杭州湾跨海大桥施工测量应用新技术 [上一篇] [下一篇]

[ 2012-4-12 7:44:59 | 作者:李桂炎 | 出处:原创 | 天气:晴 ] 字体:

杭州湾跨海大桥施工测量应用新技术

"彩虹飞跨杭州湾,巨龙盘卧长三角"。2008年5月1日通车的杭州湾跨海大桥是一座横跨中国杭州湾海域的跨海大桥,它北起浙江嘉兴海盐郑家埭,南至宁波慈溪水路湾,全长36公里,是目前世界上最长的跨海大桥,比连接巴林与沙特的法赫德国王大桥还长11公里,已经成为中国世界纪录协会世界最长的跨海大桥候选世界纪录,成为继美国的庞恰特雷恩湖桥后世界第二长的桥梁。除此之外,世界各地较大的跨海大桥已达30多座。例如美国旧金山金门桥、美国奥克兰跨海大桥、荷兰waal大桥;日本明石海峡大桥、日本横滨跨海大桥、土耳其博思普鲁斯大桥等。

杭州湾跨海大桥动辄几十公里长,横跨海峡两岸,成为连接两岸交通、经济的重要纽带。其中桥梁长度超长,地球曲面效应引起的结构测量变形问题十分突出,受海洋气候环境的制约,传统测量手段已无法满足施工精度和施工进度的要求,如何借助GPSRTK技术实现快速、高效测量施工是整个跨海大桥测量部分工作的重点和难点。

杭州湾跨海大桥它是国道主干线---同三线(黑龙江同江至海南三亚)跨越杭州湾的便捷通道。大桥北起嘉兴市海盐郑家埭,跨越宽阔的杭州湾海域后止于宁波市慈溪水路湾,全长36km.大桥设南北两个航道,其中北航道桥为主跨448m的钻石型双塔双索面钢箱梁斜拉桥;南航道桥为主跨318m的A型单塔双索面钢箱梁斜拉桥。除南北航道桥外,其余引桥采用30~80m不等的预应力混凝土连续箱梁结构。

杭州湾跨海大桥连续运行GPS测量服务系统的主要功能是为桥梁下部基础的桩基、墩台施工放样提供GPSRTK定位服务;为海上打桩船台定位,打下坚实基础,解决了海上沉桩定位的困难。

整个系统主要包括GPS工程参考站、数据处理与监控中心三个部分,参考站的正常运行是整个GPS系统运行的基础保证。因此,为了确保连续运行GPS工程参考站的正常运行,在站台建设上应遵循以下原则:连续运行GPS工程参考站应选择在地基坚实稳定、安全僻静并有利于测量标志长期保存和地形开阔容易观测的地方。

杭州湾跨海大桥GPS施工平面控制网包括首级网和加密网。首级网是控制大桥整体位置的基准,并为海上GPS测量提供条件。首级网由23个点组成,其中桥位区附近南岸的3个点和备案的3个点共6个点(包括两岸船台点)对大桥的施工测量起直接控制作用。由于跨海面宽32km,首级网与首级加密网只能选择GPS定位技术实施两岸的联测。一级加密网和二级加密网可以采用GPS定位技术也可以用性能好全站仪导线法布测。首级网与国家控制网和IGS站联测,建立投影变形满足要求、供施工实际使用的独立施工测量坐标系称54工程65m高程坐标系。

为满足海中施工测量控制的要求,在海中每隔1.8km左右首先安排一批桥墩基础施工(优先墩),利用21个优先墩承台上布设的GPS控制点和布设在B平台上的海上参考点,形成海上加密网。

桥梁平面控制网设计应进行精度估算,以确保施测后能满足桥轴线长度和桥梁墩台中心定位的精度要求。本桥以国家GPS测量规范B级网的精度施测大桥GPS首级控制网,从而满足大桥测量控制多方面的要求;各级加密网的进度以桥墩放样相对于最近控制点的容许误差小于2cm来考虑,得出各级加密网最弱相邻点位中误差应10mm的结论,因此决定用公路GPS测量规范一级网的精度施测。

建立控制网的目的是满足施工放样桥轴线的架设误差和桥梁墩台定位的精度要求。对于保证桥轴线长度的精度来说,一般桥轴线作为控制网的一条边,只要控制网经施测、平差后求得该边长度的相对误差小于设计要求即可;对于保证桥梁墩台中心定位的精度要求来说,既要考虑控制网本身的精度,又要考虑利用建立的控制网点进行施工放样的误差;在确定了控制网和放样应达到的精度要求后,应根据控制网的网型、观测要素和观测方法及高等级仪器设备条件在控制网施测前估算出能否达到《海道测量规范》《公路全球定位系统(GPS)测量规范》的要求。

杭州湾跨海大桥使用1954年北京坐标系统进行设计,这个坐标系统的基准面的卡拉索夫斯基椭球面,由于这个坐标系本质上是属于前苏联的大地测量坐标系在中国延伸,其定位及椭球大小与我国的大地水准面符合得都不好,尤其东部地区高程异常达到60米。如果将用1954坐标标示在设计图纸上的桥墩、台位置和各种结构物放样到施工高程面上,台位将会发生两种变形:投影长度和投影角变形。投影长度变形将使大桥桩基、墩台等放样到实地上比设计长度缩短4.559m,投影角变形将使放样到实地的大桥方向扭转约8″,显然这在桥梁工程建设上是不容许的。

根据杭州湾跨海大桥的实际情况,减少投影变形和减少因坐标系转换带来的GPS观测值精度损失,依据《公路全球定位系统(GPS)测量规范》建立起了独立54工程65m高程坐标系。

虽然单跨GPS拟合高程差和三角高差之比满足三等水准精度要求,但是GPS拟合高程差还有一定的残留误差,在附合高程线路中形成一定的积累,致使线路中间段的高程精度较差,因此不能全部用GPS拟合高差代替三角高程测量高差。但是单纯的三角高程测量,由于海中的观测条件极其恶劣,整个贯通过程可能会拖延三四个月,严重影响海中施工进程,为此可以采用复合跨海贯通的方法,即部分跨用三角高程,部分跨用GPS拟合高程,这样既避免了系统误差的积累,又能满足施工进度的需要。

鉴于杭州湾跨海大桥的高程贯通测量的精度无法满足桥墩施工对贯通高程的要求,可暂时采用复合高程贯通测量的方法,求得高程控制点的近似贯通高程,暂时满足桥墩施工进度对贯通高程的要求,等全桥高程全部采用跨海三角高程测量贯通后再修正其高程。

全桥高程贯通测量应采用相当于三等水准测量精度的高程测量方法,从最近高程控制点引测至各墩顶。杭州湾跨海大桥全桥贯通测量,采取由各标段内部先行进行各墩的高程贯通,然后由测控中心进行全桥贯通平差计算,方法是采用精密三角高程测量法或精密水准测量法,将地面控制点或桥台上控制点的高程引测到相应墩顶,作为上部结构施工的高程控制,然后在墩顶上采用精密水准测量或高精度三角测量进行联测,最后达到全桥结构物高程贯通的目的。

在杭州湾跨海大桥连续运行GPS工程参考站的支持下,桥位区内任何一点RTK的平面和高程实时定位精度得到了很大的提高,确保了大桥海中基础的施工放样精度。它采用的施工独立坐标系54工程65m高程坐标系最大限度地限制了投影变形,又不损失GPS的观测精度。大桥高精度GPS高程拟合法在跨海大桥施工中的应用是新技术,为国内外跨海大桥工程海中高程控制测量解决了一个难题,并提供了一种便捷高效的海中高程测量控制的方法。

在世界三大强潮湾之一的杭州湾上建桥,施工难度大,技术要求高,它将成为我国跨海大桥建设史上的一个重要里程碑。

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