吳乃龍

(福州市勘測院，福建 福州 350108)

1 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市化進(jìn)程愈加快速，高架橋梁在各大中城市交通路網(wǎng)中起著愈加重要的作用。而如高架橋梁此類的大型建(構(gòu))筑物，在竣工后均需長期的監(jiān)測[1]，以便掌握其使用期間的變形數(shù)據(jù)，確保安全運(yùn)營。但長距離多幅線性高架橋梁的監(jiān)測，傳統(tǒng)方法[2，3]往往需要投入大量人力或設(shè)備，效率較低，尋求一種操作和計(jì)算均較為簡便的監(jiān)測方法，對于城市交通安全發(fā)展運(yùn)營顯得尤為重要。

為此，文中提出一種基于GNSS和導(dǎo)線測量布設(shè)水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)的方向觀測法[4]，該方法操作常規(guī)、坐標(biāo)系易統(tǒng)一[5]、后期數(shù)據(jù)處理方便，有效提高了長距離多幅線性高架橋梁監(jiān)測作業(yè)效率，并以福州環(huán)島路第一標(biāo)高架段工程為例，驗(yàn)證了此方法的高效性。

2 傳統(tǒng)監(jiān)測方法

2.1 自由設(shè)站法[6]

全站儀自由設(shè)站法是在一個(gè)任意點(diǎn)上設(shè)站，對多個(gè)已知平面控制點(diǎn)(至少兩個(gè))和待定點(diǎn)進(jìn)行邊角觀測，將觀測得到的方向值、距離值和天頂距按間接平差或條件平差[7，8]方法進(jìn)行計(jì)算，從而得到設(shè)站點(diǎn)和待定點(diǎn)的坐標(biāo)值。

圖1中P為任意設(shè)站點(diǎn)，Oi為已知點(diǎn)，di為待定點(diǎn)，Wi為方向值，Si為距離，KP為測站定向角，ai為方位角，i=1，2，…，n。

基于自由設(shè)站法單站多方向觀測原理，此方法主要適用于距離較短的線性高架橋梁或范圍較小的匝道等。若長距離線多幅性高架橋梁采用自由設(shè)站法進(jìn)行

圖1 自由設(shè)站法觀測示意圖

觀測，則需在測區(qū)內(nèi)選取多個(gè)測站，而每個(gè)測站的水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)均為獨(dú)立。此時(shí)，將多個(gè)水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)統(tǒng)一坐標(biāo)系是一個(gè)較為繁雜的步驟，其次，選取比測站還多的水平位移基準(zhǔn)點(diǎn)也是較為困難且繁重的工作。

由上可見，若采用全站儀自由設(shè)站法對長距離多幅線性高架橋梁進(jìn)行監(jiān)測，則選埋基準(zhǔn)點(diǎn)工作量大、后期數(shù)據(jù)處理運(yùn)算也較困難。

2.2 基于GNSS布設(shè)水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)的極坐標(biāo)法[9，10]

由于長距離多幅線性高架橋梁測區(qū)范圍一般較廣，故可考慮采用在測區(qū)兩側(cè)選取水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)控制點(diǎn)，采用GNSS觀測方法獲取統(tǒng)一坐標(biāo)系下的水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)，而后利用已知數(shù)據(jù)采用極坐標(biāo)法對測區(qū)進(jìn)行監(jiān)測。

該方法雖然在建立統(tǒng)一坐標(biāo)系上較方便，但對點(diǎn)位選取的要求很高。首先，因受觀測精度影響，選取的點(diǎn)位間隔不能太近，而選取間隔太遠(yuǎn)，則通視條件必然受到影響，如不能通視，則無法完成定向；其次，同樣受觀測精度影響，不能距離高架橋梁下方太近，故只能布設(shè)于高架橋梁附近上方或者較遠(yuǎn)的位置。若選取高架橋梁附近上方布設(shè)，則箱梁下方的橋墩頂部位移則無法觀測，若選取距離高架橋梁較遠(yuǎn)的位置，則觀測精度會受到一定影響。GNSS水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)示意圖如圖2所示。

圖2 GNSS水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)示意圖

由上可見，若采用基于GNSS布設(shè)水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)的極坐標(biāo)法對長距離多幅線性高架橋梁進(jìn)行監(jiān)測，則對選埋的水平位移基準(zhǔn)點(diǎn)要求高，且觀測精度不能保證。

3 一種基于GNSS和導(dǎo)線測量布設(shè)水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)的方向觀測法

3.1 水平位移布設(shè)基準(zhǔn)網(wǎng)方法

(1)GNSS控制點(diǎn)選取

根據(jù)長距離線性多幅高架橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別在結(jié)構(gòu)兩端監(jiān)測體外部穩(wěn)固區(qū)域選取2個(gè)相互通視的GNSS控制點(diǎn)，即各選取一條起算邊，要求兩端起算邊能與測區(qū)各自端頭附近的某座內(nèi)側(cè)橋墩通視即可。

(2)導(dǎo)線點(diǎn)選取

根據(jù)測區(qū)通視條件，在多幅高架橋梁內(nèi)側(cè)即結(jié)構(gòu)橫斷面中選取導(dǎo)線點(diǎn)，并隨測區(qū)線路方向逐點(diǎn)布設(shè)，間距設(shè)為 150 m～300 m，相鄰導(dǎo)線點(diǎn)間兩兩通視。為此，可與GNSS控制點(diǎn)組成一條(或多條)附合導(dǎo)線。

3.2 方向觀測法

以已布設(shè)的附合導(dǎo)線為水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)，監(jiān)測時(shí)以導(dǎo)線點(diǎn)作為工作基點(diǎn)，以其相鄰一端的通視導(dǎo)線點(diǎn)為定向點(diǎn)，以其相鄰另一端的通視導(dǎo)線點(diǎn)為檢核點(diǎn)，采用方向觀測法對測區(qū)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

福州市環(huán)島路工程第一標(biāo)段全長 1 534.852 m，其中里程K0+391至K1+289為高架段，主線橋分左、右兩幅，并于里程K0+540斷面有兩幅長度均為 320 m(高架段長度分別 233 m、165 m)的G、H附屬匝道橋。主線橋左、右幅各設(shè)有30排(31座)橋墩，G、H匝道各設(shè)有5座橋墩，并建有上下行路基段。為獲取工程主附橋梁運(yùn)營期結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)，需對其進(jìn)行水平位移和豎向位移監(jiān)測。(本工程豎向位移采用幾何水準(zhǔn)測量法進(jìn)行觀測，因?qū)嵤┹^為簡易，故不再贅述。)

4.2 水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)

根據(jù)工程線性結(jié)構(gòu)特征，水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)采用GNSS控制網(wǎng)結(jié)合附合導(dǎo)線測量法進(jìn)行布設(shè)。其中在小里程端和大里程端測區(qū)外，分別選取2個(gè)GNSS控制點(diǎn)GNA、GNB、GNC、GND作為起算邊，在主線橋左幅內(nèi)側(cè)里程K0+360、K0+713和主線橋右幅內(nèi)側(cè)里程K0+525、K1+080橋墩上各選取1個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)，組成一條附合導(dǎo)線(如圖3所示)。

圖3 水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)示意圖

4.3 水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)測量

(1)GNSS控制網(wǎng)測量

采用Trimble R4型接收機(jī)(標(biāo)稱靜態(tài)精度：3 mm+0.5 ppm)，按《建筑變形測量規(guī)范》-JGJ8-2016二等測量作業(yè)要求進(jìn)行，如表1所示。

GNSS靜態(tài)測量技術(shù)要求 表1

其中本次施測觀測時(shí)段為60 min，采樣間隔為 15 s。GNSS控制網(wǎng)獨(dú)立觀測2次。以城市連續(xù)運(yùn)行CORS站為起算數(shù)據(jù)，經(jīng)基線解算、三維無約束平差和二維約束平差，獲得GNA、GNB、GNC、GND起算點(diǎn)坐標(biāo)，如表2、表3所示。

三維無約束平差最弱精度統(tǒng)計(jì)一覽表 表2

二維約束平差最弱邊精度統(tǒng)計(jì)一覽表 表3

(2)附合導(dǎo)線測量

采用Leica TM50高精度全站儀(標(biāo)稱精度：0.5″，0.6 mm+1 ppm)，以GNA-GNB、GNC-GND為起算邊，ZEJ1、ZEJ2、ZEJ3、ZEJ4為導(dǎo)線點(diǎn)，按《工程測量標(biāo)準(zhǔn)》GB50026-2020四等導(dǎo)線測量要求進(jìn)行獨(dú)立觀測2次，經(jīng)約束平差，獲得各導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)。本項(xiàng)目水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)觀測精度如表4所示：

水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)精度統(tǒng)計(jì)表 表4

4.4 水平位移監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)與觀測

(1)水平位移監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

本工程水平位移監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)原則：在各橋墩頂部布設(shè)1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，箱涵伸縮縫左右兩側(cè)各布設(shè)1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，路基段與箱涵銜接處布設(shè)1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。本項(xiàng)目主線橋共布設(shè)96個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，附屬匝道橋共布設(shè)12個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，合計(jì)108個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

(2)水平位移監(jiān)測點(diǎn)觀測

采用Leica TM50高精度全站儀，分別以GNSS控制點(diǎn)已知點(diǎn)、導(dǎo)線點(diǎn)作為工作基點(diǎn)和定向點(diǎn)，按《建筑變形測量規(guī)范》-JGJ8-2016二等水平位移監(jiān)測要求，以方向觀測法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。經(jīng)平差數(shù)據(jù)處理，最弱點(diǎn)精度符合規(guī)范(坐標(biāo)中誤差 3 mm)要求，如表5所示：

水平位移監(jiān)測網(wǎng)精度統(tǒng)計(jì)表 表5

5 結(jié) 語

隨著國內(nèi)各大城市交通路網(wǎng)完善，提高土地空間利用率，線性多幅高架橋梁也越來越多，其安全運(yùn)營有著至關(guān)重要的意義。傳統(tǒng)監(jiān)測方法對于大型線性建(構(gòu))筑物有諸多受限情形，采用文中所述方法可提高作業(yè)效率。

(1)采用儀器設(shè)備均為常見設(shè)備，主要在于基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)的方法不同。導(dǎo)線點(diǎn)布設(shè)于結(jié)構(gòu)內(nèi)部相對布設(shè)在測區(qū)兩側(cè)，內(nèi)側(cè)布點(diǎn)可增加單站觀測點(diǎn)數(shù)，減少設(shè)站次數(shù)。

(2)工作基點(diǎn)間通視，可對工作基點(diǎn)穩(wěn)定性檢核，同時(shí)還能將相鄰設(shè)站個(gè)別通視受限的監(jiān)測點(diǎn)補(bǔ)測完整，減少漏測率。

(3)水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)坐標(biāo)系具有統(tǒng)一性，大大減少了后期數(shù)據(jù)處理的工作量。

(4)若測區(qū)是超長距離多幅線性高架橋梁，可能需要布設(shè)超過10個(gè)以上的導(dǎo)線點(diǎn)時(shí)，則可在中部增加GNSS控制邊，保證水平基準(zhǔn)網(wǎng)精度。

此外，文中所述方法主要適用于陸地部分的長距離線性高架橋梁，水面部分主要還是采用傳統(tǒng)兩側(cè)、兩岸的觀測方法，仍處于低效率作業(yè)階段，提高其水面部分的作業(yè)效率還有待進(jìn)一步研究。