倒尺尺架技術在建筑物沉降觀測的應用研究

張云端，陳燕飛

(洛陽市規劃建筑設計研究院有限公司，河南洛陽 471000)

1 引言

建筑物施工前期，周邊基坑開挖留下施工區尚未填平或施工區周邊地形條件限制，會遇到沉降觀測點埋設位置較高，水準儀視線高達不到觀測點的高度，無法進行沉降觀測的情況，傳統的幾何水準法難以實施。若采用設置觀測墩、觀測臺，缺點是成本高、作業時間延長，對于建筑物較高的觀測點，作業較難實現;傳統倒尺觀測方法，作業過程中水準標尺垂直狀態受作業人員判斷，影響觀測精度。目前，建筑物沉降觀測的研究多側重于對監測數據的分析研究;水準測量精度分析;倒尺觀測讀數研究等，缺少針對觀測本身提高觀測精度的研究，為此本文提出采用倒尺尺架技術進行特殊情況下的沉降觀測，可以提高作業速度，保證沉降觀測精度，并通過實踐驗證，方便實用，精度完全可以達到規范要求。

2 倒尺尺架制作及工作原理

2.1 倒尺尺架制作

尺架主要部件包括卡尺部分(右盤)、掛點部分(左盤)、中間部分(雙向連接板)。右盤中心處設有高強度磁鐵，磁鐵鑲嵌在主板上且底面與主板底面在同一平面上，確保水準尺底端面與觀測點在一個平面上。倒尺尺架材料采用膨脹系數較小的合金鋼制作。由于尺架加工要求精度很高，因此采用鋼板的平整度要求也很高。尺架主板與雙向連接板寬度尺寸小于精密水準標尺底端兩個凸點間距，確保水準標尺與尺架較好接合，如圖1～圖3所示。卡尺部分與水準尺進行連接部位采用強磁性磁鐵，可以使標尺底端面與主板貼緊，作業過程中，不產生變形或者變形微小，確保高程傳遞精度。

圖1 倒尺尺架正視圖

圖2 倒尺尺架側視圖

圖3 倒尺尺架與標尺底端套合圖

2.2 工作原理

尺架使用時，將水準標尺底端與尺架套合在一起，水準標尺底部落在尺架右盤的觸點上，將水準標尺和尺架整個通過左盤觸點放到沉降觀測點(或沉降鉤)上，通過倒置水準器判斷標尺豎直后進行觀測。

雙線連接板可以通過固定螺絲旋進或旋退左右移動，可以根據不同尺寸的水準標尺進行調節。

倒尺水準測量，立尺方向與高程系統反向，所以應在倒尺讀數前加上負號，這樣高差計算與正尺測量一致，即高差等于后視減前視。主要有以下4種情況:

(1)后視立正尺，前視立倒尺。

高差為:h=a－(－b)

(2)后視立倒尺，前視立正尺。

高差為:h=(－a)－b

(3)沿地面前視、后視均立倒尺，如圖4所示。

高差為:h=(－a)－(－b)+△L=(b－a)+△L

式中:LA、LB分別為A尺和B尺的長度，△L通過偶數站自動消除，此時△h=∑(b－a)

圖4 地面轉站倒尺觀測示意圖

(4)沿沉降點前視、后視均立倒尺，如圖5所示。

其中:h=(－a)－(－b)=(b)－(a)

圖5 建筑物沉降點倒尺觀測示意圖

3 倒尺尺架進行水準測量的讀數改正

3.1 倒尺尺架讀數改正

倒尺精密水準測量必須對讀數改正后，才能使用上面的公式。因為普通水準儀在標尺上的讀數是水平視線到標尺理論零點的距離，而精密水準儀由于測微尺的作用，使正尺的讀數與這個距離相差一個常數K(如N3，K=0.5 cm)，倒尺就不具備以上規律，所以應該按照一定的規律改正，否則會導致嚴重的錯誤。

(1)倒尺尺架讀數改正規律

如圖6所示:當△1≤0.5 cm時，轉動測微輪視線上移，測微尺示數減小，與y重合時測微尺示數減小△1，這時測微尺示數減小到e=(0.50－△1)，則:

這時實際讀數為:

當△2≤0.5 cm時，轉動測微輪視線下移，測微尺示數增大，與x重合時測微尺示數增大△2，這是測微尺示數增大到e=(0.50+△2)則:

這時的實際讀數為:

圖6 測微尺示數為0.5 cm觀測示意圖

3.2 讀數改正規則總結

依據實際作業:總結以下改正規則:

改正規則一:0.5 cm減去重合時測微尺讀數與標尺分劃值求代數和，即得到改正后的正確讀數。例如按照常規方法讀得兩倒尺讀數為－101.555、－053.420，改正后分別為－100.945、－053.080。

為了防止+0.50 cm造成測量成果的錯誤，有必要使倒尺測量具有 －0.50 cm這一常數，在高差計算中正負抵消，所以給式(1)、式(2)的兩邊同時減去0.5 cm，則得:

與 y 分劃重合時:y+△1－0.50=y－e

與 x 分劃重合時:y+△1－0.50=x－e

改正規則二:重合時標尺分劃值減去測微尺示數所得的差，就是改正后的正確讀數。例如按照常規方法讀得兩倒尺讀數為－101.555、－053.420，改正后分別為－100.445、－052.580［1］。

由此可見，在精密水準測量中存在±0.50 cm兩常數，但無論前后視如何立尺，改正后高差計算均會自動抵消，但單向觀測應注意。實踐證明，規則二改正可提高計算速度，建議在實際工作中使用規則二對觀測數據進行改正。表1為改正規則應用高差計算結果。其中采用儀器型號為WildN3。

改正規則應用高差計算表表1

4 尺架常數的測定

由于尺架在制作過程中會因微小的誤差使標尺底部與卡尺部分的平面不能完全重合，這樣在觀測的過程中就會形成由尺架制作不精密而造成的誤差，我們把這個誤差值稱為尺架常數，因此在尺架制作完成后，均應對尺架反復試驗，測定其常數，對觀測結果進行改正，得到正確的觀測數據。若尺架制作嚴密，理論上尺架常數可以忽略不計。

取固定后視方向(正尺)，選擇正、倒尺均能進行觀測的若干個沉降觀測點(本文取兩個點為例)，對它們多次觀測取平均值，得到尺架常數。首先前視用正尺分別觀測后視與前視觀測點的高差，多次觀測取平均數，然后前視使用倒尺再一次測后視與前視觀測點的高差，取平均數。則正、倒尺的高差之差為尺架常數。

本次觀測以1 m標尺(9589)和2 m標尺(23776)為例測定尺架常數。數據匯總如表2所示:

尺架常數計算表 表2

由表2可以看出:1 m標尺(9589)和2 m標尺(23776)所測得的結果分別為 －0.26 mm、+0.29 mm，說明尺架制作精度較高，觀測結果可視為觀測誤差，則尺架常數可忽略不計。

實踐證明:在觀測的過程中，對尺架卸掉再重新安裝，同一點的觀測高差值不變。如表3所示:

尺架拆卸高差計算表 表3

5 結語

采用倒尺尺架進行建筑物沉降觀測，可以簡化工作，提高工作效率，實用性很強，但應對讀數行改正。倒尺尺架在使用過程中能滿足作業要求，但部件亟待進一步的研究完善，使其外觀更加美觀，適用性更強。本文以水準儀WILD N3為例進行描述，通過對其他型號水準儀實驗，改正規則適用于其他型號的水準儀，規則只考慮數值，不考慮負號，改正后再加上負號即可。在現場觀測中可以直接使用規則二對讀數進行改正。整數位是標尺分劃值減1，小數位是1 000減去測微尺示數，這樣提高現場計算速度。

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