海上施工测量GPS控制

（浙江台州市沿海高速公路有限公司，台州 318000）

0 引言

随着社会的不断进步和发展，GPS技术也发展的越来越先进，适用性也越来越广，现在很多行业都在应用GPS技术，其中工程施工行业就是其中之一。工程施工行业GPS技术用于测量技术中，GPS技术在测量技术中主要用于建立控制网和施工过程中的测量控制，而与常规建立控制网方法相比，GPS技术具有自动化程度高、全天候、高精度、定位速度快、布点灵活和操作方便等特点。文章针对GPS技术在工程施工测量技术中的特点和优点，结合某特大桥桥梁实例，对GPS技术在测量技术中运用与控制进行分析，可供参考。

1 工程概况

浙江省三门湾大桥及接线工程主线起点桩号K46+912.043，全线经象山、宁海、三门等3个县市区，终于台州市三门县六敖镇，终点桩号K101+405.299，路线全长约54.493 km。其中TJ10标段施工桩号范围 K97+700～K101+405.299，线路长度3.705 km。

TJ10标工程内容包括蛇蟠水道大桥、路基及地方道路改造工程的施工完成和缺陷责任期缺陷修复。线路设计全部采用双向六车道标准，路基宽度33.5 m。设计速度全线采用100 km/h，桥涵设计汽车荷载等级为公路I级。其中，蛇蟠水道大桥左幅采用4×30+4×50+40+18×50+80+2×145+80+22×50+10×30 m预应力混凝土现浇箱梁加连续刚构，右幅采用4×30+6×50+4×50+40+12×50+85+2×145+85+22×50+10×30 m预应力混凝土现浇箱梁加连续刚构，桥梁全长3 110 m。主桥跨径组合80+2×145+80 m，采用双薄壁墩预应力连续刚构桥。海上及高墩区引桥跨径50 m为主，其中蛇蟠岛侧由于上跨堤坝需要具备调整为40 m，矮墩区引桥采用30 m。上部结构均采用等高度预应力混凝土现浇连续箱梁[1]。

柱墩桥墩采用双薄壁实体墩，基础采用钻孔灌注桩基础。过渡墩和引桥桥墩均采用花瓶型片式实心墩，基础均采用钻孔灌注桩基础。

项目地处东南沿海，为欧亚太陆与太平洋之间的过渡地带，属亚热带季风气候，兼受海洋对气候调节作用影响，具有季风明显，温暖湿润，光照充足，雨量充沛，但台风灾害频繁的气候特点。年平均气温16.3～17.9 ℃，极端气温在40 ℃左右，极端最低气温在-4.6 ℃左右。工程区域冰冻日数、高温日数少，对工程施工、安全营运无较大影响。

本地区年平均降雨量在1 310～1 740 mm之间，平均降雨日数在150～171 d之间，降雨量集中在春、夏季之间，6月和8月为降雨高峰期，前者为梅汛期降雨，月平均降雨量180～250 mm之间，后者多为台风影响所致，月平均有140～300 mm之间。

因工程所在区域季风气候影响，风量、风速变化比较明显，夏季为东南偏东风，冬季为西北风，全年最多风向为东风，累年各月平均风速在2.2～5.2 m/s之间。根据沿海高速公路（甬台温复线）气候专题研究报告，蛇蟠水道大桥桥位处百年一遇基准风速为V10=40 m/s。

本工程区域内雾出现频率较高，全年各月均有雾出现，但主要集中在冬、春两季，累年最多日几乎都在50 d以上，其中三门湾年雾日数可达40～50 d，但多数情况下，雾的最长持续时间不超过12 h，且持续时间在1～4 h之间的雾出现次数较多[2]。

三门湾三面面山，岸线曲折，港汊间舌状潮滩相间而生，湾内岛屿罗列，有大、小岛屿130个。四周陆地以侵蚀丘陵为主，海波在500 m以下，切割深度浅，山脊呈波状起伏，山顶一般均被长期剥蚀呈浑圆状，山溪性河流蜿蜒期间。

陆地周边溪流的中、下游谷地，局部分部有陂洪积、冲洪积平原。主要由河漫滩、浅滩和边滩组成，多形成坡集裙或洪积扇，位于低山丘陵前缘，地势由山前向河谷微倾。陆地沿海则发育有许多小型的海积、冲海积平原，地势平坦，标高1.5～2.5 m，河网密布，多为农田。

本跨海大桥所经海域自北向南分布有力洋港、青山港和蛇蟠水道大桥等潮汐通道或冲刷槽，犹如树枝状向岸延伸。港汊之间则分别发育了三山涂、蛇蟠涂等舌状潮滩。其中本跨海大桥蛇蟠水道大桥位于三门县城东20 km，南北介于大陆岸滩与蛇蟠岛之间。呈东西向，西通旗门港、正屿港和海游港，东至八分嘴北端，通猫头水道。桥位处于水面开阔，宽2 380 m，水深大于5 m，深槽的宽度为1 680 m，最大水深10 m，多年来基本稳定。

该工程因其所处的地理位置特别（海上、连接大陆与海岛），根据工程规划设计和施工建设的需要，采用GPS（全球卫星定位系统）技术进行大范围平面控制测量的技术手段相比于全站仪导线加密的方法来说非常方便和可靠。

2 工程对控制测量的要求

为保证该工程在设计阶段大比例尺地形图（1：500，1：1 000），施工阶段工程放样（工程施工和贯通的精度需求），施工阶段工程安全变形监测的控制，确定如下的控制测量基准和精度要求。

平面坐标：1980年西安坐标系，3°带，东经121°30’中央子午线。

高程系统：1985国家高程基准。

控制网在精度上应满足工程建设在各阶段对平面位置及高程要求，控制点密度应满足日常施工需要，方便施工放样等工作。技术先进、经济合理、高效，确保控制成果正确可靠，根据工程进展再进行合理的加密[3]。

3 建立GPS施工控制网

由于工程跨度较大，所以控制网布设拟采用分级布设，逐级加密的方案。在两岸已有高级控制点的基础上，沿桥梁在海中间再搭设4个测量强制对中平台。首先，运用高精度GPS相对定位技术对两岸测区范围的2个以上基岩点及国家高等级控制点与加密控制点进行联测，求得加密点的平面坐标，陆地上GPS控制点选在一、二等水准点，点距3～5 km，均匀分布，便于后期施工过程中的测量控制。选点位置应注意以下几点。

（1）测站应选在视野开阔的位置，一般在10～15°高度角以上不能有成片的障碍物。

（2）测站周围200 m内不能有强电磁波干扰源，防止对其GPS信号进行干扰。

（3）测点应选在地质条件较稳定，易于保存的地方。

GPS控制外业测量采用两台Trimble R5，两台Trimble R6，共4台双频接收机，按静态模式进行外业观测。首级GPS控制选用4个高等级GPS点（Ⅱ06、Ⅱ07、A107、E083）作为GPS平面坐标起算点，观测时段1 h，共4个时段，采样历元间隔30 s，天线高量取至相位中心，观测的前、中、后量取3次。加密GPS控制外业观测时，数据采样间隔设定10 s，卫星高度角≥15°，PDOP值≤6。GPS天线整平、对中误差不大于1 mm，每时段观测前、后各量取天线高一次，较差小于2 mm取两次平均值作为最终天线高[4]。加密点静态观测共分为6站，每站观测4个时段，每个时段≥60 min。蛇蟠水道大桥GPS控制点布置如图1所示。

图1 蛇蟠水道大桥GPS控制点布置

4 GPS数据处理软件及方法

4.1 GPS基线处理软件及方法

GPS静态基线解算采用软件为LGOv7.01，同一时段观测值的数据剔除率均小于10%，重复基线较差、同步环、独立环的坐标分量及全长闭合差应满足《公路桥涵施工技术规范》（JTG_TF50-2011）的要求。

4.2 GPS网平差方法

平差采用GPS静态后处理软件V4.2.5进行，以所使用的GPS控制点中3个已知二等控制点为固定起算点，进行二维无约束平差，平差结果各基线向量改正数、基线边长、方位角及相对中误差均应满足《公路桥涵施工技术规范》（JTG_TF50-2011）的要求。

项目测量的重点和难点是蛇蟠水道大桥主桥墩身及上部挂篮悬浇箱梁施工、引桥海中墩身及上部移动模架施工现浇箱梁。主墩共三个，高度达34.8 m，承台采用大型钢套箱施工。由于主桥大部分位于海中且桥墩距岸边较远，受台风、浓雾、雷暴、降雨等恶劣天气影响较大，受环境的干扰相对严重。特别是蛇蟠水道大桥属特大型海上施工桥梁，对现场施工放样的精度提出了极高要求，给本项目测量工作提出了很大的挑战。蛇蟠水道大桥主桥桥型布置如图2所示。

图2 蛇蟠水道大桥主桥桥型

项目主要测量内容有控制网的复测与加密，钢护筒振设定位，基桩、承台、墩身、支座垫石及主桥连续刚构箱梁、引桥现浇箱梁的测量定位，桥面及桥面附属工程，路基路面，挡墙以及配合监控单位进行变形观测，承台沉降观测等，采用GPS技术进行桥梁控制测量可以极大程度提高工作效率，对于缩短工期具有很大的帮助。

5 GPS在工程测量中的应用

GPS是美国开发的全球定位系统的简称，可以在陆、海、空进行全方位的三维定位及导航，是新一代的卫星导航定位系统。目前，这一技术被广泛的应用到测绘上，GPS-RTK技术是以载波观测值为基础的一种动态观测技术，在野外测量时省时、省力、快速、灵活，能提高工作效率。其特点体现在观测站间不需要通视，可以实时提供三维坐标，定位精度高，GPS操作简便，能够全天24 h作业。

RTK技术是一种实时的动态定位技术，是GPS技术应用中一个新的突破，可在野外获取点位精度厘米级的水平精度，它是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术，其系统组成主要包括RTK信号接收系统、数据实时处理系统以及数据实时传输系统。RTK技术使用的是相位差分的GPS，是先将改正数通过基准站发出，流动站将其成功接收后改正相应的测量结果，进而达到准确定位的目的。其工作原理是先在基准站安放一台接收机，流动站上安装一台或者几台接收机，流动站和基准站在同一时间接收由同一个GPS卫星发射出来的信号，将已知的信息与基准站获得的观测值进行对比，从而获取GPS差分改正后的数值，之后改正值会通过无线电台传到流动站上，由流动站对GPS观测值进行精化，最后得到准确的流动站的位置坐标[5]。采用这种方法，进行水中墩定位时只需在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可观测到的GPS卫星进行连续观测，并将观测数据通过无线电传输设备，实时地发送到定位船上移动观测（1～3 min）的GPS接收机，即可实时得出该点的三维坐标，精度可达2～5 cm。如果距离近，基准点与监测点有5颗以上共视GPS卫星，精度可达1～2 cm。

施工主要内容有钢护筒、钻孔桩、承台、墩身、盖梁、挂篮悬浇、边跨移动模架现浇及主桥上部构造挂篮悬浇、路基施工、桥面及附属工程施工等。根据不同的施工阶段和施工内容采用不同的测量方法，以满足大桥测量精度的要求。

6 GPS在海上工程测量中的控制

传统的施工放样是采用全站仪的方法，将全站仪架设在已知点上，观测后视点进行定向之后进行放样，此方法效率低下，且受限环境因素多，考虑施工测量作业条件限制，承台以下基础施工测量定位，主要采用GPS-RTK实时动态控制测量这种先进测量定位技术进行施工控制，在RTK软件中包含放样功能，可进行点、直线、曲线的施工放样测量。在GPS测量手簿中输入首先设计好的点、线要素，即可自动生成对应的放样点，通过RTK手簿实时显示放样点的里程和偏移距离指导放样工作，目前国内一些测量公司开发出的三星（GPS、GLONASS、北斗）解算的RTK，使得RTK的平面放样精度达到毫米级，GPS-RTK完全可以满足桥梁施工中一些结构物的放样。

工程施工控制点的GPS拟合高程参数采用测控中心统一提供的拟合高程参数，应用公路GPS一级精度测设大地高，推算1985年国家高程。承台及承台以上上部结构平面控制必须以首级网及加密网为依据，采用经过复测加密的控制点。高程控制待海中测量平台（或优先墩）完工，通过跨海二等水准联测后，根据二等水准结果作为高程控制依据。承台以上上部结构施工测量定位，可以依据在承台或附近透水结构物上加密的控制点，主要采用全站仪极坐标法进行施工控制。墩身高程控制拟采用全站仪三角高程法，结合徕卡NA2精密水准仪进行测量，确保满足设计及规范的精度要求[6]。

钢护筒定位的质量直接影响钻孔桩的成桩质量。项目钢护筒定位分为陆上施工定位和海中施工定位，其定位的原理及方法是相同的，都是使用测量仪器测定护筒中心坐标，利用辅助定位导向架来完成。陆上钢护筒定位工作相对简单，重点对海中钢护筒定位施工进行说明。海中钢护筒定位采用定位船固定钢护筒，配以安置在起重船上的振动锤加以沉放。首先设流动站于定位船上用来固定钢护筒的定位导向架中心测量，实时指挥定位船准确就位，使定位架中心准确定位于桩位设计中心上（GPS-RTK在动态差分能够固定的情况下，定位精度达到厘米级，能够满足钢护筒沉放定位要求），而后用架在先期施工的测量平台上的全站仪进行校核，接着用起重船吊钢护筒进入导向架，用全站仪免棱镜功能检查并控制垂直度后，再用振动锤振动钢护筒沉放至设计标高。整个沉放过程中用全站仪监控护筒位置和垂直度，确保施工质量。护筒沉放完毕后立即与先期形成的平台联结形成整体，增加钢护筒的稳定性。

直接在护筒顶口放出其设计纵横轴线进行钢护筒中心偏差测量，做好标记（以便钻机初定位用），用弦线和钢尺量出钢护筒顶口偏位。钢护筒垂直度采用锤球法结合经纬仪竖丝法测定。

7 结束语

通过GPS对桥梁施工控制网进行布设具有可操作性强、精度高、周期短等特点，相对于传统控制网建设方法具有极大优势。不过这一工作中所涉及的内容较多，其难度都比较大，所以做好这项工作，不仅需要理论方面知识的支持，还要结合实际工作中做好实践。在工程测量领域中，由于GPS定位技术自身独特而强大的功能，充分显示了它在该领域实际测量工作中比常规控制测量具有更大的优越性和适应性，同时也存在一些不足，还有待于进一步研究改善来适应实际测量工作。随着该技术的飞速发展和普及，以及相关技术的应用，GPS定位技术将在交通建设及工程测量中得到更加广泛的应用。