淺談施工測(cè)量中的高程傳遞

淺談施工測(cè)量中的高程傳遞

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建設(shè)項(xiàng)目中的大型建設(shè)項(xiàng)目層出不窮。這些建筑物一般高出地面數(shù)十米,有的高達(dá)上百米。在高差這么大的工程測(cè)量中,高精度高程傳遞困難,用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量方法是無(wú)法完成工程施工標(biāo)高控制的。目前測(cè)量界運(yùn)用較多的高大建筑物高程傳遞測(cè)量方法有懸掛鋼尺法、三角高程測(cè)量法、全站儀垂直向上測(cè)距法。這些高大建筑物工程中,有的處在江上或海上如杭州灣大橋,而水域地方的氣候條件一般較為復(fù)雜,其高精度高程傳遞更為困難。本文分析了海上氣候環(huán)境對(duì)高精度高程傳遞測(cè)量的影響,并介紹杭州灣大橋北航道橋索塔高精度高程傳遞的實(shí)施方法。1索塔高度及高程杭州灣跨海大橋全長(zhǎng)36km,主體工程分為:北引線、北引橋、北通航孔橋、中引橋、南通航孔橋、南引橋、南引線等七部分。其中,北航道橋?yàn)殡p塔雙索面五跨斜拉橋,主橋全長(zhǎng)908m,跨徑組合為70m+160m+448m+160m+70m。索塔設(shè)計(jì)為鉆石型空間結(jié)構(gòu),總高度為178.800m,其中塔冠高5.0m,上塔柱高為43.075m,中塔柱高為95.5m,下塔柱高40.225m,索塔施工中需要進(jìn)行高精度的高程傳遞測(cè)量,如斜拉橋塔上錨箱的高程定位精度要求高達(dá)±5mm。由于杭州灣地區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候,溫濕多雨,是重大災(zāi)害天氣多發(fā)地帶,主要自然災(zāi)害有臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮、雷暴、龍卷風(fēng)等,在這種惡劣環(huán)境下,須尋求一種有效的、在高差大的情況下也能以較高的精度進(jìn)行高程傳遞的測(cè)量方法,為此本文將對(duì)上述三種高程傳遞方法逐一進(jìn)行分析。2風(fēng)影響張角的張角在高大建筑物高程傳遞測(cè)量中,懸掛鋼尺法一直是一種比較成熟的方法,至今仍被廣泛采用。眾所周知,懸掛鋼尺法在風(fēng)大的時(shí)候是無(wú)法施測(cè)的,即使強(qiáng)行施測(cè),精度也無(wú)法保證。前已述及杭州灣地區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候,大多數(shù)時(shí)間都有3至5級(jí)的風(fēng),在此條件下用懸掛鋼尺法進(jìn)行索塔施工中的高精度高程傳遞測(cè)量,能否可行、精度如何,應(yīng)該進(jìn)行分析。如圖1所示,在風(fēng)環(huán)境下懸掛鋼尺不再保持鉛垂,而是張成一角度,懸掛垂球作近似單擺運(yùn)動(dòng),在此條件下高差測(cè)量誤差為:由(1)式可知,只要算得對(duì)應(yīng)條件下的張角α,便可求得高差測(cè)量誤差值。根據(jù)單擺運(yùn)動(dòng)原理,可列立平衡方程:(2)式中重力G已知,風(fēng)力Ff不能直接獲得,還須進(jìn)一步推算方可求解方程,根據(jù)牛頓第二定律推導(dǎo)物體所受風(fēng)力與風(fēng)速的關(guān)系為:式中Ff:風(fēng)施加于物體的有效作用力;P:動(dòng)量;m:質(zhì)量;v:風(fēng)速;ρ:空氣密度;A:物體迎風(fēng)面積;Δl/Δt:單位時(shí)間風(fēng)流經(jīng)長(zhǎng)度;Cd:阻力系數(shù)(該系數(shù)會(huì)隨物體形狀的不同而變化,一般Cd約為2左右)。將(3)式代入(2)式即可求得張角α。假設(shè)傳遞標(biāo)高時(shí)用的垂球是質(zhì)量為10kg(與鋼尺檢測(cè)時(shí)的拉力一致)、半徑為10cm、高為15cm的圓錐體,按照幾何公式,易得(3)式中A為0.0248㎡;取標(biāo)況下的空氣密度,即為1.29kg/m3;風(fēng)速取風(fēng)級(jí)區(qū)間極大值。按照(3)式,可算得風(fēng)速與風(fēng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系,見(jiàn)表1。進(jìn)而按照(2)和(1)式,可求得α和對(duì)應(yīng)張角在不同尺長(zhǎng)情況下的σ值,見(jiàn)表2。根據(jù)懸掛鋼尺法的可作業(yè)條件,此處只是對(duì)5級(jí)風(fēng)以下的情況進(jìn)行分析。從表2中的計(jì)算結(jié)果可以看出:當(dāng)風(fēng)力小于二級(jí)時(shí),風(fēng)力對(duì)不同尺長(zhǎng)的懸掛鋼尺法的高差影響誤差小于1mm,可見(jiàn)是懸掛鋼尺法施測(cè)的最佳條件;當(dāng)風(fēng)力達(dá)到三級(jí)時(shí),對(duì)100m長(zhǎng)的鋼尺,僅風(fēng)影響誤差就達(dá)到4.5mm;當(dāng)風(fēng)力達(dá)到四級(jí)時(shí),風(fēng)力對(duì)不同尺長(zhǎng)的懸掛鋼尺法的高差影響誤差均在27mm以上;由此可見(jiàn),對(duì)高程定位精度要求高達(dá)±5mm的索塔高程傳遞,只有當(dāng)風(fēng)力小于二級(jí)時(shí)方可施測(cè),其精度才能滿足定位要求,而杭州灣的風(fēng)力大多在四級(jí)以上,因此若用懸掛鋼尺法進(jìn)行索塔施工中的高精度高程傳遞測(cè)量,顯然是不適合的,因此需尋找其他合適的高程傳遞測(cè)量方法。3地震地質(zhì)條件前已述及三角高程測(cè)量法也是一種大高差高程傳遞測(cè)量的常用方法,它是基于測(cè)量斜距、豎直角、儀器高及目標(biāo)高的原理測(cè)定高差的,高差算式為:式中s為斜距;α為天頂距;i為儀器高;v為棱鏡高。由于受地球曲率和大氣折光的影響,使得豎直角測(cè)量時(shí)的視線方向不是直線,而是一條彎向地球的曲線,使得三角高程測(cè)量的高差含有較大的誤差,如果三角高程進(jìn)行對(duì)向同時(shí)觀測(cè),可以抵消它們的影響。但在杭州灣大橋索塔施工中,由于塔高晃動(dòng)大,塔上無(wú)法架設(shè)儀器,因此只能進(jìn)行單向三角高程測(cè)量,而單向三角高程測(cè)量又必須加球氣差改正,其改正后的高差算式為:(5)式中R為地球曲率半徑。一般情況下,若某個(gè)地方的氣象條件變化不大,則上式中的K接近一常數(shù),此時(shí)可通過(guò)觀測(cè)而獲得該地方的K值,但是在寬水域地方,氣象條件復(fù)雜多變,則K不再是常數(shù)。杭州灣大橋施工測(cè)量,屬海上作業(yè),氣象條件變化大,同時(shí)通過(guò)長(zhǎng)距離跨海高程傳遞,視線必須通過(guò)海面,而海面空氣豐富的水汽將形成大氣折光的特有環(huán)境,加上日照和溫度的變化,使海面大氣折光變得異常復(fù)雜,因此用(5)式的方法,欲使其要達(dá)到毫米級(jí)的高差測(cè)量精度,顯然也是不現(xiàn)實(shí)的。另外由于寬水域地方的霧氣,使得能見(jiàn)度極低,即使所用TCA2003這樣具有自動(dòng)照準(zhǔn)功能(ATR)的全站儀,也很難照準(zhǔn)目標(biāo),因此在杭州灣大橋,用單向三角高程測(cè)量來(lái)進(jìn)行索塔施工中的高精度高程傳遞測(cè)量,也是不合適的,為了進(jìn)行索塔的施工控制,還得尋找它法。4垂直搜索法適用于全站儀表的垂直搜索法4.1全站儀測(cè)距方程全站儀垂直向上測(cè)距法進(jìn)行高差測(cè)量,其原理如圖2放大圖所示。B和a是處在同一鉛垂線上的不同高度的兩點(diǎn),記其高程分別為hB和ha,則a、B兩點(diǎn)之間的高差為:用全站儀的測(cè)距功能進(jìn)行垂直向上測(cè)距,則其所測(cè)距離b與儀器高i之和即為所測(cè)高差,從而達(dá)到高程傳遞的目的。4.2采用水平視線法測(cè)高程傳遞圖2為采用該法將高程從承臺(tái)傳遞到橫梁的作業(yè)示意圖。該方法在施測(cè)時(shí),應(yīng)該選擇帶有ATR功能的全站儀,如TCA2003全站儀,和兩把精密水準(zhǔn)尺、一個(gè)反射芯片。作業(yè)時(shí),在橫梁a處的水準(zhǔn)尺下面貼一反射芯片而取代棱鏡,全站儀可以通過(guò)照準(zhǔn)芯片測(cè)得距離b,從而獲得高差。由于此法望遠(yuǎn)鏡垂直向上,照準(zhǔn)無(wú)法按照常規(guī)的瞄準(zhǔn)方法,在杭州灣作業(yè)時(shí),我們是先在a處打一沖眼,將儀器安置于上,打開對(duì)中激光束并整平儀器,此時(shí)激光束通過(guò)沖眼射向承臺(tái)B處,在B處做好標(biāo)記并將儀器架于該點(diǎn)上,從而使a、B位于同一鉛垂線上,達(dá)到觀測(cè)時(shí)照準(zhǔn)的目的。由(6)式可知,采用該方法,儀器高i的獲取至關(guān)重要,其精度直接關(guān)系到高程傳遞的精度,若直接用鋼卷尺量測(cè),由于量測(cè)時(shí)鋼卷尺傾斜,使其精度低,將難以達(dá)到杭州灣大橋高程傳遞所需的毫米級(jí)精度。具體作業(yè)時(shí),采用了水平視線法,即把儀器安置好后放平望遠(yuǎn)鏡直至垂直角讀數(shù)為90°00′00″,從已知點(diǎn)A(點(diǎn)A與點(diǎn)B相離較近)處所立的水準(zhǔn)尺上讀取讀數(shù)c1,從而實(shí)現(xiàn)從已知點(diǎn)A到待求點(diǎn)a之間的高程傳遞,即Ha=HA+c1+b,從而避免了直接量取儀器高而帶來(lái)的低精度。具體施測(cè)時(shí),應(yīng)多測(cè)回多時(shí)段測(cè)量,以保證a處高程測(cè)量的精度。在杭州灣大橋施測(cè)時(shí),是每?jī)尚r(shí)觀測(cè)一次,共測(cè)六個(gè)時(shí)段,每個(gè)時(shí)段測(cè)四個(gè)測(cè)回并取中數(shù)。4.3測(cè)距誤差的估計(jì)用這種方法觀測(cè)時(shí),a、B兩點(diǎn)在同一鉛垂線上,b在測(cè)量時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了氣象改正,b的精度取決于儀器的測(cè)距精度、垂直向上撥角精度和照準(zhǔn)芯片精度。若采用TCA2003,按照其標(biāo)稱精度,對(duì)于100m高差,算得測(cè)距誤差為δs=±1mm;每次垂直撥角可控制偏差在5″以內(nèi),算得垂直撥角誤差引起的高差誤差為δv=±2mm;顧及ATR的照準(zhǔn)誤差基本上反映在測(cè)角上,對(duì)測(cè)距基本無(wú)影響,則照準(zhǔn)芯片誤差可忽略不計(jì)。而儀器高i的獲取采用了水平視線法,儀器高的量測(cè)誤差便轉(zhuǎn)化為放平視線的撥角誤差,由于A、B相距很近,按照垂直撥角的算法,易得放平視線誤差δp<±2mm。根據(jù)誤差傳播定律,可算得高差測(cè)量誤差為:將上述誤差值代入(7)算得δh<±3mm,小于索塔施工所要求的±5mm的誤差范圍,由此可見(jiàn)全站儀垂直向上測(cè)距法進(jìn)行高差傳遞測(cè)量,可獲得較高的精度,能滿足索塔施工的精度要求。4.4檢測(cè)結(jié)果比較以上精度分析可知,全站儀垂直向上測(cè)距法能滿足索塔施工高程控制的精度要求,為了對(duì)其精度和可靠性有更好的了解,特進(jìn)行了不同時(shí)段對(duì)比觀測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。表3是不同時(shí)段杭州灣大橋北航道橋索塔高程傳遞數(shù)據(jù),從表3中可以看出各時(shí)段高差互差值最大的為3mm,說(shuō)明其測(cè)量結(jié)果是可靠的,本方法的內(nèi)符合精度較好。為了檢驗(yàn)其外符合精度,在無(wú)風(fēng)情況下還進(jìn)行了懸掛鋼尺法高差測(cè)量的對(duì)比觀測(cè)。通過(guò)比較,兩種方法的高差中數(shù)相差小于5mm,又證明了全站儀垂直向上測(cè)距法精度較高。通過(guò)以上分析和驗(yàn)證,說(shuō)明了全站儀垂直向上測(cè)距法高差測(cè)量,不受風(fēng)和大氣折光的影響,精度較高,應(yīng)用于杭州灣大橋索塔施工的標(biāo)高控制,能滿足施工的精度要求。5高精度高程測(cè)量的優(yōu)勢(shì)1)懸掛鋼尺法,主要受風(fēng)的影響,本文用物理的方法分析計(jì)算出不同情況下,風(fēng)力對(duì)該法的影響,并針對(duì)杭州灣大橋特有的風(fēng)環(huán)境,說(shuō)明了懸掛鋼尺法在杭州灣大橋索塔施工中高精度高程傳遞測(cè)量是不適合的。2)由于杭州灣大橋附近海上氣象條件變化大,海面大氣折光異常復(fù)雜,同時(shí)寬水域地方的霧氣大、能見(jiàn)度極低、精確