精密三角高程測(cè)量在高鐵沉降觀測(cè)中的應(yīng)用

趙毅堅(jiān)

摘 要：通過分析全站儀單向三角高程測(cè)量、中間法三角高程測(cè)量和對(duì)向觀測(cè)法三角高程測(cè)量的基本原理，結(jié)合工程實(shí)例詳細(xì)論述了觀測(cè)點(diǎn)的布置、儀器的位置、高差值測(cè)量、數(shù)據(jù)處理方法等內(nèi)容，指出了影響測(cè)量結(jié)果精度的因素，并總結(jié)了這些測(cè)量方法的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：沉降觀測(cè)；單向三角高程測(cè)量；中間法三角高程測(cè)量；對(duì)向觀測(cè)法三角高程測(cè)量

中圖分類號(hào)：U212.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.075

1 鐵路客專沉降觀測(cè)的必要性

通常情況下，鐵路客運(yùn)專線采用的是無碴軌道技術(shù)，即以鋼筋混凝土或?yàn)r青混凝土道床取代散粒體道碴道床的整體式軌道結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)具有維修方便、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但是，它對(duì)施工工藝的精度要求比較高，而且后期的運(yùn)營維護(hù)難度也比較大。由于線下工程基礎(chǔ)沉降或梁體徐變引起的上拱度變化會(huì)使橋面高程發(fā)生變化，所以，根據(jù)相關(guān)軌道扣件技術(shù)的規(guī)定，其高低調(diào)整量為-4～+26 mm，施工誤差的調(diào)整量非常小，而橋梁基礎(chǔ)沉降，尤其是不均勻沉降會(huì)影響高速列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性。在鐵路客運(yùn)專線的施工過程中，為了滿足對(duì)無碴軌道線下基礎(chǔ)變形評(píng)估的要求，確定鋪設(shè)鋼軌的時(shí)間，為運(yùn)營維護(hù)、維修提供依據(jù)，必須對(duì)線下工程進(jìn)行變形觀測(cè)。

線下工程沉降觀測(cè)是利用電子水準(zhǔn)儀、按照二等水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)要求進(jìn)行的。對(duì)于地形特殊的地段，如果墩臺(tái)處于江河湖泊中，則無法采用上述方法。隨著全站儀功能和精度的不斷提高，精密三角高程測(cè)量法已經(jīng)被廣泛運(yùn)用。

2 三角高程測(cè)量的原理

三角高程測(cè)量是通過觀測(cè)兩點(diǎn)間的水平距離和天頂距（或者高度角）求定兩點(diǎn)間的高差，并進(jìn)行高程傳遞。目前，常用的測(cè)量法有單向三角高程測(cè)量、中間法三角高程測(cè)量、對(duì)向觀測(cè)法三角高程測(cè)量。

3 單向三角高程測(cè)量的應(yīng)用

影響單向三角高程測(cè)量結(jié)果精度的因素比較多，而該方法主要應(yīng)用于短距離三角測(cè)量中。例如，合福鐵路銅陵長江大橋南引橋十里長河設(shè)計(jì)為48 m+80 m+48 m的連續(xù)箱梁，105#墩、106#墩處于河水中，距離河堤沉降觀測(cè)工作點(diǎn)不足30 m，所以，采用單向三角高程測(cè)量最合適。

在墩身左、右側(cè)粘貼棱鏡反射片作為沉降觀測(cè)點(diǎn)，并在工作基點(diǎn)上架設(shè)棱鏡（每次都用同一對(duì)中桿，采用同一高度）。在測(cè)量時(shí)，要使用萊卡全站儀TCA2003（標(biāo)稱精度0.5″，1+1×10-6），即先用正倒鏡觀測(cè)儀器與基準(zhǔn)點(diǎn)間的高差，然后觀測(cè)儀器與沉降觀測(cè)點(diǎn)間的高差。因?yàn)闇y(cè)量距離短，所以，在測(cè)量時(shí)，可瞄準(zhǔn)放射片或棱鏡的“十”字標(biāo)志，觀測(cè)2個(gè)測(cè)回即可滿足測(cè)量精度的要求。

沉降觀測(cè)點(diǎn)0135859D1（105#墩反射片1）從墩身澆筑完成開始觀測(cè)，經(jīng)過連續(xù)箱梁施工、運(yùn)梁臺(tái)車通過等工況，共觀測(cè)493 d，累計(jì)沉降量為3.59 mm，沉降曲線如圖1所示。

4 中間法三角高程測(cè)量的應(yīng)用

4.1 中間法三角高程測(cè)量的特點(diǎn)

影響中間法三角高程測(cè)量結(jié)果精度的主要因素有測(cè)量天頂距和測(cè)距誤差。由于全站儀的測(cè)量結(jié)果與沉降觀測(cè)工作基點(diǎn)、沉降觀測(cè)點(diǎn)自然條件的變化有很大關(guān)系，因此，在測(cè)量沉降觀測(cè)工作基點(diǎn)的高差時(shí)，視線從陸地通過；測(cè)量沉降觀測(cè)點(diǎn)的高差時(shí)，視線從水面穿過。因?yàn)榇髿庹酃庀禂?shù)變化很大，雖然兩者的測(cè)量距離基本相等，但也不能完全抵消，所以，測(cè)量距離一般控制在400 m內(nèi)。采取這種測(cè)量方法具有測(cè)量速度快、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，可以埋設(shè)固定的反射棱鏡作為沉降觀測(cè)標(biāo)。下面以銅陵長江大橋主橋3#墩為例作簡要說明。

4.2 沉降觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

銅陵長江大橋主橋3#墩為水中墩，采用倒“Y”形鋼筋混凝土主塔，塔高212 m，主塔墩基礎(chǔ)位于河道北側(cè)主河槽附近，采用圓端形沉井基礎(chǔ)，頂平面尺寸為64 m×40 m，沉井總高度為68 m，距離岸邊大約300 m。按照施工技術(shù)的相關(guān)要求，對(duì)主塔基礎(chǔ)進(jìn)行沉降觀測(cè)。施工初期，下橫梁施工前，在沉井的擋水圍堰縱、橫軸線上布設(shè)4點(diǎn)，并埋設(shè)不銹鋼觀測(cè)標(biāo)。在觀測(cè)時(shí)，要架設(shè)反射棱鏡，當(dāng)塔柱施工高度高于洪水水位6 m時(shí)，需在塔柱的上、下游側(cè)面埋設(shè)2個(gè)棱鏡。在主塔施工期間，為了避免落物，要在棱鏡上方0.5 m處設(shè)置防護(hù)棚。

4.3 高差值的觀測(cè)

4.3.1 觀測(cè)方法

高差觀測(cè)應(yīng)將棱鏡作為照準(zhǔn)目標(biāo)，首先在盤左位置用望眼鏡中絲精確瞄準(zhǔn)棱鏡砧板標(biāo)志4次，4次瞄準(zhǔn)讀數(shù)之差不應(yīng)大于△h（mm），△h的具體值表述如下：

式（1）中： s為測(cè)站距棱鏡的平距，mm；P取值206 265.

然后縱轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，在盤右位置按照盤左操作方法完成瞄準(zhǔn)和讀數(shù)工作。以上觀測(cè)組成一組高差觀測(cè)，采用同樣的方法完成其余各組的觀測(cè)工作，主要技術(shù)要求如表1所示。

4.3.2 觀測(cè)順序

分組觀測(cè)時(shí)，奇數(shù)組高差觀測(cè)的順序?yàn)楹笠暋耙暋耙暋笠?；偶?shù)組高差觀測(cè)的順序?yàn)榍耙暋笠暋笠暋耙暋Ｃ拷M高差觀測(cè)值包含前視、后視各兩個(gè)測(cè)回，中間設(shè)站觀測(cè)方式的總測(cè)回?cái)?shù)如表1所示。

5 對(duì)向觀測(cè)法三角高程測(cè)量的應(yīng)用

采用對(duì)向觀測(cè)法三角高程測(cè)量時(shí)，影響測(cè)量結(jié)果精度的主要因素是天頂距測(cè)量誤差。隨著測(cè)量距離的延伸，可以增加測(cè)回?cái)?shù)提高天頂距的測(cè)量精度。采用這種測(cè)量方法具有測(cè)量距離遠(yuǎn)、測(cè)量精度高的特點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用這種測(cè)量方法時(shí)，通常布設(shè)為閉合環(huán)形式進(jìn)行，以京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長江大橋?yàn)槔髡f明。

5.1 沉降觀測(cè)線路

南京大勝關(guān)長江大橋主橋3#～6#墩位于長江中，其中，3#墩距離長江大堤600 m左右，6#墩與大堤的距離超過1 000 m。在線下工程沉降觀測(cè)時(shí)，選用全站儀TCA2003，采用對(duì)向觀測(cè)方法觀測(cè)線路起、閉工作基點(diǎn)DQ1-1，并將其構(gòu)成閉合導(dǎo)線，如圖2所示。

5.2 高差值的觀測(cè)方法

對(duì)向觀測(cè)法三角高程測(cè)量每站儀器、棱鏡的架設(shè)如圖2所示，高差值的觀測(cè)方法與中間法相同。

5.3 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

DQ1-1～DQ1-1整個(gè)閉合環(huán)測(cè)量完成后，要先檢查線路閉合差是否滿足二等水準(zhǔn)測(cè)量的規(guī)范要求，即w≤ mm。如果超限，需要分析測(cè)段高差，并補(bǔ)測(cè)，直至閉合環(huán)差滿足規(guī)范要求為止。DQ1-1～DQ1-1閉合線路長度為2.6 km，規(guī)范要求為±6.45 mm。前15期閉合環(huán)差統(tǒng)計(jì)如表2所示。

5.3.1 每千米水準(zhǔn)測(cè)量的高差偶然中誤差計(jì)算

DQ1-1～DQ1-1閉合環(huán)差檢查合格后，根據(jù)公式（2）計(jì)算每千米水準(zhǔn)測(cè)量的高差偶然中誤差，即：

m△= . （2）

式（2）中：m△為高差偶然中誤差，mm；n為測(cè)段數(shù)；△為側(cè)段往返測(cè)高差不符值，mm；L為測(cè)段長度，km。

在式（2）中，m△應(yīng)滿足二等水準(zhǔn)測(cè)量每千米水準(zhǔn)測(cè)量的高差偶然中誤差，即絕對(duì)值m△≤1 mm的規(guī)范要求。

5.3.2 每千米水準(zhǔn)測(cè)量的高差全中誤差計(jì)算

水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)束后，根據(jù)公式（3）計(jì)算每千米水準(zhǔn)測(cè)量的高差全中誤差，即：

式（3）中：mw為高差偶然中誤差，mm；n為附和線路或閉合線路的總數(shù)；w為附和、閉合環(huán)差或測(cè)段往返測(cè)高差之差，mm；L為計(jì)算各w時(shí)相應(yīng)線路的長度，km。

在式（3）中，mw應(yīng)滿足二等水準(zhǔn)測(cè)量每千米水準(zhǔn)測(cè)量的高差全中誤差，即絕對(duì)值mw≤2 mm的規(guī)范要求。

5.3.3 測(cè)量成果平差計(jì)算

環(huán)閉合差、每千米水準(zhǔn)測(cè)量的高差偶然中誤差、每千米水準(zhǔn)測(cè)量的高差全中誤差計(jì)算合格后，計(jì)算每段單站兩點(diǎn)的高差，然后取對(duì)向觀測(cè)的平均值為兩點(diǎn)間的高差，按照二等水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)要求進(jìn)行，并利用測(cè)量軟件嚴(yán)密平差，求得各個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)的高程值。

6 精密三角高程測(cè)量的注意事項(xiàng)

6.1 測(cè)量儀器的要求

精密三角高程測(cè)量應(yīng)選用測(cè)角精度小于1″的全站儀（最好選用0.5″的全站儀）。在項(xiàng)目開始前，應(yīng)檢查所使用的儀器設(shè)備，在項(xiàng)目進(jìn)行中也要定期檢驗(yàn)。觀測(cè)開始前30 min，要將全站儀置于露天陰影下，使儀器溫度與環(huán)境溫度保持一致，而且在使用過程中要對(duì)全站儀作遮光處理。一個(gè)測(cè)回完成后，應(yīng)休息15～20 min再開始下一個(gè)測(cè)回。另外，棱鏡高應(yīng)在觀測(cè)前后用經(jīng)過檢驗(yàn)的量桿或鋼尺各測(cè)量一次，讀數(shù)要精確至0.5 mm。當(dāng)較差不大于1 mm時(shí)，取用中數(shù)。

6.2 測(cè)量環(huán)境的要求

在測(cè)量過程中，視線垂直角不得超過10°，視線高度與離開障礙物的距離不得小于1.3 m。對(duì)于觀測(cè)時(shí)間，晴天觀測(cè)時(shí)間應(yīng)在日出后1 h起至太陽中天前2 h止，下午自太陽中天后2 h起至太陽落山1 h前止，陰天只要成像清晰、穩(wěn)定，就可全天候觀測(cè)。當(dāng)雨后初晴或大氣折射變化比較大時(shí)，均不宜進(jìn)行觀測(cè)工作。

7 結(jié)束語

隨著全站儀測(cè)角、測(cè)距精度的提高，尤其是萊卡TCA2003系列全站儀（標(biāo)稱精度0.5″；1+1×10-6）具有測(cè)量精度高和自動(dòng)瞄準(zhǔn)功能，使得精密三角高程測(cè)量達(dá)到了二等水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求。結(jié)合工程的實(shí)際情況，萊卡TCA2003系列全站儀已被廣泛應(yīng)用于鐵路客運(yùn)專線線下工程沉降觀測(cè)工作中，而且應(yīng)用效果良好。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕