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，有些長距離的跨江(海)水準(zhǔn)測量可以使用GPS水準(zhǔn)法進(jìn)行,但有些項目因地形地貌等條件導(dǎo)致GPS水準(zhǔn)法無法按規(guī)范實施[1]，精度與可靠性難以保證，故常規(guī)水準(zhǔn)測量方法(經(jīng)緯儀傾角法和測距三角高程法)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，測量精度指標(biāo)和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)高，施工地點距離陸地邊界6 km，位于寬闊的入海口，高程控制基準(zhǔn)點建立在陸地，需要有高精度跨海高程傳遞技術(shù)。受現(xiàn)場地形條件限制，采用測距三角高程法作為東、西人工島長距離高精度高程傳遞的實施方法。目前，國家測量規(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)境和不利的觀測條件使長距離跨海高程傳遞測量難度進(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，提升了觀測效率。成益品等[3]對港珠澳大橋島隧工程東西人工島精密跨海高程傳遞測量進(jìn)行研究與總結(jié)，并組合多種高程傳遞技術(shù)實現(xiàn)了9 km跨距的高程傳遞。吳迪軍等[4]對三角高程法在跨海高程傳遞中的應(yīng)用進(jìn)行模擬試驗，驗證了三角高程用于長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量，闡述了長距離跨海三角高程的測量方法及注意事項。

目前，用于長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)線路長度及觀測氣象條件的變化實時對覘標(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)的實際需求，通過實地模擬驗證，創(chuàng)新設(shè)計了一種便攜式遠(yuǎn)距離照準(zhǔn)覘標(biāo)，不僅可以滿足不同路線長度下的夜晚觀測要求，而且可以根據(jù)氣象條件變化對覘標(biāo)成像清晰度進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，其應(yīng)用價值在深中通道東、西人工島5.5 km全站儀測距三角高程跨海高程傳遞測量中得到了驗證。

1 覘標(biāo)設(shè)計與軟件開發(fā)

1.1 照準(zhǔn)覘標(biāo)試驗研制

GB/T 12897—2006《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》規(guī)定，儀器照準(zhǔn)覘板標(biāo)志的長度和寬度以及標(biāo)志線的間距，依跨海視線長度而定，跨海距離在2 000 m以內(nèi)，對岸標(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，應(yīng)采用特制的標(biāo)燈作為觀測目標(biāo)。覘標(biāo)在標(biāo)尺的高度，兩岸應(yīng)一致，標(biāo)志線計算具體要求見表1。

海上長距離跨海高程傳遞受大氣折光影響，觀測目標(biāo)白天成像模糊不清，因此一般選擇在夜晚觀測。夜晚測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)燈等光源會對覘標(biāo)燈造成影響。由于紅色、黃色光易受到其他發(fā)光點的影響，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地氣象因素對測量的影響，滿足儀器照準(zhǔn)覘標(biāo)的照準(zhǔn)目標(biāo)尺寸條件。按照國家二等跨海高程測量精度的施測要求，在中山馬鞍島橫門水道進(jìn)行模擬測試，驗證研制的照準(zhǔn)覘標(biāo)的觀測成果精度及其可靠性。模擬試驗場地線路長約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。測量網(wǎng)形設(shè)計為平行四邊形。試驗點間距采用全站儀觀測。同岸試驗點高差采用水準(zhǔn)儀觀測，對岸試驗點高差利用全站儀垂直角觀測24個測回，通過陸上二等水準(zhǔn)聯(lián)測試驗點間相對高差，對跨海高程測量結(jié)果進(jìn)行檢測。

模擬試驗結(jié)果見表2和表3。

表2 模擬試驗數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計

表3 模擬試驗數(shù)據(jù)高差比對

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

1.2 照準(zhǔn)覘標(biāo)設(shè)計與安裝

設(shè)計的覘標(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)簡單、尺寸小、質(zhì)量小的優(yōu)點，現(xiàn)場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)尺點設(shè)置上、下2個標(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)計調(diào)節(jié)標(biāo)志線旋鈕，可根據(jù)實際路線長度和環(huán)境變化隨時調(diào)整標(biāo)志線寬度和光強(qiáng)，以保證成像邊界清晰，滿足不同路線長度下的夜晚觀測要求。

1.3 數(shù)據(jù)采集軟件開發(fā)

數(shù)據(jù)采集軟件利用GNSS測量手簿為載體，開發(fā)外業(yè)數(shù)據(jù)記錄與計算程序，與徠卡TS60全站儀連接，實現(xiàn)自動記錄與計算，操作簡便，便于攜帶。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件具備以下功能：測前在軟件內(nèi)對測量點數(shù)、有效點數(shù)、補(bǔ)測點數(shù)、最大偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差、最大最小互差等各項誤差控制指標(biāo)進(jìn)行提前設(shè)定；在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，軟件會根據(jù)設(shè)置的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)自動計算與誤差剔除，若有數(shù)據(jù)超限或不合格，軟件會提示是否需要補(bǔ)測，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)計為DKH1→DKH2→XKH2→XKH1→DKH1大地四邊形布置方式，高程起算點為東人工島深中通道首級控制網(wǎng)點，閉合至西人工島跨海點。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，跨海視線長度約為5 520 m，同岸視線長度均為10 m?？绾８叱虃鬟f測量路線見圖4。

圖4 跨海高程傳遞測量路線示意圖

3 外業(yè)觀測

3.1 距離觀測

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

3.2 同岸高差觀測

同岸2個跨海點，采用Leica LS15電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行往返高差測量。開測后定期進(jìn)行同岸跨海點的高差檢測。

3.3 對岸高差觀測

3.3.1 觀測準(zhǔn)備工作

1)將全站儀架設(shè)在強(qiáng)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(qiáng)制對中盤頂部4個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)與測量基座連接，架設(shè)在強(qiáng)制對中目標(biāo)墩上，整平基座，分2個對角量取強(qiáng)制對中盤頂部至覘標(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)量測高度，全站儀照準(zhǔn)覘標(biāo)，調(diào)試對岸覘標(biāo)標(biāo)志線的寬度及亮度。

3.3.2 觀測對岸覘標(biāo)

采用2臺全站儀對向觀測。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)。以上觀測為1組垂直角觀測。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，同岸每臺儀器位置在觀測完成半數(shù)測回后，觀測員、儀器、覘標(biāo)應(yīng)相互調(diào)換，在第2臺儀器位置上完成其余測回的觀測。

以東、西人工島間跨海高程測量為例進(jìn)行觀測。1)在DKH1、XKH2 2點設(shè)站，兩岸儀器同時觀測對面XKH1、DKH2點的上、下標(biāo)燈，儀器盤左盤右位置觀測順序為左上—左下—右下—右上；2)同岸儀器同時遷站，DKH1點儀器遷站至DKH2點，XKH2點儀器遷站至XKH1點，觀測順序如同第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)行測量。

3.3.3 觀測測回數(shù)要求

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

表4 二等跨海水準(zhǔn)測量觀測測回數(shù)及組數(shù)參照

4 數(shù)據(jù)處理與精度分析

4.1 觀測高差統(tǒng)計

采用三角高程單向高差計算公式進(jìn)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，公式為

式中:h為高差，m;d為高斯面平距；α為觀測垂直角；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為測區(qū)平均高程；ym為跨海點距中央子午線的平均距離；ε為垂線偏差；ρ為206 265″。測量時，采取嚴(yán)格同步對向觀測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觀測72個測回，按照規(guī)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(dú)立閉合環(huán)，用同一時段的各條邊高差計算的閉合差進(jìn)行測回篩選，共篩選出52個合格的測回成果，滿足規(guī)范要求。

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

圖5 DKH1—XKH1各測回排序高差統(tǒng)計分布圖

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

圖6 DKH2—XKH2各測回排序高差統(tǒng)計分布圖

4.2 精度分析

高差閉合差統(tǒng)計見表5。

表5 高差閉合差統(tǒng)計

由表5可見，跨海高程測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 跨海高程傳遞測量成果達(dá)到國家二等水準(zhǔn)測量精度要求。

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

5 結(jié)論與體會

本文設(shè)計的長距離跨海水準(zhǔn)測量照準(zhǔn)覘標(biāo)的成果精度可以達(dá)到國家二等水準(zhǔn)測量的精度要求，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)燈實用性強(qiáng)，為跨海高程傳遞測量提供了便利，配合電子自動計算程序，使全站儀三角高程法在長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量精度要求的重要保障。

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

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