基于無反射棱鏡全站儀的改進(jìn)高墩垂直度測量法

林樂鑫，趙 望，張 偉，楊一科

(長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410000)

1 概 述

在工程實際現(xiàn)場施工中，傳統(tǒng)測定建筑物方法有懸吊垂球法、測水平角法、經(jīng)緯儀投影法等，這些方法都是通過測量并且計算從而得出所求方向的偏離值，求得建筑物或者構(gòu)造物的傾斜量。對于工程現(xiàn)場，高墩施工過程大體采用懸吊垂球法，這種方法雖然簡單直觀，但是此法容易產(chǎn)生誤差。當(dāng)橋墩越來越高，鉛垂線可能由于垂球重量不夠而在風(fēng)荷載的作用下導(dǎo)致很大的偏位，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。風(fēng)力的大小對結(jié)果也有一定的影響。測水平角法以及經(jīng)緯儀投影法需要在互相垂直的方向上測得偏離分量或者偏離值，接著用矢量相加的方法從而求得構(gòu)造物或者建筑物的偏離值。全站儀能夠直接測出構(gòu)造物或者建筑物在所求方向的垂直方向的不同高程的點的三維坐標(biāo)，從而計算出構(gòu)造物或者建筑物在所求方向的傾斜量，測量過程中設(shè)站只要一次，并且可以測得任意高度的兩點的傾斜量。

2 無反射棱鏡測量

2.1 原理

無反射棱鏡全站儀是利用光的反射特性并測得光與物體之間的往返時間，從而測得全站儀與物體之間的距離。假設(shè)光在大氣中以速度傳播，在1、2點間往返一次所需時間為，則1、2點間的距離可用以下式子表示。

(1)

式中：為測站點1、2間的距離，m；為光在地球大氣層中的傳播速度，m/s；為光在1、2兩點間往返一次所需的時間，s。

由式(1)可知，只要測得1、2點間光往返的傳播時間，就可以求得兩點間的距離。

2.2 無反射棱鏡測量的特點

測量時設(shè)站靈活。為了便于測量，實際測量過程中常采用后方交會設(shè)站或者將測站點定為原點，能夠根據(jù)現(xiàn)場條件得到最佳的觀測位置，使得設(shè)站靈活，從而減少測量對其他工序的影響，同時減少了其他工序?qū)y量的影響。

測量速度快。無反射棱鏡全站儀的測距速度一般在幾秒內(nèi)就可完成，既減少了作業(yè)時間，還減輕了作業(yè)人員的工作強(qiáng)度。

實用性強(qiáng)。無棱鏡測量技術(shù)適合應(yīng)用于測量人員不方便到達(dá)的地方，不但減少了工作量，還降低了作業(yè)過程的安全風(fēng)險。

測量距離遠(yuǎn)。有的儀器測量距離可達(dá)5 km。

2.3 測量時要注意的問題：

考慮目標(biāo)位置以及瞄準(zhǔn)角度。測量光束與目標(biāo)表面的夾角是影響測量結(jié)果的重要因素之一。一般情況下，當(dāng)入射光線與目標(biāo)表面的夾角小于15°時，返回的光線就會有有所損失，得出的結(jié)果偏差也就越大。

考慮目標(biāo)的測程。目標(biāo)表面的顏色、目標(biāo)形狀以及目標(biāo)的結(jié)構(gòu)都與測程有關(guān)。粗糙的表面(如混凝土蜂窩麻面)漫反射大、返回的信息弱、測程也就短。

目標(biāo)的最佳品質(zhì)。顏色應(yīng)為棕色或白色，盡量無光澤，表面粗糙度宜在1～2 mm。

視準(zhǔn)線附近不應(yīng)有帶色的反射物或其他光活動；避免正對太陽測量，否則會出現(xiàn)無法測量的情況。

儀器和目標(biāo)間有物體經(jīng)過時，必須等物體經(jīng)過后才可進(jìn)行測量。

2.4 無反射棱鏡全站儀測量法存在的問題

無反射棱鏡法是目前用于測量橋墩偏位最常用的方法，雖然此法有諸多優(yōu)點，但該方法在某些情況下的測量結(jié)果不盡人意，容易產(chǎn)生誤差。例如當(dāng)測量橫橋向存在偏位的高墩縱橋向偏位時，得出的結(jié)果不僅包含橫橋向的偏位還有順橋向的偏位。

鑒于以上種種情況，結(jié)合工程實際，在無反射棱鏡全站儀測量法的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的無反射棱鏡全站儀測量法。它能在一個測站上更加準(zhǔn)確地計算出高墩的縱(橫)向偏位。

3 改進(jìn)的無反射全站儀測量法原理

3.1 原 理

查正軍等在無反射棱鏡全站儀測量法測量建筑物傾斜量的基礎(chǔ)上將獨立坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為墻面坐標(biāo)系，完成了建筑物的傾斜測量。基于改進(jìn)的無反射棱鏡全站儀的高墩垂直度測量是在橋墩的附近建立獨立的坐標(biāo)系，接著利用無反射棱鏡全站儀觀測橋墩橫向或者縱向的墩中心的距測站的水平距離，然后基于改進(jìn)的方法進(jìn)行相關(guān)計算，從而得出橫向或者縱向的墩中心的偏位。

現(xiàn)場具體實施具體步驟如下。

選擇合適的地點，在橋墩附近建立獨立坐標(biāo)系，在全站儀中輸入測站和定向點坐標(biāo)(可以把測站點設(shè)為原點，全站儀采用盤左測量，將定向點選為橋墩底部的一個角點，將測站點和定向點的連線作為一坐標(biāo)軸)，測出橋墩所求偏位方向底部左右兩個角點的角度。

計算得出1/2夾角的度數(shù)。全站儀保持豎直制動不動，調(diào)整水平制動使角度值等于1/2夾角。此時該點為所求偏位方向的理論橋墩中線。

繼續(xù)瞄準(zhǔn)上部表面進(jìn)行水平、豎直制動測量結(jié)構(gòu)物測試范圍內(nèi)的上部表面到儀器的水平距離以及儀器水平面到上部表面的高差，保持水平制動，松開豎直制動移動至上部表面后測量水平距離以及儀器水平面到上部表面的高差，以此類推到、。則橋墩上下兩點的平距差計算式子如式(2)所示。

1=-(=1,2,3,4,…)

(2)

式中:1為橋墩表面任意一點跟起始點的平距差。

由于地勢原因，不可避免會出現(xiàn)測站點與測試面不垂直的情況，會出現(xiàn)一定的夾角，以至測量得出的數(shù)據(jù)不僅包含順橋向的偏差還包括橫橋向的偏差，即有一定的誤差，并且根據(jù)測試距離的遠(yuǎn)近以及與測試面的夾角大小造成的誤差也不一樣。

鑒于以上情況，需將測方法進(jìn)一步改進(jìn)。如圖1所示。具體實施方案如下所述。

圖1 修正后的平距法

3.2 理論計算具體步驟

測出水平角∠，以及、的水平距，、。

轉(zhuǎn)動水平微動螺旋，將全站儀的水平角調(diào)到角平分線位置，此時即選取到了橋墩的中心線，之后只需調(diào)動豎直微動螺旋，即可得到橋墩中心線每個高程的水平距。

由于已知橋墩的長度，利用數(shù)學(xué)方法得到∠，∠的角度，然后根據(jù)測得的、?？梢孕拚玫矫恳粋€的距離。根據(jù)的距離得到平距差。

4 實 例

巴洛河特大橋地處貴州高原向湘西丘陵過渡地帶的北部邊緣一帶，場區(qū)屬構(gòu)造溶蝕底山地貌。橋址區(qū)有鄉(xiāng)村路通至附近，交通條件較好。全橋共兩聯(lián)：(95+180+95)m；起始樁號：K88+970，終止樁號：K89+671.5，橋長701.5 m，上部結(jié)構(gòu)主橋采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)，引橋結(jié)合地形條件采用40 m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。下部結(jié)構(gòu)主墩墩身采用雙肢等截面矩形空心薄壁墩，主墩采用整體式承臺基礎(chǔ)，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。

主橋上部構(gòu)造(95+180+95)m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁，箱梁根部梁高11.5 m，跨中梁高4.0 m，頂板厚32 cm，墩頂箱梁頂板加厚到80 cm，底板厚從跨中至根部由32 cm變化為110 cm，腹板從跨中至根部分三段采用50 cm、60 cm、80 cm三種厚度，箱梁高度和底板厚度按1.8次拋物線變化。箱梁頂板橫向?qū)?2.55 m，箱底寬6.5 m，翼緣懸臂長3.025 m。箱梁0號節(jié)段長16 m(包括墩兩側(cè)各外伸1 m)，每個懸澆“T”縱向?qū)ΨQ劃分為22個節(jié)段，梁段數(shù)及梁段長從根部至跨中分別為7×3.0 m、15×4.0 m，節(jié)段懸澆總長81.0 m。邊、中跨合攏段長均為2 m，邊跨現(xiàn)澆段長4 m。箱梁根部設(shè)4道厚0.7 m的橫隔板，中跨跨中設(shè)一道厚0.4 m的橫隔板，邊跨梁端設(shè)一道厚1.8 m的橫隔板。

巴洛河特大橋1、2墩以及3墩都屬于高墩，橋墩施工過程中垂直度的監(jiān)測必不可少。將改進(jìn)后的無反射棱鏡全站儀測量法應(yīng)用于某特大橋83 m高左幅3墩上。

基于無反射棱鏡全站儀測量法得出左幅3墩順橋向的傾斜量如表1所示。

表1 3#順橋向偏位

對同一高程點基于改進(jìn)無反射棱鏡全站儀測量法得出左幅3墩順橋向的傾斜量如表2所示。

表2 3#墩順橋向偏位

根據(jù)事先在同一高程位置粘貼好的反射片，利用全站儀普通測量模式測得各點坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)運(yùn)算，得到墩偏位數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 3#墩普通測量模式下偏位

由此可以看出，將改進(jìn)的無反射棱鏡全站儀測量法應(yīng)用于實際工程中，可獲得較高的測量精度。

5 結(jié)束語

提出了基于無反射棱鏡全站儀的改進(jìn)測量方法，對于一些需要精密測量但人工無法到達(dá)或者危險性比較大的地方，應(yīng)用該法可以得到更準(zhǔn)確地結(jié)果。結(jié)合了工程實際，進(jìn)一步論證了該法的可行性。