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青岛海湾大桥测量系统的建设与应用

公路2009年9月第9期HIGHWAYSep.2009No.9文章编号:0451一0712(2009)09一0058一04中图分类号:U442.4文献标识码:A

青岛海湾大桥测量系统的建设与应用

张九宴

(青岛市勘察测绘研究院青岛市266032)

摘要:青岛海湾大桥是促进胶州半岛经济发展的一项重要工程。为了便于海上测量,确保大桥建设顺利完成,建立了青岛海湾大桥测量系统,介绍了该系统的建设过程、技术原理以及应用情况。

关键词:青岛海湾大桥;CORS网络RTK;VRS

青岛海湾大桥是一座跨海长度达27km左右的特大型跨海桥梁,是青岛市道路交通网络布局中胶州湾东西岸跨海通道的重要组成部分,也是山东省“五纵四横一环”公路网主框架的重要组成部分。本工程的建成将进一步完善青岛市东西跨海交通体系,促进青岛市经济战略西移,加快胶州半岛城市群体的发展。

胶州湾历年的气象资料显示,拟跨海区域雾天较多,影响通视,为满足设计对施工的精度要求,提高施工效率,确保本工程高标准、高质量、高效率地顺利完成,建立由3个基准站组成的青岛海湾大桥连续运行基准站测量系统(CORS)。利用该系统,用户只需一台接收机进行野外作业,即可进行事后毫米级,准实时、实时的厘米级、分米级和米级的快速定位或导航,不仅速度快,而且不受天气和通视的影响。

l系统建设原则

为使青岛海湾大桥测量系统建设能够更加合理、科学,在设计、建设过程中必须坚持以下几条原则。

(1)前瞻性、先进性:测量系统不但为大桥建设时期应用,也为今后大桥的维护、安全监测服务。系统在技术上采用网络RTK中的虚拟参考站技术,使系统测量误差不随与基准站的距离增大而增大,定位精度比较均匀,也使定位速度大大加快。利用高精度自动后处理软件,监测基准站的位移。

(2)开放性、共享性:系统的建设要考虑多个施工单位同时使用,并需兼容各种品牌GPS接收机;设计中既要考虑系统的整体性,又要考虑今后的可扩充性,进行开放式设计,便于系统二次开发和功能

收稿日期:2009一08一07调整扩充。

(3)统一性、规范性:规范性是大型信息系统建设的基础,也是系统兼容扩充的保证,所以在系统的实施过程中首先要制订系统的规范标准。系统规范标准是在参考有关国标或行业标准的基础上,根据所选基础软件和系统结构的要求制订的,包括文件系统命名规则、源文件格式、差分数据格式和通信接口规范等。

(4)经济性、实用性:最大限度地利用现有收费站已有资源,同时最大限度地实现资源共享,避免各自为政,造成资源浪费。系统的建设要在实用的基础上做到最经济、最合理,要充分考虑现有资源和配备资源的合理使用,整个系统要进行最优化配置,以最小的投入获取最大的成效。

2系统建设目标

建设此系统不仅为大桥的建设期服务,同时为大桥后期的安全运营提供服务,还为系统覆盖区域提供气象服务,并由此形成一个大桥区域的突发性、灾害性天气预报新系统。垛统的技术指标应达到如下要求。

(1)覆盖范围:覆盖青岛海湾大桥的所有作业区域和管理区域,并对青岛、黄岛等邻接城区进行有效覆盖。

(2)精度:后处理精密定位精度,水平方向≤3mm,垂直方向≤6ram!RTK实时定位,水平方向≤2cm,垂直方向≤3cm。

(3)可用性:静态,一年内可用性95%;动态,一年内可用性95%。

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(4)完好性:报警时间<6s,误报概率<O.3%。

(5)数据服务:RTK差分定位,提供基站观测

值、星历及坐标,GSM模式下时延<2s;后处理数

据,通过Internet网传送基准站测量数据、广播星历

或精密星历、导航文件等。

3系统建设

3.1系统工作原理

目前,得到广泛应用的网络RTK技术主要有

虚拟参考站(VRS)技术、主辅站技术(MAX)和区域改正参数(FKP)方法。青岛海湾大桥测量系统采用的是虚拟参考站(VRS)技术。VRS技术的优点在于用户只需增加一个数据接收设备,不需增加设备的数据处理能力,接收机的兼容性比较好。传统RTK的设备只需增加数据接收模块即可使用。VRS的实现过程分为3步:

(1)数据中心子系统完成所有基准站的数据融合和误差模型化;

(2)流动站在作业的时候,先发送概略坐标给数据中心,数据中心根据概略坐标生成虚拟参考站观测值,并回传给流动站;

(3)流动站根据虚拟参考站观测值和本身的观测进行差分,得到高精度的定位结果。

3.2系统建设

根据系统的工作原理,整个系统由GPS基准站、有线和无线通信网、GPS用户和数据中心几个部分组成。系统的框架图如图1所示。

(1)GPS基准站。

基准站建设首先是选址问题,应充分考虑安全、供电、通信和交通等多种因素。为便于管理、维护和解决通信问题,连续跟踪站选在大桥附属设施附近。为了增加基准站的稳定性,基准站应尽可能地建设在基岩上,周围无高大遮挡物,无微波辐射和强电场干扰及落雷区。根据以上要求,并结合青岛海湾大桥的地理位置,选择青银路、红岛和红石崖3个收费站作为基准站的建设地点,并对建站地点环境进行了测试,符合建设要求。图2是3个基准站和海湾大桥的相对位置示意图。

GPS基准站主要有GPS接收机、数字气象仪、网络和供电等部分组成,GPS接收机具有精度高、双频RTK及组建GPS网络RTK的功能;气象仪要能精确测定天线附近的大气压力、温度和湿度,最小采样间隔为1s。基准站的主要功能是采集原始

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圈1●岛海湾大桥测量系统框架

圈2

数据,包括GPS数据和气象数据,原始数据经数据通信网络设备传送至数据中心站进行处理。

(2)数据通信网络。一

数据通信网络主要由路由器、光端机、接口板、数据转换器、网络设备及数据管理软件组成。根据系统设计要求,基准站到数据中心的通信采用已有的SDH通信网络,占用带宽为2M。数据中心向实时GPS用户的数据发布采用GSM、GPRS模式,对特殊的应用,可架设短波电台发送差分信号;对于高精度后处理用户,可以事后直接通过Internet下载原始观测值进行事后处理。

(3)GPS数据中心。

GPS数据中心由数据库服务器、原始数据自动处理服务器、VRS处理服务器和差分信息发布服务

器等部分组成,负责GPS数据的处理、存储、发布和

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系统的管理。

数据库服务器具有管理、备份原始数据,监控数据,提供基准站坐标数据等功能。自动处理服务器安装了原始数据自动化后处理软件,自动处理基准站的原始数据,及时修订基准站的坐标。自动化后处理软件是基于高精度数据处理软件,编制自动下载、处理、存储、显示和报警的综合处理系统。此系统自动化程度高,功能齐全,大大增强了海量数据的处理能力,减少人工投入,降低技术门槛。VRS处理服务器负责接收原始数据,经过联网处理,生成差分信号及管理用户的拨入。差分信息发布服务器负责采用GSM、GPRS模式,向实时GPS用户发布差分数据。

(4)GPS用户部分。

GPS用户包括实时用户和非实时用户。实时用户只需一台GPS接收机,通过无线方式接收GPS差分信号,实时定位解算,可以达到厘米级的定位精度。对高精度监测的用户,可以利用快速静态和静态测量模式,下载基准站的数据进行解算,能达到毫米级精度。

4系统联测

为了求解各基准站高精度的WGS一84坐标,以及转换到青岛城市坐标系、青岛海湾大桥独立坐标系的转换参数,需进行系统基准站的联测。联测包括坐标联测和高程联测。

前期建立的青岛海湾大桥首级平面控制网,提供了青岛80坐标系和两套大桥建筑坐标系的坐标成果。两套大桥建筑坐标系的投影面高程,分别为非通航孔桥桥面平均高程12rn和通航孔桥桥面平均高程50m(均为1985国家高程基准)。不同坐标系的有关参数见表1。

表l青岛诲湾大桥不同坐标系的参数序号坐标系中央子午线投影面高程/m1青岛80坐标系120。00’0

2大桥建筑坐标系120。15712

3大桥建筑坐标系120。15’50

青岛海湾大桥测量系统的基准站作为大桥首级平面控制网的一部分,采用B级GPS统一进行联测。为获取高精度的WGS一84坐标,各个基准站与北京、上海、釜山IGS跟踪站进行同步观测,每个观测时段为12h,观测4个时段。各基准站的观测设备直接利用基准站的NETRSGPS接收机,观测所得的数据利用GAMIT或其他软件处理,得到各个站之间的基线长度,再利用平差软件,以北京房山站为基准,求取新建GPS基准站的WGS一84坐标成果。对于其他IGS站的坐标,进行检验和校核。

联测青岛80坐标系和大桥坐标系下的坐标,基准站与3个已知首级控制网点联测,同步观测4个时段,每个时段为4h。观测所得的数据利用GAMIT或其他软件处理,得到各个站之间的基线长度,再利用平差软件,求取基准站在青岛80坐标系下的坐标和大桥坐标系下的平面坐标,并进行相应检核。

获得各种坐标系下的坐标成果后,利用软件求解WGS--84坐标系转换到青岛80坐标系和大桥坐标系的转换参数,使用户利用该系统进行测量时能实时获得青岛80坐标系或大桥坐标系的坐标成果。

5系统性能指标测试

测量系统建设完成后进行了一段时间的试运行,为全面评价和检验系统的性能,按照项目技术要求和项目设计要求的内容及测试指标,分别对GPS静态测量、实时动态测量、系统的通讯和稳定性进行了系统的测试。考虑到下步系统成果的推广应用前景,增加了项目区范围外实时动态测量指标的测试。

静态测试中,观测数据采用了北京房山、上海、青银路、红岛、红石崖5个GPS基准站的数据。利用红岛站为起算基准点,将2005年10月22日数据的处理结果作为起始坐标,用11月5日、12月25日、2006年1月1日3天数据的处理结果与10日22日的坐标进行比较。对比结果为:平面坐标中误差为0.57mm,高程中误差为3.89mm,满足大桥首级施工控制网的精度应满足最弱边相对中误差≤1/150000、桥轴线相对中误差≤i/600000和最弱点点位中误差≤±8.0mm的大桥首级控制网的点位要求,也达到设计时平面要求小于3mm、GPS高程小于6mm的静态精度要求,满足桥梁静态平面定位的要求。

动态测试中,采用网络RTK的方式,在大桥作业区域内测试了29个点,29组测试数据的平面中误差为12.8mm,符合设计要求;从大桥作业区域向外至10km范围内测试了35个点,35组网络RTK测试数据的平面中误差为33.3mm大桥作

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业区域10km外测试了16个点,平面中误差为30.1mm。通过这些外延10"--25km的检测点,可看出外延后平面精度衰减缓慢,满足使用要求。

在试运行的2个多月期间,系统运行稳定,15d的动态测试期间数据通讯良好,在各个检测点上都能得到稳定解,即使可接收的卫星数较少时也能完成初始化和得到稳定解。

通过各方面的测试,系统的各项性能指标均达到了设计的要求。

6系统应用

测量系统建成后,在大桥施工建设测量方面发挥了重大作用,主要有以下几个方面的应用。

(1)系统既可以用于陆地上的施工测量,也可以进行大桥海上部分的施工放样。

(2)利用系统的数据中心对各个用户的监控功能,管理人员可以实时监测施工用户的作业情况,了解数据和施工的质量,减轻业主和监理单位的工作量,进行科学管理。

(3)传统的GPS在海洋打桩工程中的应用,是要通过施工过程中对桩的姿态和位置进行控制,最终把桩按预定的数据放样到实地位置。从对桩的姿态和位置数据的控制来看,施工过程中所需要用到的基本设备有GPS(或全站仪)、电子陀螺经纬仪(或其他定向设备,如双GPS)、倾斜仪器和导航打桩测量软件。打桩船上的GPS,其主要作用为确定桩顶面的平面位置和垂直高程。利用网络RTK技术,可快速得到平面位置和高程的数据,精度可控制在厘米级,并且效率高、成本低。

(4)利用高精度的GPS差分信号,结合其他高精度的测量设备,控制路面施工机械的操作,加快路面施工的速度和质量。

(5)所有跨海或跨河桥梁在陆地部分的施工,都会涉及到大量的土石方工程。在进行某些工程时,对土方的表面(如高程)精度有着一定的要求。在机械的工作过程中,通过RTK技术,系统实时地采集铲刀的三维坐标,并与工作前存储的三维坐标数据进行比较,如果发现偏差,系统会通过阀控制模块对机械铲刀进行自动的调整。这样,机械走到场地的任何位置,都会很清楚地知道自己所处的点高程是不是符合工程设计要求,并且清楚地知道怎样工作来达到这个要求,从而确保了整个场地的地形能够按照设计者的要求进行精确的修正,可大大提高工程施工效率和工程质量。

(6)桥梁建设完成后,桥梁的振形、应变和线形是3个核心监测内容。在诸多与悬索桥健康运营相关的参数中,加劲梁和主塔塔轴线的空间位置位移是桥梁变形的一个很重要的参数。它是桥梁受力的宏观反映。此系统的GPS实时动态差分(RTK)技术测量精度已经能够达到实时平面精度为10~20mm,采样频率最高可达到20Hz,这就能够完全适用于桥梁的实时动态三维位移监测,为实时了解桥梁的健康状况提供有力保障。

(7)水汽是大气的重要组成部分,在天气变化时对桥梁的安全建设和运行起着重要的角色。目前气象上获取水汽资料主要依赖常规的探空站网,而且间隔12h才观测一次,对在两次观察间隔期间内快速生成、发展和消亡的暴雨等灾害性天气进行实时预报比较困难,容易形成漏报、错报。利用GPS连续跟踪站的数据,能全天候地提供可降水汽量的变化信息。此系统是利用GPS技术,在大桥区域建设多个GPS卫星连续跟踪站,形成覆盖大桥范围的GPS区域网,GPS数据经过自动化高精度联网处理,可提供实时水汽含量分布图。这为预报青岛海湾大桥突发性暴雨提供了可能,为小区域气象的预报提供了一个新的预报方法。

7结语

青岛海湾大桥测量系统综合应用了VRS虚拟参考网站技术、高精度自动化后处理技术、现代通信技术、多种GPS定位技术和WEB网络发布等先进技术,是一个高标准、高精度、多功能的GPS连续参考网站系统,是青岛基础空间信息共享框架的重要组成部分。此系统不仅能为青岛海湾大桥的建设、管理和健康检测提供高精度、高效率和多种方式的测控服务,而且能为系统覆盖范围内的规划部门、土地管理部门、气象部门、公安部门、交通部门、水利部门、地震部门和农林部门等提供可靠数据。

参考文献:

E1]徐绍铨,等.GPS测量原理及应用[M].武汉:武汉大学出版社,2001.

[2]唐卫明.大范围长距离GNSS网络RTK技术研究及软件实现ED3.博士论文,2006.

[3]吕继生,等.虚拟参考站(Ⅵts)技术在宁波的应用前景初探[J].城市勘测,2007,(2).

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公路2009年9月第9期HIGHWAYSep.2009No.9文章编号:0451--0712(2009)09--0062--05中图分类号:U448.25文献标识码:B

独塔空间索面自锚式悬索桥的施工控制分析

李丕明1,李传夫1,魏家乐2

(1.山东高速青岛公路有限公司青岛市266061;2.长安大学西安市710064)

摘要:针对自锚式悬索桥结构体系复杂、施工控制难度大的特点,以青岛海湾大桥大沽河航道桥——独塔空间索面自锚式悬索桥为工程背景,对该桥施工控制内容、控制原则和数值仿真分析方法的要点进行了论述,建立了全桥空间有限元模型,进行了成桥阶段结构受力和变形状态分析,并提出了施工控制的最终目标,可为同类型桥梁的施工控制提供参考。

关键词:海湾大桥,自锚式悬索桥;独塔;施工控制

自锚式悬索桥作为一种特殊的桥型,以其结构造型美观,经济性能好,对地形和地质状况适应性强等优点,越来越受到工程界的青睐,已成为城市桥梁极具竞争力的桥型。目前在国内外已有多座建成和在建的自锚式悬索桥,如1990年建成的日本此花大桥,1999年建成的韩国永宗大桥,美国旧金山奥克兰海湾新桥等,其加劲梁为钢桁架或钢箱梁。国内则已建成以佛山平胜大桥和长沙三汉矶大桥为代表的数座自锚式悬索桥【1]。

虽然自锚式悬索桥与地锚式悬索桥在形式上的差别仅是将主缆的锚固从地上的锚碇移到加劲梁端部,但结构的受力和施工方法因此发生了很大变化,使得仅受弯矩的加劲梁成为受强大轴向压力的压弯构件。加劲梁必须在主缆架设前施工,主缆形成后,需要通过张拉吊杆使加劲梁脱离临时支架,实现体系转换,此过程中结构的内力和变形变化较大[2]。因此,在施工监测监控上自锚式悬索桥要求精度较其他悬索桥高,钢梁拼装、主缆安装调整、索夹和吊杆的安装调整、索塔的偏位变形等都应在监控之下,使桥梁时刻处于良好的施工控制状态和操作状态[3I。

l工程概况

青岛海湾大桥大沽河航道桥桥型为主跨260m的四跨连续独塔自锚式钢箱梁悬索桥,跨径布置为80m+190m+260m+80m,桥型布置如图1所示。主跨及边跨为悬吊结构,主缆主跨矢跨比为1/12.53,边跨矢跨比为1/18.04。主缆横桥向中心距在塔顶为2.5m,在主跨和边跨侧后锚面分别为6.8m和7.8m。加劲梁采用分离式双箱断面,两

收稿日期:2009—08--07

ConstructionandApplicationofMeasurement

SystemofQingdaoBayBridge

ZHANGJiu-yan

(QingdaoGeotechnieelInvestigationandSurveyingResearchInstitute,Qingdao266032,China)

Abstract:TheQingdaoBayBridgeprojectisveryimportanttoeconomydevelopmentofJiaozhouby—land.Inordertosurveyeasylyontheseaandaccomplishtheprojectpunctually,theMeasurementSystemofQingdaoBayBridgeissetup.Thebuildingprocess,theoryandapplicationofthesystemareintroduced.Keywords:QingdaoBayBridge;CORS;networkRTK;VRS

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