GPS与CAD技术在特大型桥梁测量中的运用研究

王飒 徐珂 邓乐

河南省第二公路工程有限公司 河南财经政法大学

摘 要：特大型桥梁工程跨径较大、结构复杂，传统测量方法已经无法满足工程实际需求，因此，可运用GPS与CAD及人工智能控制测量手段，确保桥梁的耐久性和安全性。阳新黄河特大桥工程利用GPS与CAD技术的测绘优势，从主要控制网点布设、选点、观测站到不同监测站之间的位置测量，顺利实现已建成高速公路与跨黄河特大桥各墩柱之间的平、纵面线形连接和转换。依据GPS测量数据，通过计算得到该桥梁梁底控制标高不得低于72.25 m,水位控制的梁底标高不得低于66.93 m,航孔跨以通航净空控制的梁底标高不得低于71.93 m的大桥工程设计。同时，在这一工程中还大量采用GPS技术与CAD软件智能生成图纸技术，带来良好的设计控制效果。

关键词：GPS-CAD技术;特大型桥梁;地质测量;地形图测绘;数据控制;

0引 言

随着社会的进步和经济的快速发展，人们对交通出行品质提出了更高的要求。打造多式联运枢纽型交通强省，成为各省积极探索交通治堵的新举措。河南省与山东省经过多年的公路建设，两省东西向交通路网框架已基本搭建完成，但是南北向交通主干道还非常缺乏，特别是两省之间一条黄河阻断公路交通，群众出行不便，成为了区域经济合作的阻碍因素之一。

1工程概况

项目起于濮阳至湖北阳新高速公路濮阳段一期工程终点，桥头顺接一期工程，向南跨越黄河，路线终点(K42+042.788)位于山东省菏泽市牡丹区李村镇东高寨东南，对接濮阳至湖北阳新高速公路山东段。路线全长8.127 km, 其中河南省境内4.864 km, 山东省境内3.263 km。沿线主要控制点：路线起点，黄河北岸大堤，主河槽，黄河南岸大堤，沿线乡镇、濮阳县和菏泽市规划区。该工程为独立黄河特大桥，河南段长4.864 km, 山东段长3.263 km。其中路桥段8.127 km, 设计速度80 km/h, 采用双向六车道一级公路标准设计；黄河特大桥工程为项目二期，始于一期工程终点，向南跨越北大堤，跨越省界，于菏泽市东高寨东跨越黄河南大堤，止于黄河大桥南桥头，到达项目终点。

2GPS在特大型桥梁工程控制测量中的优势

2.1 GPS任务依据

特大型桥梁工程具有桥体巨大、结构复杂的特点，相比于一般桥梁工程设计和施工难度更大。因此，加强对特大型桥梁控制测量，收集信息工作尤为重要。GPS三维定位、快速、全天候测量的优点，为跨河高程测量实现精密控制提供技术支撑[2],GPS适用于特大型桥梁控制测量和高速公路地形图的测绘[3]。GPS与CAD相结合，生成精准度极高的DWG格式电子地形图，广泛应用于大地测量、工程测量等方面。

2.2 GPS与CAD技术控制测量优势

随着设计施工一体化在交通行业应用程度逐步提高，BIM设计将成为主流，AI技术、无人机应用及高精度遥感测量逐步融合到勘探和测量行业，再通过BIM+AI技术来解决测量疑难问题和测绘痛点。测绘GPS与CAD大数据技术的运用，需要在BIM新设计工具中融入最新的机器学习技术，实现AI辅助建立桥梁模型。

公路桥梁工程实践证明，GPS与CAD在特大型桥梁工程控制测量中优势明显，主要体现在以下几个方面：一是可以联系桥梁两端点位，从而减少地面控制点；二是选点方便，人员工作量大大减少，同时避免爬高作业，大大提升了安全性；三是控制结构简单、观测量小；四是可以连续作业，测量和绘图速度比较快，综合效益高。GPS在特大型桥梁工程控制测量中具有广阔发展前景，所以，要加强GPS与CAD及AI技术的研究，为公路桥工程控制测量提供可靠的保障。

2.3 控制网布设

采用GPS技术对桥梁和桥面测量时，需要在GPS高级网中加密控制点，布网尽量采用正三角网，既能保证布网的精度高，又能保证密度分布较均匀。鉴于黄河底部地形复杂，也可以使用一些短边三角形，来保证网的密度和精度。GPS技术要与CAD及AI技术相结合，才能发挥出更大作用。由于特大型桥梁工程跨度比较大，所以在设计控制网时要以《公路全球定位系统(GPS)测量规范》中的B级网精度指标作为参考标准，进行外业数据采集时，要根据控制网布设的要求进行GPS选择，路桥工程测量一般采用高精度双颊的GPS接收机，三角网布设，这样能有效发现测量结果的误差，使得网中基线向量精度分布均匀。同时，控制网布设选择应根据项目地地质控制情况进行三角网布设、环形网布设和星型网布设选择。

2.4 选点及观测

3GPS-CAD技术在特大型桥梁测绘中的应用

3.1 基于GPS-CAD技术的测量控制

GPS基线向量一定程度上代表了不同监测站之间的位置关系，是测站和测站之间的坐标增量[6]。在使用GPS技术时要配合其他技术，一个模型无法满足跨阶段的、多专业的、多样化的需求，以免造成单一GPS信息表达的困难与复杂化。所以，运用新技术对特大型桥梁工程开展工程勘察和地质勘察时，测量要使用AI+BIM三维正向设计，结合GPS-CAD技术测量，实现AI辅助的桥梁测站点选址。完成控制点选择及标识埋石工作后，为了提升标识埋石稳定性，需要对标识埋石进行观察，经过一段时间确认河水中的标识埋石变得稳固后再进行观测。为了发挥出GPS的最大作用，确保测量的全面性、准确性，要在GPS点之间使用基线构成的非同步的闭合环，保证测量工作的顺利开展，减少不利因素影响。

3.2 桥梁梁底标高控制计算

在桥梁梁底标高控制设计中，根据路线布设综合考虑沿线地形、水文、环保等多方面因素，科学推算出桥梁梁底控制标高：按通航要求

HL(梁底标高)≮

Ht(十年一遇洪水设计水位)+

h(通航净高);按防洪要求

HL(梁底标高)≮

Hp(校核洪水设计水位)+

hb(浪高、壅水高和安全高度)+

Δh0(桥下净空);跨越堤防处

HL(梁底标高)≮

Hd(设计水平年堤顶标高)+

hj(交通净空4.5 m)。因此黄河特大桥梁底控制标高计算出来后的数据如下，通航孔跨以通航净空控制，梁底标高不得低于71.93 m; 而滩地范围以设计水位控制，梁底标高不得低于66.93 m; 黄河左岸、右岸大堤控制标高，梁底标高不低于72.25 m。桥梁工程中新技术GPS的应用具有较高综合效益，除了保证控制测量质量外，还体现在施工效率、质量、安全等方面，具有较高应用价值。

3.3 GPS点位的观测值

黄河特大型桥梁跨越省界，构建起省际南北交通大通道，对缓解地区交通紧张状态，同时构建地区高速交通骨架，促进沿线资源开发和旅游事业的发展具有重要作用。阳新高速濮阳段北接濮范高速，向南跨越黄河，止于山东省菏泽市牡丹区李村镇东高寨东南，路线全长约42.748 5 km。其中河南省内路线长39.485 5 km(包含阳新一期高速公路、阳新二期黄河特大桥),山东省境内路线全长3.263 km。其中放线测量、横断面测量、桥梁、占地、防排调查和路线地质调查等工作繁重，迫切需要GPS结合CAD技术来解决定位路径难题[7]。特大型桥梁附近跨越黄河的相关道路主要有G106东明黄河公路大桥，国道G240范县黄河公路大桥和S304白堽黄河公路大桥，G106东明黄河公路大桥位于本桥位上游15 km处，S304白堽黄河公路大桥位于本桥位下游17 km处，外业踏勘按照《公路勘测规范》、《公路工程地质勘察规范》和《公路工程水文勘测设计规范》等要求，并严格执行ISO9001:2000 质量标准体系进行平面控制点的布设、埋点和四等GPS控制点测量工作，对这些点位进行四等水准测量，完成了中线放线测量、横断面测量、桥梁、占地、防排调查和路线地质调查等工作，精确确定了路线起终点、中间控制点等。

(1)平面指标

路线全长8.127 km, 共设两个弯道，平曲线占路线全长43.52%,最大偏角

αz=61°27′34″,最小偏角

αy=52°26′08″,最小平曲线半径

R=2 300 m, 最大平曲线半径

R=4 000 m, 直线段长4 590.349 m。

(2)纵断面指标

纵断面共设置7个变坡点，平均0.861个/km, 最大纵坡2.5%/1处(1 057.066 m),最大坡长2 494.067 m/0.45%,最小坡长690 m/1处，最小凸曲线20 000 m, 最小凹曲线12 000 m, 曲线段占整个路线长度的42.432%。

其中，平面坐标系统采用1980西安坐标系，中央子午线为115°17′,3度带；高程系统采用1985年国家高程基准。水位控制的梁底标高不得低于66.93 m, 梁底标高不得低于72.25 m。GPS基线的向量数据为准确衔接城市主干道黄河路以及省道304等干线公路提供了技术保证，达到合理的选择线位，合理控制用地数量，减少征地范围的目的。测绘主要工作内容为路线、路面、桥梁、交通工程及其他工程的初步勘察设计。黄河特大桥项目的路线布设采用高速公路技术标准设计，设计速度120 km/h, 采用双向六车道标准设计，路基宽34.5 m, 与工可报告批复完全一致。

4结 语

综上所述，GPS结合CAD技术在特大型桥梁工程控制测量中的应用，具有非常重要的现实意义。控制测量主要作用是收集工程相关信息，GPS技术可充分发挥其在复杂地形测量中的作用，为黄河特大桥桥位、路线、路面、桥梁的勘察设计提供参考依据，保证了特大型桥梁梁底控制的准确性，沿线高速公路整网衔接的可靠性，桥梁施工的科学合理性，提升了桥梁工程的勘察设计质量。

参考文献

[1] 虢曙安.特大跨径钢桁梁悬索桥静载试验[J].长安大学学报(自然科学版),2020,40(06):67-76.

[2] 熊伟，吴迪军，李剑坤.GPS在桥梁跨河水准测量中的应用研究[J].测绘科学，2012,(02):100-102.

[3] 刘瑞，王政梅.GPS-RTK技术在公路地形图测绘中的应用分析[J].公路工程，2019,44(03):270-274.

[4] 胡浩明.GPS在大型桥梁工程控制测量中的应用[J].城市建筑，2017,(5):125,131.

[5] 王晓东.GPS在大型桥梁工程控制测量中的应用[J].低碳世界，2017,(18):205-206.

[6] 彭伟林.GPS在大型桥梁工程控制测量中的应用研究[J].科技与企业，2017,(12):199.

[7] 邝仲平.基于GPS/北斗的高速公路通行卡的研究与应用[J].公路.2015,60(11):132-135.