張鴻祥，劉平利，王傳先，劉松源，陳艷波

（1.河南省地質(zhì)調(diào)查院 河南省城市地質(zhì)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001；2.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，河南 鄭州 450001）

近年來隨著我國交通基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，特別是高速鐵路的不斷延伸，高速鐵路逐步形成網(wǎng)狀分布的態(tài)勢。對于高速鐵路來說，支撐橋墩是最重要和最常見的基礎(chǔ)設(shè)施之一，下穿高鐵高架橋鄰近高鐵橋墩開挖施工，將會不可避免地對橋墩產(chǎn)生影響[1]。為減少基坑施工對高速鐵路橋墩變形的影響，保證行車安全，通常需采取相應(yīng)的措施來降低施工開挖對橋墩的影響，同時對橋墩的平面位移監(jiān)測也是必不可少的重要方式。本文以中石化投建的日照—濮陽—洛陽原油管道下穿鄭焦城際高鐵項目為例，闡述了在鄰近高鐵橋墩開挖施工中，徠卡TS30高精度全站儀在橋墩平面位移監(jiān)測中的應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 工程項目

為滿足河南省對成品油和石油化工產(chǎn)品的快速增長需求，經(jīng)相關(guān)部門批準(zhǔn)，確定建設(shè)日照—濮陽—洛陽的原油管道。該項目為國家原油和成品油管網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃重點項目，管道起點為日照嵐山區(qū)日照輸油站，終點為河南省洛陽市吉利區(qū)洛陽儲油庫，全長796 km。管道穿越焦作市修武縣境內(nèi)的鄭焦城際高速鐵路，于新月第二雙線特大橋第五孔處下穿而過，該橋孔跨徑為32 m的簡支箱梁，4號和5號橋墩采用圓端形實體橋墩，鉆孔樁基礎(chǔ)直徑為1 m。原油管道下穿線路與鐵路線之間的夾角為74 ，相交鐵路橋下凈空高為 7.72 m，管道距離鐵路橋墩承臺邊的最小距離為10.32 m， 鐵路上下行為雙線電氣化有咋軌道。項目的總體工作方案為：首先采用GPS衛(wèi)星靜態(tài)定位的方法對工作基點實施監(jiān)測[2]，并聯(lián)測工作區(qū)域高鐵建設(shè)時設(shè)立的CPI或CPII控制點，建立4個平面工作基點；然后在基巖或地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的地方設(shè)立兩個水準(zhǔn)工作基點；最后在需進(jìn)行監(jiān)測的4個橋墩上部兩側(cè)設(shè)立8個平面監(jiān)測點，在橋墩下部兩側(cè)距離地面約50 cm處設(shè)立8個水準(zhǔn)監(jiān)測點。在工程施工前后，應(yīng)利用徠卡TS30高精度全站儀和天寶電子水準(zhǔn)儀對4個橋墩同時進(jìn)行平面位移和垂直位移的監(jiān)測。施工現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 施工現(xiàn)場

1.2 地質(zhì)條件與防護(hù)結(jié)構(gòu)

施工區(qū)域地處丘陵與平原過渡地帶，工程范圍 屬于沖積平原地貌，地勢平坦，地表主要為農(nóng)田。地層為第四系全新統(tǒng)素填土、沖積粉土、中砂，其中素填土分布于地表，厚約1.8 m，黃褐色，松散；沖積粉土分布于素填土下層，厚約8～9 m，黃褐色，中密；中砂分布于沖積粉土層之下，厚約20 m，灰黃色，中密。根據(jù)資料顯示，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動不明顯，地震烈度較小，橋址未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)作用。

在管廊明挖施工時，不同的基坑支護(hù)型將會對周邊土體產(chǎn)生不同程度的擾動，而土體擾動可能會對已建高鐵墩柱帶來安全隱患[3]。根據(jù)工程地質(zhì)條件，將鋼筋混凝土蓋板作為防護(hù)結(jié)構(gòu)通過，蓋板厚20 cm，寬 2 m，每塊蓋板長1.5 m，橋下通過總長60 m，距離原油管道頂部埋深為1.95 m。

2 橋墩平面位移監(jiān)測設(shè)計

2.1 平面位移監(jiān)測基準(zhǔn)點設(shè)計

本文選取項目周圍的3個穩(wěn)定且滿足要求的CPI或CPII控制點作為平面起算點，在施工前進(jìn)行復(fù)測，并確定其可靠性。

2.2 平面位移監(jiān)測工作基點設(shè)計

在監(jiān)測橋墩兩側(cè)布設(shè)4個工作基點，并聯(lián)測平面起算點建立水平位移監(jiān)測網(wǎng)；再采用GPS靜態(tài)觀測的方法間隔觀測兩次，平差后取其平均值作為工作基點的初始值。平面控制網(wǎng)的主要技術(shù)要求和精度指標(biāo)如表1所示。

表1 平面控制網(wǎng)的主要技術(shù)要求和精度指標(biāo)

2.3 平面位移監(jiān)測點設(shè)計

本文共設(shè)置8個平面位移監(jiān)測點，采用徠卡 40 mm×40 mm的反射片布設(shè)于橋墩兩側(cè)上部的中間位置，如圖2所示。獲得工作基點的初始數(shù)據(jù)后，利用徠卡TS30高精度全站儀通過后方交會的方法進(jìn)行設(shè)站；然后觀測橋墩上部的平面位移監(jiān)測點，取3次觀測值的平均值作為初始監(jiān)測點的原始數(shù)據(jù)。城市間的軌道設(shè)施作為特殊重要保護(hù)對象，其對變形的控制指標(biāo)與基坑對普通道路變形的控制指標(biāo)在量值上是不同的[4]，根據(jù)鐵路軌道交通等相關(guān)規(guī)范，本文制定的平面位移監(jiān)測主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

圖2 反射片布置圖

表2 平面位移監(jiān)測主要技術(shù)要求

3 徠卡TS30高精度全站儀的測量對比

3.1 徠卡TS30高精度全站儀簡介

徠卡TS30高精度全站儀是四代智能型高精密測量儀器，標(biāo)稱測角精度可達(dá)0.5″，測距精度可達(dá)0.6 mm+1 ppm，完美地融合了高精度角度測量、高精度距離測量、四重軸系補(bǔ)償系統(tǒng)、自動目標(biāo)識別以及快速跟蹤等功能[5]。在角度測量系統(tǒng)中，該儀器采用對徑布置4個角度探測器的方式，形成了絕對連續(xù)編碼，進(jìn)一步消除了儀器的系統(tǒng)誤差；拋物鏡面反射角度探測技術(shù)的應(yīng)用，使反射回聚焦的編碼影像更清晰，能更高效地進(jìn)行度盤探測和分析讀?。幌鄬τ趥鹘y(tǒng)全站儀，該儀器提高了15%的度盤尺寸，從而使度盤分劃更加均勻，精密分辨率更高。在測距系統(tǒng)中，該儀器將PinPoint激光脈沖技術(shù)與相位觀測法整合在一起，保證了更高的測距精度；特殊的過濾反射光組件過濾了測量時的干擾光線，從而提高了測距的可靠性。該儀器特有的四重軸系補(bǔ)償系統(tǒng)，補(bǔ)償范圍為4′，精度優(yōu)于0.5″，支持自身補(bǔ)償器校驗，通過校準(zhǔn)操作可降低儀器的系統(tǒng)誤差，提高測量精度，對于高精度的測量尤為重要。在自動目標(biāo)識別與跟蹤方面，該儀器采用壓電陶瓷驅(qū)動技術(shù)，能將電能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械動能，具有加速度快且步長小、精度高和耐磨性強(qiáng)等特點，為儀器的智能化自動高精度定位提供了基礎(chǔ)。徠卡TS30高精度全站儀的技術(shù)參數(shù)如圖3所示。

圖3 徠卡TS30高精度全站儀的技術(shù)參數(shù)

3.2 徠卡TS30高精度全站儀的監(jiān)測方式

隨著高精度智能全站儀在高鐵測量中的廣泛應(yīng)用，基于自由設(shè)站的平面位移監(jiān)測方法不僅能有效避免施工干擾，而且能有效保障或提升監(jiān)測的精度和效率[6]。利用徠卡TS30高精度全站儀在野外進(jìn)行施工測量時，根據(jù)前期收集的資料和工程施工現(xiàn)場的特點，確定測量施工方案為現(xiàn)場自由架站多點后方交會定向的方法，從而消除儀器架站時的對中誤差，再采用按照橋墩監(jiān)測點編號順序觀測的方式進(jìn)行監(jiān)測測量。

利用全站儀進(jìn)行觀測前，應(yīng)將儀器開箱放置約 20 min，以便儀器與環(huán)境溫度基本一致。儀器架站作業(yè)時，物鏡視線宜高出地面和離開建筑物1.2 m以上；晴天作業(yè)時儀器應(yīng)有遮陽傘遮陽，同時打開設(shè)站處放置的氣壓計和氣溫計，以便儀器觀測時進(jìn)行大氣改正。

在本項目工作中，利用徠卡TS30高精度全站儀對監(jiān)測點做了不同工作模式的應(yīng)用研究。在儀器設(shè)站定向方面，傳統(tǒng)的高鐵橋墩平面位移監(jiān)測方法主要包括前方交會法、極坐標(biāo)法、視準(zhǔn)線法和全圓觀測法 等[7-8]。第一種方法采用傳統(tǒng)的全圓觀測法，即儀器在已知點架站并進(jìn)行對中整平，將另一個控制點作為定向點進(jìn)行準(zhǔn)確定向，然后直接測量、讀數(shù)、記錄監(jiān)測點，重復(fù)架站測量3次，對比觀測的數(shù)據(jù)最大較差為2.2 mm，分析發(fā)現(xiàn)該方法的弊端為儀器架站必須在作業(yè)控制點上，存在每次儀器設(shè)置時的對中誤差，且作業(yè)控制點受施工現(xiàn)場影響，不能隨意選取最佳的觀測地點；第二種方法采用后方交會法，在大約距觀測點80 m處利用兩個作業(yè)控制點進(jìn)行后方交會法設(shè)站，然后直接測量、讀數(shù)、記錄監(jiān)測點，重復(fù)架站測量3次，對比觀測的數(shù)據(jù)最大較差為1.7 mm；第三種方法仍采用后方交會法，在大約距觀測點80 m處利用4個作業(yè)控制點進(jìn)行后方交會法設(shè)站，然后直接測量、讀數(shù)、記錄監(jiān)測點，重復(fù)架站測量3次，對比觀測的數(shù)據(jù)最大較差為1.3 mm。對上述3種測量方法進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，第三種方法最優(yōu)?；谧杂稍O(shè)站的基坑水平位移監(jiān)測法測站擺放靈活、網(wǎng)形多變，采用高等級的全站儀進(jìn)行觀測，可達(dá)到為基坑施工快速、準(zhǔn)確反饋變形信息的目的[9]。

項目確定運(yùn)用4個作業(yè)控制點進(jìn)行后方交會設(shè)站的方法后，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)站位置對測量精度的影響，根據(jù)施工現(xiàn)場情況，對比了在約100 m處架站和約 60 m處架站測量得到的監(jiān)測點數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，當(dāng)儀器架站處距觀測點約為60 m時，所觀測到的數(shù)據(jù)最穩(wěn)定可靠，北向和東向觀測值較平均值差值均小于 1 mm，各項誤差系數(shù)較小，可有效地對橋墩的平面位移起到監(jiān)測預(yù)警作用。全站儀監(jiān)測數(shù)據(jù)對比如表3所示。

表3 全站儀監(jiān)測數(shù)據(jù)對比表/m

4 結(jié) 語

本文利用徠卡TS30高精度全站儀進(jìn)行城際高鐵橋墩監(jiān)測，經(jīng)過多次不同監(jiān)測方法的試驗，最后確定采用4個已知控制點進(jìn)行后方交會設(shè)站的方法。該方法比 較適合現(xiàn)場施工場地靈活的選址架站，且不會產(chǎn)生儀器對中誤差，可保證設(shè)站時產(chǎn)生的各項誤差較小。在設(shè)站位置相對監(jiān)測點距離的測量試驗中，經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)，儀器架站距觀測點形成的面約為60 m時，觀測得到的數(shù)據(jù)最穩(wěn)定可靠，各項誤差 系數(shù)較小。實驗結(jié)果表明，在該類高鐵橋墩平面位移監(jiān)測中，應(yīng)同時注意運(yùn)用上述兩個方面的方式方法，從而有效地對橋墩的平面位移起到監(jiān)測預(yù)警作用。