基于可伸縮水準(zhǔn)尺的精密水準(zhǔn)測(cè)量方法研究

王登杰，王巖

（1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.山東省交通工程監(jiān)理咨詢公司，山東 濟(jì)南 250013）

條碼銦鋼尺的精度是保證水準(zhǔn)測(cè)量精度的關(guān)鍵因素之一，而采用長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)的水準(zhǔn)尺，在利用現(xiàn)有方法進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)會(huì)對(duì)伸縮連接處的誤差帶來的精度影響。國家規(guī)范規(guī)定國家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量采用2m或3m的木制區(qū)格式雙面水準(zhǔn)尺，國家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量必須采用3m銦鋼尺或2m（或3m）條碼銦鋼尺。但是2m（或3m）的水準(zhǔn)尺攜帶非常困難，尤其是在建筑物沉降觀測(cè)時(shí)，測(cè)量過程只需要2個(gè)人，而要開一個(gè)大面色車，的確十分浪費(fèi)，而用小車運(yùn)輸時(shí)，車內(nèi)很難放得下2m的水準(zhǔn)尺，無法折疊或伸縮的水準(zhǔn)尺給運(yùn)輸帶來了很大的不便。日前很多測(cè)量單位尤其是做建筑物沉降觀測(cè)的單位，為了運(yùn)輸一根2m的水準(zhǔn)尺，必須配備一部大長(zhǎng)車，給單位帶來了很大的經(jīng)濟(jì)損失。為此，開發(fā)一種可伸縮的條碼銦鋼尺，并提出了三種精密水準(zhǔn)測(cè)量的方法，在建筑物沉降觀測(cè)中具有很大的應(yīng)用價(jià)值，給測(cè)量單位帶來很好的經(jīng)濟(jì)和。

1 可伸縮的條碼銦鋼水準(zhǔn)尺的結(jié)構(gòu)形式

可伸縮的條碼銦鋼水準(zhǔn)尺有兩部分組成，帶有銦網(wǎng)條碼帶的水準(zhǔn)尺部分與原銦鋼條碼尺相同，只是鋁合金鋼管部分為空心結(jié)構(gòu)，再做一個(gè)形狀與其相似結(jié)構(gòu)的空心鋁合金鋼管，套入原帶的條碼帶的鋁合金鋼管內(nèi)，分為內(nèi)外兩個(gè)鋁合金鋼管結(jié)構(gòu)。如圖1和圖2所示。

圖1 可伸縮銦鋼條碼水準(zhǔn)尺結(jié)構(gòu)圖

圖2 可伸縮的銦鋼條碼水準(zhǔn)尺結(jié)構(gòu)平面圖

帶有銦鋼條碼帶的外鋁合金鋼管長(zhǎng)度可制作為1.0～1.5m，相應(yīng)的能讀數(shù)的銦鋼條碼帶長(zhǎng)度也為1.0～1.5m。寬度為85mm，厚度為40mm，與目前常用的2.0m的銦鋼條碼水準(zhǔn)尺相似。內(nèi)鋁合金鋼管不帶有銦鋼條碼帶，只做水準(zhǔn)尺的伸長(zhǎng)部分，不做為水準(zhǔn)尺的讀數(shù)部分。當(dāng)立起水準(zhǔn)尺時(shí)，利用可伸出的內(nèi)鋁合金鋼管增加帶有銦鋼條碼帶部分水準(zhǔn)尺的高度。內(nèi)鋁合金鋼管的底部焊一個(gè)8mm厚的鋼板，長(zhǎng)度和寬度略大于外鋁合金鋼管斷面尺寸即可。內(nèi)外鋁合金鋼管用螺旋式銷栓連接，螺旋式銷栓在水準(zhǔn)尺的每一個(gè)橫斷面上有三個(gè)，分別位于兩側(cè)面和背面。沿水準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度方向，每相隔20cm為一個(gè)銷栓斷面，形成不同長(zhǎng)度的銦鋼條碼水準(zhǔn)尺，方便不同視線高（因地面高度引起）的水準(zhǔn)儀能夠正確的進(jìn)行水準(zhǔn)尺讀數(shù)，并方便滿足精密水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求。當(dāng)內(nèi)鋁合金鋼管完全縮進(jìn)外鋁合金鋼管內(nèi)時(shí)，水準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度為1.0～1.5m，可以很方便地納入小汽車的后背箱內(nèi)，攜帶及運(yùn)輸方便。當(dāng)內(nèi)鋁合金鋼管以不同的長(zhǎng)度伸出后，可以使水準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度變?yōu)?.5～3.0m，這樣可以適應(yīng)不同高度的水準(zhǔn)儀進(jìn)行讀數(shù)，當(dāng)采用合理的觀測(cè)方法時(shí)，均能滿足并達(dá)到精密水準(zhǔn)測(cè)量的要求。

2 基于可伸縮水準(zhǔn)尺的精密水準(zhǔn)測(cè)量方法

影響水準(zhǔn)測(cè)量精度的關(guān)健是水準(zhǔn)尺的零點(diǎn)不同和可伸縮連接處所帶來的誤差。為了削除這些誤差影響，在精密水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，分別采用了三種不同的觀測(cè)方法，即偶數(shù)站觀測(cè)法、差分技術(shù)觀測(cè)法和同尺觀測(cè)法。每一種方法均能削除可伸縮銦鋼條碼水準(zhǔn)尺零點(diǎn)和伸縮連接帶來的誤差影響，使觀測(cè)成果均能達(dá)到精密水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求。

2.1 偶數(shù)站觀測(cè)法

偶數(shù)站觀測(cè)法是在兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)之間，水準(zhǔn)測(cè)量的測(cè)站數(shù)必須是偶數(shù)站，即在兩觀測(cè)點(diǎn)之間的測(cè)站數(shù)必須是（n是自然數(shù)即1、2、3、……）。設(shè)①號(hào)銦鋼條碼尺的零點(diǎn)誤差和伸縮連接處誤差的綜合影響為，②號(hào)銦鋼條碼尺的綜合影響為。如圖3所示兩點(diǎn)之間的高差為。由高差計(jì)算公式得：

由式（2）可知，銦鋼尺零點(diǎn)誤差和伸縮水準(zhǔn)尺連接處誤差的綜合影響，在雙測(cè)站觀測(cè)時(shí)，能夠相互抵消，對(duì)兩觀測(cè)點(diǎn)之間的高差計(jì)算沒有影響。

圖3 偶數(shù)站測(cè)量原理示意圖

以上是雙測(cè)站觀測(cè)的計(jì)算模型，如果兩觀測(cè)點(diǎn)之間相隔很遠(yuǎn)或高差很大時(shí)，由點(diǎn)觀測(cè)至點(diǎn)時(shí)需要多個(gè)測(cè)站，這時(shí)可在中間增加許多轉(zhuǎn)點(diǎn)（TP），但最后一站時(shí)，必須①號(hào)銦鋼條碼尺上至點(diǎn)，使其測(cè)站數(shù)為偶數(shù)，這樣水準(zhǔn)尺零點(diǎn)誤差和連接處誤差的綜合影響為零。

2.2 差分技術(shù)觀測(cè)方法

圖4是某基坑沉降觀測(cè)的精密水準(zhǔn)測(cè)量路線圖，當(dāng)兩根水準(zhǔn)尺在水準(zhǔn)點(diǎn)（BM）點(diǎn)上求出差分值后，即可進(jìn)行水準(zhǔn)路線測(cè)量。在第1測(cè)站，水準(zhǔn)儀安置在BM點(diǎn)與CJ1點(diǎn)之間，第一根水準(zhǔn)尺（如①號(hào)水準(zhǔn)尺）立在BM點(diǎn)上，其讀數(shù)為后視讀數(shù)，第二根水準(zhǔn)尺（如②號(hào)水準(zhǔn)尺）立在CJ1點(diǎn)上，為前視讀數(shù)，則第1測(cè)站的高差為即：

第2測(cè)站水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，在CJ1點(diǎn)上的水準(zhǔn)尺（即②號(hào)水準(zhǔn)尺）為后視點(diǎn)，其讀數(shù)為后視讀數(shù)，第一根水準(zhǔn)尺（即①號(hào)水準(zhǔn)尺）移至CJ2點(diǎn)上，其讀數(shù)為前視讀數(shù)，則第2測(cè)站的高差為，則：。同樣由于兩根水準(zhǔn)尺的零點(diǎn)和連接處存在的綜合誤差影響，減去這一綜合誤差的影響，可得到第2測(cè)站即CJ1至CJ2點(diǎn)的真實(shí)高差。

即：

表1 三種觀測(cè)方法的高差觀測(cè)值 （m）

圖4 差分技術(shù)的水準(zhǔn)測(cè)量方法

第3測(cè)站與第1測(cè)站相同，第4 測(cè)站與第2測(cè)站相同。以此類推，可以測(cè)出各段的高差，根據(jù)各段的高差和已知點(diǎn)（BM）點(diǎn)的高程，可以求得各沉降觀測(cè)點(diǎn)的高程。

2.3 同尺觀測(cè)法

同尺觀測(cè)法是利用一根可伸縮的銦鋼條碼尺進(jìn)行精密水準(zhǔn)測(cè)量。多用于建筑物的沉降觀測(cè)或基坑的豎向位移觀測(cè)。在精密水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，由于前視尺和后視尺為同一根水準(zhǔn)尺，水準(zhǔn)尺零點(diǎn)誤差和伸縮水準(zhǔn)尺連接處誤差的綜合影響，對(duì)前、后視讀數(shù)的影響是相同的，均為。則觀測(cè)點(diǎn)之間的高差為：

由此可見，當(dāng)采用一根水準(zhǔn)尺進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，水準(zhǔn)尺零點(diǎn)誤差和伸縮水準(zhǔn)尺連接處誤差的綜合影響對(duì)觀測(cè)高差沒有影響，無論奇數(shù)站還是偶數(shù)站對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的高程計(jì)算也沒有影響。只要是按照精密測(cè)量的方法進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，所觀測(cè)的成果均能達(dá)到精密測(cè)量的技術(shù)要求。完全滿足一般沉降觀測(cè)的精度要求。

3 實(shí)際工程應(yīng)用

濟(jì)南人民傳媒大廈基坑支護(hù)工程，由2棟高層(24F)、裙樓(4F)和地下車庫（地下3F)組成。地下車庫外輪廓長(zhǎng)約403.5m。工程+0.00相對(duì)于絕對(duì)標(biāo)高為108.10m。基坑深度按11.7～17.7m。擬建建筑物外墻距東側(cè)圍墻最近處約4.2m，圍墻外為洪山路；基坑西側(cè)為泄洪溝。場(chǎng)區(qū)西側(cè)、北側(cè)及東側(cè)北段圍墻需拆除，將場(chǎng)區(qū)內(nèi)整平至圍墻外地坪標(biāo)高。基坑周圍設(shè)置了12個(gè)基坑豎向位移觀測(cè)點(diǎn)。如圖4所示。在某一期的基坑豎向位移觀測(cè)時(shí)，我們分別采用了以上三種方法對(duì)12個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)之間的高差進(jìn)行了水準(zhǔn)測(cè)量?；鶞y(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1中的高差之差值單位為mm。

理論上講，用同一根水準(zhǔn)尺進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，由于同一根水準(zhǔn)尺的零點(diǎn)誤差和連接空隙引起的誤差是完全相同的，在水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)可以相互抵消，其所測(cè)量高差最接近真實(shí)高差。從上表可以看出，三種方法所測(cè)高差之差均小于0.3mm。通過實(shí)際工程水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)用，用三種測(cè)量方法的高差閉合差分別為：+0.16mm、+0.28mm和+0.09mm。均小于一等水準(zhǔn)測(cè)量和一級(jí)沉降觀測(cè)的高差閉合差的精度要求。以上三種水準(zhǔn)測(cè)量的方法均能滿足精密水準(zhǔn)測(cè)量要求，其觀測(cè)精度完全能達(dá)到精密水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求。

4 結(jié)語

本文首先提出了一種可伸縮的精密水準(zhǔn)尺，在此水準(zhǔn)尺的基礎(chǔ)上提出了三種水準(zhǔn)測(cè)量的觀測(cè)方法，不僅解決了原精密水準(zhǔn)尺（2m或3m的銦鋼條碼水準(zhǔn)尺）攜帶和運(yùn)輸不便的問題，同時(shí)還能滿足利用現(xiàn)有的水準(zhǔn)尺（可伸縮的精密水準(zhǔn)尺）進(jìn)行高精度水準(zhǔn)測(cè)量的目的，為精密水準(zhǔn)測(cè)量和基坑及建筑物沉降測(cè)量提出了新的觀測(cè)方法。

通過實(shí)際工程應(yīng)用證明，利用可伸縮的水準(zhǔn)尺，結(jié)合以上三種水準(zhǔn)測(cè)量的方法。其觀測(cè)精度完全滿足精密水準(zhǔn)測(cè)量和高精度沉降觀測(cè)的技術(shù)要求。尤其在建筑物沉降觀測(cè)中具有很大的應(yīng)用價(jià)值。和良好的經(jīng)濟(jì)效益。將可伸縮的精密水準(zhǔn)尺制造成木制的可伸縮的區(qū)格式雙面水準(zhǔn)尺，利用本文所提到的水準(zhǔn)測(cè)量方法也可進(jìn)行其它等級(jí)的水準(zhǔn)測(cè)量，甚至可以應(yīng)用于其它的水準(zhǔn)測(cè)量工程中。