一種新型長(zhǎng)距離精密跨海高程傳遞測(cè)量覘標(biāo)的設(shè)計(jì)及在深中通道工程中的應(yīng)用

成益品，宋神友，董理科，韓戰(zhàn)偉，朱永帥

(1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071; 2.深中通道管理中心，廣東 中山 528400)

0 引言

在一些大型海上建設(shè)工程中，有些長(zhǎng)距離的跨江(海)水準(zhǔn)測(cè)量可以使用GPS水準(zhǔn)法進(jìn)行,但有些項(xiàng)目因地形地貌等條件導(dǎo)致GPS水準(zhǔn)法無法按規(guī)范實(shí)施[1]，精度與可靠性難以保證，故常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量方法(經(jīng)緯儀傾角法和測(cè)距三角高程法)仍然不可替代，在此方法使用中需要使用照準(zhǔn)覘標(biāo)。

深中通道島隧工程建設(shè)規(guī)模大，測(cè)量精度指標(biāo)和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)高，施工地點(diǎn)距離陸地邊界6 km，位于寬闊的入?？?，高程控制基準(zhǔn)點(diǎn)建立在陸地，需要有高精度跨海高程傳遞技術(shù)。受現(xiàn)場(chǎng)地形條件限制，采用測(cè)距三角高程法作為東、西人工島長(zhǎng)距離高精度高程傳遞的實(shí)施方法。目前，國(guó)家測(cè)量規(guī)范[1]中尚無3.5 km以上的跨海高程傳遞具體作業(yè)方式。本案例工程跨海線路為東西朝向，受大氣折光影響嚴(yán)重，加之海上惡劣的氣候環(huán)境和不利的觀測(cè)條件使長(zhǎng)距離跨海高程傳遞測(cè)量難度進(jìn)一步加大，選擇合適的照準(zhǔn)覘標(biāo)是提高觀測(cè)精度和可靠性的關(guān)鍵保障。張建軍等[2]將天寶TSC3手簿與徠卡TS30全站儀應(yīng)用于跨海三角高程測(cè)量中，解決了數(shù)據(jù)離散大和數(shù)據(jù)篩選困難的問題，提升了觀測(cè)效率。成益品等[3]對(duì)港珠澳大橋島隧工程?hào)|西人工島精密跨海高程傳遞測(cè)量進(jìn)行研究與總結(jié)，并組合多種高程傳遞技術(shù)實(shí)現(xiàn)了9 km跨距的高程傳遞。吳迪軍等[4]對(duì)三角高程法在跨海高程傳遞中的應(yīng)用進(jìn)行模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了三角高程用于長(zhǎng)距離高程傳遞的可行性。王璐等[5]根據(jù)港珠澳大橋主體工程橋梁跨海三角高程控制測(cè)量，闡述了長(zhǎng)距離跨海三角高程的測(cè)量方法及注意事項(xiàng)。

目前，用于長(zhǎng)距離跨海高程傳遞的照準(zhǔn)覘標(biāo)規(guī)格形式較多，但通常比較笨重，安裝較為繁瑣，并且多數(shù)不能根據(jù)線路長(zhǎng)度及觀測(cè)氣象條件的變化實(shí)時(shí)對(duì)覘標(biāo)光標(biāo)線寬度與亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用存在不便。本文結(jié)合深中通道島隧工程建設(shè)的實(shí)際需求，通過實(shí)地模擬驗(yàn)證，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種便攜式遠(yuǎn)距離照準(zhǔn)覘標(biāo)，不僅可以滿足不同路線長(zhǎng)度下的夜晚觀測(cè)要求，而且可以根據(jù)氣象條件變化對(duì)覘標(biāo)成像清晰度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，其應(yīng)用價(jià)值在深中通道東、西人工島5.5 km全站儀測(cè)距三角高程跨海高程傳遞測(cè)量中得到了驗(yàn)證。

1 覘標(biāo)設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)

1.1 照準(zhǔn)覘標(biāo)試驗(yàn)研制

GB/T 12897—2006《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》規(guī)定，儀器照準(zhǔn)覘板標(biāo)志的長(zhǎng)度和寬度以及標(biāo)志線的間距，依跨海視線長(zhǎng)度而定，跨海距離在2 000 m以內(nèi)，對(duì)岸標(biāo)尺可安裝1塊覘板，跨海距離在2 000 m以上應(yīng)安置上、下2塊覘板。通視條件較差時(shí)，應(yīng)采用特制的標(biāo)燈作為觀測(cè)目標(biāo)。覘標(biāo)在標(biāo)尺的高度，兩岸應(yīng)一致，標(biāo)志線計(jì)算具體要求見表1。

海上長(zhǎng)距離跨海高程傳遞受大氣折光影響，觀測(cè)目標(biāo)白天成像模糊不清，因此一般選擇在夜晚觀測(cè)。夜晚測(cè)量首先需考慮成像明亮，邊界清晰，選擇合適的光源。由于海上情況較為復(fù)雜，過往船只較多，船上燈光以及海面航標(biāo)燈等光源會(huì)對(duì)覘標(biāo)燈造成影響。由于紅色、黃色光易受到其他發(fā)光點(diǎn)的影響，因此最終選擇白色光源作為照準(zhǔn)覘標(biāo)燈光源。

設(shè)計(jì)了一種便攜式遠(yuǎn)距離照準(zhǔn)覘標(biāo)[6]，可以有效消弱跨海場(chǎng)地氣象因素對(duì)測(cè)量的影響，滿足儀器照準(zhǔn)覘標(biāo)的照準(zhǔn)目標(biāo)尺寸條件。按照國(guó)家二等跨海高程測(cè)量精度的施測(cè)要求，在中山馬鞍島橫門水道進(jìn)行模擬測(cè)試，驗(yàn)證研制的照準(zhǔn)覘標(biāo)的觀測(cè)成果精度及其可靠性。模擬試驗(yàn)場(chǎng)地線路長(zhǎng)約5.8 km，跨海線路為東西朝向，與深中通道跨海線路方向基本相似。測(cè)量網(wǎng)形設(shè)計(jì)為平行四邊形。試驗(yàn)點(diǎn)間距采用全站儀觀測(cè)。同岸試驗(yàn)點(diǎn)高差采用水準(zhǔn)儀觀測(cè)，對(duì)岸試驗(yàn)點(diǎn)高差利用全站儀垂直角觀測(cè)24個(gè)測(cè)回，通過陸上二等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)間相對(duì)高差，對(duì)跨海高程測(cè)量結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)。

模擬試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3。

表2 模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)

表3 模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)高差比對(duì)

通過現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，初步證明研制的新型照準(zhǔn)覘標(biāo)在長(zhǎng)距離測(cè)距三角高程法跨海水準(zhǔn)測(cè)量的成果精度，滿足國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范要求。

1.2 照準(zhǔn)覘標(biāo)設(shè)計(jì)與安裝

設(shè)計(jì)的覘標(biāo)具體參數(shù)如下：

1)覘標(biāo)外殼使用鋁合金材料制作，長(zhǎng)652 mm，寬50 mm，厚25 mm，直接安裝在三角基座上，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)安裝和拆卸方便快捷。照準(zhǔn)覘標(biāo)安裝效果見圖1。

圖1 照準(zhǔn)覘標(biāo)安裝效果圖

2)每處標(biāo)尺點(diǎn)設(shè)置上、下2個(gè)標(biāo)志，上、下標(biāo)志線處于不同的覘板上，每條標(biāo)志線上安裝60個(gè)8 mm的LED燈泡，覘標(biāo)標(biāo)志線選用白色光源，光強(qiáng)且聚光性好。

3)每條標(biāo)志線長(zhǎng)度為600 mm、寬度為10 mm，上、下2條標(biāo)志線之間的寬度為1 000 mm，通過連接螺桿固定連接，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安裝簡(jiǎn)便，防風(fēng)性能好。照準(zhǔn)覘標(biāo)構(gòu)造示意圖見圖2。

圖2 照準(zhǔn)覘標(biāo)構(gòu)造示意圖(單位：mm)

4)照準(zhǔn)覘標(biāo)采用12 V電瓶作為基本供電電源，標(biāo)志線上下邊界設(shè)置擋光板，擋光板一側(cè)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)標(biāo)志線旋鈕，可根據(jù)實(shí)際路線長(zhǎng)度和環(huán)境變化隨時(shí)調(diào)整標(biāo)志線寬度和光強(qiáng)，以保證成像邊界清晰，滿足不同路線長(zhǎng)度下的夜晚觀測(cè)要求。

1.3 數(shù)據(jù)采集軟件開發(fā)

數(shù)據(jù)采集軟件利用GNSS測(cè)量手簿為載體，開發(fā)外業(yè)數(shù)據(jù)記錄與計(jì)算程序，與徠卡TS60全站儀連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄與計(jì)算，操作簡(jiǎn)便，便于攜帶。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件具備以下功能：測(cè)前在軟件內(nèi)對(duì)測(cè)量點(diǎn)數(shù)、有效點(diǎn)數(shù)、補(bǔ)測(cè)點(diǎn)數(shù)、最大偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差、最大最小互差等各項(xiàng)誤差控制指標(biāo)進(jìn)行提前設(shè)定；在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，軟件會(huì)根據(jù)設(shè)置的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算與誤差剔除，若有數(shù)據(jù)超限或不合格，軟件會(huì)提示是否需要補(bǔ)測(cè)，直至采集數(shù)據(jù)滿足設(shè)定的參數(shù)指標(biāo)為止。數(shù)據(jù)采集軟件界面見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)采集軟件界面

2 跨海場(chǎng)地布設(shè)

根據(jù)深中通道東、西人工島地理位置，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)地形條件及潮位的影響，東、西人工島間跨海水準(zhǔn)網(wǎng)形設(shè)計(jì)為DKH1→DKH2→XKH2→XKH1→DKH1大地四邊形布置方式，高程起算點(diǎn)為東人工島深中通道首級(jí)控制網(wǎng)點(diǎn)，閉合至西人工島跨海點(diǎn)。東人工島DKH1、DKH2和西人工島XKH1、XKH2分別為兩岸交替安置儀器和標(biāo)尺的位置，跨海視線長(zhǎng)度約為5 520 m，同岸視線長(zhǎng)度均為10 m?？绾８叱虃鬟f測(cè)量路線見圖4。

圖4 跨海高程傳遞測(cè)量路線示意圖

3 外業(yè)觀測(cè)

3.1 距離觀測(cè)

跨海點(diǎn)間的距離采用GPS接收機(jī)靜態(tài)觀測(cè)，按照GB/T 18314—2009《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》C級(jí)GPS網(wǎng)觀測(cè)要求進(jìn)行[7]。

3.2 同岸高差觀測(cè)

同岸2個(gè)跨海點(diǎn)，采用Leica LS15電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行往返高差測(cè)量。開測(cè)后定期進(jìn)行同岸跨海點(diǎn)的高差檢測(cè)。

3.3 對(duì)岸高差觀測(cè)

3.3.1 觀測(cè)準(zhǔn)備工作

1)將全站儀架設(shè)在強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩上，整平儀器后，使用直角鋼拐尺在相隔90°的4個(gè)方向上丈量強(qiáng)制對(duì)中盤頂部4個(gè)角至儀器的垂直高度，平均值取位0.1 mm作為最終儀器高度。

2)將覘標(biāo)與測(cè)量基座連接，架設(shè)在強(qiáng)制對(duì)中目標(biāo)墩上，整平基座，分2個(gè)對(duì)角量取強(qiáng)制對(duì)中盤頂部至覘標(biāo)上、下邊緣的垂直高度，平均值取位0.1 mm作為最終覘標(biāo)高度。

3)記錄儀器和覘標(biāo)量測(cè)高度，全站儀照準(zhǔn)覘標(biāo)，調(diào)試對(duì)岸覘標(biāo)標(biāo)志線的寬度及亮度。

3.3.2 觀測(cè)對(duì)岸覘標(biāo)

采用2臺(tái)全站儀對(duì)向觀測(cè)。在全站儀盤左位置，用望遠(yuǎn)鏡中絲依次照準(zhǔn)上、下覘板標(biāo)志線各讀取1次豎直角讀數(shù)；盤右按相反次序照準(zhǔn)下、上覘板標(biāo)志線各讀取1次豎直角讀數(shù)。以上觀測(cè)為1組垂直角觀測(cè)。2臺(tái)儀器分別在兩岸相同時(shí)段對(duì)向觀測(cè)1條邊的成果組成1個(gè)單測(cè)回，同岸每臺(tái)儀器位置在觀測(cè)完成半數(shù)測(cè)回后，觀測(cè)員、儀器、覘標(biāo)應(yīng)相互調(diào)換，在第2臺(tái)儀器位置上完成其余測(cè)回的觀測(cè)。

以東、西人工島間跨海高程測(cè)量為例進(jìn)行觀測(cè)。1)在DKH1、XKH2 2點(diǎn)設(shè)站，兩岸儀器同時(shí)觀測(cè)對(duì)面XKH1、DKH2點(diǎn)的上、下標(biāo)燈，儀器盤左盤右位置觀測(cè)順序?yàn)樽笊稀笙隆蚁隆疑希?)同岸儀器同時(shí)遷站，DKH1點(diǎn)儀器遷站至DKH2點(diǎn)，XKH2點(diǎn)儀器遷站至XKH1點(diǎn)，觀測(cè)順序如同第1步；3)將兩岸人員、儀器、標(biāo)燈一起調(diào)換，按照1)和2)步驟進(jìn)行測(cè)量。

3.3.3 觀測(cè)測(cè)回?cái)?shù)要求

考慮到大氣折光影響，垂直角觀測(cè)選擇夜間時(shí)段進(jìn)行。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性和所測(cè)高差更趨近于真值，在滿足二等跨海水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范要求基礎(chǔ)上增加觀測(cè)測(cè)回?cái)?shù)?？绾８叱虉?zhí)行測(cè)回?cái)?shù)及組數(shù)見表4。

表4 二等跨海水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)測(cè)回?cái)?shù)及組數(shù)參照

4 數(shù)據(jù)處理與精度分析

4.1 觀測(cè)高差統(tǒng)計(jì)

采用三角高程單向高差計(jì)算公式進(jìn)行列表計(jì)算，平距采用邊長(zhǎng)投影至高斯平面距離成果參與計(jì)算，公式為

式中:h為高差，m;d為高斯面平距；α為觀測(cè)垂直角；i為儀器高度；v為照準(zhǔn)目標(biāo)高；k為折光系數(shù)；R為地球曲率半徑；Hm為測(cè)區(qū)平均高程；ym為跨海點(diǎn)距中央子午線的平均距離；ε為垂線偏差；ρ為206 265″。測(cè)量時(shí)，采取嚴(yán)格同步對(duì)向觀測(cè)及取往返高差的平均值等措施抵消大氣折光和地球曲率的影響[8-11]。

本次東、西人工島跨海高程傳遞共計(jì)觀測(cè)72個(gè)測(cè)回，按照規(guī)范要求中的每條邊各單測(cè)回高差間的互差以及由大地四邊形組成獨(dú)立閉合環(huán)，用同一時(shí)段的各條邊高差計(jì)算的閉合差進(jìn)行測(cè)回篩選，共篩選出52個(gè)合格的測(cè)回成果，滿足規(guī)范要求。

DKH1—XKH1測(cè)段各測(cè)回排序高差統(tǒng)計(jì)分布見圖5。1—26測(cè)回高差升序排列，27—52測(cè)回高差降序排列，整體高差呈正態(tài)分布。

圖5 DKH1—XKH1各測(cè)回排序高差統(tǒng)計(jì)分布圖

DKH2—XKH2測(cè)段各測(cè)回排序高差統(tǒng)計(jì)分布見圖6。1—26測(cè)回高差升序排列，27—52測(cè)回高差降序排列，整體高差呈正態(tài)分布。

圖6 DKH2—XKH2各測(cè)回排序高差統(tǒng)計(jì)分布圖

4.2 精度分析

高差閉合差統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 高差閉合差統(tǒng)計(jì)

由表5可見，跨海高程測(cè)量閉合差小于閉合差限差要求，閉合差僅為-2.3 mm。由此可知：深中通道東、西人工島之間5.5 km 跨海高程傳遞測(cè)量成果達(dá)到國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求。

另外，深中通道第三方監(jiān)控單位采用經(jīng)緯儀傾角法對(duì)跨海高程結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，測(cè)量成果比對(duì)差值為3.2 mm，達(dá)到國(guó)家二水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求。

5 結(jié)論與體會(huì)

本文設(shè)計(jì)的長(zhǎng)距離跨海水準(zhǔn)測(cè)量照準(zhǔn)覘標(biāo)的成果精度可以達(dá)到國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求，滿足工程施工定位需求。具體總結(jié)如下：

1)研制的新型照準(zhǔn)覘標(biāo)燈實(shí)用性強(qiáng)，為跨海高程傳遞測(cè)量提供了便利，配合電子自動(dòng)計(jì)算程序，使全站儀三角高程法在長(zhǎng)距離跨海高程傳遞中得到了很好的應(yīng)用，是海上復(fù)雜環(huán)境條件下滿足跨海高程傳遞測(cè)量精度要求的重要保障。

2)夜間海上觀測(cè)環(huán)境較為復(fù)雜，過往船只較多，船上燈光以及海面航標(biāo)燈等會(huì)對(duì)照準(zhǔn)覘標(biāo)燈產(chǎn)生干擾影響，外業(yè)觀測(cè)期間宜固定觀測(cè)人員與手簿操作人員，二人相互默契配合，以確保外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定與高效。

3)受大氣折光影響，長(zhǎng)距離跨海高程多為夜間作業(yè)，攜帶設(shè)備較多，且需頻繁利用交通船運(yùn)輸人和設(shè)備，因此出工之前，務(wù)必檢查儀器及其附件是否齊全，做好備品備件。

4)天氣是保證觀測(cè)精度與進(jìn)度的前提條件，每天應(yīng)關(guān)注天氣預(yù)報(bào)信息，判斷大氣情況是否穩(wěn)定，尋找最有利的觀測(cè)時(shí)段削弱大氣折光對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，宜在夜間風(fēng)力較低、氣溫變化較小、環(huán)境變化緩慢時(shí)段進(jìn)行觀測(cè)。