王豪巍

(中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司,天津 300459)

0.引言

隨著當(dāng)前建筑行業(yè)不斷發(fā)展，工程規(guī)模不斷增大，建筑結(jié)構(gòu)也向著復(fù)雜化發(fā)展，使工程測(cè)量工作操作難度加大[1]。為保證工程測(cè)量工作的順利開展，需深入分析對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響的因素。無(wú)論施工過(guò)程，還是維護(hù)工作都需以高精度的測(cè)量結(jié)果為依據(jù)。因此，測(cè)量精度控制技術(shù)研究是當(dāng)前迫切需要解決的問題。所謂測(cè)量精度，是指工程的數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的差異[2]。尤其在建筑工程經(jīng)營(yíng)維護(hù)階段，更要通過(guò)控制測(cè)量精度，獲取誤差較小的線形測(cè)量結(jié)果，快速查找安全隱患，避免人們的生命財(cái)產(chǎn)安全受到威脅。王杰[3]根據(jù)測(cè)量技術(shù)要求，分析當(dāng)前測(cè)量技術(shù)中的影響指標(biāo)，提出與之相應(yīng)的測(cè)量精度控制措施。在開展測(cè)量工作前，以科學(xué)測(cè)量勘測(cè)理念為基礎(chǔ)獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合陀螺定向技術(shù)與三維激光測(cè)量技術(shù)，提升測(cè)量精度，但該測(cè)量控制技術(shù)工作效率較低。賀春梅[4]分析了工程測(cè)量精度要求，并按照項(xiàng)目測(cè)量要求設(shè)計(jì)精度控制技術(shù)的具體操作步驟。根據(jù)傳統(tǒng)測(cè)量過(guò)程中存在的問題，分析產(chǎn)生影響控制精度效果的因素，確定工程測(cè)量精度控制技術(shù)的注意事項(xiàng)、實(shí)施措施。但該方法的精度控制效果較差。周瑜[5]分析了工程測(cè)量結(jié)果對(duì)監(jiān)督工程質(zhì)量安全的重要作用。在實(shí)際工作中，不精確的數(shù)據(jù)無(wú)法在工程建設(shè)中發(fā)揮作用，還會(huì)進(jìn)一步加重工作負(fù)擔(dān)。在測(cè)量工作中需將地面平面坐標(biāo)系傳送至測(cè)量點(diǎn)，根據(jù)一井定向方法進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合激光鉛垂法克服鋼絲擺動(dòng)造成的誤差。最后，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工具，利用相關(guān)公式和概念控制測(cè)量精度。但該控制技術(shù)增加了測(cè)量成本。根據(jù)上述文獻(xiàn)提出的控制方法問題，本文針對(duì)大跨度基準(zhǔn)索股線形測(cè)量工作設(shè)計(jì)測(cè)量精度控制技術(shù)，從大氣折光系數(shù)入手，改正單向三角高程方法的高差，完成測(cè)量精度的良好控制，保證線形測(cè)量結(jié)果滿足工程要求。

1.大跨度基準(zhǔn)索股線形測(cè)量精度控制技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 布置基準(zhǔn)索股測(cè)量點(diǎn)

在大跨度基準(zhǔn)索股測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量結(jié)果受橋梁結(jié)構(gòu)和外界因素的影響。線形測(cè)量主要包括跨度測(cè)量、基準(zhǔn)索股里程、高程放樣測(cè)量等內(nèi)容?？紤]到大跨度基準(zhǔn)索股線的測(cè)量工程復(fù)雜性，故定位基準(zhǔn)索股的重點(diǎn)結(jié)構(gòu)。為完成測(cè)量精度控制，故選定最佳基準(zhǔn)索股測(cè)量點(diǎn)。根據(jù)基準(zhǔn)索股里程和高程測(cè)量需求，分別在中跨、邊跨的跨中位置設(shè)計(jì)布設(shè)點(diǎn)，在整個(gè)橋體上共設(shè)置8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，基準(zhǔn)索股的測(cè)量點(diǎn)分布情況（如圖1所示）：

圖1 測(cè)量點(diǎn)位布置示意圖

根據(jù)基準(zhǔn)索股線形測(cè)量特點(diǎn)，由圖1可知：測(cè)量點(diǎn)布置情況，設(shè)計(jì)測(cè)量控制網(wǎng)?？紤]到測(cè)站點(diǎn)與標(biāo)點(diǎn)之間的距離和測(cè)量放樣效率使測(cè)量精度降低，故在測(cè)量點(diǎn)選擇時(shí)，分析不同測(cè)量點(diǎn)之間的相對(duì)關(guān)系，利用強(qiáng)制對(duì)中裝置降低架站造成的誤差。

在確定具體位置后，需在該位置安裝棱鏡作為主要輔助測(cè)量工具?？紤]到基準(zhǔn)索股表面特點(diǎn)，為解決棱鏡安裝問題，故制作與棱鏡尺寸一致的夾具，保證每個(gè)夾具可放置一組棱鏡。由于基準(zhǔn)索股呈六邊形，根據(jù)其尺寸將棱鏡安置器設(shè)計(jì)為閾值尺寸相符的六邊形。在棱鏡安置器的兩端安裝長(zhǎng)10 cm的鐵桿，每個(gè)鐵桿末端均安裝反射棱鏡。在測(cè)量工作開展時(shí)，以卡環(huán)兩端棱鏡作為輔助工具，獲取測(cè)量點(diǎn)邊長(zhǎng)和高程。由于棱鏡保持鉛垂?fàn)顟B(tài)，故降低了立鏡誤差。針對(duì)布局合理的大跨度基準(zhǔn)索股線形測(cè)量點(diǎn)，分別安裝上棱鏡和下棱鏡，為后續(xù)測(cè)量精度控制工作提供有力支撐。

1.2 測(cè)定線形測(cè)量點(diǎn)高差

文中采用三角高程法在上述環(huán)境中展開線形測(cè)量工作，為控制測(cè)量精度，故對(duì)測(cè)量點(diǎn)高差進(jìn)行高精度測(cè)定。按照大跨度基準(zhǔn)索股的高程控制網(wǎng)設(shè)計(jì)需求，需要保證高程的測(cè)量精度。本研究在橋梁兩岸分別放置高精度智能型全站儀，展開大跨度基準(zhǔn)索股線形測(cè)量。三角高程測(cè)量原理（如圖2所示）：

圖2 三角高程測(cè)量過(guò)程示意圖

根據(jù)圖2的測(cè)量原理可知：在大跨度基準(zhǔn)索股展開跨河三角高程測(cè)量時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際測(cè)量環(huán)境，針對(duì)三角高程測(cè)量過(guò)程中的高程需求，在兩岸主要位置設(shè)置多個(gè)臨時(shí)測(cè)量點(diǎn)，如圖2中的A、B、C、D。四個(gè)測(cè)量點(diǎn)平均分布在兩側(cè)岸邊，A與B之間距離保持在20m-30m，C與D之間距離亦如此。除此之外，在跨河點(diǎn)50m附近區(qū)域安裝兩臺(tái)全站儀，完成對(duì)測(cè)量點(diǎn)A、B、C、D的對(duì)向測(cè)量。在每個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)上擺放三棱鏡以輔助測(cè)量工作。在智能型全站儀的作用下，獲取4個(gè)三棱鏡的斜距、垂直角。由于全站儀作為自由測(cè)站，故不必?fù)?dān)心因全站儀高度產(chǎn)生的量測(cè)誤差。測(cè)量精度控制技術(shù)的開展僅需考慮臨時(shí)跨河水準(zhǔn)點(diǎn)與安裝棱鏡之間的誤差。應(yīng)用全站儀加定長(zhǎng)棱鏡開展對(duì)棱鏡高的測(cè)量，測(cè)量原理（如圖3所示）：

圖3 基座棱鏡高測(cè)量原理

由圖3可知：基座棱鏡高測(cè)量依舊采用中間法三角高程法獲取計(jì)算結(jié)果，將測(cè)量結(jié)果誤差控制在0.3mm以內(nèi)。針對(duì)跨河點(diǎn)棱鏡，需要兩臺(tái)全站儀多次對(duì)斜距和垂直角進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量技術(shù)要求依據(jù)相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，以獲取圖2中AC、AD、BC、BD間的高差。在互差檢驗(yàn)后使其互差滿足測(cè)量要求，實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度的初步控制。

1.3 計(jì)算大氣折光系數(shù)

文中應(yīng)用單向三角高程測(cè)量方法獲取大跨度基準(zhǔn)索股線形測(cè)量結(jié)果，以垂度線形測(cè)量為例，在實(shí)際操作中索股絕對(duì)垂度測(cè)量精度受大氣折光系數(shù)影響較大。為控制測(cè)量精度，在基準(zhǔn)索股線形測(cè)量工作實(shí)施前，多次測(cè)量該區(qū)域的對(duì)向三角高程，推算出測(cè)區(qū)大氣折光系數(shù)，將其表示為K值。根據(jù)分析可知，某區(qū)域的K值測(cè)量結(jié)果往往與測(cè)區(qū)平均K值保持一致，除了大面積水域使K值變化方向產(chǎn)生變化外，還因氣象和環(huán)境因素使不同時(shí)段的K值變化較大。所以，在進(jìn)行基準(zhǔn)索股線形測(cè)量精度控制設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)大氣折光系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)觀測(cè)位置和目標(biāo)地點(diǎn)位置，計(jì)算兩點(diǎn)之間的高差，計(jì)算公式如式（1）所示：

式（1）中，D為兩點(diǎn)之間的平距；tan為正切函數(shù)；a為垂直角度；R為地球曲率半徑；K為大氣折光系數(shù)；i為儀器高度。根據(jù)式（1）反推，獲取大氣折光系數(shù)的計(jì)算公式如式（2）所示：

根據(jù)式（2）對(duì)測(cè)量區(qū)域一天內(nèi)不同時(shí)段的大氣折光系數(shù)變化進(jìn)行計(jì)算，并應(yīng)用測(cè)量時(shí)間內(nèi)的大氣折光系數(shù)改正測(cè)量高差。大跨度基準(zhǔn)索股的溫度隨環(huán)境而改變，變化規(guī)律不完全相同。在線形測(cè)量工作開展時(shí)，選擇風(fēng)力在10m/s以下的天氣，每次間隔1小時(shí)測(cè)量一次大氣折光系數(shù)，并匯總形成表格。根據(jù)測(cè)量時(shí)間的平均折光系數(shù)K值，調(diào)整索股計(jì)算參數(shù)，實(shí)現(xiàn)單向三角高差改正。針對(duì)某一測(cè)量邊AD，展開單向三角高差折光系數(shù)改正計(jì)算。根據(jù)單向三角高差的實(shí)測(cè)結(jié)果和大氣折光系數(shù)條件，改正高h(yuǎn)AD差表示如式（3）所示：

式（3）中，S0為A、D兩點(diǎn)之間的實(shí)測(cè)平距。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，用改正后的高差替換原本的三角高差，實(shí)現(xiàn)線形測(cè)量精度的進(jìn)一步控制。

1.4 實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度控制

在完成上述測(cè)量控制操作后，可以得到與實(shí)際結(jié)果誤差較小的測(cè)量值，為保證測(cè)量精度實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，需借助計(jì)算機(jī)輔助工具，根據(jù)測(cè)量精度控制目標(biāo)，利用計(jì)算機(jī)相關(guān)函數(shù)生成測(cè)量精度控制優(yōu)化函數(shù)，函數(shù)表示如式（4）所示：

式（4）中，ΔL為測(cè)量誤差變量，min為最小值；f為測(cè)量頻率；v、v'分別為理想測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸速度和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸速度；σ為測(cè)量裝置本身原因造成的誤差；λ為其他干擾因素造成的誤差。根據(jù)上述公式提出的各種精度控制影響因素，文中將遺傳算法與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合，以最小測(cè)量誤差為目標(biāo)函數(shù)，展開目標(biāo)函數(shù)求解。由于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)中包含3層前向傳遞結(jié)構(gòu)，以此為基礎(chǔ)結(jié)合遺傳算法，計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中隱含層數(shù)量，從而求解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)。

此外，應(yīng)用二進(jìn)制編碼方法將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的多項(xiàng)參數(shù)以編碼形式表現(xiàn)，便于計(jì)算機(jī)識(shí)別。通常情況下網(wǎng)絡(luò)輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)量即代表編碼長(zhǎng)度。結(jié)合遺傳算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，獲取適應(yīng)度函數(shù)極值。適應(yīng)度函數(shù)fitness的計(jì)算結(jié)果如式（5）所示：

式（5）中，i為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)；j為輸出節(jié)點(diǎn)；Y、Y分別為訓(xùn)練時(shí)的實(shí)際輸出和期望輸出；N為樣本個(gè)數(shù)；M為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)量。通過(guò)式（5）進(jìn)行混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差計(jì)算，實(shí)際計(jì)算流程包括三個(gè)環(huán)節(jié)。首先，進(jìn)行20次的基準(zhǔn)索股線形測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果作為混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始群體，通過(guò)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出由于各種因素造成的損耗數(shù)值，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼的形式，展開網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。在設(shè)置合理的迭代次數(shù)后，獲取適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算結(jié)果。然后，根據(jù)上述計(jì)算的適應(yīng)度函數(shù)結(jié)果，將其作為起始參數(shù)輸入混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在遺傳算法作用下，經(jīng)過(guò)進(jìn)化計(jì)算、變異計(jì)算和遺傳計(jì)算，得到測(cè)量誤差計(jì)算值。最后，根據(jù)歷史測(cè)量結(jié)果，對(duì)該計(jì)算流程進(jìn)行校正，將數(shù)據(jù)誤差的平方值作為終止條件，完成混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解操作的終止。將求解結(jié)果作為大跨度基準(zhǔn)索股線形測(cè)量精度控制技術(shù)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)測(cè)量裝置控制器。完成對(duì)測(cè)量精度的實(shí)際控制，使測(cè)量結(jié)果更符合工程需求。

2.應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

為測(cè)試本文設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，將測(cè)量精度控制技術(shù)應(yīng)用于秀山大橋的基準(zhǔn)索股線形測(cè)量項(xiàng)目。該橋體位于我國(guó)浙江省境內(nèi)，連接岱山島和秀山島，屬于大跨度橋體結(jié)構(gòu)。秀山大橋主體結(jié)構(gòu)是雙塔自錨式懸索橋，結(jié)合門式橋塔，并在橋塔頂部設(shè)置主索鞍，具體結(jié)構(gòu)（如圖4所示）：

圖4 主纜布置圖

該橋梁的纜跨總長(zhǎng)1584m，主纜由錨跨、邊跨、中跨共同構(gòu)成。在基準(zhǔn)索股線形測(cè)量過(guò)程中，根據(jù)以往數(shù)據(jù)可知各跨跨中標(biāo)高變化與索長(zhǎng)變化關(guān)系，其中錨跨為1∶7.31，邊跨為1∶4.63，中跨為1∶1.84。并且，在近似正六邊形的索股架設(shè)過(guò)程中呈現(xiàn)逐層排列的特點(diǎn)，主纜結(jié)構(gòu)（如圖5所示）：

圖5 主纜結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)主纜結(jié)構(gòu)圖發(fā)現(xiàn)，通過(guò)定形捆扎的方式將數(shù)十根索股結(jié)合成單根，形成秀山大橋的主纜。除此之外，為保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在橋梁邊跨位置安裝4根背索，并將其固定在大跨度橋梁的主索鞍上?；谏鲜鰧?shí)際情況，展開基準(zhǔn)索股測(cè)量工作，并分析本文設(shè)計(jì)的測(cè)量精度控制技術(shù)應(yīng)用效果。

2.2 基準(zhǔn)索股測(cè)量

基準(zhǔn)索股線形測(cè)量過(guò)程中需完成錨跨里程及標(biāo)高、主纜垂度標(biāo)高等多項(xiàng)測(cè)量項(xiàng)目。在基準(zhǔn)索股跨中位置安裝棱鏡，并最大程度去除棱鏡桿不垂直索股產(chǎn)生的誤差，以達(dá)到控制測(cè)量精度的目的。本文采用正六邊形整形器設(shè)計(jì)工裝夾具，利用棱鏡桿將兩個(gè)棱鏡相連（如圖6（a）所示）。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，通過(guò)中間正六邊形工裝夾具，將兩個(gè)棱鏡固定在索股合適位置（如圖6（b）所示）：

圖6 索股工裝夾具圖片

獲取上、下棱鏡桿高程H上、H下，計(jì)算索股中心點(diǎn)高程如式（6）所示：

通過(guò)式（6）計(jì)算，得到棱鏡桿高程的平均值，消除了由于棱鏡桿不垂直造成的索股誤差。安裝棱鏡后，尋找合適位置安裝全站儀，利用三角高程測(cè)量方法獲得測(cè)量結(jié)果。

本文采用的單向三角高程測(cè)量方法在測(cè)量精度控制過(guò)程中，需要針對(duì)大氣折光系數(shù)進(jìn)行高差修正。所以，需要在秀山大橋附近測(cè)量不同時(shí)段的大氣折光系數(shù)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，形成不同時(shí)段大氣折光系數(shù)統(tǒng)計(jì)（如表1所示）：

表1 大氣折光系數(shù)統(tǒng)計(jì)

從表1可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域不同時(shí)段的大氣折光系數(shù)具有較大變化。其中，K值最為穩(wěn)定的時(shí)段是夜間11點(diǎn)到次日凌晨5點(diǎn)，基準(zhǔn)索股測(cè)量選定于該時(shí)段。通過(guò)分析大氣折光系數(shù)對(duì)單向三角高差產(chǎn)生的影響可知，此時(shí)的測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生20mm以上的誤差。根據(jù)大氣折光系數(shù)修正高差值，實(shí)現(xiàn)大跨度基準(zhǔn)索股線形測(cè)量精度提升，為后續(xù)測(cè)量工作提供參考。

根據(jù)研究可知，為保證基準(zhǔn)索股線形調(diào)整工作的順利進(jìn)行，需要保證測(cè)量誤差小于10mm。在完成上述儀器安裝和參數(shù)修正后，進(jìn)行連續(xù)三天的基準(zhǔn)索股線形測(cè)量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，以分析本文設(shè)計(jì)技術(shù)的測(cè)量精度控制效果。

2.3 測(cè)量結(jié)果與分析

通過(guò)上述操作，基于基準(zhǔn)索股的線形測(cè)量分別在橋梁兩岸設(shè)置雙測(cè)站，獲取垂度測(cè)量結(jié)果。利用改正后的單向三角測(cè)量法獲取平均垂度測(cè)量值，并將其作為跨中點(diǎn)的最終垂度。首先，對(duì)主跨上、下游側(cè)基準(zhǔn)索股垂度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)間為3天，每天進(jìn)行4輪測(cè)試，記錄垂度測(cè)量結(jié)果。本文由于篇幅所限，僅展示上游側(cè)基準(zhǔn)索股中跨跨中垂度測(cè)量結(jié)果（如表2所示）：

表2 上游跨中垂度測(cè)量結(jié)果

應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的精度控制技術(shù)，展開基準(zhǔn)索股線形測(cè)量，得到垂度測(cè)量值。通過(guò)分析表2可知：所有測(cè)量結(jié)果的垂度值互差總是低于10mm，符合大跨度基準(zhǔn)索股線形測(cè)量要求，彰顯本文提出技術(shù)的可靠性。

之后，對(duì)基準(zhǔn)索股線形測(cè)量相對(duì)垂度進(jìn)行3天監(jiān)測(cè)，本文測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)相對(duì)垂度偏差（如圖7所示）：

圖7 基準(zhǔn)索股線形測(cè)量相對(duì)垂度偏差統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過(guò)為期3天的測(cè)量后，根據(jù)相對(duì)垂度偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，基準(zhǔn)索股線形測(cè)量的最高偏差為5.7mm，最低偏差僅0.4mm。通過(guò)計(jì)算得出，基準(zhǔn)索股線形測(cè)量平均相對(duì)垂度偏差約2.3mm。綜上所述，基準(zhǔn)索股線形測(cè)量中對(duì)垂度偏差遠(yuǎn)低于10mm，滿足了大跨度基準(zhǔn)索股線形測(cè)量精度要求，可以提升對(duì)工程總體現(xiàn)狀的了解，有助于輔助工程經(jīng)營(yíng)管理。

3.結(jié)束語(yǔ)

由于建筑工程技術(shù)發(fā)展速度不斷提升，出現(xiàn)多種樣式的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，所以工程測(cè)量精度要求越來(lái)越高。大跨度基準(zhǔn)索股結(jié)構(gòu)的測(cè)量受日照、風(fēng)力及建筑結(jié)構(gòu)的特殊性影響，導(dǎo)致線形測(cè)量誤差較大。為保證橋梁后期運(yùn)行維護(hù)工作的順利進(jìn)行，本文設(shè)計(jì)測(cè)量精度控制技術(shù)，以大氣折光系數(shù)為基礎(chǔ)，完成單向三角高程測(cè)量方法的參數(shù)修正，使基準(zhǔn)索股線形測(cè)量滿足精度要求。通過(guò)實(shí)例應(yīng)用可知，本文提出的測(cè)量精度控制技術(shù)具有良好的可行性，推動(dòng)了基準(zhǔn)索股線形測(cè)量調(diào)整工作。由于研究時(shí)間約束，本文提出的技術(shù)仍存在不足，未來(lái)可以針對(duì)其他外界影響因素所產(chǎn)生的測(cè)量誤差進(jìn)行研究，進(jìn)而推動(dòng)測(cè)量控制技術(shù)的發(fā)展。