全站儀在高速鐵路水中墩沉降觀測中的應用探討

王建紅

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

1 概述

高速鐵路無砟軌道施工前必須進行線下工程沉降變形監測，目的是預測線下工程最終沉降量和工后沉降，合理確定無砟軌道鋪設時間，確保鋪設質量。在《高速鐵路工程測量規范》、《高速鐵路無砟軌道工程施工精調作業指南》與《客運專線鐵路變形觀測評估技術手冊》中，對橋梁墩臺沉降都有明確要求，大跨度水中墩的沉降監測更是監測的重點和難點。高速鐵路線下工程沉降監測的精度要求按變形監測三級執行，相當于國家二等水準測量精度。沉降監測的精度采用二等水準測量的方法都能滿足要求。高速鐵路線跨越大的河流湖泊時，水中墩的沉降監測實施相當困難，無論從測量方法選擇，還是測量場地的布置，跨度小于100 m的墩間距可按《國家一、二等水準測量規范》的常規要求進行施測，跨度連續大于100 m的墩間距無法滿足二等水準測量常規方法要求，按規范要求應進行跨河水準觀測。但跨河水準測量的條件相當苛刻，并且水中墩的場地無法布置跨河水準觀測場地，所有的大跨度水中墩的沉降監測都需根據情況做詳細的觀測方案。

本文討論在連續跨度大于100 m的水中墩進行沉降觀測的一種實施方案，采用精密全站儀使用中間設站精密三角高程的方法對水中墩進行沉降監測，使用徠卡TCA2003全站儀。TCA2003全站儀的測角精度為0.5″、測距精度為1 mm+1×10－6D，并且具有 ATR棱鏡自動照準功能、可編程自動驅動觀測的特點，可減少人工操作誤差;通過建立中間設站精密三角高程測量數學模型，估算中間設站精密三角高程測量精度，在變化距離與角度情況下與二等水準測量限差進行對比分析，分析實施過程中的操作條件。通過實驗數據分析，采用高精度全站儀對連續大跨度水中墩的沉降觀測方案是可行的。

2 精度分析

2.1 精密三角高程測量原理

由圖1三角高程測量原理示意可知，在A點架設全站儀，從A點觀測B點，B點相對于A點的高差為

其中A＇為儀器中心，B＇為棱鏡中心，觀測豎直角為αAB，斜距為 SAB，儀器高 AA＇為 iA，棱鏡高 BB＇為 vB，γAB為A點在觀測方向上的垂直折光角，H＇H=D2/2R為地球曲率對高差的影響，γAB=－K·DAB/2R，K為大氣垂直折光系數，R為地球平均曲率半徑。

圖1 精密三角高程測量原理

圖2 中間設站精密三角高程測量示意

2.2 中間設站精密三角高程測量原理

由圖2可以同理寫出從A點觀測C點，C點對于A點的高差為

在實際測量中，B，C采用棱鏡強制對中標志，測量的棱鏡高度無需進行量測，在公式(1)，(2)中 νB=νC=0，對公式(1)，(2)進行相減得到 CB之間的高差hCB

2.3 中間設站精密三角高程測量精度分析

對(3)進行全微分，根據誤差傳播定律得到CB點間的高差中誤差為

其中mf為大氣折光對高差的影響

中間設站要求前后平距盡量相等，即DAB≈DAC=D，前后豎角盡量小并相等，即αAB≈αAC=α，同一臺儀器有測距誤差相等，測角誤差相等，mSAB=mSAC=mS，;對(4)，(5)兩式整理

或

公式(6)為斜距表示的CB點間高差中誤差，公式(7)為平距表示的CB點間高差中誤差。

在《鐵路工程測量》中大氣折光系數誤差為0.03，一些文獻表明，大氣折光系數k的中誤差約為±0.02～±0.05，本文取最大值mk=±0.05;按兩倍的中誤差作為測量限差，距離取L=2D，我國二等水準測量的相鄰水準點間高差限差4表1是每站固定平距與角度時，采用TCA2003全站儀的測角精度為0.5″、測距精度為1 mm+1×10－6D，大氣折光系數 k =0.14，大氣折光系數中誤差mk=±0.05，中誤差與二等水準限差的一半的比較情況。

表1 每站高差中誤差表與二等水準限差對照 mm

《高速鐵路工程測量規范》中，要求中間設站三角高程的測回數為4個測回，垂直角測回間較差小于5″，前后視距差要求小于5 m，距離測量的測回內，測回間的較差小于2 mm，距離不超150 m;從表1中的數據對比可以看出在距離小于400 m，豎角小于10°的情況下可以滿足限差要求，在實地場地布置的時候盡量控制前后視距基本相等;在測量過程中增加測回數，提高測角的精度;控制豎角足夠小并且前后豎角基本相等，可減小大氣折光與地球曲率對高差精度的影響，表1中的精度估算是可靠的。

3 實驗分析

3.1 現場概況

某條在建高速鐵路穿越某河流，有4個橋墩在河流中間，并且中間三跨距離都連續在120 m以上，靠近岸邊的橋墩離岸距離也將近100 m;垂直位移變形觀測采用二等水準測量的方法施測，橋梁沉降變形監測點之間的測量滿足不了跨河水準測量的場地布設要求，現場情況如圖3所示。

圖3 現場情況示意

3.2 方案研究

為了進行正常的沉降變形監測，探討研究采用中間設站三角高程方法，使用高精度全站儀TCA2003進行測量的方案，其中沉降監測點與工作基點都采用強制對中標志(如圖4所示)，測量時使用開發的全站儀自動觀測程序。在沉降監測的在橋墩垂直線路兩側修建架設全站儀的工作平臺，墩身埋設強制對中觀測標志，標志高度與全站儀架設高度等高，工作基點的高度埋設時與沉降監測標志基本同高。工作基點在位置選擇好后，采用二等水準測量方法進行測量，河兩岸的工作基點應進行聯測，單獨完成監測網建立工作。工作基點水準測量采用圖4中高程連接桿，使用全站儀三角高程測量時采用圖4中棱鏡連接桿，工作基點的高程嚴格歸化到棱鏡中心。橋墩變形監測點全部采用圖4中棱鏡連接桿。

橋墩的沉降監測標志分左、右線分別進行觀測，以右側為例，首先在G1，J2，J4設站，觀測 A、J1、J3、D之間的高差;再在J1，J3，D2設站，觀測A、J2、J4、D之間高差，形成兩條路線。每個設站調整儀器高度進行兩次獨立觀測，兩次獨立觀測形成往返測量。

3.3 實驗數據

在岸上選擇合適位置按3.2中的觀測方案，進行了測量方案的場外實驗，中間距離設計為160 m左右，靠近岸邊的距離為100 m左右，兩次單獨設站的高差都小于1 mm，往返較差如表2所示。

圖4 測量配件示意

表2 往返高差較差

對觀測數據進行平差，平差的高差平差值及其精度如表3所示。

表3 高差平差值及其精度

平差完后的高程平差值及其精度如表4所示。

表4 高程平差值及其精度

《建筑變形測量規范》中三級垂直位移變形測量與《高速鐵路工程測量規范》三等垂直位移變形監測中對變形點的高程中誤差限差為1 mm，相鄰變形點的高差中誤差為0.5 mm，從表3、表4中的平差數據可以看出，各項精度指標滿足規范要求。

3.4 觀測注意事項

(1)為了減小折光的影響，最好選擇陰天進行觀測，垂直角觀測宜在日出后2 h至日落前2 h期間目標成像清晰時進行。

(2)測回數在4個測回以上，強制對中標的重復安裝誤差小于0.2 mm。

(3)進行觀測時的溫度氣壓嚴格記錄輸入，溫度精確到0.2℃，氣壓0.5 hPa。

(4)儀器設站位置每次嚴格固定，并且前后視距差不宜大于5 m，兩次設站所測高差之差應小于1 mm。

(5)觀測線路設計中，盡量減少設站數或減少線路距離，有利于精度控制，避免遠離工作基點的變形監測點的高程平差精度超限。

［1］TB 10601—2009/J 962—2009 高速鐵路工程測量規范［S］

［2］JGJ8—2007/J719—2007 建筑變形測量規范［S］

［3］TB 10101－2009/J961－2009 鐵路工程測量規范［S］

［4］鐵建設函［2009］674號 高速鐵路無砟軌道工程施工精調作業指南［S］

［5］工管技［2009］77號 客運專線鐵路變形觀測評估技術手冊［S］

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［7］晏紅波，黃 騰，鄧 標．智能全站儀精密三角高程測量替代二等水準測量［J］．水電自動化與大壩監測，2007，31(4)

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