新型三角高程測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

劉洪州，郭守謙，劉志遠(yuǎn)

（1.天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院建筑工程系，天津　301636；2.中交一航局第五工程有限公司，河北　秦皇島　066002；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津　300222）

新型三角高程測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

劉洪州1，郭守謙2，劉志遠(yuǎn)3

（1.天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院建筑工程系，天津301636；2.中交一航局第五工程有限公司，河北秦皇島066002；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222）

針對(duì)水運(yùn)工程深基坑高程測(cè)量困難問(wèn)題，提出利用全站儀對(duì)邊觀測(cè)的新型三角高程測(cè)量方法。工程實(shí)例應(yīng)用表明，該新方法具有低成本、高功效等特點(diǎn)，適用深基坑的高程測(cè)量，可為水運(yùn)工程的深基坑高程測(cè)量提供有益經(jīng)驗(yàn)。

水運(yùn)工程；深基坑；全站儀；三角高程測(cè)量

0　引言

水運(yùn)工程施工中，通常涉及深基坑高程測(cè)量。然而，深基坑高程測(cè)量因與地面高差較大，直接利用水準(zhǔn)尺傳遞高程方式相對(duì)操作困難，故實(shí)際工作中多采用懸掛鋼尺法進(jìn)行測(cè)量放樣。但由于懸掛鋼尺法誤差來(lái)源多、外業(yè)工作量大、施測(cè)速度慢，往往不能滿足施工測(cè)量要求。而傳統(tǒng)的三角高程測(cè)量雖能避免地勢(shì)起伏、高差等因素干擾，但測(cè)量結(jié)果精度不符合工程實(shí)際需求。隨著科技的發(fā)展，目前利用全站儀的高程傳遞測(cè)量已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，林明華[1]等采用精密三角測(cè)量法對(duì)跨河的高程進(jìn)行高程傳遞測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究，張智韜[2]等介紹和分析全站儀三角測(cè)量新方法和精度，周建林[3]等應(yīng)用全站儀高程傳遞技術(shù)對(duì)蘇通大橋進(jìn)行高程測(cè)量。鑒此，本文介紹一種基于利用全站儀的新型三角高程測(cè)量方法，并將該方法運(yùn)用于水運(yùn)工程翻車機(jī)房深基坑的施工測(cè)量中，檢驗(yàn)該方法的實(shí)用性。

1　高程測(cè)量原理

1.1懸掛鋼尺法

懸掛鋼尺法[4]操作原理：假設(shè)已知地面水準(zhǔn)點(diǎn)A的高程為HA，基坑內(nèi)欲測(cè)量B點(diǎn)的高程為HB，基坑邊設(shè)一吊桿懸掛鋼尺，鋼尺零端位于基坑內(nèi)，同時(shí)在零端懸掛重量適中的重物，見(jiàn)圖1。

測(cè)量時(shí)，首先在地面上安置水準(zhǔn)儀，在A點(diǎn)設(shè)立水準(zhǔn)尺，讀取A點(diǎn)讀數(shù)a和鋼尺讀數(shù)b，然后在基坑內(nèi)安置水準(zhǔn)儀，獲得鋼尺讀數(shù)c，最后在B點(diǎn)上下垂直移動(dòng)水準(zhǔn)尺，當(dāng)讀數(shù)d=HA+（ab）+c-HB，則B點(diǎn)水準(zhǔn)尺底端的高程為測(cè)量的基坑高程HB。

圖1 懸掛鋼尺法Fig.1　Suspension leveling ruler

1.2三角高程測(cè)量法

三角高程測(cè)量法主要原理[5]是：假設(shè)A、B為地面上高度不同的2個(gè)高程點(diǎn)。若已知A點(diǎn)高程，通過(guò)A、B之間的高差，計(jì)算獲得B點(diǎn)高程。首先，假設(shè)A、B兩點(diǎn)相距水平距離相對(duì)較短，兩點(diǎn)之間的水準(zhǔn)面可近似為水平面。已知A、B兩點(diǎn)之間的水平距離為D，在A點(diǎn)架設(shè)全站儀，在B點(diǎn)立對(duì)中桿，A點(diǎn)觀測(cè)B點(diǎn)的豎直角α，并直接量取儀器高和棱鏡高t，見(jiàn)圖2。

圖2 三角高程測(cè)量Fig.2　Trigonom etric leveling

不考慮大氣折光和地球曲率的影響條件下，根據(jù)圖中計(jì)算參數(shù)和實(shí)際測(cè)量值，則A、B之間的高差為hab：

hab=V+i-t（1）式中：V為全站儀望遠(yuǎn)鏡和棱鏡之間的高差，V= D tanα。

1.3新型三角高程測(cè)量技術(shù)

1.3.1測(cè)量原理

隨著全站儀等新測(cè)量?jī)x器的興起，利用新技術(shù)儀器進(jìn)行的高程測(cè)量開始逐步被試驗(yàn)和研究[6-7]。因此，本文提出的新型三角高程測(cè)量法，其實(shí)質(zhì)是全站儀高程傳遞測(cè)量，通過(guò)假設(shè)已知B點(diǎn)高程，A點(diǎn)為任意高程未知點(diǎn)，見(jiàn)圖3。

圖3　全站儀高程傳遞測(cè)量Fig.3　Theelevationmeasurementof totalstation

將式（1）整理獲得：

HA+i-t=HB-D tanα（2）

令W=HA+i-t=HB-D tanα，當(dāng)選定測(cè)站點(diǎn)A進(jìn)行架設(shè)儀器后，A點(diǎn)高程HA固定，儀高i值也隨之不變，同時(shí)選取跟蹤桿作為反射棱鏡，從而t值也不再變化，所以在進(jìn)行任意一點(diǎn)高程測(cè)量時(shí)，W固定不變。由于已知HB，利用全站儀直接測(cè)定D tanα，即可計(jì)算出W=HB-D tanα。根據(jù)式（2），圖3中待測(cè)點(diǎn)B′高程HB′為：

HB′=HA+D′tanα′+i-t（3）

將W=HA+i-t代入式（3）得：

HB′=W+D′tanα′（4）式中：D′為測(cè)站點(diǎn)A到待測(cè)點(diǎn)B′的水平距離；α′為測(cè)站點(diǎn)A觀測(cè)待測(cè)點(diǎn)B′時(shí)豎直角。

由式（4）可知，不同待定點(diǎn)的高程隨著測(cè)站點(diǎn)到其的水平距離D′和觀測(cè)豎直角α′的變化而改變。

1.3.2操作步驟

新型三角高程測(cè)量法的操作步驟：

1）將全站儀儀器安置于和已知高程點(diǎn)通視的任意一點(diǎn)。

2）采用全站儀照準(zhǔn)已知高程點(diǎn)H，測(cè)量出D tanα，并計(jì)算出W值。

3）將儀器測(cè)站點(diǎn)高程重新設(shè)定為W，儀器高和棱鏡高設(shè)定為0。

4）照準(zhǔn)待測(cè)點(diǎn)，利用式（4）測(cè)出其高程。

2　三種測(cè)量方法特點(diǎn)對(duì)比

若測(cè)量的高程點(diǎn)與已知水準(zhǔn)點(diǎn)的高差較大時(shí)，采用懸掛鋼尺法來(lái)代替水準(zhǔn)尺法進(jìn)行測(cè)量。但采用懸掛鋼尺進(jìn)行高程傳遞測(cè)量時(shí)，由于深基坑高差較大，懸掛的鋼尺下端應(yīng)懸掛鑒定鋼尺時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)拉力重錘，否則需進(jìn)行拉力修正；由儀器角誤差引起的高程誤差，伴隨著前后視距差的增大而增大；鋼尺經(jīng)過(guò)一段時(shí)間在野外使用后，尺長(zhǎng)本身也會(huì)發(fā)生變化，所以在地下高程放樣或測(cè)量時(shí)，為了確保精度滿足要求，應(yīng)選擇嚴(yán)格檢驗(yàn)校正的水準(zhǔn)儀，并在讀數(shù)時(shí)需格外仔細(xì)，操作過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。

三角高程測(cè)量操作相對(duì)簡(jiǎn)單于懸掛鋼尺法，但是其精度受限于以下兩個(gè)因素：1）水平面為基準(zhǔn)面和視線成直線。2）A、B兩點(diǎn)的水平距離相對(duì)較短。若以上兩條件不成立時(shí)，采用三角高程測(cè)量法測(cè)量基坑的高差將不準(zhǔn)確。新型三角高程測(cè)量技術(shù)利用全站儀高程傳遞原理，測(cè)量時(shí)可直接將測(cè)量結(jié)果輸入全站儀，全站儀內(nèi)部系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量參數(shù)的結(jié)果，直接計(jì)算獲得待測(cè)點(diǎn)高程，并通過(guò)計(jì)算機(jī)連接導(dǎo)出測(cè)量結(jié)果，不用人工進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算和儀器操作過(guò)程，其具有操作簡(jiǎn)捷，高效特點(diǎn)。

3　工程應(yīng)用

3.1工程概述

國(guó)投曹妃甸煤碼頭續(xù)建工程中，翻車機(jī)房基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為圓形地下連續(xù)墻，墻厚1.5 m，內(nèi)徑77m，坑底標(biāo)高-15.45m，墻底標(biāo)高-29.8 m。頂部設(shè)有帽梁1道，梁高1 m，支撐結(jié)構(gòu)采用4道圈梁及12個(gè)豎肋，圈梁和豎肋高程見(jiàn)圖4。

圖4　翻車機(jī)房基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Foundation pitsupport structureofdumper

3.2新技術(shù)檢驗(yàn)

在曹妃甸翻車機(jī)房施工中，選用NIKON DTM532型全站儀（測(cè)角：2″；標(biāo)準(zhǔn)測(cè)距：2mm+ 2×10-6D，D為距離，km）進(jìn)行高程傳遞測(cè)量，為了驗(yàn)證該新技術(shù)的可行性，在翻車機(jī)房基坑周圍設(shè)置10個(gè)測(cè)站點(diǎn)，已知主體圈梁底層的標(biāo)高為-15.45 m，分別采用懸掛鋼尺法、三角高程測(cè)量法以及新型三角高程測(cè)量法，測(cè)量結(jié)果和測(cè)量功效，見(jiàn)圖5和表1。

圖5　三種測(cè)量方法成果對(duì)比Fig.5　Result com parison of the threemeasurement methods

表1　三種測(cè)量方法功效匯總Table 1　Efficacy summary of the threemeasurementm ethods

由圖5和表1分析可知，懸掛鋼尺法對(duì)10個(gè)測(cè)站點(diǎn)測(cè)量用時(shí)最長(zhǎng)，人員參與最多，同時(shí)可能由于施工地點(diǎn)環(huán)境溫度偏高、鋼尺的重復(fù)使用以及懸掛物體過(guò)重等客觀因素的影響，導(dǎo)致基坑高程測(cè)量過(guò)程中，鋼尺的長(zhǎng)度伸長(zhǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生懸掛鋼尺法測(cè)量結(jié)果偏大于梁圈底部標(biāo)高，總測(cè)量精度相對(duì)較差。三角測(cè)量由于測(cè)站點(diǎn)間距離較近，符合其測(cè)量條件。測(cè)量時(shí)間和測(cè)量參與人員與新型三角高程測(cè)量法相同，但是測(cè)量過(guò)程中，由于測(cè)站點(diǎn)設(shè)置過(guò)多，且通過(guò)測(cè)量過(guò)程中量取測(cè)儀器與棱鏡高，導(dǎo)致誤差源的逐漸累積，因此，測(cè)量精度低于新型三角測(cè)量方法。而新型三角測(cè)量方法，測(cè)站點(diǎn)內(nèi)測(cè)量結(jié)果誤差約為0.001 m，測(cè)量精度較為準(zhǔn)確。通過(guò)更換高程控制點(diǎn)，重復(fù)上述步驟，對(duì)待測(cè)點(diǎn)高程進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果趨勢(shì)基本和圖5一致，因此，新型三角高程測(cè)量技術(shù)具有實(shí)用性和高效性。

4　結(jié)語(yǔ)

新型三角高程測(cè)量法能更好的適應(yīng)天氣和地形變化，比三角高程測(cè)量的方法精度更高，整個(gè)施測(cè)過(guò)程不必用鋼尺量取儀器高，棱鏡高，減少了測(cè)量過(guò)程中的誤差來(lái)源，避免了誤差的累計(jì)，保證了測(cè)量精度，同時(shí)省去了懸掛鋼尺法測(cè)站讀報(bào)數(shù)據(jù)以及可能的站上計(jì)算工作，提高了測(cè)量功效，降低了施工成本。通過(guò)以上實(shí)例表明，其在水運(yùn)工程深基坑的測(cè)量成功運(yùn)用，為深基坑等高程傳遞跨度大的水運(yùn)工程項(xiàng)目施工中高程放樣提供了一種新的解決方案。該技術(shù)還可以適用于道路施工、地勢(shì)復(fù)雜的高程傳遞，可快速準(zhǔn)確的測(cè)得高程數(shù)據(jù)，縮短放樣的時(shí)間，避免了水準(zhǔn)測(cè)量因轉(zhuǎn)站多、高差大以及氣候惡劣導(dǎo)致的誤差，降低了施工測(cè)量的工作量與工作強(qiáng)度。

[1]林明華，蘇志堅(jiān)，侯飛.精密三角高程測(cè)量用于跨河高程傳遞的實(shí)驗(yàn)研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2012，37（5）：209-211. LIN Ming-hua,SU Zhi-jian,HOU Fei.Study on river-crossing levelingwith precise trigonometric leveling[J].Scienceof Surveying and Mapping,2012,37(5):209-211.

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App lication of new trigonometric leveling technology

LIUHong-zhou1,GUOShou-qian2,LIU Zhi-yuan3
（1.Departmentof Architectural Engineering,Ren'aiCollegeof Tianjin University，Tianjin 301636,China; 2.No.5 Engineering Co.,Ltd.of CCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Qinhuangdao,Hebei066002,China; 3.CCCCTianjin PortEngineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Aiming at the difficult problem of elevation measurement of deep foundation pit in waterway engineering,we put forward a new method of trigonometric leveling by using the total station instrument.The application of engineering example shows that the new method has the characteristics of low cost and high efficiency,which can be used tomeasure the height of the deep foundation pit.Itcan provideusefulexperience for themeasurementofdeep foundation pit inwaterway engineering.

waterway engineering；deep foundation pit；total station instrument；trigonometric leveling

U655.552

A

2095-7874（2016）10-0052-04

10.7640/zggw js201610012

2016-06-27

2016-08-21

劉洪州（1989— ），男，安徽宿州人，助理工程師，助教，研究方向?yàn)樗こ淌┕ぁ-mail：695627047@qq.com