李創(chuàng)武
(保利長(zhǎng)大工程有限公司,廣東廣州 511431)
三水三橋特大橋?yàn)?2m+56m+72m+338m混合梁獨(dú)塔斜拉橋(鋼箱梁+混凝土梁),塔高168m。其中高索塔處于航道中間,距岸邊大于500m。為測(cè)量塔頂各個(gè)構(gòu)造物高程,必須由陸地水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行高程傳遞至塔頂?,F(xiàn)場(chǎng)索塔高程比較大,采用高精度的測(cè)量方法是控制高程測(cè)量精度的關(guān)鍵因素。
懸掛鋼尺測(cè)量法的原理是利用高精度水準(zhǔn)儀傳遞高程,由已知點(diǎn)精確測(cè)出高處結(jié)構(gòu)物各目標(biāo)點(diǎn)的高程。通過(guò)多次觀測(cè)計(jì)算后,取平均值得到目標(biāo)點(diǎn)的精確高程。
天頂距測(cè)量法比較便捷,原理是利用高精度全站儀采取三角高程法傳遞到反射片,然后通過(guò)倒尺法水準(zhǔn)測(cè)量來(lái)測(cè)出目標(biāo)點(diǎn)的高程[1]。根據(jù)全站儀傳遞反射片的高程,參照水準(zhǔn)倒尺觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)高程,反復(fù)觀測(cè)多個(gè)回合取平均值,最終精確求出目標(biāo)點(diǎn)高程。
對(duì)向高程測(cè)量法原理是對(duì)兩點(diǎn)之間的相對(duì)高程進(jìn)行觀測(cè)測(cè)量,得到兩點(diǎn)之間高差,再用已知點(diǎn)求得未知點(diǎn)高程。
差分三角高程采用不量取儀器高,不輸入已知點(diǎn)高程,隨地架設(shè)全站儀,按照水準(zhǔn)測(cè)量等級(jí),多次調(diào)整儀器高對(duì)兩點(diǎn)進(jìn)行多個(gè)測(cè)回的觀測(cè),由距離和垂直角算出點(diǎn)與點(diǎn)之間的高差,從而精確推算未知點(diǎn)高程[2]。
差分三角高程測(cè)量法原理如圖1所示。
圖1 差分三角高程測(cè)量法
在陸地上架設(shè)儀器,主塔頂和陸地水準(zhǔn)點(diǎn)上分別擺設(shè)棱鏡并準(zhǔn)確地量取棱鏡高,做好記錄。由于高索塔離岸邊較遠(yuǎn),人眼難以準(zhǔn)確尋找目標(biāo),故采用高精度自動(dòng)照準(zhǔn)全站儀觀測(cè),觀測(cè)步驟如下:
(1)調(diào)整全站儀正鏡瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)點(diǎn)棱鏡開(kāi)始測(cè)量,記錄斜距和垂直角,并自動(dòng)旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)未知點(diǎn)棱鏡,觀測(cè)、記錄。然后倒鏡瞄準(zhǔn)未知點(diǎn)棱鏡,觀測(cè)、記錄;并自動(dòng)旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)點(diǎn)棱鏡,觀測(cè)、記錄。此時(shí)完成第一個(gè)測(cè)回。
(2)第2個(gè)測(cè)回調(diào)整儀器高,與第1個(gè)測(cè)回方法相同,如此循環(huán)。按照水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范和要求,通過(guò)調(diào)整儀器高進(jìn)行多個(gè)測(cè)回。各個(gè)測(cè)回中,準(zhǔn)確地量取棱鏡高度,或者使用強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩。
(3)避開(kāi)不宜觀測(cè)時(shí)間,按照觀測(cè)步驟(1)和(2),進(jìn)行下一個(gè)時(shí)段觀測(cè)。
在每個(gè)測(cè)量時(shí)段實(shí)施之前,通過(guò)溫度計(jì)和氣壓計(jì)量測(cè)環(huán)境溫度和氣壓,之后輸入全站儀中以便對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行氣象改正。
為消除大氣折光和地球曲率的影響,全站儀的擺放位置與兩測(cè)點(diǎn)之間距離大致相等,選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間觀測(cè),避開(kāi)不宜觀測(cè)的時(shí)間。
跨河間接高差斜距和天頂距外業(yè)測(cè)量的技術(shù)要求見(jiàn)表1。
表1 跨河間接高差斜距和天頂距外業(yè)測(cè)量的技術(shù)要求
各雙測(cè)回的互差限差dH限按式(1)計(jì)算:
式(1)中:dH限為雙測(cè)回的互差限差;MΔ為每千米水準(zhǔn)測(cè)量的偶然中誤差限值(mm);N為雙測(cè)回的測(cè)回?cái)?shù);S為跨河視線長(zhǎng)度(km)。當(dāng)只用1臺(tái)水準(zhǔn)儀或2臺(tái)經(jīng)緯儀進(jìn)行跨河水準(zhǔn)測(cè)量不能組成雙測(cè)回時(shí),測(cè)回?cái)?shù)為表2所列數(shù)值的2倍。計(jì)算單測(cè)回互差的dH限時(shí),N按單測(cè)回?cái)?shù)計(jì)。
一個(gè)測(cè)回(盤(pán)左、盤(pán)右)記錄的豎直角與距離分別有4個(gè)數(shù)據(jù),取其平均值,可以分別列出未知點(diǎn)與水準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)高程公式為:h未1=h儀+L2×sinβ-i棱,h水1=h儀-L1×sinα-i棱,測(cè)回高差為Δh1,其他測(cè)回高差分別為Δh2,Δh3,Δh4,Δh5,Δh6……Δhn,故各測(cè)回平均差值為(Δh2+Δh3+Δh4+Δh5+Δh6+……+Δhn)/n,根據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)高程可以推算出未知點(diǎn)高程。由于坭洲水道橋某高索塔距離岸邊約500m,所以采用6個(gè)測(cè)回,6個(gè)時(shí)段,要求記錄相關(guān)數(shù)據(jù)距離、垂直角等。
以上算式中并沒(méi)有考慮其他因素,然而現(xiàn)實(shí)中地球曲率和大氣折光會(huì)影響測(cè)量的誤差[3]。如圖2所示。
圖2 三角高程誤差傳播
圖2中V1、V2分別為棱鏡高,O點(diǎn)全站儀立于A、B兩點(diǎn)最中間,即D1基本等于D2,c1、r1分別為O至A的地球曲率和大氣折光系數(shù)改正數(shù),i是全站儀高度,c2、r2分別為O至B的地球曲率和大氣折光系數(shù)改正數(shù),h1是A點(diǎn)與O點(diǎn)高差,h2是B點(diǎn)與O點(diǎn)高差。α1、α2分別為在O處觀測(cè)A點(diǎn)和B點(diǎn)棱鏡時(shí)的豎直角。
由圖可列出OA和OB高差公式分別為h1和h2:
此時(shí),A、B兩點(diǎn)高差為h:
在同一地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,短時(shí)間內(nèi)K值的變化很小。又因全站儀測(cè)量幾乎是在相同觀測(cè)條件下進(jìn)行的,故可以近似的假定K1約等于K2,并設(shè)mk1≈mk2=mk??紤]全站儀特點(diǎn),設(shè)邊長(zhǎng)的測(cè)量精度ms、豎直角的測(cè)量精度mα及棱鏡的量取精度mv,則上式可以寫(xiě)成:
式(4)中:mh為全站儀差分三角高程測(cè)量的中誤差,ms、mα分別為全站儀斜距、豎直角測(cè)量中誤差,mK為大氣折光系數(shù)測(cè)定的中誤差,mv為棱鏡高量取中誤差。由式(4)可知,全站儀差分三角高程測(cè)量誤差與儀器精度(ms,mα)、大氣折光系數(shù)誤差mK及棱鏡高量取誤差mv等有關(guān)。
實(shí)際項(xiàng)目中,采用高精度0.5〞的徠卡TM50自動(dòng)化全站儀,此時(shí)儀器精度(ms,mα)得到很大保障,在同一地點(diǎn),相同觀測(cè)條件下,前后測(cè)距大致相等,多個(gè)時(shí)段(避開(kāi)不利觀測(cè)時(shí)段)、多個(gè)測(cè)回很大程度上提高了全站儀差分三角高程測(cè)量精度。
(1)懸掛鋼尺法測(cè)量中,由于三水三橋特大橋主塔比較高,又處在航道中間,懸掛的鋼尺擺動(dòng)幅度隨著風(fēng)速增大而增大,從而很大程度上影響測(cè)量的精度。
(2)天頂距測(cè)量法中,由于測(cè)量?jī)x器自身因素限制,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng),很難進(jìn)行測(cè)量,未能采用該測(cè)量方法。
(3)對(duì)向高程測(cè)量方法中,由于橋的主塔過(guò)高,在上面架設(shè)全站儀受風(fēng)力影響較大,測(cè)量精度得不到保證,因此不能采用這種測(cè)量方法。
(4)差分三角高程法很好地解決了以上問(wèn)題,精度得到保證,同時(shí)測(cè)量簡(jiǎn)捷、方便、快速。