三角高程測量的系統誤差，制定出消除或減弱系統誤差且適合海上作業的觀測程序，用試驗數據驗證了遵守這樣的觀測程序能達到的精度，為高精度三角高程測量在遠距離離岸海島工程的應用提供實踐依據。

3.3 測量方法和實施

跨海三角高程測量采用測回法，利用高精度Leica全站儀進行測量兩點間的正常高高差，共觀測四組雙測回。試驗中我們發現，觀測時間間隔超過半小時，折光差影響就會比較大，因此，規定觀測時間必須是在陰天，能見度較好的時候，對向觀測時間間隔不能大于半小時；必須采用相同型號和精度的儀器，觀測過程必須嚴格同步，每測回都必須觀測溫度、氣壓濕度等氣象要素，對觀測結果進行實時修正；對于觀測數據，要統一按照制定的數據處理方案進行方差檢驗和粗差的剔除。

從NQ03至南澳島，實際的跨海水準測量工作量共有4跨，總長約8.95km。具體測量結果如表2。

表2 各跨三角高程（高差）測量數據

從以上各跨跨海髙程計算數據可以看出，各跨的每公里髙程全中誤差小于等于3mm/km，均髙于國家四等水準每公里全中誤差小于10mm精度要求。

根據實測試驗表明，當垂直角觀測精度ma≤±1′′，邊長在3.5km范圍內，電磁波測距三角高程測量完全可以替代四等水準測量。同時前期的GPS高程擬合成果和三角高程觀測成果比較，最小差值3.6cm，最大為6.5cm，證明之前的GPS水準高程傳遞結果具有一定的可靠性，對大橋前期輔助工程的施工起到了積極的作用。

根據超長距離跨海三角高程測量結果，修正了島上GPS水準高程成果，建立起施工區域坐標系統轉換模型，極大的方便了海中的基礎施工。

基礎工程具備條件后，我們按三等水準精度要求，進行了第二次跨海三角高程傳遞，修正島上的高程成果，為全部下部結構施工提供更高精度的高程控制基準；待上部結構達到常規水準測量實施條件后，按二等水準精度要求，進行高精度常規高程傳遞，為橋面及其輔助設施施工提供高精度的高程基準，同時求得島上控制網點的二等水準，與前期各項成果進行比較分析，總結經驗和方法，制定實施細則，指導今后類似工程的施工。

4 技術總結

在解決工程難題時，我們充分利用已有經驗，但不拘泥于經驗，大膽采用先進技術，創新思維，根據各分部分項工程結構對高程控制精度的不同要求，分步驟、分階段實施滿足不同階段工程需要的不同等級水準高程傳遞。該方法將目前研究較多、較成熟的技術手段，通過整合、創新，在解決工程難題的同時，取得了重要的實踐經驗，也節省了大量成本。

5 結論

南澳大橋是廣東省第一座地處外海、連接海島的跨海大橋，其特定的地理位置、施工條件，以及多標段同時施工等，使其高程控制測量顯得尤其重要。南澳大橋目前下部結構已基本完成，高程基準問題的解決極大的方便了海中施工。通過2年多的施工實踐證明，南澳大橋建設初期對離岸海島工程高程傳遞技術問題的研究是非常及時和十分必要的，解決問題的思路正確，方法可行，效果顯著，各項測量指標滿足施工規范和設計要求，達到了預期目標。

[1]肖根旺，許提多，朱順生.GPS高程在杭州灣跨海大橋高程控制中的應用研究[J].鐵道學報，2004，26(5)：101-106.

[2]蔡群，張書畢.基于Matlab的GPS水準高程擬合程序設計[J].科技資訊，2006，3(2)：1-2.

[3]求是科技.Matlab7.0從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[4]陳本富，王貴武，沈慧，郭先春.基于Matlab的數據處理方法在GPS高程擬合中的應用[J].昆明理工大學學報(理工版)，2009，34(5)：1-4 .

[5]肖根旺，許提多，周文健，朱順生.高精度長距離跨海三角高程測量的嚴密計算公式[J].測繪通報，2004，331(10)：15-17.

[6]郭秉江，許提多.Leica TCA1800高精度超長跨海高程傳遞[J].鐵道勘察，2007，33(1)：1-5.