GPS在濟南某路橋工程監測中的應用

孫亞廷（中國建筑材料工業地質勘查中心山東總隊，山東 濟南 250100）

GPS在濟南某路橋工程監測中的應用

孫亞廷
（中國建筑材料工業地質勘查中心山東總隊，山東 濟南 250100）

【摘 要】GPS(全球衛星定位系統)現已廣泛地應用于導航、定位等系統中，尤其在控制測量中起了劃時代的作用。由于GPS在靜態相對定位中的高精度、高效益、全天候、不需通視等特點，使其逐漸代替了常規的三角、三邊、邊角等測量方法。新建路橋投入運營后，采用GPS對其變形情況進行監測，為運營管理單位及監理提供有效的監測數據。本文對GPS在濟南某路橋工程監測中的基準設計、數據采集以及數據處理等方面進行了探索實踐，提出利用GPS技術進行工程監測的新思路。

【關鍵詞】GPS；GPS靜態定位；監測；數據處理

1　路橋基本情況

1.1 路橋概述

該路橋位于某規劃道路上，跨越一東西走向的河道，規劃路寬度為50m，斷面組成為7.5m慢行一體+15m車行道+5m綠化帶(BRT預留)+15m車行道+7.5m慢行一體。工程位置為一座現狀橋梁，寬24m，長50m，橋梁結構形式為鋼架拱橋，主跨徑為30m，監測實施時該橋將全部拆除。橋位處河道，斷面形式為復式河槽，主河槽寬60m，南側副河槽寬20m，北岸為南水北調輸水暗涵側墻。橋梁結構型式為上承式鋼管砼桁架拱橋，主拱跨徑布置為單跨60m，梁長70m。該橋為正橋，橋寬為51m，結構分兩幅，每幅25.5m，兩幅橋之間設縱縫2cm。橋面機、非混行車道40m，人行道寬度5.5m。

1.2 路橋結構

1.2.1 橋梁總體設計

該路橋長70m，為凈跨徑60m上承式鋼管砼拱橋，矢跨比為1/8，拱軸線采用圓弧拱軸線。

設計車速：50km/h；汽車荷載標準：公路-Ⅰ級；設計基準期：100年；設計安全等級：二級；環境類別：按Ⅰ類環境進行混凝土結構的耐久性設計；人行道荷載設計標準：3.5kPa的均布荷載；地震烈度：Ⅵ度；橋寬：單幅橋橋寬25.5m，兩幅橋之間縱縫寬度2cm，機、非混行車道寬40m，人行道寬5.5m。橋面機、非混行車道橫坡1.5%，人行道橫坡1.5%；橋梁縱坡：橋面高點位于橋跨中心線，兩側縱坡均為2.193%，豎曲線半徑R=1 000m。防洪標準：百年一遇洪水位25.17m，河底規劃標高18.62m，水景常水位雨季20.0m，旱季22.0m。橋下凈空：考慮游船通行，河道水深不低于1m，單向通航孔凈寬18m，側高不小于4.1m。根據橋梁規范要求，梁底標高高出百年一遇防洪水位0.5m；支座墊石頂面高出0.25m。

1.2.2 上部設計結構

上部結構為上承式鋼管砼拱橋，主拱直徑為100cm鋼管，壁厚為16mm和20mm兩種，砼為C50微膨脹砼，單幅橋設置4根鋼管拱肋，拱肋之間設置直徑70cm鋼管橫向聯系；橋面系為鋼箱疊合梁，其中鋼箱高度為40cm，砼為C40砼厚度為25cm，鋼混結合面設置剪力鍵；主拱與橋面系之間采用空間鋼管斜桿支撐，斜桿直徑為70cm。

1.2.3 下部設計結構

橋臺采用鋼筋砼箱式橋臺，橋臺基礎采用擴大基礎，基底持力層為強風化輝長巖，拱腳水平推力以基底摩擦力平衡，臺后土壓力作為安全儲備，基礎寬度為14m，橫向與橋梁同寬，半幅橋為25.5m。

1.2.4 材料的選用

(1) 混凝土材料。

混凝土原材料的選用與混凝土的水灰比等主要配比參數滿足相關規范及設計要求，使混凝土具有良好的抗侵入性、體積穩定性和抗裂性。

本工程混凝土實際強度等級為：鋼管砼拱圈C50，鋼箱疊合梁C40，橋臺、基礎等采用C30，均滿足耐久性設計要求，施工材料配合比設計也滿足以上規范要求。

(2) 鋼材。

采用R235、HRB335級鋼筋，其技術標準符合GB13013-1991《鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋》、GB1499-1998《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》要求。

2　靜態GPS定位原理

衛星定位的基本原理：應用空間的人造衛星作為參照點，確定一個物體的空間位置。其實質就是空間距離后方交會(見圖1)。靜態GPS相對定位的參考點一般選擇地面上的固定點，相對定位就是利用多臺GPS接收機，分別安放在不同的觀測點上，并同步觀測相同的GPS衛星，以確定觀測點在協議地球坐標系中的相對位置及基線向量。

圖1　GPS定位原理示意圖

GPS定位系統的組成：空間部分、地面部分、用戶部分。空間部分是指GPS衛星，主要提供系統自主導航衛星定位服務所必須的無線電導航定位信號。地面部分主要有：衛星監測站、主控站和信息注入站，其主要功能是衛星控制和任務控制，衛星控制是指使用遙測遙控鏈路上傳監控對衛星星座進行管理；任務控制是指全面對軌道確認和時鐘同步等導航任務進行控制和管理，也包括完備性信息的確定和發布過程進行監控。用戶部分指有一系列的GPS信息接收機終端構成用于接收GPS衛星發射的無線電信號，獲取必要的定位信息和觀測信息，并經數據處理軟件處理以完成各種定位和授時服務。

3　GPS監測的實施

3.1 GPS監測網布設

該路橋GPS監測網于2013年7月26日布設，全網共包括4個GPS點，大橋上共布設2監測個點，其分別是：大橋中部西邊點名為DQWE, 大橋中部東邊點名為DQEA；大橋南布設一點，點名為DQSO；大橋西河道北岸上布設一點，點名為DQCK。觀測基線6條，三邊同步環為4個，基線平均邊長為93.5m。GPS網形見圖2。

3.2 GPS觀測

觀測時間為2013年7月30日6時至20時，歷時14h；觀測采用5臺南方靈銳82雙頻GPS接收機(標稱精度為5mm+1ppm)連續觀測，衛星高度角＞15°，有效衛星數＞5顆，數據采樣間隔為15s，幾何圖形強度PDOP≤6。嚴格對中整平儀器，對中精度＜1mm。觀測前后使用專用GPS量高尺及普通鋼尺各量取儀器高兩次至1mm，各標尺兩次量測較差均＜3mm時分別取中數，最后兩尺測量較差＜3mm時取中數作為該站最終站高。觀測中定時查看測站信息，采集歷元數、數據記錄信號燈狀態等信息，以確保設備工作狀態正常，出現問題及時處理。

3.3 GPS數據處理

本GPS監測網基線預處理、數據質量檢核、GPS網平差均采用隨機平差軟件，在計算機上進行。數據處理按照每小時為一個觀測時段，將連續觀測數據劃分為14個單元，GPS監測網按照二等GPS平差計算，高程為擬合高程。

3.3.1 基線處理

基線解算在WGS84坐標系下以同步觀測時段為單位，采用廣播星歷按單基線雙差固定解進行解算。通過刪除質量不好的衛星數據、選擇不同誤差改正模型等方法進行人工干預解算基線。

3.3.2 數據質量檢核與平差

主要檢核數據為基線與同步環，基線相對精度統計結果見表1。

圖2　GPS監測網圖

表1　三邊同步環驗算及平差后基線相對精度統計

(1) 相鄰點間基線長度精度用下式表示。式中：σ——標準差(基線向量的弦長中誤差，mm)；

a ——固定誤差，取10mm；

b ——比例誤差系數，取1；

d ——相鄰點間距離(km)。

(2) 同一時段觀測值的數據剔出率，其值＜10%。

(3) 同步環閉合差為:

3.3.3 坐標成果

約束平差，假定DQCK監測點為已知點，坐標為：X =4 062 000，Y =495 000，H =29.000。平差計算結果見表2。

表2　坐標平差成果

3.4 精度統計與分析

3.4.1 位置變化統計

各觀測時段的觀測點平面及高程與第一時段對應點的平面及高程較差統計，見表3、表4。

3.4.2 平面坐標隨時間變化分布統計

4個GPS監測點以橋西河道北岸DQCK為基準點，DQEA、DQWE、DQSO3個監測點各觀測時段的位置相對其第一個時段的變化量用折線圖表示，見圖3。

表3　各監測點平面位置相對其第一時段變化量(mm)

表4　各監測點高程相對其第一時段變化量(mm)

3.4.3 高程隨時間變化分布統計

4個GPS監測點以橋西河道北岸DQCK為基準點，DQEA、DQWE、DQSO3個監測點各觀測時段的高程相對其第一個時段高程值的變化量用折線圖表示，見圖4。

3.4.4 車流量統計

在GPS觀測過程中，制定專人進行各時段車輛統計，橋上的車流量詳見表5。

圖3　監測點平面位置變化分布

圖4　監測點高程變化分布

4　結語

利用GPS手段對工程變形(形變)進行實時動態監測，這一監測方式，可以解決同一變形體，由于受陽光、風力、外界因素干擾(如大橋上行駛的車輛對大橋的影響)等，在某一時刻，它們之間最或然的相對關系(相對位移及擾度等)及它們相對于參考基準點的絕對位移。分析它們各項因子對變形體影響的顯著性，為工程及設計，運營管理單位提供最可靠、最直觀的數據分析資料。

表5　車流量調查表(輛)

【參考文獻】

[1]劉經南.GPS網的布設與數據處理[M].武漢:武漢測繪科技大學出版社,1995.

[2]徐紹銓.GPS測量原理及應用[M].武漢:武漢測繪科技大學出版社,2000.

【收稿日期】2014-10-31

【文章編號】1007-9386(2015)04-0056-04

【文獻標識碼】A

【中圖分類號】U448.14;P228.4