上海浦東新區(qū)三林橋路工程有限責(zé)任公司 胡靈杰

高程測(cè)量在管道施工中的應(yīng)用

上海浦東新區(qū)三林橋路工程有限責(zé)任公司 胡靈杰

一、工程概況

岷江為長江上游左岸的一級(jí)支流，且是長江水量最大的支流。岷江干流金馬河段長70.6km，是成都市境內(nèi)一條重要的多功能輸水河道，在成都市乃至四川省的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中占有重要地位。但金馬河河段徑流年內(nèi)分配不均，加之受上游都江堰等灌區(qū)引水影響，枯水期河道干枯見底，使得水生態(tài)功能難以維持，水環(huán)境質(zhì)量下降，河床下切。加之多年來的無序采砂，導(dǎo)致河勢(shì)不穩(wěn)，嚴(yán)重影響了河道的取水安全。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，金馬河兩岸的工農(nóng)業(yè)布局發(fā)生了很大變化，對(duì)水資源配置以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提出了更高要求。為適應(yīng)成都市的發(fā)展戰(zhàn)略，進(jìn)一步發(fā)揮水資源的綜合效益，保障成都市特別是都江堰、溫江、新津等區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展，盡早實(shí)施取水管道工程建設(shè)顯得尤為迫切。

根據(jù)成都市水務(wù)局《成都金馬河綜合整治規(guī)劃》的要求，溫江段金馬河需建設(shè)4級(jí)生態(tài)閘壩，取水管道工程管線起點(diǎn)為新建取水口（位于1級(jí)閘壩上游），終點(diǎn)為岷江水廠，全長約為10.5km，采用DN2000PCCP管雙線鋪設(shè)。管道全線主要位于河堤外側(cè)，局部段（有障礙）繞行至河堤內(nèi)側(cè)，整個(gè)線路都位于金馬河河堤左岸30m的河道保護(hù)帶內(nèi)。

二、測(cè)區(qū)概況

金馬河兩岸分布了溫江區(qū)、都江堰市、崇州市、雙流縣、新津縣等5個(gè)區(qū)、市、縣，共有113個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積達(dá)4 202km2，總?cè)丝?77萬，在成都市乃至四川省的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中都占有重要地位。該區(qū)域?qū)賮啛釒駶櫄夂騾^(qū)，歷年最冷月平均氣溫4.6℃，最熱月平均氣溫24.4℃。平均年降雨量1 243.80mm。區(qū)域內(nèi)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹W，C，風(fēng)向頻率（%）為12、41，最大風(fēng)速為17m/s，平均風(fēng)速為1.3m/s，本地?zé)o臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)。年平均最大相對(duì)濕度80，最小相對(duì)濕度75；年平均最大絕對(duì)濕度15.2，最小絕對(duì)濕度14.3。歷年平均氣壓933.7MPa。

三、已有測(cè)量資料

1. 成都國際體育城取水管道施工設(shè)計(jì)圖紙。

2. 控制點(diǎn)成果表，由溫江區(qū)規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)室提供。坐標(biāo)采用成都市平面坐標(biāo)系統(tǒng)，高程系統(tǒng)采用1985年國家高程基準(zhǔn)。數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 控制點(diǎn)成果表

四、作業(yè)依據(jù)

1.《工程測(cè)量規(guī)范》（GB 50026-2007）。

2.《國家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》（GB 12898-91）。

3.《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50268-97）。

4.《Q/JWP“PCCP 管”安裝規(guī)程》（JGJ 18-96）。

五、測(cè)量方法

1. 水準(zhǔn)儀法。

（1）水準(zhǔn)測(cè)量原理。水準(zhǔn)測(cè)量是利用水準(zhǔn)儀提供一條水平視線，對(duì)豎立在兩地面點(diǎn)的水準(zhǔn)尺上分別進(jìn)行瞄準(zhǔn)和讀數(shù)，以測(cè)定兩點(diǎn)間的高差，再根據(jù)已知點(diǎn)的高程，推算待定點(diǎn)的高程。

（2）水準(zhǔn)讀數(shù)。

后視讀數(shù)（a）：水準(zhǔn)儀在已知高程點(diǎn)A上水準(zhǔn)尺的水準(zhǔn)讀數(shù)。

后視讀數(shù)（b）：水準(zhǔn)儀在待求高程點(diǎn)B上水準(zhǔn)尺的水準(zhǔn)讀數(shù)。

水準(zhǔn)讀數(shù)的大?。寒?dāng)視線水平時(shí)，立尺點(diǎn)越低，則該點(diǎn)上的水準(zhǔn)讀數(shù)越大，反之，立尺點(diǎn)越高，其上水準(zhǔn)讀數(shù)就越?。ㄈ鐖D1所示）。

圖1 水準(zhǔn)測(cè)量原理

（3）水準(zhǔn)測(cè)量公式。

①高差法公式。為了避免兩點(diǎn)間高差的正負(fù)號(hào)搞錯(cuò)，規(guī)定高差h的寫法為hAB，hAB為從A點(diǎn)至B點(diǎn)的高差，hAB=a-b。（可以理解為高差具有方向性）。當(dāng)hAB為正值時(shí)，表示前視點(diǎn)B高于后視點(diǎn)A；當(dāng)hAB為負(fù)時(shí)，表示前視點(diǎn)B低于后視點(diǎn)A。有了高差，就可根據(jù)A點(diǎn)高程求得B點(diǎn)高程了，即：

式（1）表明：待定點(diǎn)高程的測(cè)量，在實(shí)際中表現(xiàn)為兩相鄰點(diǎn)之間的高差測(cè)量。所以，高程測(cè)量的實(shí)質(zhì)就是測(cè)量高差。

②視線高法公式。另外還可通過儀器的視線高Hi，計(jì)算B點(diǎn)的高程，即

在一般情況下，安置一次水準(zhǔn)儀需要測(cè)量若干前視點(diǎn)高程時(shí)，使用視線高法比較方便。

2. 懸掛鋼尺法。在高度過高、常規(guī)鋼尺量高操作不便時(shí)，可采用水準(zhǔn)儀配合長鋼尺測(cè)高。當(dāng)欲測(cè)設(shè)高程與水準(zhǔn)點(diǎn)之間的高差很大時(shí)，可以用懸掛鋼尺來代替水準(zhǔn)尺進(jìn)行測(cè)設(shè)。

本工程橫穿金馬湖大橋，在5#橋墩和6#橋墩之間開挖基槽，深度為8.4m，基槽開挖時(shí)采用鋼板樁支護(hù)，高程由地面?zhèn)鬟f至槽底時(shí)即采用懸掛鋼尺法。如圖2所示：水準(zhǔn)點(diǎn)A的高程已知，為了要在深基坑內(nèi)測(cè)設(shè)出設(shè)計(jì)高程HB，在深基坑一側(cè)懸掛鋼尺（尺的零端在下端，并掛一個(gè)重量約等于鋼尺鑒定時(shí)拉力的重錘）代替一根水準(zhǔn)尺。

先在地面上的圖示位置安置水準(zhǔn)儀，讀出A點(diǎn)水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)a1，鋼尺上的讀數(shù)為b1，將水準(zhǔn)儀移至基坑內(nèi)安置在圖示位置，讀出鋼尺上的讀數(shù)為a2，假設(shè)B點(diǎn)水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)為b2，則有下列方程成立。

由此可以解出b2為

用逐漸打入木樁或在木樁一側(cè)畫線的方法，使立在B點(diǎn)樁位上的水準(zhǔn)尺讀數(shù)等于b2。此時(shí)，B點(diǎn)的高程就等于欲測(cè)設(shè)的高程HB。

圖2 測(cè)設(shè)深基坑內(nèi)的高程

3. 三角高程法。一百多年前，三角高程測(cè)量是測(cè)定高差的主要方法。自水準(zhǔn)測(cè)量方法出現(xiàn)以后，它已經(jīng)退居次要地位。但因其作業(yè)簡單，且不受地形條件限制，在山區(qū)和丘陵地區(qū)仍得到廣泛應(yīng)用，特別是在如今全站儀逐漸普及的時(shí)代，三角高程測(cè)量又在施工測(cè)量中煥發(fā)了新的生機(jī)。三角高程是測(cè)定大地高程的基本方法之一，但測(cè)量精度低于水準(zhǔn)測(cè)量。

（1）傳統(tǒng)三角高程測(cè)量法。三角高程測(cè)量是利用經(jīng)緯儀或全站儀測(cè)量角度，鋼尺或測(cè)距儀測(cè)距，按三角函數(shù)解算出測(cè)點(diǎn)高程的方法。該方法精度不高，適用于在地勢(shì)起伏較大的地貌進(jìn)行低精度的高程測(cè)量。

本工程金馬湖大橋下基槽開挖前，為了了解后續(xù)安裝管道施工時(shí)的作業(yè)空間高度，需測(cè)設(shè)橋梁底部高度，因?yàn)闇y(cè)量精度要求不高，所以采用傳統(tǒng)的三角高程測(cè)量，既快有好。具體方法如下：如圖3所示，橋下地面相對(duì)平坦，將經(jīng)緯儀架設(shè)在已知高程點(diǎn)A上，儀器視線瞄準(zhǔn)橋梁下部C點(diǎn)。讀出垂直角α。用鋼卷尺量得儀器高h(yuǎn)i以及C點(diǎn)的水平投影點(diǎn)B至已知高程點(diǎn)A點(diǎn)的水平距離dAB。已知A點(diǎn)高程為HA，則C點(diǎn)高程為

圖3 傳統(tǒng)三角高程測(cè)設(shè)金馬湖大橋橋梁底部高度

式（6）是三角高程測(cè)量的基本公式。首先假設(shè)A、B兩點(diǎn)相距不太遠(yuǎn)，可以將水平面看成水準(zhǔn)面，也不考慮大氣折光的影響。因此，只有當(dāng)A、B兩點(diǎn)間的距離很短，地勢(shì)平坦時(shí)，才比較準(zhǔn)確。當(dāng)A、B兩點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)，就必須考慮地球彎曲和大氣折光的影響了。這里不敘述如何進(jìn)行球差和氣差的改正。從傳統(tǒng)的三角高程測(cè)量方法中可以看出，它有以下2個(gè)特點(diǎn)：經(jīng)緯儀必須架設(shè)在已知高程點(diǎn)上，且AB兩點(diǎn)間距離較短、地勢(shì)較為平坦；對(duì)測(cè)量精度要求不高。

隨著全站儀在施工中的普遍應(yīng)用及全站儀功能的不斷完善，使用棱鏡、反射貼片、無棱鏡測(cè)量模式，均能精確地測(cè)距，這使得傳統(tǒng)三角高程測(cè)量的精度有所提升，并且避免了許多繁瑣的步驟。但其原理與經(jīng)緯儀測(cè)三角高程的原理是一樣的，即，靈活運(yùn)用三角函數(shù)公式測(cè)算高程。

（2）三角高程測(cè)量新方法。在本工程施工前原始地貌標(biāo)高復(fù)測(cè)作業(yè)中，管線距離較長，為10.5km。管線途徑金馬河河堤附近，植物繁茂，地貌高差較大。采用普通水準(zhǔn)測(cè)量的工作量較大，故而采用新的三角高程法，即三角高程全站儀法。把全站儀當(dāng)做水準(zhǔn)儀使用，不必把儀器架設(shè)在已知高程點(diǎn)上，也不必量取儀高、覘高，但還需利用三角高程測(cè)量原理測(cè)出待測(cè)點(diǎn)的高程。這樣不僅測(cè)量的速度大大提高而且可以減少用鋼卷尺量儀高、棱鏡高產(chǎn)生的誤差，所以這種新的測(cè)量方法比傳統(tǒng)的三角高程測(cè)量精度更高，比普通水準(zhǔn)測(cè)量更快。

如圖4所示，A為已知點(diǎn)高程，B為待測(cè)點(diǎn)。這里要通過全站儀測(cè)定其他待測(cè)點(diǎn)的高程。計(jì)算公式如下：

圖4 三角高程新的方法測(cè)設(shè)金馬湖大橋橋梁底部高度

由HC+Hi=HA+L-V1=HB+L-V2，可得

式（7）、式（8）和式（9）中，V代表高差，L代表棱鏡高，α、β代表垂直角（垂直角有正負(fù)之分，仰角為正，俯角為負(fù)），HA、HB、HC代表該點(diǎn)的絕對(duì)高程。此方法的步驟如下：儀器置于任一點(diǎn)，但所選點(diǎn)位要求能和已知高程點(diǎn)通視；整平儀器，對(duì)準(zhǔn)已知點(diǎn)A測(cè)出其平距和垂直角然后計(jì)算出V1；儀器不動(dòng)，再對(duì)準(zhǔn)B點(diǎn)，同A點(diǎn)一樣測(cè)出平距和垂直角然后計(jì)算出V2，進(jìn)而求得高程HB。

需要注意：此種方法雖然不需要測(cè)量儀器高Hi和棱鏡高L，但此處L是固定值，即視前后2次觀測(cè)，棱鏡高是相同的。

例：已知A點(diǎn)的絕對(duì)高程為519.510m，測(cè)站點(diǎn)到A點(diǎn)的平距D=58.2m，垂直角α= 10°30″23′，測(cè)站點(diǎn)到未知點(diǎn)B的平距為66.543m，垂直角為β=0°55″22′求該點(diǎn)B的絕對(duì)高程。

4. GPS高程測(cè)量法。GPS的英文全稱是Navigation SatelliteTiming And Ranging Global Position System，簡稱GPS，有時(shí)也被稱作NAVSTAR GPS，是利用衛(wèi)星的測(cè)時(shí)和測(cè)距進(jìn)行導(dǎo)航，以構(gòu)成全球定位系統(tǒng)。它可以向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、全天候、高精度的三維位置、運(yùn)動(dòng)物體的三維速度和時(shí)間信息等。GPS技術(shù)除了運(yùn)用于精密導(dǎo)航和軍事目的外，還廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、地球資源勘探等領(lǐng)域。在施工測(cè)量中，常用于特征點(diǎn)采集、點(diǎn)放樣、直線放樣、曲線放樣、面積測(cè)量、線路放樣與測(cè)量、斷面測(cè)量、道路設(shè)計(jì)、斷面設(shè)計(jì)等。

（1） GPS的基本組成。GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分即GPS衛(wèi)星星座，地面控制部分即地面監(jiān)控系統(tǒng)，用戶設(shè)備部分即GPS信號(hào)接收機(jī)。

（2）GPS用于高程控制測(cè)量。用GPS技術(shù)，通過WGS-84橢球體高程與大地水準(zhǔn)面黃海高程系的轉(zhuǎn)換，其精度已能達(dá)到三、四等水準(zhǔn)測(cè)量。利用GPS的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)（RTK）可以高效、方便的同時(shí)測(cè)定三維坐標(biāo)（x，y，h），因此本工程平面控制測(cè)量點(diǎn)、高程控制測(cè)量點(diǎn)均由溫江規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)室使用的天津三鼎“T20”RTK測(cè)量系統(tǒng)施測(cè)。

（3） GPS定位系統(tǒng)的功能特點(diǎn)。

①各測(cè)站間不需要通視，但測(cè)站點(diǎn)上空需開闊，能接收到衛(wèi)星信號(hào)。

②定位精度高。近幾年，國內(nèi)引進(jìn)了許多種類型的GPS測(cè)地型接收機(jī)。各種類型的GPS測(cè)地型接收機(jī)用于精密相對(duì)定位時(shí)，其雙頻接收機(jī)精度可達(dá)5mm+1PPM.D，單頻接收機(jī)在一定距離內(nèi)精度可達(dá)10mm+1PPM.D。

③測(cè)量時(shí)間短。

④可以提供三維坐標(biāo)。

⑤操作簡單。

⑥可全天候自動(dòng)化作業(yè)。

5. 連通管法。在測(cè)量技術(shù)不斷發(fā)展的今天，各種新型、高精確度的測(cè)量儀器普遍應(yīng)用于高程測(cè)量。但是連通管法以其操作簡單，原理通俗易懂，可在視線不通視的異形空間內(nèi)測(cè)量高程等特點(diǎn)，在建筑內(nèi)裝飾、模板安裝工程中有著廣泛應(yīng)用。

具體方法及原理：幾個(gè)底部互相連通的容器，注入同一種液體，在液體不流動(dòng)時(shí)連通器內(nèi)各容器的液面總是保持在同一水平面上。現(xiàn)場(chǎng)施工中常用橡皮管，內(nèi)裝自來水，將其中一根管固定，使另一根管升高、降低或傾斜，可看到兩根管里的液面在靜止時(shí)總保持相平。注意：橡皮管內(nèi)壁附著的氣泡要彈出，否則將會(huì)影響測(cè)量精度。

六、測(cè)量的生產(chǎn)管理

施工測(cè)量放線工作是工程施工總體中的全局性工序，是工程施工各環(huán)節(jié)的先導(dǎo)性工作，也是該環(huán)節(jié)終了時(shí)的驗(yàn)收性工作。根據(jù)施工進(jìn)度的需要，及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量放線、找平，為施工挖槽、支模、鋪設(shè)墊層、安裝管道等工序提供重要依據(jù)。然而有些土木工程人員偏激地認(rèn)為，測(cè)量是不產(chǎn)生效益的輔助性工作，因而不重視測(cè)量工作。近年來，由于施工人員對(duì)測(cè)量工作麻痹大意、疏于管理，對(duì)工程造成重大損失的案例屢見不鮮?？梢哉f，測(cè)量的成功不一定能帶來工程的勝利，但是測(cè)量的失敗，必然導(dǎo)致工程的失利。因此，對(duì)測(cè)量班組的管理顯得尤為重要。

上海浦東新區(qū)三林橋路工程有限責(zé)任公司施工測(cè)量管理體系共分3級(jí)：一是公司級(jí)。公司技術(shù)質(zhì)量部設(shè)專業(yè)測(cè)量隊(duì)，由測(cè)量工程師與測(cè)量技師組成，配備GPS、全站儀、電子水準(zhǔn)儀、精密水準(zhǔn)儀等成套儀器，負(fù)責(zé)各項(xiàng)目工程場(chǎng)地控制網(wǎng)的建立，并對(duì)各項(xiàng)目部的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行復(fù)測(cè)驗(yàn)，擔(dān)任變形與沉降觀測(cè)任務(wù)，負(fù)責(zé)對(duì)項(xiàng)目部一級(jí)的測(cè)量員進(jìn)行技術(shù)交底、培訓(xùn)教育等工作。二是項(xiàng)目部級(jí)。由高級(jí)、中級(jí)放線工負(fù)責(zé)，配備一般經(jīng)緯儀及水準(zhǔn)儀。其任務(wù)是根據(jù)項(xiàng)目部施工進(jìn)度的需要，進(jìn)行工程細(xì)部放樣與找平，直接服務(wù)于施工作業(yè)。三是施工班組級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)班組的施工班組長配備1～2名測(cè)量配合人員，需熟悉架設(shè)棱鏡、立塔尺、帶線、吊重錘等基本的測(cè)量輔助工作。這樣不僅可以提高測(cè)量工作的速度，而且避免了由于測(cè)量配合人員操作失誤造成的測(cè)量工作的錯(cuò)誤和返工。

測(cè)量管理的基本內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)。

1. 圖紙與資料管理。

2. 測(cè)量儀器設(shè)備管理。

3. 測(cè)量人員安全生產(chǎn)與場(chǎng)地控制樁管理。

4. 測(cè)量人員的政治思想與崗位責(zé)任管理。

5. 測(cè)量工作的獎(jiǎng)罰措施管理。

七、結(jié)論與建議

在施工高程測(cè)量中，水準(zhǔn)儀測(cè)高程精度高，但是遇到地勢(shì)起伏變化大的時(shí)候水準(zhǔn)儀就顯得特別麻煩；三角高程可以不受地形限制，但精度確不如水準(zhǔn)測(cè)量；GPS高程測(cè)量精度較高，且不受地勢(shì)起伏影響，但在儀器上空有障礙物時(shí)，無法接收衛(wèi)星信號(hào)；連通管法操作靈活、方便簡單，但只能引測(cè)同一水平面上的各點(diǎn)?？傊?，以上幾種測(cè)高方法在施工中都經(jīng)常使用，各有優(yōu)劣。結(jié)合實(shí)際施工情況，同時(shí)根據(jù)地形的受限程度，可選擇性地使用某種方法，或者幾種方法結(jié)合使用。