林樂鑫，趙 望，張 偉，楊一科

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

1 概 述

在工程實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工中，傳統(tǒng)測(cè)定建筑物方法有懸吊垂球法、測(cè)水平角法、經(jīng)緯儀投影法等，這些方法都是通過(guò)測(cè)量并且計(jì)算從而得出所求方向的偏離值，求得建筑物或者構(gòu)造物的傾斜量。對(duì)于工程現(xiàn)場(chǎng)，高墩施工過(guò)程大體采用懸吊垂球法，這種方法雖然簡(jiǎn)單直觀，但是此法容易產(chǎn)生誤差。當(dāng)橋墩越來(lái)越高，鉛垂線可能由于垂球重量不夠而在風(fēng)荷載的作用下導(dǎo)致很大的偏位，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。風(fēng)力的大小對(duì)結(jié)果也有一定的影響。測(cè)水平角法以及經(jīng)緯儀投影法需要在互相垂直的方向上測(cè)得偏離分量或者偏離值，接著用矢量相加的方法從而求得構(gòu)造物或者建筑物的偏離值。全站儀能夠直接測(cè)出構(gòu)造物或者建筑物在所求方向的垂直方向的不同高程的點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而計(jì)算出構(gòu)造物或者建筑物在所求方向的傾斜量，測(cè)量過(guò)程中設(shè)站只要一次，并且可以測(cè)得任意高度的兩點(diǎn)的傾斜量。

2 無(wú)反射棱鏡測(cè)量

2.1 原理

無(wú)反射棱鏡全站儀是利用光的反射特性并測(cè)得光與物體之間的往返時(shí)間，從而測(cè)得全站儀與物體之間的距離。假設(shè)光在大氣中以速度傳播，在1、2點(diǎn)間往返一次所需時(shí)間為，則1、2點(diǎn)間的距離可用以下式子表示。

(1)

式中：為測(cè)站點(diǎn)1、2間的距離，m；為光在地球大氣層中的傳播速度，m/s；為光在1、2兩點(diǎn)間往返一次所需的時(shí)間，s。

由式(1)可知，只要測(cè)得1、2點(diǎn)間光往返的傳播時(shí)間，就可以求得兩點(diǎn)間的距離。

2.2 無(wú)反射棱鏡測(cè)量的特點(diǎn)

測(cè)量時(shí)設(shè)站靈活。為了便于測(cè)量，實(shí)際測(cè)量過(guò)程中常采用后方交會(huì)設(shè)站或者將測(cè)站點(diǎn)定為原點(diǎn)，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件得到最佳的觀測(cè)位置，使得設(shè)站靈活，從而減少測(cè)量對(duì)其他工序的影響，同時(shí)減少了其他工序?qū)y(cè)量的影響。

測(cè)量速度快。無(wú)反射棱鏡全站儀的測(cè)距速度一般在幾秒內(nèi)就可完成，既減少了作業(yè)時(shí)間，還減輕了作業(yè)人員的工作強(qiáng)度。

實(shí)用性強(qiáng)。無(wú)棱鏡測(cè)量技術(shù)適合應(yīng)用于測(cè)量人員不方便到達(dá)的地方，不但減少了工作量，還降低了作業(yè)過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)。

測(cè)量距離遠(yuǎn)。有的儀器測(cè)量距離可達(dá)5 km。

2.3 測(cè)量時(shí)要注意的問(wèn)題：

考慮目標(biāo)位置以及瞄準(zhǔn)角度。測(cè)量光束與目標(biāo)表面的夾角是影響測(cè)量結(jié)果的重要因素之一。一般情況下，當(dāng)入射光線與目標(biāo)表面的夾角小于15°時(shí)，返回的光線就會(huì)有有所損失，得出的結(jié)果偏差也就越大。

考慮目標(biāo)的測(cè)程。目標(biāo)表面的顏色、目標(biāo)形狀以及目標(biāo)的結(jié)構(gòu)都與測(cè)程有關(guān)。粗糙的表面(如混凝土蜂窩麻面)漫反射大、返回的信息弱、測(cè)程也就短。

目標(biāo)的最佳品質(zhì)。顏色應(yīng)為棕色或白色，盡量無(wú)光澤，表面粗糙度宜在1～2 mm。

視準(zhǔn)線附近不應(yīng)有帶色的反射物或其他光活動(dòng)；避免正對(duì)太陽(yáng)測(cè)量，否則會(huì)出現(xiàn)無(wú)法測(cè)量的情況。

儀器和目標(biāo)間有物體經(jīng)過(guò)時(shí)，必須等物體經(jīng)過(guò)后才可進(jìn)行測(cè)量。

2.4 無(wú)反射棱鏡全站儀測(cè)量法存在的問(wèn)題

無(wú)反射棱鏡法是目前用于測(cè)量橋墩偏位最常用的方法，雖然此法有諸多優(yōu)點(diǎn)，但該方法在某些情況下的測(cè)量結(jié)果不盡人意，容易產(chǎn)生誤差。例如當(dāng)測(cè)量橫橋向存在偏位的高墩縱橋向偏位時(shí)，得出的結(jié)果不僅包含橫橋向的偏位還有順橋向的偏位。

鑒于以上種種情況，結(jié)合工程實(shí)際，在無(wú)反射棱鏡全站儀測(cè)量法的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的無(wú)反射棱鏡全站儀測(cè)量法。它能在一個(gè)測(cè)站上更加準(zhǔn)確地計(jì)算出高墩的縱(橫)向偏位。

3 改進(jìn)的無(wú)反射全站儀測(cè)量法原理

3.1 原 理

查正軍等在無(wú)反射棱鏡全站儀測(cè)量法測(cè)量建筑物傾斜量的基礎(chǔ)上將獨(dú)立坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為墻面坐標(biāo)系，完成了建筑物的傾斜測(cè)量?；诟倪M(jìn)的無(wú)反射棱鏡全站儀的高墩垂直度測(cè)量是在橋墩的附近建立獨(dú)立的坐標(biāo)系，接著利用無(wú)反射棱鏡全站儀觀測(cè)橋墩橫向或者縱向的墩中心的距測(cè)站的水平距離，然后基于改進(jìn)的方法進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，從而得出橫向或者縱向的墩中心的偏位。

現(xiàn)場(chǎng)具體實(shí)施具體步驟如下。

選擇合適的地點(diǎn)，在橋墩附近建立獨(dú)立坐標(biāo)系，在全站儀中輸入測(cè)站和定向點(diǎn)坐標(biāo)(可以把測(cè)站點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn)，全站儀采用盤左測(cè)量，將定向點(diǎn)選為橋墩底部的一個(gè)角點(diǎn)，將測(cè)站點(diǎn)和定向點(diǎn)的連線作為一坐標(biāo)軸)，測(cè)出橋墩所求偏位方向底部左右兩個(gè)角點(diǎn)的角度。

計(jì)算得出1/2夾角的度數(shù)。全站儀保持豎直制動(dòng)不動(dòng)，調(diào)整水平制動(dòng)使角度值等于1/2夾角。此時(shí)該點(diǎn)為所求偏位方向的理論橋墩中線。

繼續(xù)瞄準(zhǔn)上部表面進(jìn)行水平、豎直制動(dòng)測(cè)量結(jié)構(gòu)物測(cè)試范圍內(nèi)的上部表面到儀器的水平距離以及儀器水平面到上部表面的高差，保持水平制動(dòng)，松開豎直制動(dòng)移動(dòng)至上部表面后測(cè)量水平距離以及儀器水平面到上部表面的高差，以此類推到、。則橋墩上下兩點(diǎn)的平距差計(jì)算式子如式(2)所示。

1=-(=1,2,3,4,…)

(2)

式中:1為橋墩表面任意一點(diǎn)跟起始點(diǎn)的平距差。

由于地勢(shì)原因，不可避免會(huì)出現(xiàn)測(cè)站點(diǎn)與測(cè)試面不垂直的情況，會(huì)出現(xiàn)一定的夾角，以至測(cè)量得出的數(shù)據(jù)不僅包含順橋向的偏差還包括橫橋向的偏差，即有一定的誤差，并且根據(jù)測(cè)試距離的遠(yuǎn)近以及與測(cè)試面的夾角大小造成的誤差也不一樣。

鑒于以上情況，需將測(cè)方法進(jìn)一步改進(jìn)。如圖1所示。具體實(shí)施方案如下所述。

圖1 修正后的平距法

3.2 理論計(jì)算具體步驟

測(cè)出水平角∠，以及、的水平距，、。

轉(zhuǎn)動(dòng)水平微動(dòng)螺旋，將全站儀的水平角調(diào)到角平分線位置，此時(shí)即選取到了橋墩的中心線，之后只需調(diào)動(dòng)豎直微動(dòng)螺旋，即可得到橋墩中心線每個(gè)高程的水平距。

由于已知橋墩的長(zhǎng)度，利用數(shù)學(xué)方法得到∠，∠的角度，然后根據(jù)測(cè)得的、。可以修正得到每一個(gè)的距離。根據(jù)的距離得到平距差。

4 實(shí) 例

巴洛河特大橋地處貴州高原向湘西丘陵過(guò)渡地帶的北部邊緣一帶，場(chǎng)區(qū)屬構(gòu)造溶蝕底山地貌。橋址區(qū)有鄉(xiāng)村路通至附近，交通條件較好。全橋共兩聯(lián)：(95+180+95)m；起始樁號(hào)：K88+970，終止樁號(hào)：K89+671.5，橋長(zhǎng)701.5 m，上部結(jié)構(gòu)主橋采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)，引橋結(jié)合地形條件采用40 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。下部結(jié)構(gòu)主墩墩身采用雙肢等截面矩形空心薄壁墩，主墩采用整體式承臺(tái)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。

主橋上部構(gòu)造(95+180+95)m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁，箱梁根部梁高11.5 m，跨中梁高4.0 m，頂板厚32 cm，墩頂箱梁頂板加厚到80 cm，底板厚從跨中至根部由32 cm變化為110 cm，腹板從跨中至根部分三段采用50 cm、60 cm、80 cm三種厚度，箱梁高度和底板厚度按1.8次拋物線變化。箱梁頂板橫向?qū)?2.55 m，箱底寬6.5 m，翼緣懸臂長(zhǎng)3.025 m。箱梁0號(hào)節(jié)段長(zhǎng)16 m(包括墩兩側(cè)各外伸1 m)，每個(gè)懸澆“T”縱向?qū)ΨQ劃分為22個(gè)節(jié)段，梁段數(shù)及梁段長(zhǎng)從根部至跨中分別為7×3.0 m、15×4.0 m，節(jié)段懸澆總長(zhǎng)81.0 m。邊、中跨合攏段長(zhǎng)均為2 m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)4 m。箱梁根部設(shè)4道厚0.7 m的橫隔板，中跨跨中設(shè)一道厚0.4 m的橫隔板，邊跨梁端設(shè)一道厚1.8 m的橫隔板。

巴洛河特大橋1、2墩以及3墩都屬于高墩，橋墩施工過(guò)程中垂直度的監(jiān)測(cè)必不可少。將改進(jìn)后的無(wú)反射棱鏡全站儀測(cè)量法應(yīng)用于某特大橋83 m高左幅3墩上。

基于無(wú)反射棱鏡全站儀測(cè)量法得出左幅3墩順橋向的傾斜量如表1所示。

表1 3#順橋向偏位

對(duì)同一高程點(diǎn)基于改進(jìn)無(wú)反射棱鏡全站儀測(cè)量法得出左幅3墩順橋向的傾斜量如表2所示。

表2 3#墩順橋向偏位

根據(jù)事先在同一高程位置粘貼好的反射片，利用全站儀普通測(cè)量模式測(cè)得各點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)運(yùn)算，得到墩偏位數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 3#墩普通測(cè)量模式下偏位

由此可以看出，將改進(jìn)的無(wú)反射棱鏡全站儀測(cè)量法應(yīng)用于實(shí)際工程中，可獲得較高的測(cè)量精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

提出了基于無(wú)反射棱鏡全站儀的改進(jìn)測(cè)量方法，對(duì)于一些需要精密測(cè)量但人工無(wú)法到達(dá)或者危險(xiǎn)性比較大的地方，應(yīng)用該法可以得到更準(zhǔn)確地結(jié)果。結(jié)合了工程實(shí)際，進(jìn)一步論證了該法的可行性。