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香港赤腊角机场建设完美结合多种测量手段

无论面临什么环境，Ian J Ayson一直用先进的数字测量设备装备自己的队伍，以实现自己的目标，促进世界上施工速度最快的工地香港赤腊角新机场的完工。这位香港机场管理局50多岁的总测量师，带着他的70人的队伍，完成了控制、测量、计算、绘图以及大量地形地貌的数据采集工作。与传统的测量方法不同，机场管理局的测量师们采用了 GPS测量, 摄影测量, 地理信息系统, 水下地形测量和地面探测技术，为工地上14000多名技术人员提供快速、高精度、专业化服务。在前期规划阶段, Ian Ayson 已经负责一项最具挑战性的测量项目。他的指挥所，也就是他在赤腊角的办公室正好位于这个日新月异的工地之中。如果需要，他可以马上会集现场监理和地质工程师召开一个现场会，给他的同事一些工程管理与规划方面的简短提示。这些现场监理和地质工程师为了管理各个不同的施工公司联合体和转包商及其他们的测量队，在岛上也建立了自己的办公室。机场建设管理局总部办公室位于香港374米高的中心广场内，计算机网络和共享数据库使现场工作人员和他们的同事以及总部间保持畅通的联系。每天超过一万名以上的工人和技术人员乘船到达小岛与岛上四千名工人会合，机场完工以后，这四千人将成为机场永久居民。 13公里长的防浪堤内938公顷的新场地当 Ian Ayson 和他的先遣部队于1992年到达赤腊角时，这个花岗岩的小岛总面积才302 公顷 (746 英亩),岛上到处可以听到南海的涛声。现在，当这位总测量师进入他工地上的汽车时，他只能看到西面漫天的尘土。仅仅31个月,就从海里夺取了 938公顷 (2318 英亩)的新场地，整个海岸线也向外延伸了5公里。一条13公里长的防浪堤环绕在机场小岛的周围，现在的机场小岛是原来小岛面积的四倍。重达1吨、3吨和5吨的巨大花岗岩岩石保护着防浪堤，岛外的岩石被炸成防浪堤要求的标准大小，一个一个用钢筋连接起来，散放在防浪堤周围，消除海浪对防浪堤的冲击。巨大的施工工地如何完成这一巨大的工程项目？ — 当然这一切现在已经在赤腊角得以实现 — 如何在2年半内在海面上建立将近9.5平方公里的陆地，而有的地方水深达到90米？从哪儿得到这些材料？如何放置这些材料，又考虑运输费用最省？土地与主要建筑如何布置才能达到最大的稳定程度？赤腊角上的建筑物结构实在是太复杂了！除了巨大的基础平台本身外，给人印象最深的恐怕是8层楼高的机场大楼了，大楼1.27公里长，占地面积 560’000 平方米(超过6百万平方英尺) ，其符合空气动力学设计的巨大屋顶可以抵抗台风的袭击。要是没有合理设计的支撑结构，大楼难以抵抗雨季巨量的大雨。尽管大楼建立在赤腊角的基岩上，但是有些若风化岩石还是打入了50米长的水泥桩，许多地方打入了钢板桩，这是确保大楼基础在受到各种挤压力、上浮力、重力和其它的应力影响时纹丝不动的唯一办法。赤腊角岛上建成的第一幢建筑是机场控制中心大楼，它有世界上最高的控制塔，84米高。另一个主要的建筑是南跑道，它有60米宽，3.8公里长，它的下面还有两条交通隧道。在这些建筑物和土建工程中还有汽车站和火车站、世界上最大的航空货运中心、餐饮大楼和办公室，还包括将来的机场管理局的总部和香港航空公司的总部。紧挨着海上运油船停泊的港口建设有9个巨大的储油罐，可以为每小时50架次以上的飞机供应燃料。总共储存有1800亿公升的航空燃油 — 约 400亿英国法定加仑（500亿美国加仑）! 所有这些，通通考虑到了噪音最低以及对环境的危害最小，同时也要避免打扰生活在小岛周围海洋中的白豚。赤腊角整个建筑物的施工合同费用超过200亿港元，约30亿美元。但是这个巨大的建设工地不仅仅是世界上建设速度最快的工地，恐怕其测量任务也是90年代最困难的测绘项目之一。机场终于如期完工并于1998年4月正式运行，其所有的建设费用超过了1500亿港元，约200亿美元。 3.4亿立方米的石头填海造地整整两年，每天在两个固定的时间段，上午11：30到下午2点，下午4点到6点，整个赤腊角爆炸声响彻云霄。钻爆孔的总长度达到了2700km。为了除去岛上的花岗岩，将小岛平整到120m高程，钻爆师们用掉了40’000 吨炸药，将小岛变成了一个高出海面5米的平台。紧挨赤腊角的小岛Lam Chau，虽然面积仅8公顷（20英亩），也变成了一样的情景。这个小岛现在也是机场的一部分，是机场跑道东面三分之一段天然的基础。就算是将两座岛上的岩石全部用上，也不够平均深度15米的海域的填筑，也不够机场所需的填筑量。摆在眼前的方法是将邻近的两个小岛 — 兄弟岛— 通通削平，将700万立方米的材料用上。这两个小岛位于靠近跑道的直线上，岛上建有两个航空雷达站，确保航空安全。它们不象赤腊角那么大，有那么稳固的基础。施工期间，主要通过巨大的运输船将所需要的材料运到附近的主体建设工地上。比较复杂的问题是，赤腊角机场周围海底的表面地层对于建机场是不稳定的。装配有吸盘机和抓臂的13个挖泥船对海底大量的软泥、淤积物和粉尘进行挖除。淤泥挖除后，施工员开始着手构筑机场基础，他们将岩石抛入海中，同时还要用挖泥船将沙子捞出。在他们的共同努力下，小岛陆地面积每天增加1公顷(212 英亩)，最高峰时达到每天3公顷。完成这一任务的工程量是：抛投1.21亿立方米的岩石和7600立方米的沙子到海中，另外 1.42 亿立方米的废料要从海中运到指定的垃圾场。整个小岛的表面由两米厚的碎石层和沙子覆盖。这是一个特别的地质结构，总面积达7百万平方米，将两米厚的排水层与土层填筑区严格分别开来。水下测量与空中测量不同测量方法的完美结合关于赤腊角和Lam Chau两座小岛的地质数据，起先只有一张香港勘测局在1967年到1969年用徕卡设备制作的一张地图，1989年予以更新。原始的地形数据是香港政府测绘办公室1979年到1980年使用徕卡航测相机和立体量测仪制作的地形图。1992年用徕卡TC1010全站仪完成控制网的测量。当开始开山采石时，大部分这些控制点已经丢失，只有建立永久性的测量控制点后才能开始施工。在基岩上建立牢固的测量标墩作为控制网的网点，在粘土填筑区用钢桩深入基岩建立标墩，直到整个小岛布满测量标墩。大量水下地形测量工作海底水下地形图的测绘刚开始是由英国地质勘测局测绘的。第一阶段包括地震探测研究，总长335公里，钻孔236个，404个CPT，按照100米乘100米的格网提供赤腊角岛周围详细的地质图，接着完成了赤腊角周围的地质板块运动情况调查。尽管有无法预计、长短不一的大雨季节，但是在南海这儿的填海计划必须按时按预算成本完成。由于海底地形的重要性，为了监测每天不断变化的海底地形，Ian Ayson和他的同时们用GPS、回声测深仪、计算机和自己开发的导航软件装备了三条船，用来完成水下地形测量任务。从比利时和荷兰运来的挖泥船采用DGPS完成定位工作。同转包商的测量数据合并后，他们提供海底不断覆盖的地形数据，这样对于计算填充部分材料的方量十分有效。也有利于计算各转包商完成的工程量以及所填筑的各种材料的工程量。在测量13公里长的防水墙时采用了一项特殊的测量技术。在离岸边近的地方用测深尺测量水深，在每10米需要测量一个横断面的地方，用浮筒在水面上作一个标识。在挖泥船和距防水墙75米以上的地方，采用回声测深仪和 DGPS 进行测量。采用这两种方法相结合，尽管在进行防水墙测量时每10米一个断面，每1米一个测点，但是测量速度非常快。水面上的测量工作，大部分采用徕卡全站仪。在许多地方，防水墙下挖近80米深，以确保小岛不受海浪的冲击和侵蚀。采用航空摄影测量的方法实施工程量测量、施工进度监测以及提供工地全貌图 Ian Ayson 讲到： “相片纠正技术与摄影测量的结合，数字地面模型以及GIS技术提供了最好的测量手段和方法，快速提供整个工地的全貌图。从工程开工开始，每四星期一次，装备有Wild RC10A 航空相机的King航空公司，代表机场管理局完成整个赤腊角的航飞任务。” 飞行高度为1000米，采用 230mm ?230mm 的胶片，60%的纵向重叠 30%的旁向重叠，完成整个小岛测量任务总共需要36张。Ayson 解释说: “我们在中心广场的办公室内采用数字扫描仪和全数字摄影测量系统处理和纠正相片。在计算机屏幕上采用标准 3D 摄影测量方法生成工地的数字地面模型。根据这些数据，我们可以提供地形图并计算工程量。第二步是制作正射影象图。” “在这个过程中，我们将航空照片转换成正射影象图，点位精度为平面 ?00mm 高程 ?00mm。这对于施工进度分析和整个工地全貌的了解已经足够了。当然这个精度对于分析工地下沉情况是远远不够的。在尽可能的情况下，我们将空中三角测量点与地面测量固定的控制点相结合。我们也将这些正射影象图与其它图形，如从数字地面模型得到的图、相关的测量、设计和各种数据库得出的地图相结合。我们采用的软件和特殊的方法可以使我们为工程师们、设计人员、计划人员和承包商提供各种特别的平面图、放大的图片等。数据与测量结果的一体化土地分配香港机场管理局的数据库有土地信息和动态的地籍图，这样它就具有另外重要的功能。岛上的施工每个地方每小时都在发生变化，为了保证这些活动不至于互相干扰并且相互配合得很好，在施工的每一个阶段监测施工结果是十分必要的。基于这一目的，赤腊角区域被划分为几个工区，机场管理局将这些区域分配给指定的承包商，方便承包商完成他们的任务。在赠与期过后，承包商要将这些工区“归还”给机场管理局，并且详细说明施工情况和工地变化情况。 Ayson的同事们通过采用施工测量和土地管理的方法予以监督。这一测量任务中主要采用的测量仪器有 GPS, 徕卡TC2002, TC1700, 和TC1010 全站仪, 以及徕卡 NA2002 和 NA3003 数字精密水准仪。野外电子测量按照Ian Ayson的说法: “在数据采集、记录、处理和报告生成方面，测量过程已经完全实现了电子化。采用条码尺，水准仪能自动读数并将读数记录下来。RAM 卡不仅可以记录读数，而且可以在测量员回办公室之前计算出测量“闭合差”。 RAM卡上的数据下载到计算机后，进行网平差处理就可以得到测量结果。” 将平差结果直接传输到数据库并进行仔细检查，然后才能将这些可用的数据提供给其它的用户使用。每月一次将表格数据下载到 CADD 系统, 绘制点之记和全部测点的布置图。还要在另外平面图上绘制超过8周以上的点，以利于比对。只有这样，这些平面图和报表才能提供给其它人分析使用。沉陷预报对于赤腊角上工作的测量师来讲，监测最新改造区域的沉陷情况是许多挑战之一。在和总工程师Graham Plant博士和他的地质工程师专业队伍密切合作后，总测量师Ian Ayson和他的测量队，配合地质仪器工程师Colin Lang，完成了岛上12.4平方公里1878个测点的布设。有些传感器的深度达到90米深。采用往返水准和平面测量的方法对一些重要的地表标墩实施监测，以获得三维沉陷监测数据。为了达到监测目的，也采用了其它一些监测仪器：用压力计测量压力，倾斜计测量土层的水平位移，伸缩计记录垂直方向的变化。总共安装了77 个倾斜计和伸缩计, 24 个磁力伸缩计, 以及11个 MPBX 多点位移计。实际发生的沉陷量与计算和预测的数值是吻合的。在头6个月，新开垦的地区沉陷量约0.5米，越往后越少。在紧接着的18个月内，月平均沉陷量仅 5mm，最后期间月平均沉陷量仅1mm 乃至更少。测量师们采用徕卡 NA3003 数字水准仪测量高程，对最后剩下的500个测点，每月收集沉陷数据。用徕卡全站仪和 GPS 定位牢固建立在赤腊角花岗岩上的固定标墩用作测量首级控制点，在施工开始时，控制点的坐标已知，精度在 2ppm以内。开工以后，他们仍然经常对控制点实施监测。采用打桩的方法在新开垦的地方建立测量标墩，控制网不断扩展，在新开垦的地方，控制网的密度达到每两公里一个，在原来区域则不到1公里一个控制点。尽管如此，由于工地太大，情况不断变化，如果遇到视线受阻，还得经常布设三角测量点和导线点。除了采用徕卡 TC1010, TC2002, 和 TC1700 全站仪外，还采用三台美国生产的 GPS 设备来确定测点的 XY坐标。采用GPS实时动态定位达到厘米级精度，采用常规后处理则达到毫米级精度。Ian Ayson 声称:“谁都知道GPS测高的精度底于平面定位的精度，所有的生产厂家也指明了这个问题。我们虽然有使用GPS进行变形监测的经验，但是我们也发现它不能取代水准测量手段。在我们用GPS进行RTK测量时，我们注意到由于岛上电离层的不规则影响，高程测量值始终在特定的精度范围内。这证明在进行快速静态或后处理测量时，消除这一测量误差是可能的。不管怎么说，我的观点是，没有进行进一步研究和检测，GPS目前还不能用于高精度的高程测量。” 新的水准测量方法优于GPS的高精度水准测量系统徕卡 NA2002 和 NA3003 数字水准仪是世界上独一无二的产品，它们是赤腊角机场工程测量的技术明星。这些水准仪不仅提供百分之一毫米的精度测量，而且可以作到电子测量和记录。测量员在测站上经过简单的整平和检查之后，仪器就可以将测量数据记录到 PC 卡上。每天必须将不同仪器上的数据传输到中心数据库中，这一点不仅可以避免观测员的不同而带来的测量误差，而且可以防止数据传输错误。由于沉陷，每周有几百个点需要检查并制作报告，对我们来讲，尽可能将一些工作经验少的年轻人安排在野外工作，要求他们从野外带回来完整而精确的数据。徕卡数字水准仪由于其影象识别软件配合高精度的铟瓦尺，能自动读数和记录，才能成为如此出色完成此测量任务的唯一产品。“这不仅给我们一个机会来让年轻人做这项有趣的工作，而且也使他们得到了实践工作经验。同时这样做可以让我们节省 50% 的测量时间，它意味着可以节省一笔人员工资开销。”这是机场建设工地总测量师的观点。专业测量必将达到完美的结果如果要计算香港机场建设的测量人员的话，则不仅有香港机场管理局自己的测量专业队伍、测量技术人员、摄影测量员、测量计算机操作员，还有那些为不同的跨国公司联营体和大量的分包商工作的测量人员。这样在香港赤腊角工地上有时有二到三百个测量员。不仅仅是香港机场管理局的Ian Ayson 和他的测量队拥有徕卡测量仪器设备，而且其它为各个承包商服务的测量专业队伍也把徕卡设备作为他们的质量保证标准要求。 Ian Ayson 非常满意所努力结果: "我们做的导线，其闭合差都非常的好。从精度上讲，误差范围远远低于指定规范的要求。我们定时定期测量的高差资料于与计算机预报的同一时间下沉高程完全吻合。在赤腊角5年的工作经验告诉我将来也会是相同的状况。” 在下一个10年，香港新机场将达到其运行高峰，超过8700万的旅客将从这一倾注了测量师、工程师和承包商心血的工程中受益。对于测量工作而言，第三个千年正迈着巨大的脚步正逐步来临。

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