桥梁工程测量技术现状及发展方向总结

桥梁工程测量技术现状及发展方向总结桥梁工程测量是指在工程规划、勘测设计、建设施工及运营管理各阶段所进行的测量。现代科技和桥梁建设的快速发展，共同促进和推动了桥梁工程测量技术的进步和发展。一方面，自20世纪50年代建设万里长江第一桥——武汉长江大桥起，新中国的桥梁建设事业进入新的历史发展阶段。改革开放以后，一大批新型、大跨径、高技术含量的各类桥梁如雨后春笋般涌现在全国的大江大河上。近10多年来，长距离跨海桥梁(如杭州湾大桥、港珠澳大桥的跨海距离均超过30km)、高速铁路的建设蓬勃发展。现代桥梁呈现出规模大、跨距长、桥型新颖、结构复杂、施工精度要求高和施工工期长等特点，对桥梁工程测量提出了更高的标准和要求。无疑，现代桥梁建设的发展促进了桥梁工程测量技术的发展。另一方面，现代测绘科技及其他相关技术的发展又给桥梁工程测量技术的发展提供了新的工具和手段。20世纪80年代开始，光电测距仪、电子经纬仪、全站仪、电子水准仪的出现和发展，开启了桥梁工程测量的第一次技术变革；90年代以来得到广泛应用的GPS技术的发展和不断完善，使得桥梁工程测量从理论、方法和技术上发生着更加深刻的变革。随着智能全站仪、超站仪、电子水准仪、GNSS技术(包括静态相对定位、RTK和CORS等)、激光扫描仪、摄影测量等测绘技术，以及计算机、电子、通信、网络等其他相关科技的进一步发展，桥梁工程测量技术正迈入一个新的、更高的快速发展阶段。本文从桥梁工程控制测量、地形测绘、水文测量、施工测量及变形监测等几方面分析桥梁工程测量技术的现状及其发展趋势。一、桥梁控制测量桥梁控制测量是桥梁工程测量的基础和基准。桥梁控制网可按施测阶段、施测目的及功能划分为勘测控制网、施工控制网和运营维护控制网。为保证控制网的测量成果满足铁路勘测设计、施工、运营维护3个阶段的要求，适应铁路工程建设和运营管理的需要，3个阶段的平面、高程控制测量必须采用统一的尺度和起算基准，即“三网合一”。勘测控制网又称为桥址控制网，一般在工程初测阶段建立，定测阶段根据需要进行改造和复测。勘测控制网适用于桥梁设计阶段的勘测，满足初测、定测阶段桥址定线、纵横断面、水文、地形等测量工作的控制需要。桥梁施工控制网一般在工程定测阶段测设，也可在工程开工前单独施测，其主要用途是为桥梁工程施工测量建立精确、可靠和稳定的测量基准，同时应兼顾桥梁维护运营阶段的特殊需要。运营维护控制网可在施工控制网基础上改造而成，以满足桥梁健康监测及运营维护的测量控制需要。各阶段的桥梁控制网，其精度、用途及技术要求存在差异，但所采用的技术方法和手段基本相同。GPS静态相对定位技术是目前桥梁工程平面控制测量中最常用的测量技术。自20世纪90年代以来，经过试验对比、实践、总结和完善，目前已形成体系完整、技术成熟的GPS桥梁平面控制测量技术。相对于传统的地面控制测量技术而言，GPS桥梁平面控制测量具有精度高、速度快、成本低，选点布网灵活，无须点间通视，无须建造觇标，对控制网图形要求低，可同时提供二维平面及三维空间定位基准等突出优势，因而在现代桥梁平面控制测量中占据统治地位。但当卫星信号受遮挡或干扰而无法实施GPS观测时，则需采用全站仪导线、全站仪边角网测量技术予以补充，尤其在施工加密网、局部高精度施工专用网测量中比较常见。目前世界上全站仪的最高测角精度达到0.5″，测距精度达到0.5mm+1×10-6D，全站仪的可靠性和稳定性也已非常高，因此，在今后比较长时间内，全站仪地面控制测量将在桥梁控制测量中继续发挥作用。近年来出现的超站仪将GPS实时动态定位技术与全站仪灵活的三维极坐标测量技术完美结合起来，可取代低等级控制测量，实现无控制网的一般精度的桥梁工程测量。综上所述，以GPS技术为主、全站仪技术为辅的组合技术或技术集成，是目前乃至今后相当长一段时间内桥梁平面控制测量的主要技术。桥梁高程控制测量分为陆地高程控制测量和跨河水准测量两大部分。几何水准测量一直是桥梁高程控制网陆地测量的经典方法，尽管这种方法存在耗时费力、作业效率较低的缺点，但其高精度、高可靠性及高稳定性的优势也十分突出，因此，在地形起伏不大的桥址小区域内，几何水准测量仍然是首选。随着电子水准仪的出现和不断发展，经典的几何水准测量进入了内外业一体化、自动化和数字化的新时代，水准测量作业效率得到大幅度提高，劳动强度大大降低。同时电子水准仪的精度及其可靠性也逐步提高，目前世界上电子水准仪的最高精度达到0.2mm/km，可满足最高精度等级桥梁高程控制测量的需要。因此，基于电子水准仪的几何水准测量是当今桥梁高程控制测量中陆地测量的主流技术。此外，随着全站仪电子测距精度和垂直角测量精度的不断提高，全站仪三角高程测量在起伏较大的地区可替代三、四等几何水准测量，并已在工程中得到实际应用。在特定的技术条件和技术措施下，全站仪三角高程测量还可达到二等水准测量精度。因此，全站仪三角高程测量也是桥梁高程控制测量的一种重要技术手段，尤其在地形起伏较大的山区更具应用价值。跨河水准测量是桥梁高程控制测量中的核心技术，也是桥梁高程控制测量的难点所在。传统的跨河水准测量方法有光学测微法、倾斜螺旋法、经纬仪倾角法和测距三角高程法。其中，光学测微法、倾斜螺旋法和经纬仪倾角法是最经典的方法，应用历史最长，理论和技术都十分成熟，但对跨河场地及观测条件要求较高，如要求两岸测站及立尺点间高程近似相等、观测期间仪器和标尺需频繁调岸等。而测距三角高程法则具有场地布设比较灵活、仪尺无须频繁调岸、作业效率较高等优点，适用范围较广，应用前景较好。随着近20多年来电子水准仪、电子全站仪在测量精度、自动跟踪测量、自动记录和自动存储等方面技术的快速发展和提高，光学水准仪、光学经纬仪已经被淘汰，因此，全站仪三角高程跨河水准测量方法得到了不断完善和发展，目前已经成为桥梁工程跨河水准测量的主要方法，也是港珠澳大桥等特大型跨海桥梁工程中长距离跨海高程传递的重要方法。GPS桥梁高程控制测量已逐步成为研究的热点，从试验和工程实践的情况看，利用高精度的GPS三维坐标测量成果，结合精化局部大地水准面成果，桥梁工程局部区域内GPS高程拟合可达厘米级精度，可代替三、四等水准测量[11]。自2006年版《国家一、二等水准测量规范》增加GPS跨河水准测量方法以来，相关试验研究和应用实践进入一个新的阶段。试验结果表明，在地形平坦、河流两岸大地水准面具有相同的变化趋势且变化相对平缓的桥址地区，GPS跨河水准测量可达到二等精度。但GPS跨河水准测量的精度及其可靠性受地形起伏大小及似大地水准面变化平缓性等因素影响极大，而这些影响的大小及其规律尚无法事先预知，影响成果精度的不确定性因素很多，因此，目前GPS跨河水准测量在工程中独立应用的实例尚不多见。相关试验还表明，即使在十分平坦的场地条件下也不宜使用GPS水准法来进行一等跨河水准测量。总而言之，GPS水准测量在桥梁跨河水准测量及长距离跨海高程传递中具有重要的发展空间和应用前景，但相关理论与技术方法仍不成熟，需要进一步深入研究。近年来，全天候连续不间断运行的GNSS连续运行参考站系统(简称CORS)被引入长距离跨海桥梁工程建设中。2011年11月，我国首个独立的基于VRS的工程CORS在港珠澳大桥工程建成并投入正式运行，该系统的实时定位精度为：平面优于2cm，高程优于3cm。桥梁工程CORS提供兼具实时动态和事后静态定位功能的空间三维和平面二维定位基准，可满足长距离跨海桥梁勘察设计和施工建设中海上测量定位的需要。二、桥址地形测绘桥梁工程规划、勘测设计、施工及工程竣工阶段均需测绘桥址地形图，一般为：1:500~1:10000大比例尺地形图，特殊情况下也需测绘1:200比例尺的局部地形图，但最常用的还是1:500~1:5000地形图。按测绘区域划分，桥址地形图可分为陆地地形图和水下地形图两大类，目前均采用数字测图技术测绘，传统的模拟测图技术已被淘汰。陆地区域的桥址地形测绘主要采用地面数字测图技术，包括全站仪数字测图技术和GPSRTK数字测图技术。全站仪数字测图分为两种作业模式：一种是全站仪采集数据，利用电子手簿或全站仪自身内存记录数据并手工绘制地形草图，内业时通过计算机进行地形编码和编辑生成数字地图；另一种是全站仪与便携机或PDA连接，利用屏幕显示点位，现场编辑生成数字地图[3]。GPSRTK数字测图基本上采用第一种作业模式。地面数字测图的成果主要为数字线划图(DLG)和数字高程模型(DEM)。近年来，随着全数字航空摄影测量技术的发展，适用于小区域大比例尺地形测绘的低空平台(轻型飞机、低空无人小飞机、热气飞艇、热气球等)摄影测量已从试验研究逐步转入工程应用。有关单位正在开展无人机测图技术在桥隧工程勘测设计中的应用研究，在不久的将来有望用于大比例尺桥址地形图测绘中。此外，机载激光扫描测绘系统(LiDAR)也为桥梁工程地形测绘提供了一种新的技术手段，目前也是研究的热点之一。水下地形测量方法与陆地地形测量方法有较大差异，它由水深测量与平面定位测量两大技术组成。水深测量经历了由测深杆、测深锤、单波束回声测深仪到多波束测深系统的发展过程，测深定位方法则由断面法、前方交会法、DGPS定位法发展到RTK定位法。目前，桥址水下地形测绘主要采用“回声测深+RTK+数据处理软件”的组合测量系统。基于(网络)RTK的无验潮多波束水下地形测绘技术是未来水下地形测量研究和发展的方向之一，该技术已在琼州海峡通道和港珠澳大桥等跨海工程大范围海域地形测绘中得到应用[15]，并已在跨江跨河桥梁工程水下地形测绘中得到普及。相对于传统的验潮模式而言，基于RTK的无验潮水下地形测绘方法直接利用厘米级定位精度的RTK技术测定水下地形点的高程，能显著提高测量精度和作业效率、降低成本，还有利于实现水下地形测绘内外业一体化。但目前这种技术尚缺乏规范依据，仍需进一步研究、完善并制定相关技术规范。三、桥址水文测量桥址水文测量一般在工程初测阶段进行，必要时在定测阶段进行适当补测，其目的是为桥位选择、河床冲刷计算、墩跨布置、通航设计等提供桥址区域的基础水文资料，主要测量项目有桥址水位观测、桥址流向流速观测、桥址航迹线观测、桥址地形测绘等。对水文条件复杂的桥梁，还需对桥位所处河段(一般为数十千米)进行水文测验专题观测，或称河道原型观测，观测内容包括水位观测、水文断面测量、流速流向及流量观测、悬移质水样采集、1:10000河道地形测绘等，其目的是为河床演变分析、河工模型试验等水文专题研究、水文计算和桥梁设计提供基础测绘资料。水位观测可设立水尺进行人工观测，适用于观测时间较短、观测频率不高的情形。当观测周期较长、观测频率较高时，一般自记水位计甚至建造水文站进行长期观测，这也是目前常用的水位观测方法。地形断面测量、河道地形测绘的方法与桥址地形测绘方法相同，陆地部分采用GPSRTK或全站仪采集数据，水域部分采用RTK定位+超声波测深仪组合测量系统。桥址流速流向(表面流速流向)及航迹线测量一般采用RTK跟踪浮标或船舶观测法，早期的前方交会定位法已被淘汰。桥渡水文测验专题中的水文断面流速、流向及流量一般采用专业的流速流向仪按定点法测定，通过不同水深的流速流向计算出平均流速及断面流量。悬移质水样采用专业设备采集。四、桥梁施工测量桥梁施工测量是桥梁工程测量的重要内容之一，是桥梁施工不可或缺的重要基础性工作，它贯穿于桥梁施工建设的全过程。施工测量的任务就是要按照工程设计图纸的要求，将桥梁建筑物(包括桥梁基础和上部结构)的位置、形状、大小等测放到实地，并对工程施工质量进行测量检查，配合及引导工程施工。这里所指的桥梁施工测量包括施工放样测量和竣工验收测量。现代桥梁向大跨、高墩高塔、大型构件工厂化预制、施工工艺复杂、施工精度要求高的方向发展，超大规模跨海桥梁的建设使得施工建设环境趋于恶劣，这些无疑都对桥梁施工测量提出了越来越高的要求。桥梁施工测量方法大体上可以划分为3类。第1类是常规大地测量技术。现阶段主要使用全站仪和电子水准仪，包括自动跟踪测量技术、免棱镜精密测距技术。随着全站仪精度及自动化程度的不断提高，经典的