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橋梁工程測量技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向總結(jié)
橋梁工程測量是指在工程規(guī)劃、勘測設(shè)計、建設(shè)施工及運營管理各階段所進(jìn)行的測量?，F(xiàn)代科技和橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，共同促進(jìn)和推動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(jì)50年代建設(shè)萬里長江第一橋——武漢長江大橋起，新中國的橋梁建設(shè)事業(yè)進(jìn)入新的歷史發(fā)展階段。改革開放以后，一大批新型、大跨徑、高技術(shù)含量的各類橋梁如雨后春筍般涌現(xiàn)在全國的大江大河上。近10多年來，長距離跨海橋梁(如杭州灣大橋、港珠澳大橋的跨海距離均超過30 km)、高速鐵路的建設(shè)蓬勃發(fā)展。現(xiàn)代橋梁呈現(xiàn)出規(guī)模大、跨距長、橋型新穎、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工精度要求高和施工工期長等特點，對橋梁工程測量提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。無疑，現(xiàn)代橋梁建設(shè)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(xiàn)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(jì)80年代開始，光電測距儀、電子經(jīng)緯儀、全站儀、電子水準(zhǔn)儀的出現(xiàn)和發(fā)展，開啟了橋梁工程測量的第一次技術(shù)變革；90年代以來得到廣泛應(yīng)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)生著更加深刻的變革。隨著智能全站儀、超站儀、電子水準(zhǔn)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(jī)、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(jiān)測等幾方面分析橋梁工程測量技術(shù)的現(xiàn)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(chǔ)和基準(zhǔn)。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)和運營維護(hù)控制網(wǎng)。為保證控制網(wǎng)的測量成果滿足鐵路勘測設(shè)計、施工、運營維護(hù)3個階段的要求，適應(yīng)鐵路工程建設(shè)和運營管理的需要，3個階段的平面、高程控制測量必須采用統(tǒng)一的尺度和起算基準(zhǔn)，即“三網(wǎng)合一”?？睖y控制網(wǎng)又稱為橋址控制網(wǎng)，一般在工程初測階段建立，定測階段根據(jù)需要進(jìn)行改造和復(fù)測。勘測控制網(wǎng)適用于橋梁設(shè)計階段的勘測，滿足初測、定測階段橋址定線、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(shè)，也可在工程開工前單獨施測，其主要用途是為橋梁工程施工測量建立精確、可靠和穩(wěn)定的測量基準(zhǔn)，同時應(yīng)兼顧橋梁維護(hù)運營階段的特殊需要。運營維護(hù)控制網(wǎng)可在施工控制網(wǎng)基礎(chǔ)上改造而成，以滿足橋梁健康監(jiān)測及運營維護(hù)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(jì)90年代以來，經(jīng)過試驗對比、實踐、總結(jié)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(tǒng)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，選點布網(wǎng)靈活，無須點間通視，無須建造覘標(biāo)，對控制網(wǎng)圖形要求低，可同時提供二維平面及三維空間定位基準(zhǔn)等突出優(yōu)勢，因而在現(xiàn)代橋梁平面控制測量中占據(jù)統(tǒng)治地位。但當(dāng)衛(wèi)星信號受遮擋或干擾而無法實施GPS觀測時，則需采用全站儀導(dǎo)線、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)、局部高精度施工專用網(wǎng)測量中比較常見。目前世界上全站儀的最高測角精度達(dá)到0.5″，測距精度達(dá)到0.5 mm+1×10-6D，全站儀的可靠性和穩(wěn)定性也已非常高，因此，在今后比較長時間內(nèi)，全站儀地面控制測量將在橋梁控制測量中繼續(xù)發(fā)揮作用。近年來出現(xiàn)的超站儀將GPS實時動態(tài)定位技術(shù)與全站儀靈活的三維極坐標(biāo)測量技術(shù)完美結(jié)合起來，可取代低等級控制測量，實現(xiàn)無控制網(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(dāng)長一段時間內(nèi)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(zhǔn)測量兩大部分。幾何水準(zhǔn)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費力、作業(yè)效率較低的缺點，但其高精度、高可靠性及高穩(wěn)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(qū)域內(nèi)，幾何水準(zhǔn)測量仍然是首選。隨著電子水準(zhǔn)儀的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，經(jīng)典的幾何水準(zhǔn)測量進(jìn)入了內(nèi)外業(yè)一體化、自動化和數(shù)字化的新時代，水準(zhǔn)測量作業(yè)效率得到大幅度提高，勞動強(qiáng)度大大降低。同時電子水準(zhǔn)儀的精度及其可靠性也逐步提高，目前世界上電子水準(zhǔn)儀的最高精度達(dá)到0.2mm/km，可滿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(zhǔn)儀的幾何水準(zhǔn)測量是當(dāng)今橋梁高程控制測量中陸地測量的主流技術(shù)。此外，隨著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(qū)可替代三、四等幾何水準(zhǔn)測量，并已在工程中得到實際應(yīng)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(dá)到二等水準(zhǔn)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(qū)更具應(yīng)用價值。
跨河水準(zhǔn)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所在。傳統(tǒng)的跨河水準(zhǔn)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(yīng)用歷史最長，理論和技術(shù)都十分成熟，但對跨河場地及觀測條件要求較高，如要求兩岸測站及立尺點間高程近似相等、觀測期間儀器和標(biāo)尺需頻繁調(diào)岸等。而測距三角高程法則具有場地布設(shè)比較靈活、儀尺無須頻繁調(diào)岸、作業(yè)效率較高等優(yōu)點，適用范圍較廣，應(yīng)用前景較好。隨著近20多年來電子水準(zhǔn)儀、電子全站儀在測量精度、自動跟蹤測量、自動記錄和自動存儲等方面技術(shù)的快速發(fā)展和提高，光學(xué)水準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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，從試驗和工程實踐的情況看，利用高精度的GPS三維坐標(biāo)測量成果，結(jié)合精化局部大地水準(zhǔn)面成果，橋梁工程局部區(qū)域內(nèi)GPS高程擬合可達(dá)厘米級精度，可代替三、四等水準(zhǔn)測量[11]。自2006年版《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》增加GPS跨河水準(zhǔn)測量方法以來，相關(guān)試驗研究和應(yīng)用實踐進(jìn)入一個新的階段。試驗結(jié)果表明，在地形平坦、河流兩岸大地水準(zhǔn)面具有相同的變化趨勢且變化相對平緩的橋址地區(qū)，GPS跨河水準(zhǔn)測量可達(dá)到二等精度。但GPS跨河水準(zhǔn)測量的精度及其可靠性受地形起伏大小及似大地水準(zhǔn)面變化平緩性等因素影響極大，而這些影響的大小及其規(guī)律尚無法事先預(yù)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(zhǔn)測量在工程中獨立應(yīng)用的實例尚不多見。相關(guān)試驗還表明，即使在十分平坦的場地條件下也不宜使用GPS水準(zhǔn)法來進(jìn)行一等跨河水準(zhǔn)測量?？偠灾?，GPS水準(zhǔn)測量在橋梁跨河水準(zhǔn)測量及長距離跨海高程傳遞中具有重要的發(fā)展空間和應(yīng)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，全天候連續(xù)不間斷運行的GNSS連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(簡稱CORS)被引入長距離跨海橋梁工程建設(shè)中。2011年11月，我國首個獨立的基于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(tǒng)的實時定位精度為：平面優(yōu)于2 cm，高程優(yōu)于3 cm。橋梁工程CORS提供兼具實時動態(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(zhǔn)，可滿足長距離跨海橋梁勘察設(shè)計和施工建設(shè)中海上測量定位的需要。
二、橋址地形測繪
橋梁工程規(guī)劃、勘測設(shè)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(qū)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，目前均采用數(shù)字測圖技術(shù)測繪，傳統(tǒng)的模擬測圖技術(shù)已被淘汰。
陸地區(qū)域的橋址地形測繪主要采用地面數(shù)字測圖技術(shù)，包括全站儀數(shù)字測圖技術(shù)和GPS RTK數(shù)字測圖技術(shù)。全站儀數(shù)字測圖分為兩種作業(yè)模式：一種是全站儀采集數(shù)據(jù)，利用電子手簿或全站儀自身內(nèi)存記錄數(shù)據(jù)并手工繪制地形草圖，內(nèi)業(yè)時通過計算機(jī)進(jìn)行地形編碼和編輯生成數(shù)字地圖；另一種是全站儀與便攜機(jī)或PDA連接，利用屏幕顯示點位，現(xiàn)場編輯生成數(shù)字地圖[3]。GPS RTK數(shù)字測圖基本上采用第一種作業(yè)模式。地面數(shù)字測圖的成果主要為數(shù)字線劃圖(DLG)和數(shù)字高程模型(DEM)。近年來，隨著全數(shù)字航空攝影測量技術(shù)的發(fā)展，適用于小區(qū)域大比例尺地形測繪的低空平臺(輕型飛機(jī)、低空無人小飛機(jī)、熱氣飛艇、熱氣球等)攝影測量已從試驗研究逐步轉(zhuǎn)入工程應(yīng)用。有關(guān)單位正在開展無人機(jī)測圖技術(shù)在橋隧工程勘測設(shè)計中的應(yīng)用研究，在不久的將來有望用于大比例尺橋址地形圖測繪中。此外，機(jī)載激光掃描測繪系統(tǒng)(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兩大技術(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(tǒng)的發(fā)展過程，測深定位方法則由斷面法、前方交會法、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(shù)據(jù)處理軟件”的組合測量系統(tǒng)?；?網(wǎng)絡(luò))RTK的無驗潮多波束水下地形測繪技術(shù)是未來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(yīng)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(tǒng)的驗潮模式而言，基于RTK的無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)測定水下地形點的高程，能顯著提高測量精度和作業(yè)效率、降低成本，還有利于實現(xiàn)水下地形測繪內(nèi)外業(yè)一體化。但目前這種技術(shù)尚缺乏規(guī)范依據(jù)，仍需進(jìn)一步研究、完善并制定相關(guān)技術(shù)規(guī)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，必要時在定測階段進(jìn)行適當(dāng)補測，其目的是為橋位選擇、河床沖刷計算、墩跨布置、通航設(shè)計等提供橋址區(qū)域的基礎(chǔ)水文資料，主要測量項目有橋址水位觀測、橋址流向流速觀測、橋址航跡線觀測、橋址地形測繪等。對水文條件復(fù)雜的橋梁，還需對橋位所處河段(一般為數(shù)十千米)進(jìn)行水文測驗專題觀測，或稱河道原型觀測，觀測內(nèi)容包括水位觀測、水文斷面測量、流速流向及流量觀測、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題研究、水文計算和橋梁設(shè)計提供基礎(chǔ)測繪資料。
水位觀測可設(shè)立水尺進(jìn)行人工觀測，適用于觀測時間較短、觀測頻率不高的情形。當(dāng)觀測周期較長、觀測頻率較高時，一般自記水位計甚至建造水文站進(jìn)行長期觀測，這也是目前常用的水位觀測方法。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(shù)據(jù)，水域部分采用RTK定位+超聲波測深儀組合測量系統(tǒng)。橋址流速流向(表面流速流向)及航跡線測量一般采用RTK跟蹤浮標(biāo)或船舶觀測法，早期的前方交會定位法已被淘汰。橋渡水文測驗專題中的水文斷面流速、流向及流量一般采用專業(yè)的流速流向儀按定點法測定，通過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)水樣采用專業(yè)設(shè)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(nèi)容之一，是橋梁施工不可或缺的重要基礎(chǔ)性工作，它貫穿于橋梁施工建設(shè)的全過程。施工測量的任務(wù)就是要按照工程設(shè)計圖紙的要求，將橋梁建筑物(包括橋梁基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu))的位置、形狀、大小等測放到實地，并對工程施工質(zhì)量進(jìn)行測量檢查，配合及引導(dǎo)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(xiàn)代橋梁向大跨、高墩高塔、大型構(gòu)件工廠化預(yù)制、施工工藝復(fù)雜、施工精度要求高的方向發(fā)展，超大規(guī)?？绾蛄旱慕ㄔO(shè)使得施工建設(shè)環(huán)境趨于惡劣，這些無疑都對橋梁施工測量提出了越來越高的要求。
橋梁施工測量方法大體上可以劃分為3類。第1類是常規(guī)大地測量技術(shù)?，F(xiàn)階段主要使用全站儀和電子水準(zhǔn)儀，包括自動跟蹤測量技術(shù)、免棱鏡精密測距技術(shù)。隨著全站儀精度及自動化程度的不斷提高，經(jīng)典的光學(xué)經(jīng)緯儀和光學(xué)水準(zhǔn)儀測量方法已被淘汰，過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(biāo)測量方法所替代。但鋼尺量距仍然在一些特定場合被使用。此外，20世紀(jì)90年代中期開始出現(xiàn)的三維激光掃描儀在墩(塔)垂直度觀測及竣工檢測中偶有應(yīng)用。第2類是衛(wèi)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(yīng)用，實踐對比結(jié)果顯示：高程擬合精度可達(dá)1 cm左右。第3類是其他專用測量技術(shù)，如在橋墩垂直度測量中使用電子傾斜儀等專用設(shè)備。綜上所述，全站儀、電子水準(zhǔn)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(yīng)用?？梢灶A(yù)見，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(shè)技術(shù)將是未來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(yīng)用前景。
五、橋梁變形監(jiān)測
橋梁變形監(jiān)測是橋梁工程測量的核心內(nèi)容之一。隨著我國橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，越來越多的柔性橋梁、大跨徑橋梁、長距離跨海橋梁等新型結(jié)構(gòu)大型橋梁工程的建設(shè)和運營，給橋梁工程的安全監(jiān)測提出了新的要求。20世紀(jì)90年代以來，我國橋梁健康安全監(jiān)測理論和方法的研究逐步成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點之一，橋梁安全監(jiān)測得到了橋梁管理等部門的高度重視。在我國香港青馬大橋、廣東虎門大橋、江蘇蘇通大橋、上海東海大橋和京滬高鐵南京長江大橋等一大批大型橋梁上，相繼建立了橋梁健康安全監(jiān)測系統(tǒng)或進(jìn)行了定期的變形監(jiān)測維護(hù)。橋梁工程變形監(jiān)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(jiān)測包括橋梁工程施工階段的變形監(jiān)測和運營維護(hù)階段的變形監(jiān)測。橋梁變形觀測的內(nèi)容包括橋墩(塔柱)沉降及水平位移觀測、梁體撓度變形觀測、墩臺及梁體裂縫觀測、水中橋墩周圍河床沖刷演變觀測，以及橋面沉降、撓度及水平位移觀測等。沉降觀測方法有幾何水準(zhǔn)測量、靜力水準(zhǔn)測量、三角高程測量和GPS高程測量等。水平位移觀測方法有基準(zhǔn)線法、測小角法、三角測量、前方交會、導(dǎo)線測量和GPS測量等。撓度觀測有全站儀觀測、水準(zhǔn)測量、攝影測量、懸錘法、GPS測量及專用撓度儀器觀測法等。河床沖刷觀測有超聲波測深法及水下攝影測量等多傳感器組合觀測法。目前在實際工程中應(yīng)用較多的變形測量方法是電子水準(zhǔn)儀幾何水準(zhǔn)測量、智能全站儀(測量機(jī)器人)三維坐標(biāo)測量、GPS靜態(tài)及RTK動態(tài)三維監(jiān)測系統(tǒng)、近景攝影測量、三維激光掃描系統(tǒng)等。在變形分析和預(yù)報方面，小波變換理論、卡爾曼濾波理論及線性平滑理論等方法被廣泛應(yīng)用。
未來橋梁變形監(jiān)測研究和應(yīng)用的發(fā)展方向是：動態(tài)監(jiān)測與靜態(tài)監(jiān)測相結(jié)合、實時連續(xù)三維監(jiān)測技術(shù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時處理、智能化分析與可視化表現(xiàn)等技術(shù)、多傳感器監(jiān)測集成技術(shù)、自動化監(jiān)測技術(shù)、幾何變形監(jiān)測與應(yīng)力應(yīng)變等其他監(jiān)測綜合分析和預(yù)報方法等。可以預(yù)見，新型高精度智能全站儀、電子水準(zhǔn)儀、GPS監(jiān)測技術(shù)、三維激光掃描系統(tǒng)、近景攝影測量及各種監(jiān)測技術(shù)的集成將成為橋梁工程變形監(jiān)測的主要技術(shù)手段。
六、結(jié)束語
橋梁工程測量的發(fā)展是測繪科技與橋梁建設(shè)應(yīng)用需求共同推動和作用的結(jié)果。得益于現(xiàn)代測繪學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代橋梁工程測量正朝內(nèi)外業(yè)作業(yè)一體化、數(shù)據(jù)獲取及處理自動化、測量過程控制和系統(tǒng)行為智能化、測量成果數(shù)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)社會化方向邁進(jìn)。GPS測量、全站儀及電子水準(zhǔn)儀技術(shù)是現(xiàn)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(rèn)為，GPS橋梁高程控制測量、低空平臺數(shù)字?jǐn)z影測量、基于RTK的無驗潮水下地形測繪、激光掃描系統(tǒng)、三維測繪和多傳感器集成的變形監(jiān)測技術(shù)將是未來橋梁工程測量的研究重點和應(yīng)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(chǔ)和基準(zhǔn)。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)和運營維護(hù)控制網(wǎng)。為保證控制網(wǎng)的測量成果滿足鐵路勘測設(shè)計、施工、運營維護(hù)3個階段的要求，適應(yīng)鐵路工程建設(shè)和運營管理的需要，3個階段的平面、高程控制測量必須采用統(tǒng)一的尺度和起算基準(zhǔn)，即“三網(wǎng)合一”?？睖y控制網(wǎng)又稱為橋址控制網(wǎng)，一般在工程初測階段建立，定測階段根據(jù)需要進(jìn)行改造和復(fù)測。勘測控制網(wǎng)適用于橋梁設(shè)計階段的勘測，滿足初測、定測階段橋址定線、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(shè)，也可在工程開工前單獨施測，其主要用途是為橋梁工程施工測量建立精確、可靠和穩(wěn)定的測量基準(zhǔn)，同時應(yīng)兼顧橋梁維護(hù)運營階段的特殊需要。運營維護(hù)控制網(wǎng)可在施工控制網(wǎng)基礎(chǔ)上改造而成，以滿足橋梁健康監(jiān)測及運營維護(hù)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(jì)90年代以來，經(jīng)過試驗對比、實踐、總結(jié)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(tǒng)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，選點布網(wǎng)靈活，無須點間通視，無須建造覘標(biāo)，對控制網(wǎng)圖形要求低，可同時提供二維平面及三維空間定位基準(zhǔn)等突出優(yōu)勢，因而在現(xiàn)代橋梁平面控制測量中占據(jù)統(tǒng)治地位。但當(dāng)衛(wèi)星信號受遮擋或干擾而無法實施GPS觀測時，則需采用全站儀導(dǎo)線、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)、局部高精度施工專用網(wǎng)測量中比較常見。目前世界上全站儀的最高測角精度達(dá)到0.5″，測距精度達(dá)到0.5 mm+1×10-6D，全站儀的可靠性和穩(wěn)定性也已非常高，因此，在今后比較長時間內(nèi)，全站儀地面控制測量將在橋梁控制測量中繼續(xù)發(fā)揮作用。近年來出現(xiàn)的超站儀將GPS實時動態(tài)定位技術(shù)與全站儀靈活的三維極坐標(biāo)測量技術(shù)完美結(jié)合起來，可取代低等級控制測量，實現(xiàn)無控制網(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(dāng)長一段時間內(nèi)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(zhǔn)測量兩大部分。幾何水準(zhǔn)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費力、作業(yè)效率較低的缺點，但其高精度、高可靠性及高穩(wěn)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(qū)域內(nèi)，幾何水準(zhǔn)測量仍然是首選。隨著電子水準(zhǔn)儀的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，經(jīng)典的幾何水準(zhǔn)測量進(jìn)入了內(nèi)外業(yè)一體化、自動化和數(shù)字化的新時代，水準(zhǔn)測量作業(yè)效率得到大幅度提高，勞動強(qiáng)度大大降低。同時電子水準(zhǔn)儀的精度及其可靠性也逐步提高，目前世界上電子水準(zhǔn)儀的最高精度達(dá)到0.2mm/km，可滿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(zhǔn)儀的幾何水準(zhǔn)測量是當(dāng)今橋梁高程控制測量中陸地測量的主流技術(shù)。此外，隨著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(qū)可替代三、四等幾何水準(zhǔn)測量，并已在工程中得到實際應(yīng)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(dá)到二等水準(zhǔn)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(qū)更具應(yīng)用價值。
跨河水準(zhǔn)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所在。傳統(tǒng)的跨河水準(zhǔn)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(yīng)用歷史最長，理論和技術(shù)都十分成熟，但對跨河場地及觀測條件要求較高，如要求兩岸測站及立尺點間高程近似相等、觀測期間儀器和標(biāo)尺需頻繁調(diào)岸等。而測距三角高程法則具有場地布設(shè)比較靈活、儀尺無須頻繁調(diào)岸、作業(yè)效率較高等優(yōu)點，適用范圍較廣，應(yīng)用前景較好。隨著近20多年來電子水準(zhǔn)儀、電子全站儀在測量精度、自動跟蹤測量、自動記錄和自動存儲等方面技術(shù)的快速發(fā)展和提高，光學(xué)水準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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，從試驗和工程實踐的情況看，利用高精度的GPS三維坐標(biāo)測量成果，結(jié)合精化局部大地水準(zhǔn)面成果，橋梁工程局部區(qū)域內(nèi)GPS高程擬合可達(dá)厘米級精度，可代替三、四等水準(zhǔn)測量[11]。自2006年版《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》增加GPS跨河水準(zhǔn)測量方法以來，相關(guān)試驗研究和應(yīng)用實踐進(jìn)入一個新的階段。試驗結(jié)果表明，在地形平坦、河流兩岸大地水準(zhǔn)面具有相同的變化趨勢且變化相對平緩的橋址地區(qū)，GPS跨河水準(zhǔn)測量可達(dá)到二等精度。但GPS跨河水準(zhǔn)測量的精度及其可靠性受地形起伏大小及似大地水準(zhǔn)面變化平緩性等因素影響極大，而這些影響的大小及其規(guī)律尚無法事先預(yù)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(zhǔn)測量在工程中獨立應(yīng)用的實例尚不多見。相關(guān)試驗還表明，即使在十分平坦的場地條件下也不宜使用GPS水準(zhǔn)法來進(jìn)行一等跨河水準(zhǔn)測量?？偠灾?，GPS水準(zhǔn)測量在橋梁跨河水準(zhǔn)測量及長距離跨海高程傳遞中具有重要的發(fā)展空間和應(yīng)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，全天候連續(xù)不間斷運行的GNSS連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(簡稱CORS)被引入長距離跨海橋梁工程建設(shè)中。2011年11月，我國首個獨立的基于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(tǒng)的實時定位精度為：平面優(yōu)于2 cm，高程優(yōu)于3 cm。橋梁工程CORS提供兼具實時動態(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(zhǔn)，可滿足長距離跨海橋梁勘察設(shè)計和施工建設(shè)中海上測量定位的需要。
二、橋址地形測繪
橋梁工程規(guī)劃、勘測設(shè)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(qū)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，目前均采用數(shù)字測圖技術(shù)測繪，傳統(tǒng)的模擬測圖技術(shù)已被淘汰。
陸地區(qū)域的橋址地形測繪主要采用地面數(shù)字測圖技術(shù)，包括全站儀數(shù)字測圖技術(shù)和GPS RTK數(shù)字測圖技術(shù)。全站儀數(shù)字測圖分為兩種作業(yè)模式：一種是全站儀采集數(shù)據(jù)，利用電子手簿或全站儀自身內(nèi)存記錄數(shù)據(jù)并手工繪制地形草圖，內(nèi)業(yè)時通過計算機(jī)進(jìn)行地形編碼和編輯生成數(shù)字地圖；另一種是全站儀與便攜機(jī)或PDA連接，利用屏幕顯示點位，現(xiàn)場編輯生成數(shù)字地圖[3]。GPS RTK數(shù)字測圖基本上采用第一種作業(yè)模式。地面數(shù)字測圖的成果主要為數(shù)字線劃圖(DLG)和數(shù)字高程模型(DEM)。近年來，隨著全數(shù)字航空攝影測量技術(shù)的發(fā)展，適用于小區(qū)域大比例尺地形測繪的低空平臺(輕型飛機(jī)、低空無人小飛機(jī)、熱氣飛艇、熱氣球等)攝影測量已從試驗研究逐步轉(zhuǎn)入工程應(yīng)用。有關(guān)單位正在開展無人機(jī)測圖技術(shù)在橋隧工程勘測設(shè)計中的應(yīng)用研究，在不久的將來有望用于大比例尺橋址地形圖測繪中。此外，機(jī)載激光掃描測繪系統(tǒng)(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兩大技術(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(tǒng)的發(fā)展過程，測深定位方法則由斷面法、前方交會法、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(shù)據(jù)處理軟件”的組合測量系統(tǒng)?；?網(wǎng)絡(luò))RTK的無驗潮多波束水下地形測繪技術(shù)是未來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(yīng)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(tǒng)的驗潮模式而言，基于RTK的無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)測定水下地形點的高程，能顯著提高測量精度和作業(yè)效率、降低成本，還有利于實現(xiàn)水下地形測繪內(nèi)外業(yè)一體化。但目前這種技術(shù)尚缺乏規(guī)范依據(jù)，仍需進(jìn)一步研究、完善并制定相關(guān)技術(shù)規(guī)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，必要時在定測階段進(jìn)行適當(dāng)補測，其目的是為橋位選擇、河床沖刷計算、墩跨布置、通航設(shè)計等提供橋址區(qū)域的基礎(chǔ)水文資料，主要測量項目有橋址水位觀測、橋址流向流速觀測、橋址航跡線觀測、橋址地形測繪等。對水文條件復(fù)雜的橋梁，還需對橋位所處河段(一般為數(shù)十千米)進(jìn)行水文測驗專題觀測，或稱河道原型觀測，觀測內(nèi)容包括水位觀測、水文斷面測量、流速流向及流量觀測、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題研究、水文計算和橋梁設(shè)計提供基礎(chǔ)測繪資料。
水位觀測可設(shè)立水尺進(jìn)行人工觀測，適用于觀測時間較短、觀測頻率不高的情形。當(dāng)觀測周期較長、觀測頻率較高時，一般自記水位計甚至建造水文站進(jìn)行長期觀測，這也是目前常用的水位觀測方法。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(shù)據(jù)，水域部分采用RTK定位+超聲波測深儀組合測量系統(tǒng)。橋址流速流向(表面流速流向)及航跡線測量一般采用RTK跟蹤浮標(biāo)或船舶觀測法，早期的前方交會定位法已被淘汰。橋渡水文測驗專題中的水文斷面流速、流向及流量一般采用專業(yè)的流速流向儀按定點法測定，通過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)水樣采用專業(yè)設(shè)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(nèi)容之一，是橋梁施工不可或缺的重要基礎(chǔ)性工作，它貫穿于橋梁施工建設(shè)的全過程。施工測量的任務(wù)就是要按照工程設(shè)計圖紙的要求，將橋梁建筑物(包括橋梁基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu))的位置、形狀、大小等測放到實地，并對工程施工質(zhì)量進(jìn)行測量檢查，配合及引導(dǎo)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(xiàn)代橋梁向大跨、高墩高塔、大型構(gòu)件工廠化預(yù)制、施工工藝復(fù)雜、施工精度要求高的方向發(fā)展，超大規(guī)?？绾蛄旱慕ㄔO(shè)使得施工建設(shè)環(huán)境趨于惡劣，這些無疑都對橋梁施工測量提出了越來越高的要求。
橋梁施工測量方法大體上可以劃分為3類。第1類是常規(guī)大地測量技術(shù)?，F(xiàn)階段主要使用全站儀和電子水準(zhǔn)儀，包括自動跟蹤測量技術(shù)、免棱鏡精密測距技術(shù)。隨著全站儀精度及自動化程度的不斷提高，經(jīng)典的光學(xué)經(jīng)緯儀和光學(xué)水準(zhǔn)儀測量方法已被淘汰，過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(biāo)測量方法所替代。但鋼尺量距仍然在一些特定場合被使用。此外，20世紀(jì)90年代中期開始出現(xiàn)的三維激光掃描儀在墩(塔)垂直度觀測及竣工檢測中偶有應(yīng)用。第2類是衛(wèi)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(yīng)用，實踐對比結(jié)果顯示：高程擬合精度可達(dá)1 cm左右。第3類是其他專用測量技術(shù)，如在橋墩垂直度測量中使用電子傾斜儀等專用設(shè)備。綜上所述，全站儀、電子水準(zhǔn)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(yīng)用?？梢灶A(yù)見，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(shè)技術(shù)將是未來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(yīng)用前景。
五、橋梁變形監(jiān)測
橋梁變形監(jiān)測是橋梁工程測量的核心內(nèi)容之一。隨著我國橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，越來越多的柔性橋梁、大跨徑橋梁、長距離跨海橋梁等新型結(jié)構(gòu)大型橋梁工程的建設(shè)和運營，給橋梁工程的安全監(jiān)測提出了新的要求。20世紀(jì)90年代以來，我國橋梁健康安全監(jiān)測理論和方法的研究逐步成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點之一，橋梁安全監(jiān)測得到了橋梁管理等部門的高度重視。在我國香港青馬大橋、廣東虎門大橋、江蘇蘇通大橋、上海東海大橋和京滬高鐵南京長江大橋等一大批大型橋梁上，相繼建立了橋梁健康安全監(jiān)測系統(tǒng)或進(jìn)行了定期的變形監(jiān)測維護(hù)。橋梁工程變形監(jiān)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(jiān)測包括橋梁工程施工階段的變形監(jiān)測和運營維護(hù)階段的變形監(jiān)測。橋梁變形觀測的內(nèi)容包括橋墩(塔柱)沉降及水平位移觀測、梁體撓度變形觀測、墩臺及梁體裂縫觀測、水中橋墩周圍河床沖刷演變觀測，以及橋面沉降、撓度及水平位移觀測等。沉降觀測方法有幾何水準(zhǔn)測量、靜力水準(zhǔn)測量、三角高程測量和GPS高程測量等。水平位移觀測方法有基準(zhǔn)線法、測小角法、三角測量、前方交會、導(dǎo)線測量和GPS測量等。撓度觀測有全站儀觀測、水準(zhǔn)測量、攝影測量、懸錘法、GPS測量及專用撓度儀器觀測法等。河床沖刷觀測有超聲波測深法及水下攝影測量等多傳感器組合觀測法。目前在實際工程中應(yīng)用較多的變形測量方法是電子水準(zhǔn)儀幾何水準(zhǔn)測量、智能全站儀(測量機(jī)器人)三維坐標(biāo)測量、GPS靜態(tài)及RTK動態(tài)三維監(jiān)測系統(tǒng)、近景攝影測量、三維激光掃描系統(tǒng)等。在變形分析和預(yù)報方面，小波變換理論、卡爾曼濾波理論及線性平滑理論等方法被廣泛應(yīng)用。
未來橋梁變形監(jiān)測研究和應(yīng)用的發(fā)展方向是：動態(tài)監(jiān)測與靜態(tài)監(jiān)測相結(jié)合、實時連續(xù)三維監(jiān)測技術(shù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時處理、智能化分析與可視化表現(xiàn)等技術(shù)、多傳感器監(jiān)測集成技術(shù)、自動化監(jiān)測技術(shù)、幾何變形監(jiān)測與應(yīng)力應(yīng)變等其他監(jiān)測綜合分析和預(yù)報方法等。可以預(yù)見，新型高精度智能全站儀、電子水準(zhǔn)儀、GPS監(jiān)測技術(shù)、三維激光掃描系統(tǒng)、近景攝影測量及各種監(jiān)測技術(shù)的集成將成為橋梁工程變形監(jiān)測的主要技術(shù)手段。
六、結(jié)束語
橋梁工程測量的發(fā)展是測繪科技與橋梁建設(shè)應(yīng)用需求共同推動和作用的結(jié)果。得益于現(xiàn)代測繪學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代橋梁工程測量正朝內(nèi)外業(yè)作業(yè)一體化、數(shù)據(jù)獲取及處理自動化、測量過程控制和系統(tǒng)行為智能化、測量成果數(shù)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)社會化方向邁進(jìn)。GPS測量、全站儀及電子水準(zhǔn)儀技術(shù)是現(xiàn)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(rèn)為，GPS橋梁高程控制測量、低空平臺數(shù)字?jǐn)z影測量、基于RTK的無驗潮水下地形測繪、激光掃描系統(tǒng)、三維測繪和多傳感器集成的變形監(jiān)測技術(shù)將是未來橋梁工程測量的研究重點和應(yīng)用發(fā)展方向。
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