精密三角高程測(cè)量在高鐵橋墩沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

楊依彬

（上海匯谷巖土工程技術(shù)有限公司，上海201108）

1 引言

在高鐵附近進(jìn)行打樁施工和基坑開挖施工時(shí)，可能會(huì)引起附近土體應(yīng)力重分布和土體變形，進(jìn)而使高鐵橋墩產(chǎn)生沉降。當(dāng)沉降量超過(guò)安全值時(shí)就會(huì)危及高鐵的行車安全。因此，高鐵橋墩的沉降監(jiān)測(cè)十分重要。沉降監(jiān)測(cè)一般采用二等或者一等幾何水準(zhǔn)，靜力水準(zhǔn)測(cè)量等方法。前者耗費(fèi)人力效率較低，后者對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境要求較高。本文采用徠卡TS60全站儀，采用三角高程的測(cè)量方法對(duì)高鐵橋墩進(jìn)行沉降觀測(cè)，通過(guò)精度分析及實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)證明該方法能切實(shí)有效地滿足高鐵橋墩沉降監(jiān)測(cè)的需求。

2 技術(shù)要求

根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》TB 10182-2017的要求高鐵變形監(jiān)測(cè)精度要求如表1所示。

表1 變形測(cè)量精度要求

3 基準(zhǔn)點(diǎn)、測(cè)站、監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)量方法

3.1 基準(zhǔn)點(diǎn)及工作基站布設(shè)

根據(jù)監(jiān)測(cè)需要，一般布設(shè)不少于3對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)，與工作基點(diǎn)相互通視或組成三角形，便于檢查校核。將工作基點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)，按變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的技術(shù)要求施測(cè)。對(duì)監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)作嚴(yán)密平差計(jì)算，其各項(xiàng)精度指標(biāo)滿足規(guī)范要求才能作為監(jiān)測(cè)起算數(shù)據(jù)。

控制網(wǎng)布置在鐵路附近距鐵路約50m的位置，布設(shè)6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，2個(gè)工作基站，在施工區(qū)域外四周選穩(wěn)定、不受施工影響的位置布設(shè)。

3.2 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)工程特點(diǎn)，沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用棱鏡布設(shè)，觀測(cè)點(diǎn)棱鏡通過(guò)螺栓與L型支架進(jìn)行連接，并將L支架通過(guò)螺栓與方形鋼板連接，布點(diǎn)時(shí)采用強(qiáng)力膠水將鋼板牢固的粘結(jié)在橋墩上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)同測(cè)站大概在同一高度，高度角不大于15°。（圖2）

3.3 施測(cè)方法

將測(cè)量機(jī)器人架設(shè)在工作站上，機(jī)器人自動(dòng)搜索監(jiān)測(cè)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，工作站采用強(qiáng)制對(duì)中墩，設(shè)置好測(cè)量機(jī)器人的參考基準(zhǔn)后，儀器不再拆卸，直到監(jiān)測(cè)結(jié)束。選用徠卡TS60全自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人全站儀（標(biāo)稱測(cè)角精度0.5s，測(cè)距精度0.6mm+1ppm）采用全圓觀測(cè)法測(cè)量各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的角度與距離，通過(guò)三角高程方法計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程，考慮大氣折光和地球曲率的影響，其觀測(cè)原理如圖3所示。

圖2 基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

圖3 三角高程測(cè)量原理示意圖

4 三角高程的主要誤差來(lái)源及精度分析

三角高程測(cè)量依據(jù)測(cè)站點(diǎn)A至目標(biāo)點(diǎn)B所觀測(cè)的高度角及斜距，根據(jù)三角函數(shù)再考慮大氣折光和地球曲率的影響，計(jì)算兩點(diǎn)之間的高差[1]，計(jì)算公式如下：

式中R為地球半徑，k為大氣折光系數(shù)。D為A，B兩點(diǎn)間的平距，α為A，B兩點(diǎn)間的高度角。i為儀器高，v為目標(biāo)高。

根據(jù)式（2）可知，影響高程測(cè)量精度的因素主要有以下四點(diǎn)：①高度角α的測(cè)量誤差。使用的徠卡TS60全站儀，儀器校準(zhǔn)證書提供的豎直目標(biāo)定位重復(fù)性為0.7″，現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)點(diǎn)距離測(cè)站距離在30～80m，目標(biāo)高度角均在15°以下。取mα=±0.7，D=80m，α=15°時(shí)，式（2）右邊第一項(xiàng)為0.085。②平距D的測(cè)量誤差。徠卡TS60對(duì)距離小于100m的目標(biāo)重復(fù)觀測(cè)取平均值md可達(dá)±0.5mm。取mα=±0.3mm，k=0.16，D=80m，α=15°時(shí)，式（2）右邊第二項(xiàng)值為0.006。③大氣折光系數(shù)k引起的誤差。折光系數(shù)k主要與大氣溫度，大氣密度和梯度有關(guān)，用本文提出的方法可以大大削弱k引起的誤差。如許國(guó)輝等證明k的中誤差約為±0.03～±0.05。取mk=±0.05，D=100m，式（2）右邊第三項(xiàng)值為0.002mm2。④儀器高和目標(biāo)高導(dǎo)致的誤差。本文中全站儀采用強(qiáng)制對(duì)中墩布設(shè)，儀器設(shè)置完成后不再拆卸，測(cè)站和監(jiān)測(cè)點(diǎn)固定不動(dòng)，可以認(rèn)為儀器高和目標(biāo)高誤差為0。

綜合以上4點(diǎn)誤差影響的計(jì)算代入式（2）可得出：

由式（3）可知沉降點(diǎn)的觀測(cè)中誤差mhαb=±0.3mm，滿足規(guī)范要求。

5 實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況

本次監(jiān)測(cè)從2018年10月22日開始監(jiān)測(cè)，到2018年11月10日截止，橋墩最大沉降量為0.63mm。其他數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 沉降累計(jì)變形量歷時(shí)曲線圖

6 結(jié)論

根據(jù)上述三角高程測(cè)量精度分析及實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：①在視線長(zhǎng)度不超過(guò)100m的情況下，使用徠卡TS60全站儀進(jìn)行三角高程測(cè)量進(jìn)行沉降觀測(cè)，因大氣折光引起的誤差較小可以忽略不計(jì)。②采用強(qiáng)制對(duì)中墩進(jìn)行測(cè)站布設(shè)，從開始監(jiān)測(cè)到監(jiān)測(cè)結(jié)束不對(duì)測(cè)站進(jìn)行拆卸可以避免因儀器高測(cè)量引起的誤差，進(jìn)而提高測(cè)量精度。③通過(guò)精度分析在視線長(zhǎng)度不大于100m時(shí)，測(cè)站點(diǎn)布設(shè)與沉降點(diǎn)布設(shè)大概在同一高度時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降觀測(cè)中誤差為±0.3mm，可以滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

綜上所述，在上述條件下使用三角高程測(cè)量方法進(jìn)行高鐵橋墩沉降監(jiān)測(cè)是有效可行的。