1．前言
目前全球定位系統(tǒng)（CPS）定位技術(shù)是20世紀(jì)90年代興起的集空間科技、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、無線傳輸技術(shù)等科技于一體而成的高端技術(shù)。其基本原理是：衛(wèi)星（與地球軌道同步）不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息，用戶接到這些信息后，經(jīng)過電腦計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置、三維方向及時間信息，具有速度快、連續(xù)、同步、全自動獲得三維坐標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)，已在我國跨海長大橋的定位工作中起到了常規(guī)測量儀器無法起到的作用。其平面精度已能達(dá)到10mm+2ppm，高程精度達(dá)到20mm+2ppm的成果。無疑在工程測量史上是一次大的飛躍和進(jìn)步。
但是在我國內(nèi)河的大橋建設(shè)中，如果水面寬度或跨河長度在2000m以下時，若采用相應(yīng)的高精度常規(guī)、測量儀器在工作方法上進(jìn)行改革與創(chuàng)新，充分利用現(xiàn)有資源，同樣可以達(dá)到上述精度的要求，是完全可能的。
眾所周知，《公路橋涵梁施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 041—2000）表10.10.8—1中的第5項(xiàng)規(guī)定：墩臺軸線偏位允許偏差為10mm，如果用GPS標(biāo)定出墩中心的坐標(biāo)后，按規(guī)范要求墩間跨度尚須作檢核防止粗差的發(fā)生；另一方面，施工中在求得墩中心的位置后，還必須放樣出橋墩、臺的十字軸線以便施工，這樣需用經(jīng)緯儀來放樣。筆者通過國內(nèi)外若干特大橋的實(shí)踐，采用獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng)，測設(shè)了與規(guī)范規(guī)定等級相適應(yīng)的控制網(wǎng)，所有控制點(diǎn)設(shè)置了強(qiáng)制歸心的照準(zhǔn)覘標(biāo)和穩(wěn)定可靠的置儀點(diǎn)。根據(jù)墩位的設(shè)計(jì)坐標(biāo)和控制點(diǎn)的坐標(biāo)，事先在內(nèi)業(yè)計(jì)算出彼此之間的邊長及獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)的方位角，繪制出幾種適應(yīng)不同儀器的定位網(wǎng)絡(luò)圖，嚴(yán)格復(fù)核無誤后，方可在現(xiàn)場根據(jù)實(shí)測邊長或方位角，在圖上標(biāo)定觀測點(diǎn)的坐標(biāo)位置，并取得了令人非常滿意的成果。這些方法勞動強(qiáng)度低，操作容易，現(xiàn)場作業(yè)不必計(jì)算，標(biāo)定點(diǎn)位按1:1的比例進(jìn)行，因而精度很高且不易出錯，一般測量人員都容易掌握，所以已獲得使用者的鐘愛和接受?，F(xiàn)介紹如下：
2．大橋平面控制網(wǎng)的測設(shè)要求
橋梁平面控制網(wǎng)的測設(shè)是為橋梁建筑施工服務(wù)的，要確保橋梁上、下部結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)圖紙正確、高精度地進(jìn)行測量和放樣到實(shí)地的控制依據(jù)。同時為了滿足“建管并重”的要求，還必須考慮作為檢測墩、臺施工過程及竣工后的變形觀測的控制依據(jù)。這是一項(xiàng)保證工程質(zhì)量的最根本的基礎(chǔ)工作，必須高精度地做好控制網(wǎng)的測設(shè)工作，確?？刂泣c(diǎn)點(diǎn)位結(jié)構(gòu)的永久穩(wěn)定性。這種專用控制網(wǎng)的特點(diǎn)有：①控制的范圍小，而控制點(diǎn)問的密度較大，精度要求高；②使用次數(shù)頻繁，必須定期檢核其穩(wěn)定性；③受施工干擾。
這種橋梁專用控制網(wǎng)必要精度的確定方法，有三種：
（1）一是由跨河長度確定橋軸線的必要精度，就是根據(jù)跨河長度的大小來確定橋軸線上兩控制點(diǎn)之間的相對中誤差，基本上是個等比級數(shù)關(guān)系：
①橋長100m，兩岸控制點(diǎn)之間相對中誤差為l:10000；
②橋長200m，兩岸控制點(diǎn)之間相對中誤差為1:20000；
③橋長500m，兩岸控制點(diǎn)之間相對中誤差為l:50000。
這是老規(guī)范提出的橋軸線精度要求，它既沒有考慮到上部結(jié)構(gòu)的形式以及墩跨的大小，也沒有顧及定位的精度。
（2）二是由橋長、橋跨的大小、橋式以及施工安裝中等因素的綜合影響來確定三角網(wǎng)的必要精度，這是目前《新建鐵路工程測量規(guī)范》（TB 10101—99）對橋軸線精度進(jìn)行估算的方法，文獻(xiàn)[1]在得出全橋長度相對中誤差后，就作為布設(shè)三角控制網(wǎng)時對橋軸線精度的預(yù)定要求。為此，便可根據(jù)從《新建鐵路工程測量規(guī)范》（TB 10101—99）的控制三角網(wǎng)的等級和精度的規(guī)定來選擇施測的三角網(wǎng)等級，見表1。
?。?）三是由墩中心的定位誤差來推算控制網(wǎng)最弱邊的精度。
筆者認(rèn)為布設(shè)橋梁專用平面控制網(wǎng)的最重要的目的之一是要高精度地定出墩、臺中心的最或是值位置，盡可能地減少偏心的影響，使傳力處于最佳狀態(tài)。這樣在布網(wǎng)時，應(yīng)使控制點(diǎn)本身的誤差所引起放樣點(diǎn)位的誤差，相對于施工放樣的誤差來說，小到可以忽略不計(jì)。根據(jù)這個原則，對平面控制的精度要求分析如下：
設(shè) M為放樣后所得墩中心點(diǎn)位的總誤差；
m
1為控制網(wǎng)的點(diǎn)位誤差
m
2為放樣時，交會定點(diǎn)的誤差。
按此數(shù)值計(jì)算，對于1 000m長的三角網(wǎng)最弱邊的相對中誤差應(yīng)不大于
，這個精度要求是相當(dāng)高的。在實(shí)際工作中，我們常常發(fā)現(xiàn)全橋長度的最后竣工結(jié)果是能滿足規(guī)范的精度要求的，而江心的墩中心點(diǎn)誤差就不易達(dá)到l0mm的允許誤差范圍內(nèi)，這是因?yàn)椴捎脭U(kuò)大邊（最弱邊）來放樣的結(jié)果。為此建議采取下述措施來提高墩中心定位的精度：
?。?）增加基線數(shù)，作為墩位放樣用的控制點(diǎn)最好是基線端點(diǎn)或基線上的節(jié)點(diǎn)。
（2）采用邊角網(wǎng)，選擇有利觀測時間，提高觀測精度。
（3）采用可調(diào)節(jié)的鋼管活動覘標(biāo)標(biāo)心，進(jìn)行強(qiáng)制歸心。
（4）控制點(diǎn)的點(diǎn)位基礎(chǔ)，必須穩(wěn)固。
（5）在基線方向上盡量多設(shè)節(jié)點(diǎn)，便于選擇較好的定位圖形。
根據(jù)以上分析，采用第三種方法來確定控制網(wǎng)的必要精度是既能在宏觀上控制好橋軸線的精度，又能在微觀上控制好每個水中墩位的精度達(dá)到規(guī)范的要求，基礎(chǔ)工作做得扎實(shí)可靠，才能確保全橋的定位精度要求，是不容忽視的。
3. 方位角網(wǎng)絡(luò)圖繪制的基本原理及應(yīng)用實(shí)例
施工測量單位若不具備光電測距儀或全站儀設(shè)備，只要有高精度的控制網(wǎng)，采用秒級經(jīng)緯儀進(jìn)行前方交會的網(wǎng)絡(luò)圖來定位也是非常方便的。這種方位角定位網(wǎng)絡(luò)圖是根據(jù)所需定位的墩中心設(shè)計(jì)坐標(biāo)與選定的控制點(diǎn)的坐標(biāo)反算出其間的邊長、方位角及根據(jù)邊長求得的弧度秒差值來繪制的。每個墩位至少要有三個控制點(diǎn)的測站來進(jìn)行交會，以相互檢核，應(yīng)在圖紙上得出示誤三角形，取其內(nèi)切圓心即是所求點(diǎn)的坐標(biāo)位置。如圖1所示。
舉例：由于平面控制網(wǎng)上選擇好的各控制點(diǎn)至各墩間的獨(dú)立坐標(biāo)系方位角、交會邊長、各邊的弧度秒差弧距值(S/p”)都是預(yù)先在放樣的總平面圖上設(shè)計(jì)并計(jì)算好了的。
根據(jù)這三個方向的秒差繪制成用一定范圍的角差為間距的方位角列線線族網(wǎng)絡(luò)圖。這種底圖同觀測的方法相適應(yīng)，由三個方向的線族（Group Lines）組成，線族成平行線的線間距d
i=4″×S
i/206 265=4k
i，也就是每兩條線的間距代表4″的角差。如圖4所示。
由三個方向的線族組成的方位角網(wǎng)絡(luò)圖，現(xiàn)場操作時置僅點(diǎn)用方位角來后視任意適宜的控制點(diǎn)覘標(biāo)二個以資檢核，然后三個測站的經(jīng)緯儀在統(tǒng)一信號下（一般由墩上的測量人員發(fā)布）同時瞬間觀測水中基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)中心N上所豎立的標(biāo)桿，將讀得方位角，隨即用電話報(bào)告墩上測量人員。他就可以根據(jù)三個方位角值，直接標(biāo)定N點(diǎn)的位置，與設(shè)計(jì)中心比較既可得出與值，如圖4所示：
采用同時瞬間觀測的目的，主要是水中的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尚未下沉到穩(wěn)定的高程，有晃動的狀態(tài)。瞬間觀測，標(biāo)定點(diǎn)位產(chǎn)生的示誤三角形小，標(biāo)定精度高，提供數(shù)字及時，一般在2min內(nèi)即可測定，隨測隨報(bào)，可以從系統(tǒng)的記錄中找出結(jié)構(gòu)物在水中變動的幅度，從而了解錨錠錨繩伸縮幅度狀況，借以調(diào)整錨繩長度，使其受力均勻，有利于安全，保證水中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)定位的精度。
從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中可知，這種前方交會網(wǎng)絡(luò)圖定位法，不僅適用于大橋水中墩的定位工作，從小到一根單樁大到巨型沉井均可精密定位，而且對于港口碼頭，近海鉆機(jī)平臺的就位，水中漂浮建筑物的位移幅度的測定，都可以因地制宜地選擇各種比例圖來使用。因而只要有設(shè)計(jì)的坐標(biāo)或虛擬的點(diǎn)位坐標(biāo)，就可事先計(jì)算并繪制所需精度的網(wǎng)絡(luò)圖，外業(yè)實(shí)際應(yīng)用時，甚感方便。
4. 邊長交會網(wǎng)絡(luò)圖繪制的基本原理及應(yīng)用實(shí)例
用光電測距儀測距定位最大的優(yōu)點(diǎn)是工作簡單，速度快，精度能滿足要求，但必須特別指出的是在工作前，儀器應(yīng)作過近期檢驗(yàn)或在已知邊上作校對比測，得出其加常數(shù)誤差，進(jìn)行校正。否則稍有疏忽，就會出現(xiàn)粗差。
邊長交會時，一般采用三條邊交會，以置儀點(diǎn)為圓心以觀測邊為半徑，作三段弧長交會于N
1、N
2、N
3三點(diǎn)，如圖5所示。
由于S
AN、S
BN、S
CN的觀測邊長比示誤三角形△Ⅳ，Ⅳ2Jr,的邊長大的多，所以將圓弧N
1N
2、N
2N
3、 N
1N
3用直線來代替，因此產(chǎn)生的誤差是極小的。完全可以忽略不計(jì)。如果交會邊長為400m，觀測點(diǎn)與設(shè)計(jì)的點(diǎn)相距0.5m，如圖6所示。
所以我們在穩(wěn)定的墩、臺基礎(chǔ)上，置儀于N點(diǎn)，應(yīng)分別在A、B、C上安置反射鏡，測定三條邊S
AN、S
BN、S
CN，用1:1或1:2的比例根據(jù)設(shè)計(jì)邊長作切線方向的邊長交會網(wǎng)絡(luò)圖就非常容易了，如圖7所示。
假定測得S
AN′=565.714,Sb
N′=399.972,S
CN′=640.243。
在圖上可很容易標(biāo)定出N點(diǎn)，其坐標(biāo)差：△X=－27mm，△Y=+68mm。
5. 用全站儀進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)圖定位的方法
全站儀實(shí)際上是將光電測距儀和電子經(jīng)緯儀結(jié)合為一體的儀器，它的全稱為全站型電子速測儀，這種儀器除能自動測距、測角外，由于配有數(shù)
據(jù)處理系統(tǒng)，故還能快速完成一個測站所需完成的工作，包括平距、高差、坐標(biāo)以及放樣等方面的計(jì)算。因而它具有多功能、高精度、自動化等方面的優(yōu)點(diǎn)，是其他常規(guī)儀器不能做到的。但是全站儀是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能齊全、價格昂貴的先進(jìn)測量儀器，在使用中要精心操作，如果儀器發(fā)生故障就會給工作帶來直接的影響。與全站儀配套使用的反射棱鏡，也必須保持干凈，要嚴(yán)格安置在測點(diǎn)上。全站儀的測角誤差，橫軸誤差和豎軸誤差，還有水平度盤偏心差，豎直度盤偏心差，豎直指標(biāo)差以及光學(xué)對中器的誤差等，在使用前必須經(jīng)過近期的嚴(yán)格檢驗(yàn)。全站儀與一般光學(xué)經(jīng)緯儀最主要的不同之處，是它可將測出的視準(zhǔn)差存儲起來，在測角中自動對觀測值進(jìn)行修正，而豎軸誤差也能通過傾斜補(bǔ)償自動消除。這是一般光學(xué)經(jīng)緯儀所不能做到的，所以越是先進(jìn)、精密的儀器，越是要正確地使用。在水中墩的精密定位工作中，若僅在一個測站上測定點(diǎn)位的坐標(biāo)，是缺乏檢樣核條件的。至少應(yīng)在第二個控制點(diǎn)測站上進(jìn)行檢測，以避免粗差發(fā)生。同樣可以采用上述方位角網(wǎng)絡(luò)和邊長交會網(wǎng)絡(luò)來合并使用圖上定點(diǎn)，取兩套方法得出的坐標(biāo)平均值，作為測定值，本文就不再贅述了。
6. 結(jié)語
大橋墩、臺定位最關(guān)鍵的問題，是在施工、測量過程中不允許出現(xiàn)粗差，為確保定位精度，必須做好基礎(chǔ)工作，要布設(shè)高精度的專用控制網(wǎng)，其控制點(diǎn)位要確保其穩(wěn)定性和耐久性。為了避免現(xiàn)場定位出粗差，多做些內(nèi)業(yè)準(zhǔn)備工作，未雨綢繆，才能防患于未然。所繪制的網(wǎng)絡(luò)圖一定要仔細(xì)復(fù)核無誤后，方可拿到現(xiàn)場使用。這種網(wǎng)絡(luò)圖的定位方法還可以舉一反三，用在后方的交會工作上，參考文獻(xiàn)[1]已有介紹就不再重復(fù)。
參考文獻(xiàn)
[1]朱海濤．橋梁工程實(shí)用測量[M]．第2版．北京：中國鐵道出版社，2004．
《第十九屆全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集》上冊2010年
（作者 朱海濤）
