长距离高精度跨海高程传递觇板设计及应用
时间：2023-04-24 17:05:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
董理科
（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）
在一些大型海上建设工程中，有些长距离的跨江（海）水准测量可以使用GPS 水准法进行，但有些项目因地形地貌等条件导致GPS 水准法无法按规范实施[1]，精度与可靠性难以保证，故常规水准测量方法（经纬仪倾角法和测距三角高程法）仍然不可替代，在此方法中需要使用照准觇板。
现有的照准觇板安装繁琐，无法在短时间内进行组装，整体携带又过于麻烦，并且现有的照准觇板无法对基准线的宽度以及光线亮度进行调节，使用存在极大的不便，因此亟需提供一种便携式远距离照准觇板来解决上述问题。通过实地的模拟验证，研制了一种便携式远距离照准觇板，在深中通道岛隧工程5.5 km 全站仪测距三角高程跨海高程传递测量中验证了其应用价值。
目前长距离跨海高程传递测量中所使用的照准觇板存在比较笨重、架设繁琐、不防风、无法调节亮度、调节宽度繁琐、觇板不便携带等不足。现有觇板见图1。
图1 现有觇板示意图Fig.1 Schematic view of existing sighting target
GB/T 12897—2006《国家一、二等水准测量规范》[2]规定，仪器照准觇板标志的长度和宽度以及标志线的间距，依跨海视线长度而定，跨河距离在2 000 m 以内，对岸标尺可安装1 块觇板，2 000 m 以上应安置上、下2 块觇板。通视条件较差时，应采用特制的标灯作为观测目标。觇标在标尺的高度两岸应一致，具体要求见表1。
表1 标志线尺寸计算Table 1 Calculation of size of marker line
表1 中：D 为跨海视线长度，m；
a、b 分别为标志宽长，mm；
γ 为由望远镜至对岸觇板上两标志线的夹角，（″），它应小于符合气泡在水准管两端刻划之间的移动量，一般取60″；
ρ 为弧度化为秒的乘常数，取206 265″。
受环境干扰的影响，白天成像模糊不清，完全不能观测，只能选择夜晚观测。夜晚测量首先考虑成像明亮，边界清晰，选择合适的光源，同时考虑到防风。由于海上情况较为复杂，过往船只较多，船上灯光以及海面航标灯等光源会对灯标觇板造成影响。红色、黄色光受到其他发光点的影响，效果好的还是白色光源，最终选择白色光源作为现场工作的照准用光源。
深中通道东、西人工岛之间最长约5.5 km，跨海水准距离长、难度大，为了消弱跨海场地气象因素对测量的影响，满足仪器照准觇板的照准目标尺寸条件，同时验证观测成果的精度及其可靠性，2018 年8 月25 日—10 月23 日在中山马鞍岛横门水道开展模拟试验。模拟试验场地线路长为5.8 km，跨海线路为东西向，与深中通道跨海线路方向基本相似，现场模拟示意图见图2。
图2 中山马鞍岛横门水道模拟示意图Fig.2 Schematic diagram of simulation of Hengmen Waterway,Ma"an Island,Zhongshan
模拟试验结果见表2、表3。
表2 模拟试验数据统计表Table 2 Statistical data of simulation testing
表3 模拟试验数据比对表Table 3 Comparison of simulation test data
同时通过陆上二等水准联测试验点高差，对跨海高程测量结果进行检测。
通过现场模拟试验，初步验证了使用新觇板在长距离三角高程法跨海水准测量的成果精度，满足二等水准测量规范要求。
深中通道跨海线路长度约5.5 km，照准觇标的制作在参照规范的同时结合模拟试验实际成像情况确定，通过模拟测试照准觇板制作的规格如下：
1）觇板外壳使用铝合金材料制作，长652 mm，宽50 mm，厚25 mm，直接安装在三角基座上，具有结构简单、尺寸小、重量轻的优点，现场安装和拆卸方便快捷。
2）每处标尺点设置上下2 个标志，上、下标志线处于不同的觇板上，每条标志线上安装60 个8 mm 的LED 灯泡，觇板标志线选用白色光源，光强且聚光性好。
3）每条标志线长度600 mm、宽度10 mm，上下标志线之间的宽度520 mm，通过连接螺杆固定连接，结构稳定，安装简便，防风性能好。
4）觇板照明采用12 V 电瓶作为基本供电电源，标志线上下边界设置挡光板，可根据实际路线长度和环境随时调整标志线宽度和光强，以保证成像边界清晰，满足不同路线长度下的夜晚观测要求。照准觇板安装效果见图3。
图3 照准觇板Fig.3 Sighting target
深中通道岛隧工程隧道全长6 845 m，其中沉管隧道长5 035 m。在东、西人工岛通过高精度跨海水准，测量两岸间高差，将高程传递至西人工岛，保证沉管高程定位精度达到二等水准测量的技术要求。
3.1 测量原理
全站仪测距三角高程法选用2 台LeicaTS30全站仪照准觇板标志进行同步对向观测，用垂直度盘测定水平视线上、下两标志的倾角，计算水平视线位置，求出两岸高差。同时，为了消弱跨海场地气象因素对测量的影响，满足仪器照准觇板的照准目标尺寸条件，使用新制作照准觇板标志。
东、西人工岛间跨海水准距离长、难度大，为满足工程施工精度要求，本次跨海水准测量按二等水准测量的技术要求实施。技术方法参照GB/T 12897—2006《国家一、二等水准测量规范》进行专项设计，采用全站仪测距三角高程法技术要求实施。
3.2 网形设计
东、西人工岛间跨海水准距离长，高程测量受大气折光、温度变化等环境影响较大，传统测量方法受限。东、西人工岛间跨海水准网形设计按图4 平行四边形布置方式[3]。东人工岛DKH1、DKH2 和西人工岛XKH1、XKH2 分别为两岸交替安置仪器和标尺的位置，跨海视线长度约为5 520 m，同岸跨海点间距为10 m，见图4。
图4 全站仪测距三角高程跨海水准测量网形示意图Fig.4 Schematic diagram of total station rangefinder triangular elevation sea-crossing leveling network
3.3 跨河水准测量的实施
3.3.1 距离测量
本岸测站点间的距离采用钢尺直接丈量平距，丈量时使钢尺保持水平，两端拉紧严格对中，并保持稳定，同时进行读数。往返各读3 次，3 次测定的距离互差和往返测距离中数之差均＜3 mm。东西人工岛跨海距离采用了GPS 静态方法进行测量[4]。
3.3.2 垂直角观测
1）观测准备工作
每天应关注天气预报信息，出工之前，检查仪器及其附件，观测开始前，将仪器置于露天阴凉通风处30 min。
将仪器架设在强制对中观测墩上，整平仪器后，使用直角钢拐尺在相隔90˚的4 个方向上丈量强制对中盘底部4 个角至仪器的垂直高度，4 次取平均值，取位0.1 mm 作为最终仪器高度。
同时将觇板架设在强制对中观测墩上，整平基座，并经常注意使圆水准器的气泡居中。分两个对角量取强制对中盘顶部至觇标下边缘的垂直高度，4 次取平均值，取位0.1 mm 作为最终觇标高度。
仪器和觇板量高结束后，将量取的觇标高度报送至对岸记录员。
根据对岸仪器观测人员的视差调试本岸觇标标志线的宽度及亮度，并保证观测的同步开始。
2）观测对岸觇板
在全站仪盘左位置，用望远镜中丝依次照准上、下觇板标志各读取1 次竖直角读数，盘右按相反次序照准下、上觇板标志各读取1 次竖直角读数，以上观测为1 组垂直角观测。依同法进行其余组的观测。
2 台仪器分别在两岸相同时段对向观测1 条边的成果组成1 个单测回，同岸每1 台仪器位置在观测完成半数测回后，观测员、仪器、觇标应相互调岸，在第2 台仪器位置上完成其余测回的观测，以此组成1 个双测回。2 个测回连续观测时，测回间应间歇15 min 左右[5]。
3）测回数及限差要求
按照规范要求，采用测距三角高程法进行跨河水准测量时按照跨河视线长度确定应观测的时间段数、测回数见表4。
表4 观测时间段数、测回数及限差与跨河视线长度关系（二等水准）Table 4 Relationship between number of observation periods,number of measured cycles and limit difference and line-of-sight length across a river(second-class level)
考虑到旁折光影响，垂直角观测选择夜间时段进行。为增加数据可靠性，需适当增加测回数，按增加不少于1/2 规范测回数进行内部控制。本项目跨海水准双测回数及组数见表5。
表5 观测时间段数、双测回数及组数参照表Table 5 Reference to number of observation periods,number of double-measured cycles and number of groups
3.4 数据统计分析
采用三角高程单向高差计算公式进行列表计算，平距采用边长投影至高斯平面距离成果参与计算，采用公式为：
式中：d 为高斯面平距；
α 为观测垂直角；
i 为仪器高；
v 为照准目标高；
k 为折光系数，取经验值0.13；
R 为参考椭球面平均曲率半径，m；
Hm为测区平均高程，m；
ym为跨海点距中央子午线平均距离，m；
ε 为垂线偏差[6-9]。
本次东西岛跨海高程传递共计观测双测回72 个，按照规范要求中的每条边各单测回高差间的互差以及由大地四边形组成独立闭合环，用同一时段的各条边高差计算的闭合差进行测回筛选，共计筛选出52 个合格的双测回成果，满足规范要求，具体测量成果技术指标统计见表6。
表6 东西人工岛跨海高程传递测量成果技术指标统计Table 6 Statistics of technical indexes of measured results of sea-crossing elevation transfer of East and West artificial islands
新型觇板为跨海高程传递测量提供了便利，由上述精度可知，新型觇板在深中通道岛隧工程项目全站仪测距三角高程法跨海高程传递测量中得到了应用，在复杂的海上环境下达到了二等水准测量的精度，满足设计及后期施工测量的要求。
该觇板目前已成功推广应用于大连湾沉管隧道工程施工中，目前已完成了的高程测量，测量成果全部达到二等水准测量的精度要求，为推动工程顺利施工提供了保障。同时可以为其它类似工程或今后同类工程的施工提供相关借鉴，结合本项目工作实践，新型觇板应用于长距离跨海高程传递，保证二等水准测量精度，具有实际操作的指导作用。
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