王建紅

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

1 概述

高速鐵路無砟軌道施工前必須進(jìn)行線下工程沉降變形監(jiān)測(cè)，目的是預(yù)測(cè)線下工程最終沉降量和工后沉降，合理確定無砟軌道鋪設(shè)時(shí)間，確保鋪設(shè)質(zhì)量。在《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》、《高速鐵路無砟軌道工程施工精調(diào)作業(yè)指南》與《客運(yùn)專線鐵路變形觀測(cè)評(píng)估技術(shù)手冊(cè)》中，對(duì)橋梁墩臺(tái)沉降都有明確要求，大跨度水中墩的沉降監(jiān)測(cè)更是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。高速鐵路線下工程沉降監(jiān)測(cè)的精度要求按變形監(jiān)測(cè)三級(jí)執(zhí)行，相當(dāng)于國家二等水準(zhǔn)測(cè)量精度。沉降監(jiān)測(cè)的精度采用二等水準(zhǔn)測(cè)量的方法都能滿足要求。高速鐵路線跨越大的河流湖泊時(shí)，水中墩的沉降監(jiān)測(cè)實(shí)施相當(dāng)困難，無論從測(cè)量方法選擇，還是測(cè)量場(chǎng)地的布置，跨度小于100 m的墩間距可按《國家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》的常規(guī)要求進(jìn)行施測(cè)，跨度連續(xù)大于100 m的墩間距無法滿足二等水準(zhǔn)測(cè)量常規(guī)方法要求，按規(guī)范要求應(yīng)進(jìn)行跨河水準(zhǔn)觀測(cè)。但跨河水準(zhǔn)測(cè)量的條件相當(dāng)苛刻，并且水中墩的場(chǎng)地?zé)o法布置跨河水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地，所有的大跨度水中墩的沉降監(jiān)測(cè)都需根據(jù)情況做詳細(xì)的觀測(cè)方案。

本文討論在連續(xù)跨度大于100 m的水中墩進(jìn)行沉降觀測(cè)的一種實(shí)施方案，采用精密全站儀使用中間設(shè)站精密三角高程的方法對(duì)水中墩進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，使用徠卡TCA2003全站儀。TCA2003全站儀的測(cè)角精度為0.5″、測(cè)距精度為1 mm+1×10－6D，并且具有 ATR棱鏡自動(dòng)照準(zhǔn)功能、可編程自動(dòng)驅(qū)動(dòng)觀測(cè)的特點(diǎn)，可減少人工操作誤差;通過建立中間設(shè)站精密三角高程測(cè)量數(shù)學(xué)模型，估算中間設(shè)站精密三角高程測(cè)量精度，在變化距離與角度情況下與二等水準(zhǔn)測(cè)量限差進(jìn)行對(duì)比分析，分析實(shí)施過程中的操作條件。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，采用高精度全站儀對(duì)連續(xù)大跨度水中墩的沉降觀測(cè)方案是可行的。

2 精度分析

2.1 精密三角高程測(cè)量原理

由圖1三角高程測(cè)量原理示意可知，在A點(diǎn)架設(shè)全站儀，從A點(diǎn)觀測(cè)B點(diǎn)，B點(diǎn)相對(duì)于A點(diǎn)的高差為

其中A＇為儀器中心，B＇為棱鏡中心，觀測(cè)豎直角為αAB，斜距為 SAB，儀器高 AA＇為 iA，棱鏡高 BB＇為 vB，γAB為A點(diǎn)在觀測(cè)方向上的垂直折光角，H＇H=D2/2R為地球曲率對(duì)高差的影響，γAB=－K·DAB/2R，K為大氣垂直折光系數(shù)，R為地球平均曲率半徑。

圖1 精密三角高程測(cè)量原理

圖2 中間設(shè)站精密三角高程測(cè)量示意

2.2 中間設(shè)站精密三角高程測(cè)量原理

由圖2可以同理寫出從A點(diǎn)觀測(cè)C點(diǎn)，C點(diǎn)對(duì)于A點(diǎn)的高差為

在實(shí)際測(cè)量中，B，C采用棱鏡強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志，測(cè)量的棱鏡高度無需進(jìn)行量測(cè)，在公式(1)，(2)中 νB=νC=0，對(duì)公式(1)，(2)進(jìn)行相減得到 CB之間的高差hCB

2.3 中間設(shè)站精密三角高程測(cè)量精度分析

對(duì)(3)進(jìn)行全微分，根據(jù)誤差傳播定律得到CB點(diǎn)間的高差中誤差為

其中mf為大氣折光對(duì)高差的影響

中間設(shè)站要求前后平距盡量相等，即DAB≈DAC=D，前后豎角盡量小并相等，即αAB≈αAC=α，同一臺(tái)儀器有測(cè)距誤差相等，測(cè)角誤差相等，mSAB=mSAC=mS，;對(duì)(4)，(5)兩式整理

或

公式(6)為斜距表示的CB點(diǎn)間高差中誤差，公式(7)為平距表示的CB點(diǎn)間高差中誤差。

在《鐵路工程測(cè)量》中大氣折光系數(shù)誤差為0.03，一些文獻(xiàn)表明，大氣折光系數(shù)k的中誤差約為±0.02～±0.05，本文取最大值mk=±0.05;按兩倍的中誤差作為測(cè)量限差，距離取L=2D，我國二等水準(zhǔn)測(cè)量的相鄰水準(zhǔn)點(diǎn)間高差限差4表1是每站固定平距與角度時(shí)，采用TCA2003全站儀的測(cè)角精度為0.5″、測(cè)距精度為1 mm+1×10－6D，大氣折光系數(shù) k =0.14，大氣折光系數(shù)中誤差mk=±0.05，中誤差與二等水準(zhǔn)限差的一半的比較情況。

表1 每站高差中誤差表與二等水準(zhǔn)限差對(duì)照 mm

《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中，要求中間設(shè)站三角高程的測(cè)回?cái)?shù)為4個(gè)測(cè)回，垂直角測(cè)回間較差小于5″，前后視距差要求小于5 m，距離測(cè)量的測(cè)回內(nèi)，測(cè)回間的較差小于2 mm，距離不超150 m;從表1中的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出在距離小于400 m，豎角小于10°的情況下可以滿足限差要求，在實(shí)地場(chǎng)地布置的時(shí)候盡量控制前后視距基本相等;在測(cè)量過程中增加測(cè)回?cái)?shù)，提高測(cè)角的精度;控制豎角足夠小并且前后豎角基本相等，可減小大氣折光與地球曲率對(duì)高差精度的影響，表1中的精度估算是可靠的。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

某條在建高速鐵路穿越某河流，有4個(gè)橋墩在河流中間，并且中間三跨距離都連續(xù)在120 m以上，靠近岸邊的橋墩離岸距離也將近100 m;垂直位移變形觀測(cè)采用二等水準(zhǔn)測(cè)量的方法施測(cè)，橋梁沉降變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的測(cè)量滿足不了跨河水準(zhǔn)測(cè)量的場(chǎng)地布設(shè)要求，現(xiàn)場(chǎng)情況如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)情況示意

3.2 方案研究

為了進(jìn)行正常的沉降變形監(jiān)測(cè)，探討研究采用中間設(shè)站三角高程方法，使用高精度全站儀TCA2003進(jìn)行測(cè)量的方案，其中沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)與工作基點(diǎn)都采用強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志(如圖4所示)，測(cè)量時(shí)使用開發(fā)的全站儀自動(dòng)觀測(cè)程序。在沉降監(jiān)測(cè)的在橋墩垂直線路兩側(cè)修建架設(shè)全站儀的工作平臺(tái)，墩身埋設(shè)強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)標(biāo)志，標(biāo)志高度與全站儀架設(shè)高度等高，工作基點(diǎn)的高度埋設(shè)時(shí)與沉降監(jiān)測(cè)標(biāo)志基本同高。工作基點(diǎn)在位置選擇好后，采用二等水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量，河兩岸的工作基點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，單獨(dú)完成監(jiān)測(cè)網(wǎng)建立工作。工作基點(diǎn)水準(zhǔn)測(cè)量采用圖4中高程連接桿，使用全站儀三角高程測(cè)量時(shí)采用圖4中棱鏡連接桿，工作基點(diǎn)的高程嚴(yán)格歸化到棱鏡中心。橋墩變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)全部采用圖4中棱鏡連接桿。

橋墩的沉降監(jiān)測(cè)標(biāo)志分左、右線分別進(jìn)行觀測(cè)，以右側(cè)為例，首先在G1，J2，J4設(shè)站，觀測(cè) A、J1、J3、D之間的高差;再在J1，J3，D2設(shè)站，觀測(cè)A、J2、J4、D之間高差，形成兩條路線。每個(gè)設(shè)站調(diào)整儀器高度進(jìn)行兩次獨(dú)立觀測(cè)，兩次獨(dú)立觀測(cè)形成往返測(cè)量。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在岸上選擇合適位置按3.2中的觀測(cè)方案，進(jìn)行了測(cè)量方案的場(chǎng)外實(shí)驗(yàn)，中間距離設(shè)計(jì)為160 m左右，靠近岸邊的距離為100 m左右，兩次單獨(dú)設(shè)站的高差都小于1 mm，往返較差如表2所示。

圖4 測(cè)量配件示意

表2 往返高差較差

對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平差，平差的高差平差值及其精度如表3所示。

表3 高差平差值及其精度

平差完后的高程平差值及其精度如表4所示。

表4 高程平差值及其精度

《建筑變形測(cè)量規(guī)范》中三級(jí)垂直位移變形測(cè)量與《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》三等垂直位移變形監(jiān)測(cè)中對(duì)變形點(diǎn)的高程中誤差限差為1 mm，相鄰變形點(diǎn)的高差中誤差為0.5 mm，從表3、表4中的平差數(shù)據(jù)可以看出，各項(xiàng)精度指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

3.4 觀測(cè)注意事項(xiàng)

(1)為了減小折光的影響，最好選擇陰天進(jìn)行觀測(cè)，垂直角觀測(cè)宜在日出后2 h至日落前2 h期間目標(biāo)成像清晰時(shí)進(jìn)行。

(2)測(cè)回?cái)?shù)在4個(gè)測(cè)回以上，強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)的重復(fù)安裝誤差小于0.2 mm。

(3)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)的溫度氣壓嚴(yán)格記錄輸入，溫度精確到0.2℃，氣壓0.5 hPa。

(4)儀器設(shè)站位置每次嚴(yán)格固定，并且前后視距差不宜大于5 m，兩次設(shè)站所測(cè)高差之差應(yīng)小于1 mm。

(5)觀測(cè)線路設(shè)計(jì)中，盡量減少設(shè)站數(shù)或減少線路距離，有利于精度控制，避免遠(yuǎn)離工作基點(diǎn)的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程平差精度超限。

［1］TB 10601—2009/J 962—2009 高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范［S］

［2］JGJ8—2007/J719—2007 建筑變形測(cè)量規(guī)范［S］

［3］TB 10101－2009/J961－2009 鐵路工程測(cè)量規(guī)范［S］

［4］鐵建設(shè)函［2009］674號(hào) 高速鐵路無砟軌道工程施工精調(diào)作業(yè)指南［S］

［5］工管技［2009］77號(hào) 客運(yùn)專線鐵路變形觀測(cè)評(píng)估技術(shù)手冊(cè)［S］

［6］李青岳．工程測(cè)量學(xué)［M］．北京．測(cè)繪出版社，2001

［7］晏紅波，黃 騰，鄧 標(biāo)．智能全站儀精密三角高程測(cè)量替代二等水準(zhǔn)測(cè)量［J］．水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2007，31(4)

［8］郭春喜，陽海峰．精密三角高程替代二等水準(zhǔn)的可行性研究［J］．測(cè)繪信息與工程，2010，35(2)