全站儀在高速鐵路水中墩沉降觀測中的應用探討

王建紅

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安 710043)

1 概述

高速鐵路無砟軌道施工前必須進行線下工程沉降變形監(jiān)測，目的是預測線下工程最終沉降量和工后沉降，合理確定無砟軌道鋪設(shè)時間，確保鋪設(shè)質(zhì)量。在《高速鐵路工程測量規(guī)范》、《高速鐵路無砟軌道工程施工精調(diào)作業(yè)指南》與《客運專線鐵路變形觀測評估技術(shù)手冊》中，對橋梁墩臺沉降都有明確要求，大跨度水中墩的沉降監(jiān)測更是監(jiān)測的重點和難點。高速鐵路線下工程沉降監(jiān)測的精度要求按變形監(jiān)測三級執(zhí)行，相當于國家二等水準測量精度。沉降監(jiān)測的精度采用二等水準測量的方法都能滿足要求。高速鐵路線跨越大的河流湖泊時，水中墩的沉降監(jiān)測實施相當困難，無論從測量方法選擇，還是測量場地的布置，跨度小于100 m的墩間距可按《國家一、二等水準測量規(guī)范》的常規(guī)要求進行施測，跨度連續(xù)大于100 m的墩間距無法滿足二等水準測量常規(guī)方法要求，按規(guī)范要求應進行跨河水準觀測。但跨河水準測量的條件相當苛刻，并且水中墩的場地無法布置跨河水準觀測場地，所有的大跨度水中墩的沉降監(jiān)測都需根據(jù)情況做詳細的觀測方案。

本文討論在連續(xù)跨度大于100 m的水中墩進行沉降觀測的一種實施方案，采用精密全站儀使用中間設(shè)站精密三角高程的方法對水中墩進行沉降監(jiān)測，使用徠卡TCA2003全站儀。TCA2003全站儀的測角精度為0.5″、測距精度為1 mm+1×10－6D，并且具有 ATR棱鏡自動照準功能、可編程自動驅(qū)動觀測的特點，可減少人工操作誤差;通過建立中間設(shè)站精密三角高程測量數(shù)學模型，估算中間設(shè)站精密三角高程測量精度，在變化距離與角度情況下與二等水準測量限差進行對比分析，分析實施過程中的操作條件。通過實驗數(shù)據(jù)分析，采用高精度全站儀對連續(xù)大跨度水中墩的沉降觀測方案是可行的。

2 精度分析

2.1 精密三角高程測量原理

由圖1三角高程測量原理示意可知，在A點架設(shè)全站儀，從A點觀測B點，B點相對于A點的高差為

其中A＇為儀器中心，B＇為棱鏡中心，觀測豎直角為αAB，斜距為 SAB，儀器高 AA＇為 iA，棱鏡高 BB＇為 vB，γAB為A點在觀測方向上的垂直折光角，H＇H=D2/2R為地球曲率對高差的影響，γAB=－K·DAB/2R，K為大氣垂直折光系數(shù)，R為地球平均曲率半徑。

圖1 精密三角高程測量原理

圖2 中間設(shè)站精密三角高程測量示意

2.2 中間設(shè)站精密三角高程測量原理

由圖2可以同理寫出從A點觀測C點，C點對于A點的高差為

在實際測量中，B，C采用棱鏡強制對中標志，測量的棱鏡高度無需進行量測，在公式(1)，(2)中 νB=νC=0，對公式(1)，(2)進行相減得到 CB之間的高差hCB

2.3 中間設(shè)站精密三角高程測量精度分析

對(3)進行全微分，根據(jù)誤差傳播定律得到CB點間的高差中誤差為

其中mf為大氣折光對高差的影響

中間設(shè)站要求前后平距盡量相等，即DAB≈DAC=D，前后豎角盡量小并相等，即αAB≈αAC=α，同一臺儀器有測距誤差相等，測角誤差相等，mSAB=mSAC=mS，;對(4)，(5)兩式整理

或

公式(6)為斜距表示的CB點間高差中誤差，公式(7)為平距表示的CB點間高差中誤差。

在《鐵路工程測量》中大氣折光系數(shù)誤差為0.03，一些文獻表明，大氣折光系數(shù)k的中誤差約為±0.02～±0.05，本文取最大值mk=±0.05;按兩倍的中誤差作為測量限差，距離取L=2D，我國二等水準測量的相鄰水準點間高差限差4表1是每站固定平距與角度時，采用TCA2003全站儀的測角精度為0.5″、測距精度為1 mm+1×10－6D，大氣折光系數(shù) k =0.14，大氣折光系數(shù)中誤差mk=±0.05，中誤差與二等水準限差的一半的比較情況。

表1 每站高差中誤差表與二等水準限差對照 mm

《高速鐵路工程測量規(guī)范》中，要求中間設(shè)站三角高程的測回數(shù)為4個測回，垂直角測回間較差小于5″，前后視距差要求小于5 m，距離測量的測回內(nèi)，測回間的較差小于2 mm，距離不超150 m;從表1中的數(shù)據(jù)對比可以看出在距離小于400 m，豎角小于10°的情況下可以滿足限差要求，在實地場地布置的時候盡量控制前后視距基本相等;在測量過程中增加測回數(shù)，提高測角的精度;控制豎角足夠小并且前后豎角基本相等，可減小大氣折光與地球曲率對高差精度的影響，表1中的精度估算是可靠的。

3 實驗分析

3.1 現(xiàn)場概況

某條在建高速鐵路穿越某河流，有4個橋墩在河流中間，并且中間三跨距離都連續(xù)在120 m以上，靠近岸邊的橋墩離岸距離也將近100 m;垂直位移變形觀測采用二等水準測量的方法施測，橋梁沉降變形監(jiān)測點之間的測量滿足不了跨河水準測量的場地布設(shè)要求，現(xiàn)場情況如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場情況示意

3.2 方案研究

為了進行正常的沉降變形監(jiān)測，探討研究采用中間設(shè)站三角高程方法，使用高精度全站儀TCA2003進行測量的方案，其中沉降監(jiān)測點與工作基點都采用強制對中標志(如圖4所示)，測量時使用開發(fā)的全站儀自動觀測程序。在沉降監(jiān)測的在橋墩垂直線路兩側(cè)修建架設(shè)全站儀的工作平臺，墩身埋設(shè)強制對中觀測標志，標志高度與全站儀架設(shè)高度等高，工作基點的高度埋設(shè)時與沉降監(jiān)測標志基本同高。工作基點在位置選擇好后，采用二等水準測量方法進行測量，河兩岸的工作基點應進行聯(lián)測，單獨完成監(jiān)測網(wǎng)建立工作。工作基點水準測量采用圖4中高程連接桿，使用全站儀三角高程測量時采用圖4中棱鏡連接桿，工作基點的高程嚴格歸化到棱鏡中心。橋墩變形監(jiān)測點全部采用圖4中棱鏡連接桿。

橋墩的沉降監(jiān)測標志分左、右線分別進行觀測，以右側(cè)為例，首先在G1，J2，J4設(shè)站，觀測 A、J1、J3、D之間的高差;再在J1，J3，D2設(shè)站，觀測A、J2、J4、D之間高差，形成兩條路線。每個設(shè)站調(diào)整儀器高度進行兩次獨立觀測，兩次獨立觀測形成往返測量。

3.3 實驗數(shù)據(jù)

在岸上選擇合適位置按3.2中的觀測方案，進行了測量方案的場外實驗，中間距離設(shè)計為160 m左右，靠近岸邊的距離為100 m左右，兩次單獨設(shè)站的高差都小于1 mm，往返較差如表2所示。

圖4 測量配件示意

表2 往返高差較差

對觀測數(shù)據(jù)進行平差，平差的高差平差值及其精度如表3所示。

表3 高差平差值及其精度

平差完后的高程平差值及其精度如表4所示。

表4 高程平差值及其精度

《建筑變形測量規(guī)范》中三級垂直位移變形測量與《高速鐵路工程測量規(guī)范》三等垂直位移變形監(jiān)測中對變形點的高程中誤差限差為1 mm，相鄰變形點的高差中誤差為0.5 mm，從表3、表4中的平差數(shù)據(jù)可以看出，各項精度指標滿足規(guī)范要求。

3.4 觀測注意事項

(1)為了減小折光的影響，最好選擇陰天進行觀測，垂直角觀測宜在日出后2 h至日落前2 h期間目標成像清晰時進行。

(2)測回數(shù)在4個測回以上，強制對中標的重復安裝誤差小于0.2 mm。

(3)進行觀測時的溫度氣壓嚴格記錄輸入，溫度精確到0.2℃，氣壓0.5 hPa。

(4)儀器設(shè)站位置每次嚴格固定，并且前后視距差不宜大于5 m，兩次設(shè)站所測高差之差應小于1 mm。

(5)觀測線路設(shè)計中，盡量減少設(shè)站數(shù)或減少線路距離，有利于精度控制，避免遠離工作基點的變形監(jiān)測點的高程平差精度超限。

［1］TB 10601—2009/J 962—2009 高速鐵路工程測量規(guī)范［S］

［2］JGJ8—2007/J719—2007 建筑變形測量規(guī)范［S］

［3］TB 10101－2009/J961－2009 鐵路工程測量規(guī)范［S］

［4］鐵建設(shè)函［2009］674號 高速鐵路無砟軌道工程施工精調(diào)作業(yè)指南［S］

［5］工管技［2009］77號 客運專線鐵路變形觀測評估技術(shù)手冊［S］

［6］李青岳．工程測量學［M］．北京．測繪出版社，2001

［7］晏紅波，黃 騰，鄧 標．智能全站儀精密三角高程測量替代二等水準測量［J］．水電自動化與大壩監(jiān)測，2007，31(4)

［8］郭春喜，陽海峰．精密三角高程替代二等水準的可行性研究［J］．測繪信息與工程，2010，35(2)