GNSS精密控制网在特大型桥梁施工监测中的应用
——以虎门二桥为例

王晓明,曾旭平,马鑫程，杨红,辛明真,王发省,阳凡林, 4

(1.山东科技大学 测绘科学与工程学院,山东 青岛 266590;2.中交公路规划设计院有限公司,北京 100088;3.长江三峡勘测研究院有限公司(武汉),湖北 武汉 430070;4.海岛(礁)测绘技术自然资源部重点实验室,山东 青岛 266590)

0 引 言

全球卫星导航系统(GNSS)定位技术已越来越多地应用于大型桥梁的施工控制测量,特别是平面控制网的测设中.广东虎门二桥工程位于广东省珠江三角洲地区,工程起于广州市番禺区,讫于东莞市.其中过江通道由坭洲水道桥(主跨1200 m悬索桥)、大沙水道桥(主跨1688 m悬索桥)和引桥组成,过江通道全长7.680 km，建设规模宏大，技术复杂,总投资111.8亿元,已于2019年4月建成通车,成为世界上跨径最大的钢箱梁悬索桥.

特大型桥梁的首级控制网与其它一般工程控制网相比：控制网精度等级高;工程建设周期长,需要根据实际情况定期复测;控制网网形较差,往往呈狭长分布;控制点受现场施工影响较大.

虎门二桥施工控制网分为首级网和接线网.整个工程控制网除满足布网要求外,同时为加密施工控制网等提供测量基准.大桥控制网主要为大桥施工的放样和营运期的变形监测服务,建网过程中充分考虑了控制网精度需要,同时考虑了测区内不均匀沉降对控制点稳定性的影响,以及测区的气象、水文、地质条件对确定建网时间和测量作业时间的影响.虎门二桥每年进行定期的复测,分析点位的稳定性,保证工程的顺利施工.

本文以虎门二桥工程为例,以8期测量成果为基础,介绍了基线解算、控制网平差的相关措施.对各期的测量成果进行统计,采用t检验法对首级控制网复测成果比较分析,评定首级控制网点的稳定性,为后续各期复测及其他类似工程提供参考和借鉴.

1 GNSS控制测量与基线解算

首级控制网由12个首级网点、GNSS站点组成.如图1所示,首级平面控制网按公路二等GNSS网实施[1],具体观测技术指标如表1所示.GNSS控制网采用边连式和网连式进行连接,可以保证图形强度,重复设站率大于等于4,每个时段观测时间不少于4 h.

图1 虎门二桥首级平面控制网布网示意图

表1 虎门二桥首级控制网观测技术指标

为满足高精度跨海大桥控制网建立的需要,虎门二桥首级网基线解算采用GAMIT 10.40软件进行.不同的基线解算软件,由于其采用的模型及数据处理方式等因素的不同,可能造成基线解算结果的系统性差异,因此,不同期的观测网都采用同一基线解算软件(同一版本)进行处理[2].

星历卫星轨道的精度是影响GNSS基线解算精度的重要因素之一,因此提高卫星轨道的精度是保证GNSS相对定位精度的关键因素之一.该控制网的处理,采用国际GNSS服务(IGS)精密星历,其轨道精度达到0.05 m.如控制网中的边长为100 km,星历对基线在最不利的情况下影响不超过0.2 mm[3].

本控制网中基线均不超过100 km,因此采用BASELINE模式处理即可[4],不包含轨道或地球定向参数,可固定IGS轨道.

GAMIT软件在数据处理时,L文件包含所用测站的概略坐标文件,概略坐标的精度不能过低,否则会解算失败[5],因此,GAMIT软件需要多次解算,并将概略坐标替换为精度更高的坐标.

控制网解算模式选择LC_HELP,但控制网中存在部分较短基线,因此,采用L1_ONLY解算一次[6],同时采用Trimble Geomatics Office(TGO)软件解算,对短基线解算结果进行比对,以保证短基线解算的正确性.

测站坐标约束是通过对一个或多个基准站的坐标分量加以约束,为数据分析定义参考系统.约束太紧导致基线分量误差比站点坐标约束还要大[4],选择合理的约束条件直接影响到解算精度,本工程中对起算点以紧约束,其余点位松约束,并不断更改约束条件,多次解算,取精度最高的解算结果.

对每期基线解算质量统计,具体如下:各期GAMIT解算标准均方根(NRMS)统计，如表2所示、各期最弱重复基线统计，如表3所示.表2中,各期NRMS值均不大于0.32,均小于通常要求的0.5[6],因此各期基线解算合格.表3对各期的重复基线进行统计,8期测量中,重复基线最大互差为1.40 cm,小于相应的1.52 cm的限差要求.表2、3表明,虎门二桥各期基线解算均满足要求,保证了基线的正确性与可靠性.

表2 虎门二桥各期NRMS统计

表3 虎门二桥最弱重复基线统计

为了确保大桥施工控制网的精度与可靠性,采用高精度测距边对部分基线进行检核测距，如表4所示,最大较差为2.5 mm,测距时采用Leica TM30(0.5″)全站仪及配套棱镜、气象设备,观测值经加常数改正、乘常数改正、气象改正等必要的数据处理.同时在大桥施工坐标系平差时加入测距边联合平差,以提高精度.

表4 全站仪测距边长与GNSS边长对比

2 GNSS控制网平差

平差软件采用武汉大学GNSS中心研制的Poweradj4.0商业平差软件.虎门二桥首级网三维无约束平差采用CGCS2000坐标系统,主要作用为大桥控制网的ITRF坐标参考框架基准传递;主桥施工坐标系二维约束平差采用1980西安坐标系统,主要为跨江部分桥面及主塔施工服务.

首级网控制点HB01与昆明(KUNM)、上海(SHAO)及武汉(WUHN)等IGS跟踪站联测,获取起算点的CGCS2000坐标,采用的三个跟踪站均匀分布于测区周边,具有较好的图形结构,满足控制网对起算点的需要.

虎门二桥首级网CGCS2000坐标系历次三维最小约束平差结果最弱点点位中误差如表5所示,虎门二桥首级网大桥施工坐标系历次二维约束平差平差结果最弱点点位中误差如表6所示.

表6中,各期最弱点点位中误差为0.59 cm,小于0.80 cm的施工要求;表5中,二维约束平差最弱点点位中误差为0.42 cm,小于相应的0.80 cm的施工要求.各期最弱基线相对中误差均小于1/150000,因此,虎门二桥各期网平差符合工程设计中的规范要求.

表5 首级网CGCS2000坐标系历次三维最小约束平差结果最弱点点位中误差统计

表6 首级网大桥施工坐标系历次二维约束平差结果最弱点点位中误差统计

3 控制网稳定性分析

对八期主桥施工坐标系测量成果统计,各期成果坐标(x方向)较差如图2所示、y方向较差如图3所示.

图2 各期成果坐标较差(x方向)

图3 各期成果坐标较差(y方向)

2)做统计量:

F检验通过后,t检验的具体步骤如下:

1)H0:ξd=ξ2-ξ1=0,H1:ξd≠0.

检验的原假设H0是ξ2=ξ1,即该点坐标理论值两期相同,自然无位移存在.如果拒绝原假设,则接受备择假设H1,认为位移存在.

2)作统计量t,当原假设H0成立时,则

虎门二桥共观测8期,对第7、8两期的数据进行t检验.

首先作F检验,

选定α=0.05,两期的自由度分别为98、110，查F分布表得F0.025(98,110)=1.47,F

进行t检验时,t的自由度为208,α分别取0.01、0.05、0.1、0.2.检验结果如表7所示.

表7 取不同α检验结果

由表7可以看出,选择不同的α进行检验时,得到的结果并不相同,但α在一定范围内变化时,点位稳定性的判断可能会相同,当.α取0.05、0.1、0.2时,得到的结果是相同的.

对虎门二桥的大地高统计如图4所示.

图4 各期成果大地高变化

点位稳定性分析表明:

平面稳定性:HB03、HB07位于桥轴线,在第7期时,HB03点位稳定,变化较小,受施工影响,HB07点位变动较大;HB01、HB08、HB09位于垂直桥轴线,HB01、HB09变化较大.

高程稳定性:共统计5点,大地高变化较小,点位最大沉降HB08为12.6 cm.

工程建设后期,部分点位受到施工影响,因此,第7期点位变动较大.除第7期的部分点位,在工程后期,均可认为点位稳定,因此,可认为点位稳定条件较好,绝大多数点位移较小,保证了工程建设的顺利进行.

4 结束语

本文以虎门二桥工程为例,介绍了GNSS定位技术在特大桥梁中的具体应用,通过采用多种技术手段提高控制网精度.对各期精度的统计,表明各期测量均达到相应的技术标准;通过采用t检验法进行稳定性检验,结果表明虎门二桥首级控制网整体较为稳定,点位变化较小.该分析结果对后续监测工作和施工具有重要的指导意义.