楊依彬

【摘 要】論文采用徠卡TS60全站儀，使用三角高程測(cè)量方法，對(duì)高鐵橋墩進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，通過(guò)誤差來(lái)源分析，角度測(cè)量誤差，距離測(cè)量誤差，儀器高、目標(biāo)高測(cè)量誤差及大氣折光及地球曲率對(duì)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量精度的影響分析，通過(guò)控制視線長(zhǎng)度及監(jiān)測(cè)點(diǎn)高度角等方式提高觀測(cè)精度，以滿足規(guī)范對(duì)高鐵沉降監(jiān)測(cè)的精度要求，并在生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。

【Abstract】This paper adopts Leica TS60 total station and triangular elevation measurement method to monitor the settlement of high-speed railway piers. Through analyzing the impact of error sources， angle measurement error， distance measurement error， instrument height， target height measurement error， atmospheric refraction and earth curvature on the measurement accuracy of settlement monitoring points， the ?measurement accuracy is improved by controlling the line of sight length and height angle of monitoring points， so as to meet the accuracy requirement of high-speed railway subsidence monitoring， and it is verified in production experiments.

【關(guān)鍵詞】三角高程;角度測(cè)量;距離測(cè)量;誤差來(lái)源分析

【Keywords】 trigonometric elevation; angle measurement; distance measurement; error source analysis

【中圖分類號(hào)】U212.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2019）06-0163-02

1 引言

在高鐵附近進(jìn)行打樁施工和基坑開(kāi)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。

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。

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。

對(duì)上式微分根據(jù)誤差傳播定律可得：m=m+（tan2α+（）D2）·m+D4m/（4R2）+m+m（2）

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(shū)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：

m=0.085mm2+0.006mm2+0.002mm2+0mm2=0.093mm2（3）

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(kāi)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。

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(kāi)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。

【參考文獻(xiàn)】

【1】張正祿，鄧勇，羅長(zhǎng)林，等.精密三角高程代替一等水準(zhǔn)測(cè)量的研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2006（31）：5-6.