牛國華 沈 忱 李 興 吳江華 華錦鵬 李芃煒

(1. 北京大地宏圖勘測科技有限公司, 北京 100176;2. 北京地鐵建筑設(shè)施維護(hù)有限公司, 北京 100085)

0 引言

當(dāng)水準(zhǔn)路線通過河流時,通常采用跨河水準(zhǔn)測量的方法施測;隨著測量儀器設(shè)備的更新?lián)Q代,特別是高精度全站儀的使用,使得精密三角高程測量在跨河水準(zhǔn)測量中的應(yīng)用優(yōu)勢越來越顯著。依照《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》的原則,將高精度測量機(jī)器人應(yīng)用于精密三角高程測量,是本文經(jīng)改進(jìn)后的跨河水準(zhǔn)測量技術(shù)應(yīng)用于工程案例的具體實踐和探討。其基本思想是根據(jù)河流兩岸符合高程點向目標(biāo)待測點觀測所得的垂直角(或天頂距)和距離,計算兩點間的高差,從而進(jìn)行高程的傳遞。通過改進(jìn)測量方法,利用兩臺測量機(jī)器人進(jìn)行雙向觀測,可以大大削弱大氣折光的影響,并且無須量取儀器高和目標(biāo)棱鏡高,避免了量高誤差對觀測結(jié)果的影響。本文結(jié)合水準(zhǔn)基準(zhǔn)網(wǎng)跨河測量的工程實例,詳細(xì)闡述了實際作業(yè)過程方法、步驟及技術(shù)要點,并將全站儀測量機(jī)器人的多測回測角測距觀測程序功能應(yīng)用于工程實踐。

1 精密三角高程測量

本文在實施北京地鐵房山線橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測項目水準(zhǔn)基準(zhǔn)網(wǎng)連測時,跨越了寬水域河流永定河,河面寬度約865 m;按照規(guī)范和技術(shù)設(shè)計要求,水準(zhǔn)基準(zhǔn)網(wǎng)連測執(zhí)行二等水準(zhǔn)測量技術(shù)要求?？绾铀疁?zhǔn)測量點位布設(shè)如圖1所示。

施測中使用2臺高精度測量機(jī)器人(測角精度0.5 s,測距精度0.6 mm±1 ppm,具有自動照準(zhǔn)功能(automatic target recognition，ATR),配合使用4套固定高度棱鏡桿,在河兩岸

S

1、

S

2架設(shè)全站儀,分別對本岸測待測點

D

1和符合點

F

1以及對岸的待測點

D

2和符合點

F

2進(jìn)行一個周期(即一個時段)的多測回測角測距的觀測。

1.1 精密三角高程測量原理

精密三角高程測量是在傳統(tǒng)三角高程測量的基礎(chǔ)上,采用兩臺帶有自動照準(zhǔn)功能(ATR)的高精度測量機(jī)器人(徠卡TM60)如圖2所示,通過多測回測角測距觀測程序,向固定高度的目標(biāo)棱鏡觀測,如圖1所示。兩臺儀器分別向本岸和對岸雙向觀測待測點和符合點目標(biāo)棱鏡,這樣可以大大減弱大氣折光的影響。待測點和符合點采用同一固定高度的棱鏡桿,如圖3所示,計算中抵消了儀器高和棱鏡高,避免了量高誤差帶來的影響。

圖1 跨河精密三角高程測量

圖2 全站儀

圖3 固定高度棱鏡桿

1.2 作業(yè)流程

精密三角高程測量作業(yè)流程如圖1所示,具體操作步驟為：

(1)在河兩岸

D

1、

F

1、

D

2、

F

2點上架設(shè)相同固定高度的棱鏡桿,

S

1、

S

2架設(shè)全站儀;(2)分別在

S

1、

S

2設(shè)站進(jìn)行跨河兩岸的雙向觀測,上半組次在

S

1點設(shè)站按多測回測角測距觀測程序?qū)δ繕?biāo)棱鏡

F

1、

F

2、

D

2、

D

1觀測6個測回,下半組次在

S

2點設(shè)站同樣按多測回測角測距觀測程序?qū)δ繕?biāo)棱鏡

D

2、

D

1、

F

1、

F

2觀測6個測回,上、下半組次構(gòu)成1組觀測,共觀測6組,完成一個時段的跨河水準(zhǔn)測量;

(3)利用相應(yīng)的測量平差軟件求出各點之間的高差。

2 精密三角高程測量誤差分析

根據(jù)精密三角高程測量的作業(yè)流程,可以看出,測量為河岸兩邊的符合點和待測點架設(shè)棱鏡桿模式;為消除目標(biāo)棱鏡量高誤差,觀測前,對4個固定高度棱鏡桿進(jìn)行了檢校量測,使目標(biāo)棱鏡高度誤差保持在0.1 mm范圍內(nèi);因此,量高帶來的誤差不予考慮。

高差的計算,先用本岸符合點(

F

1、

F

2)推求待測點(

D

1、

D

2),符合點和待測點之間的距離約20 m,此時觀測的各項誤差在整個數(shù)據(jù)成果的影響微乎其微;而在用本岸符合點推求對岸待測點時,通過雙向觀測大大減弱了大氣折光的影響,消除或削弱了垂線偏差的影響,完全消除了地球曲率的影響。

高差計算公式為

(1)

式中，

S

為觀測斜距，單位是m；

α

為觀測垂直角；

R

為地球平均曲率半徑，單位是m。

因此,在忽略大氣折光、垂線偏差和地球曲率的影響下,精密三角高程測量的精度主要由儀器的測量精度,觀測時段的選取,觀測時的天頂距、斜距的大小共同決定。高差計算公式簡化為

(2)

本次測量中,選用了2臺高精度測量機(jī)器人(測角精度0.5 s,測距精度0.6 mm±1 ppm,具有ATR自動照準(zhǔn)功能),采用多測回測角測距觀測程序自動照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡觀測,這樣所求得的待測點高差精度經(jīng)過計算滿足二等水準(zhǔn)測量的精度要求。

3 工程實例

3.1 工程概況

2021年度北京地鐵橋梁、隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測項目是北京市地鐵建筑設(shè)施維護(hù)有限公司為保障地鐵行車安全,排除安全隱患所采取的重要措施之一。定期開展地鐵橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測工作,是確保橋梁線路運營安全的重要手段;通過變形監(jiān)測采集的數(shù)據(jù),經(jīng)統(tǒng)計分析、比對、趨勢研判和狀態(tài)評價,可以提供及時可靠的信息支持,發(fā)現(xiàn)影響運營橋梁結(jié)構(gòu)安全或行車安全隱患,為開展全面系統(tǒng)的橋梁管理、養(yǎng)護(hù)工作提供數(shù)據(jù)信息庫支撐。

北京地鐵房山線呈“西南—東北”走向,西南起自房山區(qū)閻村東站,東北至豐臺區(qū)東管頭南站,連接北京市區(qū)與房山長陽、房山良鄉(xiāng)地區(qū)。本次監(jiān)測區(qū)段西南起至良鄉(xiāng)大學(xué)城站,東北至大葆臺站;在稻田站與大葆臺站之間,地鐵橋梁跨越了永定河,河面寬度約865 m。

北京地鐵房山線橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測項目監(jiān)測控制網(wǎng)由二等水準(zhǔn)基準(zhǔn)網(wǎng)和Ⅱ等垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)組成。二等水準(zhǔn)基準(zhǔn)網(wǎng)連測由3個北京市一等水準(zhǔn)點和地鐵沿線布設(shè)的3個工作基點,共6個點組成,按照《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》中二等水準(zhǔn)技術(shù)要求進(jìn)行施測。水準(zhǔn)基準(zhǔn)網(wǎng)連測采用傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)測量方法和跨河水準(zhǔn)測量方法進(jìn)行,主要特點有：

(2)精密三角高程測量,由于采用了ATR技術(shù),因此,消除了照準(zhǔn)誤差的影響;跨河兩岸的雙向觀測,也大大減弱了大氣折光的影響;

(3)應(yīng)用跨河水準(zhǔn)測量,節(jié)約了水準(zhǔn)線路的繞行時間(需繞行約4 km),簡化了作業(yè)過程,提高了作業(yè)效率。

3.2 測量實施

3.2.1

準(zhǔn)備工作(1)按圖1布設(shè)跨河工作基點,即待測點

D

1、

D

2,符合點

F

1、

F

2。待測點和符合點之間的距離約20 m,其中

D

1、

D

2埋設(shè)普通水準(zhǔn)標(biāo)石,

F

1、

F

2為埋設(shè)40 cm×20 cm×20 cm的混凝土柱石,中間嵌標(biāo)志。

(2)待測點和符合點均架設(shè)專用固定高度棱鏡桿。

(3)水準(zhǔn)測量往返測高差不符值、環(huán)閉合差、檢測已測測段高差之差的限差應(yīng)不超過表1的規(guī)定。

表1 水準(zhǔn)測量限差規(guī)定 單位：m

3.2.2

本岸待測點和符合點間高差測定

按精密三角高程測量法測定,在符合點和待測點中間位置架設(shè)全站儀,觀測邊長約10 m,使單向觀測的各項誤差在整個數(shù)據(jù)成果的影響微乎其微。

3.2.3

跨河斜距和垂直角觀測如圖1所示,在

S

1、

S

2各架設(shè)一臺高精度測量機(jī)器人(測角精度0.5 s,測距精度0.6 mm±1 ppm,具有ATR自動照準(zhǔn)功能),在待測點

D

1、

D

2,符合點

F

1、

F

2架設(shè)專用固定高度棱鏡桿,采用多測回測角測距觀測程序自動照準(zhǔn)觀測,共完成6組次的觀測。

二等跨河水準(zhǔn)測量(本次跨河寬度在501～1 000 m區(qū)間)觀測時段數(shù)、觀測組數(shù)及測回數(shù)要求,觀測時段數(shù)為1個時段,觀測組數(shù)為6組次,每組分為上半組次(本岸觀測)和下半組次(對岸觀測),上、下半組次各觀測6測回。

3.2.4

結(jié)果分析

永定河左右岸精密三角高程測量在2021年10月中下旬施測,觀測時選擇天氣晴朗、氣溫穩(wěn)定變化較小,視線范圍內(nèi)能見度高,沒有陽光直射儀器,水汽較少,左右岸氣壓一致,每一組觀測始末溫度變化量在0.2 ℃左右。本、對岸觀測(即上半組次、下半組次)均觀測6測回,每組觀測12測回(即上、下半組次各觀測6測回),每組高差觀測數(shù)據(jù)見表2。

表2 各組觀測高差結(jié)果對比

(3)

式中，

Δ

為往返測高差之差；

R

為測站間距離；

N

為測站數(shù)。經(jīng)帶入數(shù)值計算

M

=1.92 mm。

將精密三角高程測量結(jié)果(均值),和二等幾何水準(zhǔn)測量結(jié)果對比,見表3。

表3 測量結(jié)果對比

從表2和表3可以看出,精密三角高程測量高差中誤差為1.62 mm;與幾何水準(zhǔn)測量結(jié)果相比較高差之差小于1.0 mm,滿足二等水準(zhǔn)檢測已測測段高差之差限差要求。說明利用精密三角高程測量進(jìn)行跨河水準(zhǔn)測量,其結(jié)果達(dá)到二等水準(zhǔn)測量要求。

通過現(xiàn)場實際測量,精密三角高程測量與傳統(tǒng)幾何水準(zhǔn)測量相比有以下兩點優(yōu)勢：①效率高;永定河跨河水準(zhǔn)連測,實際往返測共花費2 h,傳統(tǒng)幾何水準(zhǔn)測量需要花費6 h左右,工作效率得到了很大的提高;②受外界環(huán)境干擾小;只需要兩岸氣象條件穩(wěn)定,就可以正常測量。

4 結(jié)束語

精密三角高程測量利用兩臺高精度全站儀在跨河兩岸雙向觀測,減弱了大氣折光的影響,改進(jìn)了測量方法,避免了儀器高和目標(biāo)高的量高誤差。通過三角高程計算的嚴(yán)密公式,從理論和實測數(shù)據(jù)上驗證了精密三角高程測量的誤差滿足二等水準(zhǔn)測量精度要求;與水準(zhǔn)測量結(jié)果進(jìn)行對比,達(dá)到二等水準(zhǔn)測量精度要求。

該方法對儀器設(shè)備要求較高,同時需要兩臺高精度測量機(jī)器人,對兩岸觀測邊氣象條件要求較高,觀測時段要選在氣象條件穩(wěn)定時進(jìn)行觀測(夜間觀測條件較好)。該方法設(shè)站靈活,工作效率較幾何水準(zhǔn)測量有較大的提高,且精度能夠滿足二等水準(zhǔn)測量要求,在類似跨河(跨河長度小于3.5 km)水準(zhǔn)高程傳遞中具有推廣應(yīng)用價值。