長距離高精度跨海高程傳遞覘板設計及應用

董理科

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

在一些大型海上建設工程中，有些長距離的跨江（海）水準測量可以使用GPS 水準法進行，但有些項目因地形地貌等條件導致GPS 水準法無法按規范實施[1]，精度與可靠性難以保證，故常規水準測量方法（經緯儀傾角法和測距三角高程法）仍然不可替代，在此方法中需要使用照準覘板。

現有的照準覘板安裝繁瑣，無法在短時間內進行組裝，整體攜帶又過于麻煩，并且現有的照準覘板無法對基準線的寬度以及光線亮度進行調節，使用存在極大的不便，因此亟需提供一種便攜式遠距離照準覘板來解決上述問題。通過實地的模擬驗證，研制了一種便攜式遠距離照準覘板，在深中通道島隧工程5.5 km 全站儀測距三角高程跨海高程傳遞測量中驗證了其應用價值。

1 現有的覘板

目前長距離跨海高程傳遞測量中所使用的照準覘板存在比較笨重、架設繁瑣、不防風、無法調節亮度、調節寬度繁瑣、覘板不便攜帶等不足。現有覘板見圖1。

圖1 現有覘板示意圖Fig.1 Schematic view of existing sighting target

2 照準覘板研制

GB/T 12897—2006《國家一、二等水準測量規范》[2]規定，儀器照準覘板標志的長度和寬度以及標志線的間距，依跨海視線長度而定，跨河距離在2 000 m 以內，對岸標尺可安裝1 塊覘板，2 000 m 以上應安置上、下2 塊覘板。通視條件較差時，應采用特制的標燈作為觀測目標。覘標在標尺的高度兩岸應一致，具體要求見表1。

表1 標志線尺寸計算Table 1 Calculation of size of marker line

表1 中：D 為跨海視線長度，m；a、b 分別為標志寬長，mm；γ 為由望遠鏡至對岸覘板上兩標志線的夾角，（″），它應小于符合氣泡在水準管兩端刻劃之間的移動量，一般取60″；ρ 為弧度化為秒的乘常數，取206 265″。

受環境干擾的影響，白天成像模糊不清，完全不能觀測，只能選擇夜晚觀測。夜晚測量首先考慮成像明亮，邊界清晰，選擇合適的光源，同時考慮到防風。由于海上情況較為復雜，過往船只較多，船上燈光以及海面航標燈等光源會對燈標覘板造成影響。紅色、黃色光受到其他發光點的影響，效果好的還是白色光源，最終選擇白色光源作為現場工作的照準用光源。

深中通道東、西人工島之間最長約5.5 km，跨海水準距離長、難度大，為了消弱跨海場地氣象因素對測量的影響，滿足儀器照準覘板的照準目標尺寸條件，同時驗證觀測成果的精度及其可靠性，2018 年8 月25 日—10 月23 日在中山馬鞍島橫門水道開展模擬試驗。模擬試驗場地線路長為5.8 km，跨海線路為東西向，與深中通道跨海線路方向基本相似，現場模擬示意圖見圖2。

圖2 中山馬鞍島橫門水道模擬示意圖Fig.2 Schematic diagram of simulation of Hengmen Waterway,Ma'an Island,Zhongshan

模擬試驗結果見表2、表3。

表2 模擬試驗數據統計表Table 2 Statistical data of simulation testing

表3 模擬試驗數據比對表Table 3 Comparison of simulation test data

同時通過陸上二等水準聯測試驗點高差，對跨海高程測量結果進行檢測。

通過現場模擬試驗，初步驗證了使用新覘板在長距離三角高程法跨海水準測量的成果精度，滿足二等水準測量規范要求。

深中通道跨海線路長度約5.5 km，照準覘標的制作在參照規范的同時結合模擬試驗實際成像情況確定，通過模擬測試照準覘板制作的規格如下：

1）覘板外殼使用鋁合金材料制作，長652 mm，寬50 mm，厚25 mm，直接安裝在三角基座上，具有結構簡單、尺寸小、重量輕的優點，現場安裝和拆卸方便快捷。

2）每處標尺點設置上下2 個標志，上、下標志線處于不同的覘板上，每條標志線上安裝60 個8 mm 的LED 燈泡，覘板標志線選用白色光源，光強且聚光性好。

3）每條標志線長度600 mm、寬度10 mm，上下標志線之間的寬度520 mm，通過連接螺桿固定連接，結構穩定，安裝簡便，防風性能好。

4）覘板照明采用12 V 電瓶作為基本供電電源，標志線上下邊界設置擋光板，可根據實際路線長度和環境隨時調整標志線寬度和光強，以保證成像邊界清晰，滿足不同路線長度下的夜晚觀測要求。照準覘板安裝效果見圖3。

圖3 照準覘板Fig.3 Sighting target

3 在跨海高程傳遞測量中的應用

深中通道島隧工程隧道全長6 845 m，其中沉管隧道長5 035 m。在東、西人工島通過高精度跨海水準，測量兩岸間高差，將高程傳遞至西人工島，保證沉管高程定位精度達到二等水準測量的技術要求。

3.1 測量原理

全站儀測距三角高程法選用2 臺LeicaTS30全站儀照準覘板標志進行同步對向觀測，用垂直度盤測定水平視線上、下兩標志的傾角，計算水平視線位置，求出兩岸高差。同時，為了消弱跨海場地氣象因素對測量的影響，滿足儀器照準覘板的照準目標尺寸條件，使用新制作照準覘板標志。

東、西人工島間跨海水準距離長、難度大，為滿足工程施工精度要求，本次跨海水準測量按二等水準測量的技術要求實施。技術方法參照GB/T 12897—2006《國家一、二等水準測量規范》進行專項設計，采用全站儀測距三角高程法技術要求實施。

3.2 網形設計

東、西人工島間跨海水準距離長，高程測量受大氣折光、溫度變化等環境影響較大，傳統測量方法受限。東、西人工島間跨海水準網形設計按圖4 平行四邊形布置方式[3]。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尺的位置，跨海視線長度約為5 520 m，同岸跨海點間距為10 m，見圖4。

圖4 全站儀測距三角高程跨海水準測量網形示意圖Fig.4 Schematic diagram of total station rangefinder triangular elevation sea-crossing leveling network

3.3 跨河水準測量的實施

3.3.1 距離測量

本岸測站點間的距離采用鋼尺直接丈量平距，丈量時使鋼尺保持水平，兩端拉緊嚴格對中，并保持穩定，同時進行讀數。往返各讀3 次，3 次測定的距離互差和往返測距離中數之差均＜3 mm。東西人工島跨海距離采用了GPS 靜態方法進行測量[4]。

3.3.2 垂直角觀測

1）觀測準備工作

每天應關注天氣預報信息，出工之前，檢查儀器及其附件，觀測開始前，將儀器置于露天陰涼通風處30 min。

將儀器架設在強制對中觀測墩上，整平儀器后，使用直角鋼拐尺在相隔90?的4 個方向上丈量強制對中盤底部4 個角至儀器的垂直高度，4 次取平均值，取位0.1 mm 作為最終儀器高度。

同時將覘板架設在強制對中觀測墩上，整平基座，并經常注意使圓水準器的氣泡居中。分兩個對角量取強制對中盤頂部至覘標下邊緣的垂直高度，4 次取平均值，取位0.1 mm 作為最終覘標高度。

儀器和覘板量高結束后，將量取的覘標高度報送至對岸記錄員。

根據對岸儀器觀測人員的視差調試本岸覘標標志線的寬度及亮度，并保證觀測的同步開始。

2）觀測對岸覘板

在全站儀盤左位置，用望遠鏡中絲依次照準上、下覘板標志各讀取1 次豎直角讀數，盤右按相反次序照準下、上覘板標志各讀取1 次豎直角讀數，以上觀測為1 組垂直角觀測。依同法進行其余組的觀測。

2 臺儀器分別在兩岸相同時段對向觀測1 條邊的成果組成1 個單測回，同岸每1 臺儀器位置在觀測完成半數測回后，觀測員、儀器、覘標應相互調岸，在第2 臺儀器位置上完成其余測回的觀測，以此組成1 個雙測回。2 個測回連續觀測時，測回間應間歇15 min 左右[5]。

3）測回數及限差要求

按照規范要求，采用測距三角高程法進行跨河水準測量時按照跨河視線長度確定應觀測的時間段數、測回數見表4。

表4 觀測時間段數、測回數及限差與跨河視線長度關系（二等水準）Table 4 Relationship between number of observation periods,number of measured cycles and limit difference and line-of-sight length across a river(second-class level)

考慮到旁折光影響，垂直角觀測選擇夜間時段進行。為增加數據可靠性，需適當增加測回數，按增加不少于1/2 規范測回數進行內部控制。本項目跨海水準雙測回數及組數見表5。

表5 觀測時間段數、雙測回數及組數參照表Table 5 Reference to number of observation periods,number of double-measured cycles and number of groups

3.4 數據統計分析

采用三角高程單向高差計算公式進行列表計算，平距采用邊長投影至高斯平面距離成果參與計算，采用公式為：

式中：d 為高斯面平距；α 為觀測垂直角；i 為儀器高；v 為照準目標高；k 為折光系數，取經驗值0.13；R 為參考橢球面平均曲率半徑，m；Hm為測區平均高程，m；ym為跨海點距中央子午線平均距離，m；ε 為垂線偏差[6-9]。

本次東西島跨海高程傳遞共計觀測雙測回72 個，按照規范要求中的每條邊各單測回高差間的互差以及由大地四邊形組成獨立閉合環，用同一時段的各條邊高差計算的閉合差進行測回篩選，共計篩選出52 個合格的雙測回成果，滿足規范要求，具體測量成果技術指標統計見表6。

表6 東西人工島跨海高程傳遞測量成果技術指標統計Table 6 Statistics of technical indexes of measured results of sea-crossing elevation transfer of East and West artificial islands

4 結語

新型覘板為跨海高程傳遞測量提供了便利，由上述精度可知，新型覘板在深中通道島隧工程項目全站儀測距三角高程法跨海高程傳遞測量中得到了應用，在復雜的海上環境下達到了二等水準測量的精度，滿足設計及后期施工測量的要求。

該覘板目前已成功推廣應用于大連灣沉管隧道工程施工中，目前已完成了的高程測量，測量成果全部達到二等水準測量的精度要求，為推動工程順利施工提供了保障。同時可以為其它類似工程或今后同類工程的施工提供相關借鑒，結合本項目工作實踐，新型覘板應用于長距離跨海高程傳遞，保證二等水準測量精度，具有實際操作的指導作用。