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橋梁工程測量技術(shù)現狀及發(fā)展方向總結
橋梁工程測量是指在工程規劃、勘測設計、建設施工及運營(yíng)管理各階段所進(jìn)行的測量?，F代科技和橋梁建設的快速發(fā)展，共同促進(jìn)和推動(dòng)了橋梁工程測量技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。一方面，自20世紀50年代建設萬(wàn)里長(cháng)江第一橋——武漢長(cháng)江大橋起，新中國的橋梁建設事業(yè)進(jìn)入新的歷史發(fā)展階段。改革開(kāi)放以后，一大批新型、大跨徑、高技術(shù)含量的各類(lèi)橋梁如雨后春筍般涌現在全國的大江大河上。近10多年來(lái)，長(cháng)距離跨海橋梁(如杭州灣大橋、港珠澳大橋的跨海距離均超過(guò)30 km)、高速鐵路的建設蓬勃發(fā)展?，F代橋梁呈現出規模大、跨距長(cháng)、橋型新穎、結構復雜、施工精度要求高和施工工期長(cháng)等特點(diǎn)，對橋梁工程測量提出了更高的標準和要求。無(wú)疑，現代橋梁建設的發(fā)展促進(jìn)了橋梁工程測量技術(shù)的發(fā)展。另一方面，現代測繪科技及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展又給橋梁工程測量技術(shù)的發(fā)展提供了新的工具和手段。20世紀80年代開(kāi)始，光電測距儀、電子經(jīng)緯儀、全站儀、電子水準儀的出現和發(fā)展，開(kāi)啟了橋梁工程測量的第一次技術(shù)變革；90年代以來(lái)得到廣泛應用的GPS技術(shù)的發(fā)展和不斷完善，使得橋梁工程測量從理論、方法和技術(shù)上發(fā)生著(zhù)更加深刻的變革。隨著(zhù)智能全站儀、超站儀、電子水準儀、GNSS技術(shù)(包括靜態(tài)相對定位、RTK和CORS等)、激光掃描儀、攝影測量等測繪技術(shù)，以及計算機、電子、通信、網(wǎng)絡(luò )等其他相關(guān)科技的進(jìn)一步發(fā)展，橋梁工程測量技術(shù)正邁入一個(gè)新的、更高的快速發(fā)展階段。中鐵城際小編從橋梁工程控制測量、地形測繪、水文測量、施工測量及變形監測等幾方面分析橋梁工程測量技術(shù)的現狀及其發(fā)展趨勢。
一、橋梁控制測量
橋梁控制測量是橋梁工程測量的基礎和基準。橋梁控制網(wǎng)可按施測階段、施測目的及功能劃分為勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)和運營(yíng)維護控制網(wǎng)。為保證控制網(wǎng)的測量成果滿(mǎn)足鐵路勘測設計、施工、運營(yíng)維護3個(gè)階段的要求，適應鐵路工程建設和運營(yíng)管理的需要，3個(gè)階段的平面、高程控制測量必須采用統一的尺度和起算基準，即“三網(wǎng)合一”?？睖y控制網(wǎng)又稱(chēng)為橋址控制網(wǎng)，一般在工程初測階段建立，定測階段根據需要進(jìn)行改造和復測?？睖y控制網(wǎng)適用于橋梁設計階段的勘測，滿(mǎn)足初測、定測階段橋址定線(xiàn)、縱橫斷面、水文、地形等測量工作的控制需要。橋梁施工控制網(wǎng)一般在工程定測階段測設，也可在工程開(kāi)工前單獨施測，其主要用途是為橋梁工程施工測量建立精確、可靠和穩定的測量基準，同時(shí)應兼顧橋梁維護運營(yíng)階段的特殊需要。運營(yíng)維護控制網(wǎng)可在施工控制網(wǎng)基礎上改造而成，以滿(mǎn)足橋梁健康監測及運營(yíng)維護的測量控制需要。各階段的橋梁控制網(wǎng)，其精度、用途及技術(shù)要求存在差異，但所采用的技術(shù)方法和手段基本相同。
GPS靜態(tài)相對定位技術(shù)是目前橋梁工程平面控制測量中最常用的測量技術(shù)。自20世紀90年代以來(lái)，經(jīng)過(guò)試驗對比、實(shí)踐、總結和完善，目前已形成體系完整、技術(shù)成熟的GPS橋梁平面控制測量技術(shù)。相對于傳統的地面控制測量技術(shù)而言，GPS橋梁平面控制測量具有精度高、速度快、成本低，選點(diǎn)布網(wǎng)靈活，無(wú)須點(diǎn)間通視，無(wú)須建造覘標，對控制網(wǎng)圖形要求低，可同時(shí)提供二維平面及三維空間定位基準等突出優(yōu)勢，因而在現代橋梁平面控制測量中占據統治地位。但當衛星信號受遮擋或干擾而無(wú)法實(shí)施GPS觀(guān)測時(shí)，則需采用全站儀導線(xiàn)、全站儀邊角網(wǎng)測量技術(shù)予以補充，尤其在施工加密網(wǎng)、局部高精度施工專(zhuān)用網(wǎng)測量中比較常見(jiàn)。目前世界上全站儀的最高測角精度達到0.5″，測距精度達到0.5 mm+1×10-6D，全站儀的可靠性和穩定性也已非常高，因此，在今后比較長(cháng)時(shí)間內，全站儀地面控制測量將在橋梁控制測量中繼續發(fā)揮作用。近年來(lái)出現的超站儀將GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)與全站儀靈活的三維極坐標測量技術(shù)完美結合起來(lái)，可取代低等級控制測量，實(shí)現無(wú)控制網(wǎng)的一般精度的橋梁工程測量。綜上所述，以GPS技術(shù)為主、全站儀技術(shù)為輔的組合技術(shù)或技術(shù)集成，是目前乃至今后相當長(cháng)一段時(shí)間內橋梁平面控制測量的主要技術(shù)。
橋梁高程控制測量分為陸地高程控制測量和跨河水準測量?jì)纱蟛糠?。幾何水準測量一直是橋梁高程控制網(wǎng)陸地測量的經(jīng)典方法，盡管這種方法存在耗時(shí)費力、作業(yè)效率較低的缺點(diǎn)，但其高精度、高可靠性及高穩定性的優(yōu)勢也十分突出，因此，在地形起伏不大的橋址小區域內，幾何水準測量仍然是首選。隨著(zhù)電子水準儀的出現和不斷發(fā)展，經(jīng)典的幾何水準測量進(jìn)入了內外業(yè)一體化、自動(dòng)化和數字化的新時(shí)代，水準測量作業(yè)效率得到大幅度提高，勞動(dòng)強度大大降低。同時(shí)電子水準儀的精度及其可靠性也逐步提高，目前世界上電子水準儀的最高精度達到0.2mm/km，可滿(mǎn)足最高精度等級橋梁高程控制測量的需要。因此，基于電子水準儀的幾何水準測量是當今橋梁高程控制測量中陸地測量的主流技術(shù)。此外，隨著(zhù)全站儀電子測距精度和垂直角測量精度的不斷提高，全站儀三角高程測量在起伏較大的地區可替代三、四等幾何水準測量，并已在工程中得到實(shí)際應用。在特定的技術(shù)條件和技術(shù)措施下，全站儀三角高程測量還可達到二等水準測量精度。因此，全站儀三角高程測量也是橋梁高程控制測量的一種重要技術(shù)手段，尤其在地形起伏較大的山區更具應用價(jià)值。
跨河水準測量是橋梁高程控制測量中的核心技術(shù)，也是橋梁高程控制測量的難點(diǎn)所在。傳統的跨河水準測量方法有光學(xué)測微法、傾斜螺旋法、經(jīng)緯儀傾角法和測距三角高程法。其中，光學(xué)測微法、傾斜螺旋法和經(jīng)緯儀傾角法是最經(jīng)典的方法，應用歷史最長(cháng)，理論和技術(shù)都十分成熟，但對跨河場(chǎng)地及觀(guān)測條件要求較高，如要求兩岸測站及立尺點(diǎn)間高程近似相等、觀(guān)測期間儀器和標尺需頻繁調岸等。而測距三角高程法則具有場(chǎng)地布設比較靈活、儀尺無(wú)須頻繁調岸、作業(yè)效率較高等優(yōu)點(diǎn)，適用范圍較廣，應用前景較好。隨著(zhù)近20多年來(lái)電子水準儀、電子全站儀在測量精度、自動(dòng)跟蹤測量、自動(dòng)記錄和自動(dòng)存儲等方面技術(shù)的快速發(fā)展和提高，光學(xué)水準儀、光學(xué)經(jīng)緯儀已經(jīng)被淘汰，因此，全站儀三角高程跨河水準測量方法得到了不斷完善和發(fā)展，目前已經(jīng)成為橋梁工程跨河水準測量的主要方法，也是港珠澳大橋等特大型跨海橋梁工程中長(cháng)距離跨海高程傳遞的重要方法。
GPS橋梁高程控制測量已逐步成為研究的熱點(diǎn)，從試驗和工程實(shí)踐的情況看，利用高精度的GPS三維坐標測量成果，結合精化局部大地水準面成果，橋梁工程局部區域內GPS高程擬合可達厘米級精度，可代替三、四等水準測量[11]。自2006年版《國家一、二等水準測量規范》增加GPS跨河水準測量方法以來(lái)，相關(guān)試驗研究和應用實(shí)踐進(jìn)入一個(gè)新的階段。試驗結果表明，在地形平坦、河流兩岸大地水準面具有相同的變化趨勢且變化相對平緩的橋址地區，GPS跨河水準測量可達到二等精度。但GPS跨河水準測量的精度及其可靠性受地形起伏大小及似大地水準面變化平緩性等因素影響極大，而這些影響的大小及其規律尚無(wú)法事先預知，影響成果精度的不確定性因素很多，因此，目前GPS跨河水準測量在工程中獨立應用的實(shí)例尚不多見(jiàn)。相關(guān)試驗還表明，即使在十分平坦的場(chǎng)地條件下也不宜使用GPS水準法來(lái)進(jìn)行一等跨河水準測量?？偠灾?，GPS水準測量在橋梁跨河水準測量及長(cháng)距離跨海高程傳遞中具有重要的發(fā)展空間和應用前景，但相關(guān)理論與技術(shù)方法仍不成熟，需要進(jìn)一步深入研究。
近年來(lái)，全天候連續不間斷運行的GNSS連續運行參考站系統(簡(jiǎn)稱(chēng)CORS)被引入長(cháng)距離跨海橋梁工程建設中。2011年11月，我國首個(gè)獨立的基于VRS的工程CORS在港珠澳大橋工程建成并投入正式運行，該系統的實(shí)時(shí)定位精度為：平面優(yōu)于2 cm，高程優(yōu)于3 cm。橋梁工程CORS提供兼具實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)和事后靜態(tài)定位功能的空間三維和平面二維定位基準，可滿(mǎn)足長(cháng)距離跨海橋梁勘察設計和施工建設中海上測量定位的需要。
二、橋址地形測繪
橋梁工程規劃、勘測設計、施工及工程竣工階段均需測繪橋址地形圖，一般為：1:500~1:10 000大比例尺地形圖，特殊情況下也需測繪1:200比例尺的局部地形圖，但最常用的還是1:500~1:5000地形圖。按測繪區域劃分，橋址地形圖可分為陸地地形圖和水下地形圖兩大類(lèi)，目前均采用數字測圖技術(shù)測繪，傳統的模擬測圖技術(shù)已被淘汰。
陸地區域的橋址地形測繪主要采用地面數字測圖技術(shù)，包括全站儀數字測圖技術(shù)和GPS RTK數字測圖技術(shù)。全站儀數字測圖分為兩種作業(yè)模式：一種是全站儀采集數據，利用電子手簿或全站儀自身內存記錄數據并手工繪制地形草圖，內業(yè)時(shí)通過(guò)計算機進(jìn)行地形編碼和編輯生成數字地圖；另一種是全站儀與便攜機或PDA連接，利用屏幕顯示點(diǎn)位，現場(chǎng)編輯生成數字地圖[3]。GPS RTK數字測圖基本上采用第一種作業(yè)模式。地面數字測圖的成果主要為數字線(xiàn)劃圖(DLG)和數字高程模型(DEM)。近年來(lái)，隨著(zhù)全數字航空攝影測量技術(shù)的發(fā)展，適用于小區域大比例尺地形測繪的低空平臺(輕型飛機、低空無(wú)人小飛機、熱氣飛艇、熱氣球等)攝影測量已從試驗研究逐步轉入工程應用。有關(guān)單位正在開(kāi)展無(wú)人機測圖技術(shù)在橋隧工程勘測設計中的應用研究，在不久的將來(lái)有望用于大比例尺橋址地形圖測繪中。此外，機載激光掃描測繪系統(LiDAR)也為橋梁工程地形測繪提供了一種新的技術(shù)手段，目前也是研究的熱點(diǎn)之一。
水下地形測量方法與陸地地形測量方法有較大差異，它由水深測量與平面定位測量?jì)纱蠹夹g(shù)組成。水深測量經(jīng)歷了由測深桿、測深錘、單波束回聲測深儀到多波束測深系統的發(fā)展過(guò)程，測深定位方法則由斷面法、前方交會(huì )法、DGPS定位法發(fā)展到RTK定位法。目前，橋址水下地形測繪主要采用“回聲測深+RTK+數據處理軟件”的組合測量系統?；?網(wǎng)絡(luò ))RTK的無(wú)驗潮多波束水下地形測繪技術(shù)是未來(lái)水下地形測量研究和發(fā)展的方向之一，該技術(shù)已在瓊州海峽通道和港珠澳大橋等跨海工程大范圍海域地形測繪中得到應用[15]，并已在跨江跨河橋梁工程水下地形測繪中得到普及。相對于傳統的驗潮模式而言，基于RTK的無(wú)驗潮水下地形測繪方法直接利用厘米級定位精度的RTK技術(shù)測定水下地形點(diǎn)的高程，能顯著(zhù)提高測量精度和作業(yè)效率、降低成本，還有利于實(shí)現水下地形測繪內外業(yè)一體化。但目前這種技術(shù)尚缺乏規范依據，仍需進(jìn)一步研究、完善并制定相關(guān)技術(shù)規范。
三、橋址水文測量
橋址水文測量一般在工程初測階段進(jìn)行，必要時(shí)在定測階段進(jìn)行適當補測，其目的是為橋位選擇、河床沖刷計算、墩跨布置、通航設計等提供橋址區域的基礎水文資料，主要測量項目有橋址水位觀(guān)測、橋址流向流速觀(guān)測、橋址航跡線(xiàn)觀(guān)測、橋址地形測繪等。對水文條件復雜的橋梁，還需對橋位所處河段(一般為數十千米)進(jìn)行水文測驗專(zhuān)題觀(guān)測，或稱(chēng)河道原型觀(guān)測，觀(guān)測內容包括水位觀(guān)測、水文斷面測量、流速流向及流量觀(guān)測、懸移質(zhì)水樣采集、1:10 000河道地形測繪等，其目的是為河床演變分析、河工模型試驗等水文專(zhuān)題研究、水文計算和橋梁設計提供基礎測繪資料。
水位觀(guān)測可設立水尺進(jìn)行人工觀(guān)測，適用于觀(guān)測時(shí)間較短、觀(guān)測頻率不高的情形。當觀(guān)測周期較長(cháng)、觀(guān)測頻率較高時(shí)，一般自記水位計甚至建造水文站進(jìn)行長(cháng)期觀(guān)測，這也是目前常用的水位觀(guān)測方法。地形斷面測量、河道地形測繪的方法與橋址地形測繪方法相同，陸地部分采用GPS RTK或全站儀采集數據，水域部分采用RTK定位+超聲波測深儀組合測量系統。橋址流速流向(表面流速流向)及航跡線(xiàn)測量一般采用RTK跟蹤浮標或船舶觀(guān)測法，早期的前方交會(huì )定位法已被淘汰。橋渡水文測驗專(zhuān)題中的水文斷面流速、流向及流量一般采用專(zhuān)業(yè)的流速流向儀按定點(diǎn)法測定，通過(guò)不同水深的流速流向計算出平均流速及斷面流量。懸移質(zhì)水樣采用專(zhuān)業(yè)設備采集。
四、橋梁施工測量
橋梁施工測量是橋梁工程測量的重要內容之一，是橋梁施工不可或缺的重要基礎性工作，它貫穿于橋梁施工建設的全過(guò)程。施工測量的任務(wù)就是要按照工程設計圖紙的要求，將橋梁建筑物(包括橋梁基礎和上部結構)的位置、形狀、大小等測放到實(shí)地，并對工程施工質(zhì)量進(jìn)行測量檢查，配合及引導工程施工。這里所指的橋梁施工測量包括施工放樣測量和竣工驗收測量?，F代橋梁向大跨、高墩高塔、大型構件工廠(chǎng)化預制、施工工藝復雜、施工精度要求高的方向發(fā)展，超大規?？绾蛄旱慕ㄔO使得施工建設環(huán)境趨于惡劣，這些無(wú)疑都對橋梁施工測量提出了越來(lái)越高的要求。
橋梁施工測量方法大體上可以劃分為3類(lèi)。第1類(lèi)是常規大地測量技術(shù)?，F階段主要使用全站儀和電子水準儀，包括自動(dòng)跟蹤測量技術(shù)、免棱鏡精密測距技術(shù)。隨著(zhù)全站儀精度及自動(dòng)化程度的不斷提高，經(jīng)典的光學(xué)經(jīng)緯儀和光學(xué)水準儀測量方法已被淘汰，過(guò)去在高塔施工中使用的激光鉛直儀也已被高精度的全站儀三維坐標測量方法所替代。但鋼尺量距仍然在一些特定場(chǎng)合被使用。此外，20世紀90年代中期開(kāi)始出現的三維激光掃描儀在墩(塔)垂直度觀(guān)測及竣工檢測中偶有應用。第2類(lèi)是衛星定位測量技術(shù)。首先，GPS RTK(包括單基站RTK和網(wǎng)絡(luò )RTK)、GPS相對靜態(tài)定位技術(shù)在橋梁施工測量，尤其是特大型長(cháng)距離跨海橋梁工程中被廣泛使用。RTK主要用于海上橋梁樁基施工定位，相對靜態(tài)定位技術(shù)用于施工加密網(wǎng)測量及橋墩平面位置精確測量。其次，GPS高程擬合方法也在杭州灣大橋、港珠澳大橋等跨海橋梁工程海中高程定位中得到應用，實(shí)踐對比結果顯示：高程擬合精度可達1 cm左右。第3類(lèi)是其他專(zhuān)用測量技術(shù)，如在橋墩垂直度測量中使用電子傾斜儀等專(zhuān)用設備。綜上所述，全站儀、電子水準儀技術(shù)仍然是橋梁施工精確放樣的主要技術(shù)手段，GPS相對靜態(tài)測量、RTK測量技術(shù)已在大型跨江、跨海橋梁施工中得到廣泛應用?？梢灶A見(jiàn)，基于智能型全站儀、GNSS、激光、遙測、遙控和通信等技術(shù)的集成式精密空間放樣測設技術(shù)將是未來(lái)橋梁施工測量的主流技術(shù)，新型的超站儀、三維激光掃描儀、激光掃平儀及全站掃描儀(如Leica MS50)具有較好的應用前景。
五、橋梁變形監測
橋梁變形監測是橋梁工程測量的核心內容之一。隨著(zhù)我國橋梁建設的快速發(fā)展，越來(lái)越多的柔性橋梁、大跨徑橋梁、長(cháng)距離跨海橋梁等新型結構大型橋梁工程的建設和運營(yíng)，給橋梁工程的安全監測提出了新的要求。20世紀90年代以來(lái)，我國橋梁健康安全監測理論和方法的研究逐步成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，橋梁安全監測得到了橋梁管理等部門(mén)的高度重視。在我國香港青馬大橋、廣東虎門(mén)大橋、江蘇蘇通大橋、上海東海大橋和京滬高鐵南京長(cháng)江大橋等一大批大型橋梁上，相繼建立了橋梁健康安全監測系統或進(jìn)行了定期的變形監測維護。橋梁工程變形監測的理論、方法和相關(guān)技術(shù)得到了較大發(fā)展和提高。
橋梁變形監測包括橋梁工程施工階段的變形監測和運營(yíng)維護階段的變形監測。橋梁變形觀(guān)測的內容包括橋墩(塔柱)沉降及水平位移觀(guān)測、梁體撓度變形觀(guān)測、墩臺及梁體裂縫觀(guān)測、水中橋墩周?chē)哟矝_刷演變觀(guān)測，以及橋面沉降、撓度及水平位移觀(guān)測等。沉降觀(guān)測方法有幾何水準測量、靜力水準測量、三角高程測量和GPS高程測量等。水平位移觀(guān)測方法有基準線(xiàn)法、測小角法、三角測量、前方交會(huì )、導線(xiàn)測量和GPS測量等。撓度觀(guān)測有全站儀觀(guān)測、水準測量、攝影測量、懸錘法、GPS測量及專(zhuān)用撓度儀器觀(guān)測法等。河床沖刷觀(guān)測有超聲波測深法及水下攝影測量等多傳感器組合觀(guān)測法。目前在實(shí)際工程中應用較多的變形測量方法是電子水準儀幾何水準測量、智能全站儀(測量機器人)三維坐標測量、GPS靜態(tài)及RTK動(dòng)態(tài)三維監測系統、近景攝影測量、三維激光掃描系統等。在變形分析和預報方面，小波變換理論、卡爾曼濾波理論及線(xiàn)性平滑理論等方法被廣泛應用。
未來(lái)橋梁變形監測研究和應用的發(fā)展方向是：動(dòng)態(tài)監測與靜態(tài)監測相結合、實(shí)時(shí)連續三維監測技術(shù)、監測數據的實(shí)時(shí)處理、智能化分析與可視化表現等技術(shù)、多傳感器監測集成技術(shù)、自動(dòng)化監測技術(shù)、幾何變形監測與應力應變等其他監測綜合分析和預報方法等?？梢灶A見(jiàn)，新型高精度智能全站儀、電子水準儀、GPS監測技術(shù)、三維激光掃描系統、近景攝影測量及各種監測技術(shù)的集成將成為橋梁工程變形監測的主要技術(shù)手段。
六、結束語(yǔ)
橋梁工程測量的發(fā)展是測繪科技與橋梁建設應用需求共同推動(dòng)和作用的結果。得益于現代測繪學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科技術(shù)的迅猛發(fā)展，現代橋梁工程測量正朝內外業(yè)作業(yè)一體化、數據獲取及處理自動(dòng)化、測量過(guò)程控制和系統行為智能化、測量成果數字化、測量信息管理可視化、信息共享和傳播網(wǎng)絡(luò )化、測量服務(wù)社會(huì )化方向邁進(jìn)。GPS測量、全站儀及電子水準儀技術(shù)是現階段橋梁工程測量中被廣泛使用的三大核心技術(shù)。筆者認為，GPS橋梁高程控制測量、低空平臺數字攝影測量、基于RTK的無(wú)驗潮水下地形測繪、激光掃描系統、三維測繪和多傳感器集成的變形監測技術(shù)將是未來(lái)橋梁工程測量的研究重點(diǎn)和應用發(fā)展方向。
一、橋梁控制測量
橋梁控制測量是橋梁工程測量的基礎和基準。橋梁控制網(wǎng)可按施測階段、施測目的及功能劃分為勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)和運營(yíng)維護控制網(wǎng)。為保證控制網(wǎng)的測量成果滿(mǎn)足鐵路勘測設計、施工、運營(yíng)維護3個(gè)階段的要求，適應鐵路工程建設和運營(yíng)管理的需要，3個(gè)階段的平面、高程控制測量必須采用統一的尺度和起算基準，即“三網(wǎng)合一”?？睖y控制網(wǎng)又稱(chēng)為橋址控制網(wǎng)，一般在工程初測階段建立，定測階段根據需要進(jìn)行改造和復測?？睖y控制網(wǎng)適用于橋梁設計階段的勘測，滿(mǎn)足初測、定測階段橋址定線(xiàn)、縱橫斷面、水文、地形等測量工作的控制需要。橋梁施工控制網(wǎng)一般在工程定測階段測設，也可在工程開(kāi)工前單獨施測，其主要用途是為橋梁工程施工測量建立精確、可靠和穩定的測量基準，同時(shí)應兼顧橋梁維護運營(yíng)階段的特殊需要。運營(yíng)維護控制網(wǎng)可在施工控制網(wǎng)基礎上改造而成，以滿(mǎn)足橋梁健康監測及運營(yíng)維護的測量控制需要。各階段的橋梁控制網(wǎng)，其精度、用途及技術(shù)要求存在差異，但所采用的技術(shù)方法和手段基本相同。
GPS靜態(tài)相對定位技術(shù)是目前橋梁工程平面控制測量中最常用的測量技術(shù)。自20世紀90年代以來(lái)，經(jīng)過(guò)試驗對比、實(shí)踐、總結和完善，目前已形成體系完整、技術(shù)成熟的GPS橋梁平面控制測量技術(shù)。相對于傳統的地面控制測量技術(shù)而言，GPS橋梁平面控制測量具有精度高、速度快、成本低，選點(diǎn)布網(wǎng)靈活，無(wú)須點(diǎn)間通視，無(wú)須建造覘標，對控制網(wǎng)圖形要求低，可同時(shí)提供二維平面及三維空間定位基準等突出優(yōu)勢，因而在現代橋梁平面控制測量中占據統治地位。但當衛星信號受遮擋或干擾而無(wú)法實(shí)施GPS觀(guān)測時(shí)，則需采用全站儀導線(xiàn)、全站儀邊角網(wǎng)測量技術(shù)予以補充，尤其在施工加密網(wǎng)、局部高精度施工專(zhuān)用網(wǎng)測量中比較常見(jiàn)。目前世界上全站儀的最高測角精度達到0.5″，測距精度達到0.5 mm+1×10-6D，全站儀的可靠性和穩定性也已非常高，因此，在今后比較長(cháng)時(shí)間內，全站儀地面控制測量將在橋梁控制測量中繼續發(fā)揮作用。近年來(lái)出現的超站儀將GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)與全站儀靈活的三維極坐標測量技術(shù)完美結合起來(lái)，可取代低等級控制測量，實(shí)現無(wú)控制網(wǎng)的一般精度的橋梁工程測量。綜上所述，以GPS技術(shù)為主、全站儀技術(shù)為輔的組合技術(shù)或技術(shù)集成，是目前乃至今后相當長(cháng)一段時(shí)間內橋梁平面控制測量的主要技術(shù)。
橋梁高程控制測量分為陸地高程控制測量和跨河水準測量?jì)纱蟛糠?。幾何水準測量一直是橋梁高程控制網(wǎng)陸地測量的經(jīng)典方法，盡管這種方法存在耗時(shí)費力、作業(yè)效率較低的缺點(diǎn)，但其高精度、高可靠性及高穩定性的優(yōu)勢也十分突出，因此，在地形起伏不大的橋址小區域內，幾何水準測量仍然是首選。隨著(zhù)電子水準儀的出現和不斷發(fā)展，經(jīng)典的幾何水準測量進(jìn)入了內外業(yè)一體化、自動(dòng)化和數字化的新時(shí)代，水準測量作業(yè)效率得到大幅度提高，勞動(dòng)強度大大降低。同時(shí)電子水準儀的精度及其可靠性也逐步提高，目前世界上電子水準儀的最高精度達到0.2mm/km，可滿(mǎn)足最高精度等級橋梁高程控制測量的需要。因此，基于電子水準儀的幾何水準測量是當今橋梁高程控制測量中陸地測量的主流技術(shù)。此外，隨著(zhù)全站儀電子測距精度和垂直角測量精度的不斷提高，全站儀三角高程測量在起伏較大的地區可替代三、四等幾何水準測量，并已在工程中得到實(shí)際應用。在特定的技術(shù)條件和技術(shù)措施下，全站儀三角高程測量還可達到二等水準測量精度。因此，全站儀三角高程測量也是橋梁高程控制測量的一種重要技術(shù)手段，尤其在地形起伏較大的山區更具應用價(jià)值。
跨河水準測量是橋梁高程控制測量中的核心技術(shù)，也是橋梁高程控制測量的難點(diǎn)所在。傳統的跨河水準測量方法有光學(xué)測微法、傾斜螺旋法、經(jīng)緯儀傾角法和測距三角高程法。其中，光學(xué)測微法、傾斜螺旋法和經(jīng)緯儀傾角法是最經(jīng)典的方法，應用歷史最長(cháng)，理論和技術(shù)都十分成熟，但對跨河場(chǎng)地及觀(guān)測條件要求較高，如要求兩岸測站及立尺點(diǎn)間高程近似相等、觀(guān)測期間儀器和標尺需頻繁調岸等。而測距三角高程法則具有場(chǎng)地布設比較靈活、儀尺無(wú)須頻繁調岸、作業(yè)效率較高等優(yōu)點(diǎn)，適用范圍較廣，應用前景較好。隨著(zhù)近20多年來(lái)電子水準儀、電子全站儀在測量精度、自動(dòng)跟蹤測量、自動(dòng)記錄和自動(dòng)存儲等方面技術(shù)的快速發(fā)展和提高，光學(xué)水準儀、光學(xué)經(jīng)緯儀已經(jīng)被淘汰，因此，全站儀三角高程跨河水準測量方法得到了不斷完善和發(fā)展，目前已經(jīng)成為橋梁工程跨河水準測量的主要方法，也是港珠澳大橋等特大型跨海橋梁工程中長(cháng)距離跨海高程傳遞的重要方法。
GPS橋梁高程控制測量已逐步成為研究的熱點(diǎn)，從試驗和工程實(shí)踐的情況看，利用高精度的GPS三維坐標測量成果，結合精化局部大地水準面成果，橋梁工程局部區域內GPS高程擬合可達厘米級精度，可代替三、四等水準測量[11]。自2006年版《國家一、二等水準測量規范》增加GPS跨河水準測量方法以來(lái)，相關(guān)試驗研究和應用實(shí)踐進(jìn)入一個(gè)新的階段。試驗結果表明，在地形平坦、河流兩岸大地水準面具有相同的變化趨勢且變化相對平緩的橋址地區，GPS跨河水準測量可達到二等精度。但GPS跨河水準測量的精度及其可靠性受地形起伏大小及似大地水準面變化平緩性等因素影響極大，而這些影響的大小及其規律尚無(wú)法事先預知，影響成果精度的不確定性因素很多，因此，目前GPS跨河水準測量在工程中獨立應用的實(shí)例尚不多見(jiàn)。相關(guān)試驗還表明，即使在十分平坦的場(chǎng)地條件下也不宜使用GPS水準法來(lái)進(jìn)行一等跨河水準測量?？偠灾?，GPS水準測量在橋梁跨河水準測量及長(cháng)距離跨海高程傳遞中具有重要的發(fā)展空間和應用前景，但相關(guān)理論與技術(shù)方法仍不成熟，需要進(jìn)一步深入研究。
近年來(lái)，全天候連續不間斷運行的GNSS連續運行參考站系統(簡(jiǎn)稱(chēng)CORS)被引入長(cháng)距離跨海橋梁工程建設中。2011年11月，我國首個(gè)獨立的基于VRS的工程CORS在港珠澳大橋工程建成并投入正式運行，該系統的實(shí)時(shí)定位精度為：平面優(yōu)于2 cm，高程優(yōu)于3 cm。橋梁工程CORS提供兼具實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)和事后靜態(tài)定位功能的空間三維和平面二維定位基準，可滿(mǎn)足長(cháng)距離跨海橋梁勘察設計和施工建設中海上測量定位的需要。
二、橋址地形測繪
橋梁工程規劃、勘測設計、施工及工程竣工階段均需測繪橋址地形圖，一般為：1:500~1:10 000大比例尺地形圖，特殊情況下也需測繪1:200比例尺的局部地形圖，但最常用的還是1:500~1:5000地形圖。按測繪區域劃分，橋址地形圖可分為陸地地形圖和水下地形圖兩大類(lèi)，目前均采用數字測圖技術(shù)測繪，傳統的模擬測圖技術(shù)已被淘汰。
陸地區域的橋址地形測繪主要采用地面數字測圖技術(shù)，包括全站儀數字測圖技術(shù)和GPS RTK數字測圖技術(shù)。全站儀數字測圖分為兩種作業(yè)模式：一種是全站儀采集數據，利用電子手簿或全站儀自身內存記錄數據并手工繪制地形草圖，內業(yè)時(shí)通過(guò)計算機進(jìn)行地形編碼和編輯生成數字地圖；另一種是全站儀與便攜機或PDA連接，利用屏幕顯示點(diǎn)位，現場(chǎng)編輯生成數字地圖[3]。GPS RTK數字測圖基本上采用第一種作業(yè)模式。地面數字測圖的成果主要為數字線(xiàn)劃圖(DLG)和數字高程模型(DEM)。近年來(lái)，隨著(zhù)全數字航空攝影測量技術(shù)的發(fā)展，適用于小區域大比例尺地形測繪的低空平臺(輕型飛機、低空無(wú)人小飛機、熱氣飛艇、熱氣球等)攝影測量已從試驗研究逐步轉入工程應用。有關(guān)單位正在開(kāi)展無(wú)人機測圖技術(shù)在橋隧工程勘測設計中的應用研究，在不久的將來(lái)有望用于大比例尺橋址地形圖測繪中。此外，機載激光掃描測繪系統(LiDAR)也為橋梁工程地形測繪提供了一種新的技術(shù)手段，目前也是研究的熱點(diǎn)之一。
水下地形測量方法與陸地地形測量方法有較大差異，它由水深測量與平面定位測量?jì)纱蠹夹g(shù)組成。水深測量經(jīng)歷了由測深桿、測深錘、單波束回聲測深儀到多波束測深系統的發(fā)展過(guò)程，測深定位方法則由斷面法、前方交會(huì )法、DGPS定位法發(fā)展到RTK定位法。目前，橋址水下地形測繪主要采用“回聲測深+RTK+數據處理軟件”的組合測量系統?；?網(wǎng)絡(luò ))RTK的無(wú)驗潮多波束水下地形測繪技術(shù)是未來(lái)水下地形測量研究和發(fā)展的方向之一，該技術(shù)已在瓊州海峽通道和港珠澳大橋等跨海工程大范圍海域地形測繪中得到應用[15]，并已在跨江跨河橋梁工程水下地形測繪中得到普及。相對于傳統的驗潮模式而言，基于RTK的無(wú)驗潮水下地形測繪方法直接利用厘米級定位精度的RTK技術(shù)測定水下地形點(diǎn)的高程，能顯著(zhù)提高測量精度和作業(yè)效率、降低成本，還有利于實(shí)現水下地形測繪內外業(yè)一體化。但目前這種技術(shù)尚缺乏規范依據，仍需進(jìn)一步研究、完善并制定相關(guān)技術(shù)規范。
三、橋址水文測量
橋址水文測量一般在工程初測階段進(jìn)行，必要時(shí)在定測階段進(jìn)行適當補測，其目的是為橋位選擇、河床沖刷計算、墩跨布置、通航設計等提供橋址區域的基礎水文資料，主要測量項目有橋址水位觀(guān)測、橋址流向流速觀(guān)測、橋址航跡線(xiàn)觀(guān)測、橋址地形測繪等。對水文條件復雜的橋梁，還需對橋位所處河段(一般為數十千米)進(jìn)行水文測驗專(zhuān)題觀(guān)測，或稱(chēng)河道原型觀(guān)測，觀(guān)測內容包括水位觀(guān)測、水文斷面測量、流速流向及流量觀(guān)測、懸移質(zhì)水樣采集、1:10 000河道地形測繪等，其目的是為河床演變分析、河工模型試驗等水文專(zhuān)題研究、水文計算和橋梁設計提供基礎測繪資料。
水位觀(guān)測可設立水尺進(jìn)行人工觀(guān)測，適用于觀(guān)測時(shí)間較短、觀(guān)測頻率不高的情形。當觀(guān)測周期較長(cháng)、觀(guān)測頻率較高時(shí)，一般自記水位計甚至建造水文站進(jìn)行長(cháng)期觀(guān)測，這也是目前常用的水位觀(guān)測方法。地形斷面測量、河道地形測繪的方法與橋址地形測繪方法相同，陸地部分采用GPS RTK或全站儀采集數據，水域部分采用RTK定位+超聲波測深儀組合測量系統。橋址流速流向(表面流速流向)及航跡線(xiàn)測量一般采用RTK跟蹤浮標或船舶觀(guān)測法，早期的前方交會(huì )定位法已被淘汰。橋渡水文測驗專(zhuān)題中的水文斷面流速、流向及流量一般采用專(zhuān)業(yè)的流速流向儀按定點(diǎn)法測定，通過(guò)不同水深的流速流向計算出平均流速及斷面流量。懸移質(zhì)水樣采用專(zhuān)業(yè)設備采集。
四、橋梁施工測量
橋梁施工測量是橋梁工程測量的重要內容之一，是橋梁施工不可或缺的重要基礎性工作，它貫穿于橋梁施工建設的全過(guò)程。施工測量的任務(wù)就是要按照工程設計圖紙的要求，將橋梁建筑物(包括橋梁基礎和上部結構)的位置、形狀、大小等測放到實(shí)地，并對工程施工質(zhì)量進(jìn)行測量檢查，配合及引導工程施工。這里所指的橋梁施工測量包括施工放樣測量和竣工驗收測量?，F代橋梁向大跨、高墩高塔、大型構件工廠(chǎng)化預制、施工工藝復雜、施工精度要求高的方向發(fā)展，超大規?？绾蛄旱慕ㄔO使得施工建設環(huán)境趨于惡劣，這些無(wú)疑都對橋梁施工測量提出了越來(lái)越高的要求。
橋梁施工測量方法大體上可以劃分為3類(lèi)。第1類(lèi)是常規大地測量技術(shù)?，F階段主要使用全站儀和電子水準儀，包括自動(dòng)跟蹤測量技術(shù)、免棱鏡精密測距技術(shù)。隨著(zhù)全站儀精度及自動(dòng)化程度的不斷提高，經(jīng)典的光學(xué)經(jīng)緯儀和光學(xué)水準儀測量方法已被淘汰，過(guò)去在高塔施工中使用的激光鉛直儀也已被高精度的全站儀三維坐標測量方法所替代。但鋼尺量距仍然在一些特定場(chǎng)合被使用。此外，20世紀90年代中期開(kāi)始出現的三維激光掃描儀在墩(塔)垂直度觀(guān)測及竣工檢測中偶有應用。第2類(lèi)是衛星定位測量技術(shù)。首先，GPS RTK(包括單基站RTK和網(wǎng)絡(luò )RTK)、GPS相對靜態(tài)定位技術(shù)在橋梁施工測量，尤其是特大型長(cháng)距離跨海橋梁工程中被廣泛使用。RTK主要用于海上橋梁樁基施工定位，相對靜態(tài)定位技術(shù)用于施工加密網(wǎng)測量及橋墩平面位置精確測量。其次，GPS高程擬合方法也在杭州灣大橋、港珠澳大橋等跨海橋梁工程海中高程定位中得到應用，實(shí)踐對比結果顯示：高程擬合精度可達1 cm左右。第3類(lèi)是其他專(zhuān)用測量技術(shù)，如在橋墩垂直度測量中使用電子傾斜儀等專(zhuān)用設備。綜上所述，全站儀、電子水準儀技術(shù)仍然是橋梁施工精確放樣的主要技術(shù)手段，GPS相對靜態(tài)測量、RTK測量技術(shù)已在大型跨江、跨海橋梁施工中得到廣泛應用?？梢灶A見(jiàn)，基于智能型全站儀、GNSS、激光、遙測、遙控和通信等技術(shù)的集成式精密空間放樣測設技術(shù)將是未來(lái)橋梁施工測量的主流技術(shù)，新型的超站儀、三維激光掃描儀、激光掃平儀及全站掃描儀(如Leica MS50)具有較好的應用前景。
五、橋梁變形監測
橋梁變形監測是橋梁工程測量的核心內容之一。隨著(zhù)我國橋梁建設的快速發(fā)展，越來(lái)越多的柔性橋梁、大跨徑橋梁、長(cháng)距離跨海橋梁等新型結構大型橋梁工程的建設和運營(yíng)，給橋梁工程的安全監測提出了新的要求。20世紀90年代以來(lái)，我國橋梁健康安全監測理論和方法的研究逐步成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，橋梁安全監測得到了橋梁管理等部門(mén)的高度重視。在我國香港青馬大橋、廣東虎門(mén)大橋、江蘇蘇通大橋、上海東海大橋和京滬高鐵南京長(cháng)江大橋等一大批大型橋梁上，相繼建立了橋梁健康安全監測系統或進(jìn)行了定期的變形監測維護。橋梁工程變形監測的理論、方法和相關(guān)技術(shù)得到了較大發(fā)展和提高。
橋梁變形監測包括橋梁工程施工階段的變形監測和運營(yíng)維護階段的變形監測。橋梁變形觀(guān)測的內容包括橋墩(塔柱)沉降及水平位移觀(guān)測、梁體撓度變形觀(guān)測、墩臺及梁體裂縫觀(guān)測、水中橋墩周?chē)哟矝_刷演變觀(guān)測，以及橋面沉降、撓度及水平位移觀(guān)測等。沉降觀(guān)測方法有幾何水準測量、靜力水準測量、三角高程測量和GPS高程測量等。水平位移觀(guān)測方法有基準線(xiàn)法、測小角法、三角測量、前方交會(huì )、導線(xiàn)測量和GPS測量等。撓度觀(guān)測有全站儀觀(guān)測、水準測量、攝影測量、懸錘法、GPS測量及專(zhuān)用撓度儀器觀(guān)測法等。河床沖刷觀(guān)測有超聲波測深法及水下攝影測量等多傳感器組合觀(guān)測法。目前在實(shí)際工程中應用較多的變形測量方法是電子水準儀幾何水準測量、智能全站儀(測量機器人)三維坐標測量、GPS靜態(tài)及RTK動(dòng)態(tài)三維監測系統、近景攝影測量、三維激光掃描系統等。在變形分析和預報方面，小波變換理論、卡爾曼濾波理論及線(xiàn)性平滑理論等方法被廣泛應用。
未來(lái)橋梁變形監測研究和應用的發(fā)展方向是：動(dòng)態(tài)監測與靜態(tài)監測相結合、實(shí)時(shí)連續三維監測技術(shù)、監測數據的實(shí)時(shí)處理、智能化分析與可視化表現等技術(shù)、多傳感器監測集成技術(shù)、自動(dòng)化監測技術(shù)、幾何變形監測與應力應變等其他監測綜合分析和預報方法等?？梢灶A見(jiàn)，新型高精度智能全站儀、電子水準儀、GPS監測技術(shù)、三維激光掃描系統、近景攝影測量及各種監測技術(shù)的集成將成為橋梁工程變形監測的主要技術(shù)手段。
六、結束語(yǔ)
橋梁工程測量的發(fā)展是測繪科技與橋梁建設應用需求共同推動(dòng)和作用的結果。得益于現代測繪學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科技術(shù)的迅猛發(fā)展，現代橋梁工程測量正朝內外業(yè)作業(yè)一體化、數據獲取及處理自動(dòng)化、測量過(guò)程控制和系統行為智能化、測量成果數字化、測量信息管理可視化、信息共享和傳播網(wǎng)絡(luò )化、測量服務(wù)社會(huì )化方向邁進(jìn)。GPS測量、全站儀及電子水準儀技術(shù)是現階段橋梁工程測量中被廣泛使用的三大核心技術(shù)。筆者認為，GPS橋梁高程控制測量、低空平臺數字攝影測量、基于RTK的無(wú)驗潮水下地形測繪、激光掃描系統、三維測繪和多傳感器集成的變形監測技術(shù)將是未來(lái)橋梁工程測量的研究重點(diǎn)和應用發(fā)展方向。
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