中铁大桥局集团第四工程有限公司江苏南京210000
摘要：针对特大跨径桥梁高索塔施工中精密高程传递要求，阐述了高程传递方法的原理和实际应用。通过对沪通长江大桥高索塔高程传递测量的试验，分析了全站仪精密传高法的测量精度和工作效率，试验结果表明在特大跨径桥梁索塔施工中全站仪高程传递方法是一种精度可靠、效率较高、实用方便的方法。
关键词：特大跨径桥梁；精密三角高程；全站仪天顶距
1工程概况
沪通长江大桥主航道桥采用双塔五跨连续钢桁梁斜拉桥布置，孔跨布置为（142+462+1092+462+142）m，全长2300m。结构体系为塔、梁竖向支承体系，纵向采取阻尼器方案。29#主塔为钢筋混凝土结构，桥面以上为倒Y形，桥面以下塔柱内收为钻石形。上塔柱采用八边形截面，中塔柱由上塔柱八边形渐变至六边形截面。下塔柱为单箱双室的六边形截面。塔顶高程为+333米，塔底（承台顶）高程为+8.5米，承台以上塔高324.5米。塔柱顺桥向尺寸14～21米（塔座顶部为21米），上塔柱标准段横桥向尺寸为14米～15米，中塔柱和下塔柱横向尺寸为8.7米～16.7米。
特大跨径桥梁结构中，索塔部分是桥梁主要承重结构，随着现代桥梁设计跨径的增加，桥梁索塔的高度已达到200m以上，甚至超过300m。另一方面，特大跨径桥梁索塔的高程定位精度要求也很高，一般在±5mm左右，甚至更高。特大跨径桥梁索塔多数位于水域中，由于观测环境的影响给索塔施工中高程传递增大了难度。目前，研究索塔施工中高精度的高程传递方法已成为精密工程测量中一项重要内容。对于远距离水域的精密三角高程传递在桥梁主塔测量中使用最为频繁，一般采用精密三角高程测量进行快速高程传递。索塔测量中对于高程精度要求高，由于现场施工作业环境复杂，各种专业之间交互作业对施工测量影响大，外界大气折光对数据精度的影响较为严重，所以采用低高度对向精密三角高程测量辅以全站仪天顶投点法测量来满足桥梁高索塔对高程精度的要求。针对目前桥梁建设的复杂施工环境，研究实用高效的精密三角高程测量结合天顶投点法来实现高程传递具有十分重要意义。
沪通长江大桥29#墩主塔塔柱设计高度为325m，传统的的测量方法采用TM30、TM50两台全站仪对向观测。由于塔顶测量受到主塔晃动影响，数据跳动比较大（测回间数据摆动超过30cm），精度要求难以保证，需要吊机、钢梁施工机械停止作业，因测量所需数据量大，仪器需要调换，作业时间长，应跟施工现场做好协调，保留作业时间窗。传统的测量方法不能满足施工的要求，因此我们采用全站仪精密三角高程与全站仪天顶测距法相结合的方法来传递高程。主塔每施工4～5个节段，选择气象条件稳定、主塔吊机停止作业的时间空窗期，采用全站仪天顶测距法从下向上传递一次高程，平时施工高程传递采用全站仪测距三角高程差分法。
2高程传递的基本原理
2.1精密三角高程测量
1、三角高程测量原理
光电测距三角高程测量与普通三角高程测量一样，均属于间接高程测量，都要通过测定两点间连线的天顶角或竖直角、边长（斜距或平距），以及测量仪器高和棱镜高，在计算高差时还要顾忌地球曲率及大气折光的影响，所有观测与量测项目将综合影响施测高差的精度。测量原理如图1所示。
当采用三角高程测量时，计算公式为
（1）
式中，S为斜剧；Z为天顶角；i为棱镜高；k为大气折光系数。由式（1）可知，在三角高程测量中，影响高差主要因素为竖直角测量、距离测量、大气折光系数及仪器高量取。
图1光电测距三角高程测量原理
2、精密三角高程测量的主要方法
精密三角高程测量主要采用对向观测法，该方法更适合高精度的高程控制测量。对向观测是将两台全站仪TM50、TM30分别安置于南岸江堤已知高程点BM7和29#墩承台待测高程点C3附近，棱镜分别置于BM7和C3点上，同时段对向观测两测点间高差，测量完成后后互换仪器按相同上述步骤重复进行观测作业，整个测量工作完成后取两次高差中数作为观测结果。首先通过此种方法将南岸高程基准点BM7高程传递到29#墩承台观测点C3。
2.2全站仪天顶测距法
1、全站仪天顶测距法原理
利用全站仪的光电测距功能进行高程传递是对处于同一铅垂线上不同高程的两个点进行垂直测距，则两点高差就是全站仪所测的竖直距离b与仪器高i之和，如图2所示。
图2天顶距高程传递示意图
2、全站仪天顶测距法作业过程
作业时，全站仪可以通过照准主塔施工部位的棱镜测得距离b，从而获得高差。由于此法望远镜垂直向上，照准无法按照常规的瞄准方法，在作业时，测量棱镜的坐标，然后放样全站仪设站点的坐标，保证棱镜中心和全站仪中心在一条垂线上。也可在全站仪天顶角为0°时，打开免棱镜模式，通过光斑中心确定棱镜中心。
也可采用水平视线法，把仪器安置好后放平望远镜直至垂直角读数为90°00′00″，从已知点A处所立的水准尺上读取读数c1，从而实现从已知点A到待求点a之间的高程传递，即，从而避免了直接量取仪器高而带来的低精度。具体施测时，应多测回、多时段测量，以保证a处高程测量的精度，每两小时观测一次，共测四个时段，每个时段测二个测回并取中数。
3、全站仪天顶测距法精度分析
用这种方法观测时，A、a两点在同一铅垂线上，b在测量时已经进行了气象改正，b的精度取决于仪器的测距精度、垂直向上拨角精度和照准棱镜精度。若采用TM30，按照其标称精度，对于塔座以上320m高差，算得测距误差为=±0.92mm；每次垂直拨角可控制偏差在10″以内，算得垂直拨角误差引起的高差误差为=±1mm；顾及照准误差基本上反映在测角上，对测距基本无影响，则照准棱镜误差可忽略不计。而仪器高i的获取采用了水平视线法，仪器高的量测误差便转化为放平视线的拨角误差，由于A、B相距很近，按照垂直拨角的算法，易得放平视线误差<±1mm。根据误差传播定律，可算得高差测量误差为：
将上述误差值代入算得±1.7mm，小于塔柱施工所要求的±5mm的误差范围，能满足主塔施工的精度要求。
3高程传递的基本操作步骤
采用精密三角高程与天顶测距法相结合的方法，如图3所示，具体操作方法如下：
通过精密三角高程测量将高程传递至承台观测标C3（HC3），（可采用承台沉降观测数据）。
在承台、钢梁公路桥面上选择一对上、下垂直的位置（可采用全站仪放点），并做好永久标志，为后续使用做准备。
将全站仪A+弯管目镜架设在承台点标志点，后视HC3观测棱镜，设置全站仪视线高度：首先测量高差h1并记录，H（全站仪A）=HC3+h1；通过高差h1修正仪高，再次测量HC1高程，进行复核）。
将全站仪竖直角调整为0°0′00″，测量仪器发射中心与棱镜1中心的斜距S1。H（棱镜1）=H（全站仪A）+S1。
公路面架设全站仪B，测量棱镜1与公路面塔柱高程点的高差h2、h3。
HGL=H（棱镜1）+h2+h3
因下塔柱压缩变形较小，HGL与HC3间高差相对稳定，可隔几个节段复核一次。
公路面架全站仪B视线高=H（棱镜1）+h2，将全站仪竖直角调整为0°0′00″，通过测量主塔棱镜2的斜距S2，将高程传递至塔顶。
H（棱镜2）=（全站仪B）视线高+S2
塔顶全站仪C测量棱镜2与待测点的高差h4、h5，将高程传递至待测点。
H待测点=H（棱镜2）+h4+h5
图3天顶测距法高程传递示意图
4试验结果分析
根据类似文献已证明采用高精度、自动化全站仪在观测合理、处理方法得当的情况下，采用精密三角高程测量可以实现国家二等水准测量精度要求。相比于精密三角高程测量，我们通过精密三角高程测量对向观测和全站仪天顶测距法相结合的观测方法可以得出以下结论：
运用这种方法可以有效地消除大气折光以及测角测距误差的影响，测得的数据精度更高；
通过不同时段观测可以得出阴天的测量精度要优于晴天；
测角引起的误差是高差误差的主要来源之一，观测时要保证成像清晰；增加测回数来提高测角精度；
观测时应选在无风天气进行，在温度变化较大时停止观测；
为减小观测偶然误差，需要采用对向观测，操作时严格按照规范进行。
5施工体会
精密三角高程测量按照三角高程测量的基本原理，在相同的观测环境下和一定的高度范围内采用自动照准的高精度测量仪器徕佧TM50和TM30对向观测基本上可以消除或大大削弱大气折射及其他因素的影响，在1000m范围左右远距离水域无法用二等水准测量的条件下，采用徕佧TM50和TM30全站仪进行光电三角高程测量（对向观测）结合全站仪天顶距测量的方法，严格按照规范操作，在高程传递上弥补了传统观测方法的不足，并可以满足施工精度要求。
参考文献：
[1]周水渠．精密三角高程测量代替二等水准测量的尝试[I]．测绘信息与工程，1999（3）：25—29
[2]刘冬，郑南山，王刚.精密跨河三角高程测量试验研究.科技信息，2011（4）