青岛海湾大桥分级平面控制网设计

青岛海湾大桥分级平面控制网设计

青岛海湾大桥位于黄海中部和胶东半岛南部的胶州湾（1200412023，35583618）。位于中国著名的外贸港青岛。该项目位于青岛主城区，西连黄岛经济技术开发区和北红叶岛。这座桥横跨胶州湾，全长33.5公里，总投资超过100亿元。建立大桥施工控制网,可为大桥设计、施工和营运期间的变形监测提供可靠的控制测量基础资料,而控制网的布设方案、精度及标石的稳定是其关键。1大桥级高程控制网精度等级青岛海湾大桥首级施工控制网包括平面控制网和高程控制网2个部分。青岛海湾大桥首级平面控制网采用公路GPS一级网精度(即国家B级),并用测距仪加测部分边长,以达到下述技术指标:(1)最弱边相对中误差≤1/150000;(2)桥轴线相对中误差≤1/600000;(3)最弱点点位中误差≤±8.0mm。大桥首级高程控制网精度等级按国家一等水准要求严格施测,每公里水准测量的偶然中误差M△≤0.45mm。每公里水准测量的全中误差MW≤1.0mm。1.1观测墩和强制对中装置大桥首级平面控制网按公路GPS一级网建立,共计布设15点,青岛、红岛、黄岛三岸各布设5点,全部建造观测墩和设置强制对中装置,编号为QD01~QD15。点位地质条件良好,便于保存,既能满足GPS观测的需要,同时又能满足常规测量、施工放样和未来变形监测的需要,每个点至少与网中其他2点通视。首级平面控制网的布设见图1。1.2基岩限制验证大桥首级高程控制网,按国家一等水准测量精度要求进行设计。青岛海湾大桥首级高程控制网,布设成一等水准闭合环线,在青岛、红岛、黄岛三岸各布设2个基岩水准点。水准路线由青岛的己知高程点开始,经红岛到黄岛红石崖镇,沿线联测大桥控制网的高程控制网点(观测墩基础上的水准标志)。然后由黄岛红石崖镇返回,经红岛到青岛,最后闭合至原己知高程点。2执行总结2.1大桥施工坐标系青岛海湾大桥首级平面控制网提供青岛80坐标系和大桥施工坐标系2套坐标系成果:(1)青岛80坐标系(中央子午线120°00′);(2)大桥施工坐标系(中央子午线120°15′)。边长分别投影到非通航孔桥桥面平均高程12m和通航孔桥桥面平均高程50m的2个高程面上,分别计算2套大桥施工坐标系的成果。大桥施工坐标系的起算坐标和起算方位角的确定:选取大桥两端的QD01、QD15两点,以设计规定的QD15坐标为起算坐标,QD15至QD01的假设方位0°00′00″为起算方位角。2.2高系统高程系统采用1985年国家高程基准。2.3基础位置的选定青岛海湾大桥首级施工控制网共埋设观测墩15座,水准基岩点6座,普通水准标石12座。观测墩的稳定是整个高程控制网准确性和可靠性的关键,选定点位时特别考虑了点位附近的环境及地质情况,尽量选择基础好的位置。QD01、QD05点位于海滩边,基础稳定性相对较差,进行了基础处理。基础处理过程:由专业勘察单位进行基础处理,在每个点位钻4个钻孔,钻孔深度以钻至稳定的基础为止。然后放入4根规格为《108的钢管,并在钢管内外灌入水泥砂浆。观测墩顶部埋设不锈钢强制对中基盘,基础上埋设由铸铁标盒和铜标芯组成的水准点标志。2.4基础基岩点和标石的设置为确保大桥首级高程控制网的可靠性,方便大桥高程控制网的应用及复测等,分别在青岛、红岛和黄岛三岸各设置2个水准基岩点,共计设置水准基岩点6个。基岩点全部设置在基础稳固且完整的基岩上,可保证基岩点的长久稳定。普通混凝土水准标志采用先预制再埋设的方式,普通混凝土水准标石由混凝土基础、柱石、防护井、标芯保护盖及指示盘组成。水准点间距一般为6~8km。2.5电池监测和观测GPS观测共测量18个点,其中大桥首级控制网点15个,联测已知点3个。GPS观测时最多采用了9台Trimble5700GPS接收机,并全部配置大地型天线,以保证GPS接收机接收信号的强度和抗干扰。安置天线时,所有测点上均将大地型天线上的方向指示箭头对准正北方向,以消除天线相位中心的误差。由每个岛的控制网点(局部网)逐个组成同步图形进行观测,每时段观测2h。再从每个岛选择3个点组成同步图形(整体网)进行观测,进行岛与岛之间的图形连接,观测时段延长到12h,共观测3时段(其中1时段为夜间观测),以保证图形强度和观测质量。2.6gps网尺度检测为了提高首级控制网的精度,采用DI2002测距仪加测11条边,以检查GPS网的尺度。观测时段数为2个异午时段,并进行边长的改正计算:(1)气象改正;(2)测距仪加、乘常数改正;(3)斜距归心改正;(4)边长投影面改正,本次投影面高程分别取12m和50m。2.7高程起算点检测水准观测用LeicaNA2水准仪或LeicaNi002A配Leica3m因瓦尺进行观测,观测前选定了最佳观测路线,如尽量避免水准路线通过城镇区、高速公路等,以防止路线上的不利因素影响观测精度。为验证已知点的可靠性和稳定性,对该高程起算点进行了检测。水准观测记录采用掌上电脑配专用记录程序,程序能自动控制各项观测限差。3处理数据3.1星历所对应的基线解算基线处理软件采用GAMIT软件,解算时考虑了以下因素对基线解算精度的影响:①采用IGS精密星历;②采用的框架与历元为观测期间IGS精密星历所对应的框架和瞬时历元,为ITRF2000Epoch2005.1753;③引进高精度的起算点(基准站)坐标,与北京(BJFS)、上海(SHAO)、釜山(SUWN)3个周边跟踪站一起求解。基线解算后,按规范进行同步环坐标分量闭合差、异步环坐标分量闭合差及重复基线成果互差的检核。并将解算的基线与改正后的测距边进行了比较,最大差为3.57mm,一般为1~2mm,两者互相匹配。3.2核心测量偏差计算法网平差的软件采用PowerAdj4.0,三维平差基准根据3个IGSGPS网点:北京、上海、釜山,计算出首级网点QD08的坐标,其坐标框架为ITRF2000Epoch2005.1753。三维无约束平差时:①进行粗差分析;②调整观测量的协方差分量因子,使其与实际精度相匹配;③对整体网的内部精度进行检验。3.2.1求各点坐标系成果以连测的3个二等三角点为起算点,选取控制网的57条独立基线进行平差分析,从而求出首级网各点的青岛80坐标系成果。二维平差前对3个已知点间的兼容性进行了检验,分别用其中的2个已知点计算另外1个已知点,坐标分量互差最大值为2cm,说明已知点间的兼容性非常好。3.2.2回归系数测定青岛海湾大桥首级网施工独立坐标系是以大桥两端的QD15、QD01两点为起算点,平差时,假定QD15(10000,10000)为已知起算点,QD15~QD01方位角为0°00′00″,同时选取所测的11条DI2002测距边纳入全网进行平差求得,边长投影到1985年国家高程12m及50m的平面上。平差结果表明,首级网的平均相对精度为1/136万。最弱边(QD11至QD12)最差基线相对误差为1/31.6万,其精度优于要求的1/15万。最弱点为QD03,其水平精度为±4.2mm,其精度优于要求的±8.0mm。3.3括尺长贯彻计算计算平差前,对水准高差进行预处理:包括尺长改正计算、重力异常改正、正常水准面不平行改正等。水准路线组成4条闭合路线进行平差计算,各路线的闭合差见表1。4特征参数的确定青岛海湾大桥横跨胶州湾,该控制网连接三岛,范围涉及数十公里,精度要求高,针对该项目特点,制定了详细的方案设计并采取了合理的实施手段,达到了预期要求,为今后类似项目积累了经验:(1)保证观测墩的建造质量。在严寒季节建造观测墩时,须在混凝土中添加速凝剂,并在凝固期对观测墩进行保温等,对基础较差的点位进行钻孔桩基础处理。(2)观测方案的优化。局部网短边观测时间较短,整体网长边延长观测时间,以达到观测的经济合理,