煙囪垂直度快速測量方法應用研究

孫青云（上海泓源建筑工程科技股份有限公司， 上海 201700）

隨著建筑工程施工技術及工藝水平的提高，國內煙囪筒身中心線允許偏差標準也有了大幅提高。尺量、線墜及經緯儀等傳統測量手段也逐漸被激光垂準儀、免棱鏡全站儀、三維激光掃描儀、近景攝影測量等新儀器、新技術所替代[1－5]。但是，許多新儀器往往價格比較昂貴，新技術應用也需要專門的技術人員。一些施工企業經常因經費投入不足，選用價格低廉、操作簡便的傳統測量儀器設備和手段。針對上述情況，選擇目前市面上價格相對低廉的免棱鏡全站儀，進行煙囪筒身中心線垂直度偏差測量，并與激光垂準儀數據進行對比分析。

1 項目情況

上海市竹園污水廠污泥處理工程采用了發達國家已有成熟應用的“干化＋焚燒”處理工藝，是目前國內已建成投運的較大的污水污泥干化焚燒工程，徹底解決了污水片區污泥的出路問題。

工程服務范圍為該污水片區第一、第二、曲陽、泗塘 4座污水處理廠產生的脫水污泥。近期建設規模為 150 t/d 的干物質（750 t/d 的濕污泥，以含水率 80% 計），年處理脫水污泥達 27.4萬 t。考慮設施檢修所需時間，年運行時間按7 500 h 計。由此折算設計額定處理能力7.3 t/h 的干物質。共設置 2 條生產線，單線額定處理能力 3.65 t/h 的干物質。干化焚燒煙囪高度 50 m，形狀為上口小，下口大，橫切面呈規則圓形，施工采用模板鋼筋混凝土工藝。

2 測量方案選定與實施

2.1 工況現狀

施工測量技術人員進場時，該工程煙囪處于剛完工狀態，需進行垂直度復核。但由于現場施工造成部分控制點被破壞，加上附近已建成建筑、綠化及圍欄等原因，因此無法直接采用原控制點施測；而且煙囪攀爬也十分困難，無法安置測量棱鏡或反射片等測量設備。

2.2 測量方案選定與優化

2.2.1 測量方案選定

鑒于上述原因，采用免棱鏡全站儀極坐標法測量方式進行。測量儀器采用精密型拓普康全站儀 GPT-3002 LNC。其無棱鏡測距精度為 ±（5 mm＋2×10－6×D），D為測量距離，單位為 km，測角精度為 2 "。它還擁有 1 200 m 超長無棱鏡測距、測距光斑小、功耗低、具有激光指向及放樣指示、防塵防水等級高等特點，施工現場實用性價比很高。

測量系統采用假定坐標系和假定高程系統。其優點是可以克服現場控制點被破壞的困難，避免因施工控制網系統誤差和引測傳遞誤差造成測量精度降低。計算和判定標準依據 GB 50078—2008 《煙囪工程施工及驗收規范》，分別在煙囪上部、中部和下部區域相同高度處測定一系列三維坐標點。煙囪橫截面位置示意見圖1。

圖1 煙囪橫截面位置示意圖

從圖1 可見，通過 4 點共圓原理，利用 CAD 相關繪圖軟件，求得各區域相同高度處不同共點圓的圓心坐標。然后計算出各圓心坐標的算數平均值，進而以其中兩點連線作為筒身中心線，依據GB 50078—2008 的規范判定該處的筒身中心線垂直度偏差量。

2.2.2 精度估算

根據極坐標測量原理，被測點（設為Pi）的三維坐標式見式（1）：

式中：Spi—Pi點的斜距；

Vpi—Pi點的豎直角讀數；

αpi—Pi點的豎直角讀數。

根據誤差傳播理論[6]可求得其點位中誤差的表達式（2）：

式中：ms—儀器測距標稱精度；

mρ—儀器測角標稱精度；mα—測角精度中誤差；

ρ—弧度為秒的乘常數。

取ms=±5m m，mρ=±2n，mα=±2n2 ，ρ=206265，Spi≈70 m ，Vpi≈40°，則被測點Pi的點位中誤差M= ± 5.0 8 mm 。

2.3 方案實施情況

2.3.1 測量控制點布設

根據場地情況，在煙囪的東西兩側 60～80 m 處，布設兩個地面觀測點A和觀測點B，并在觀測點A側布設一個地面方向點C，同時保證這 3 點兩兩通視，以便于互相檢核。觀測點水平投影示意圖見圖2。

圖2 觀測點水平投影示意圖

從圖2 可見，選取的兩個地面觀測點A、B，在其視線范圍內都可較好地看到同側煙囪的豎向全貌。設定地面觀測點A三維坐標，以C點為方向點，建立假定坐標系和假定高程系，開展后續測量工作。取煙囪不同高度的 315 個橫截面點作為被測點Pi進行測量，被測點Pi=P1、P2、P3……(i=1、2、3 …… 315)。

2.3.2 煙囪橫截面選取與測量

選取煙囪不同高度橫截面 3 處（高、中、低），具體位置選在某一明顯支模板痕跡處及紅白漆交界處。通過建立的假定坐標系，采用全站儀配合免棱鏡模式，對已經確定的截面進行點位測定。然后將各實測截面數據導入南方 CASS 7.0 軟件。在軟件內用 3 點共圓法繪制所選截面，并確定圓心位置。因存在多個圓心，所以選取上、中、下截面圓心距離最大情況、最小情況及坐標平均值距離情況來反映煙囪垂直度。

2.3.3 影響因素與處置措施

（1）風荷載影響與處置措施。由 JGJ 3—2010 《高層建筑混凝土結構技術規程》表3.7.3可知，受風荷載影響，該煙囪頂部位移與高度之比的限值取 1/1 000，則風荷載影響允許的最大值為 5 cm，已超出 GB 50078—2008 中此高度垂直度允許偏差值。該污泥處理廠位于長江入海口附近，極易受風荷載影響；且空氣濕度較大，對全站儀配合免棱鏡觀測精度也有一定影響。

因此，為保證測量精度和數據的可靠性，采取如下處置措施：①選擇微風天氣（風力 2～3 級），最大程度減小風荷載影響；②選擇最佳觀測時段（經驗證，此處北京時間上午 7～9 點較佳），減少大氣折射對測量精度的影響；③通過多測回同精度觀測數據比對。通過采取以上處置措施并經現場測試比對發現，風荷載影響在此次復核中可以忽略不計。

（2）施工偏差影響與處置措施。煙囪在施工過程中可能存在外表面凹凸不平、橫截面支模板高程不一致，甚至存在整體傾斜、S型等情況。

因此，采取如下處置措施：①選取的下部橫截面距離地面盡可能近，并以其圓心作為筒身中心線評判點，從而減小計算偏差；②通過增加不同橫截面位置的觀測點數，并將其根據 3 點共圓法求得圓心坐標點取算數平均值，作為最終偏差計算值，以減小外表面不光滑造成的影響；③通過選擇上、中、下三處橫截面進行計算，避免施工出現 S 型（亦可選擇多處橫截面，提高準確性）。

（3）測量誤差與處置措施。免棱鏡測量狀態下，其測量誤差大小和距離成正比；而且俯仰角或側向角度越大，其測量誤差越大。另外，橫截面上共點圓測量點越集中，求得圓心和實際圓心偏差越大；越分散，求得圓心越接近實際圓心值。

因此，采取如下處置措施：①地面觀測點選擇在距離煙囪高度 1～1.5 倍處（60～80 m 處），最高待測點的觀測角控制在 40 °以內，優化免棱鏡測量狀態下的實測數據；②地面觀測點選在煙囪兩側，保證觀測點的分散性，使共點圓心盡量接近實際圓心值；③測量點采用正倒鏡觀測方式，取其平均值作為計算值，以減小觀測誤差帶來的影響。

3 數據成果分析

根據假定坐標系和假定高程系設定的地面觀測點，共測得不同高度橫截面點 315 個。經過篩選，得到煙囪下部橫截面（高度 0.86 m 處）代表性共點圓 6 個，分別為O1～O6；中部橫截面（高度 38.52 m 處）代表性共點圓 6個，分別為 O7～O12；上部橫截面（高度 47.92 m 處）代表性共點圓 9 個，分別為 O13～O21。各共點圓圓心坐標值詳見表1。

表1 不同部位橫截面共點圓心坐標值 m

以煙囪下部橫截面共點圓圓心算數平均值作為筒身中心線評判點：中部橫截面筒身中心線偏差 ?X1=0.017 m，?Y1= －0.008 m，其平面向量偏差值為 ?L1=0.018 m；上部橫截面筒身中心線偏差值 ?X2= 0.019 m，?Y2= －0.007 m，其平面向量偏差值為 ?L2=0.020 m。根據 GB 50078—2008 續表6.5.4可知，?L1限=0.034 m，?L2限=0.039 m (均采用內插法計算得出)，滿足相應高度處規范限差要求。

同時，采用南方激光垂準儀對煙囪頂部筒身中心線垂直度偏差值進行測量驗證，其偏差值為 0.027 m，滿足 GB 50078—2008 規范不超過 0.040 m 的限差要求。

4 結 語

本文以上海市竹園污水廠污泥處理工程為例，采用免棱鏡全站儀對污泥干化焚燒煙囪進行了垂直度偏差測量。通過采用假定坐標和高程系統，避免了控制測量誤差和傳遞誤差；選擇微風天氣和最佳觀測時段，減小了風荷載對測量結果的影響；選擇上、中、下橫截面和增加共點圓觀測點數，避免施工 S 型和外表面凹凸不平造成的影響；通過控制觀測點距離、位置，以及正倒鏡觀測等措施提高測量精度。經計算和驗證可知，煙囪中部和上部平面向量偏差值分別為?L1=0.018 m 和 ?L2=0.020 m。根據 GB 50078—2008 續表6.5.4可知，?L1限=0.03 4 m，?L2限= 0.039 m（均采用內插法計算得出)，滿足相應高度處規范的限差要求。

這一快遞測量方法具有以下優點：簡便易操作，儀器成本相對低廉，不必攀爬布設反射片，也不必爬至頂部讀取垂準儀讀數，省時省工省力；尤其適合因年代久遠、資料缺失、無對比監測點、不易內部測量和外部攀爬的老齡煙囪。這些可供類似施工測量工程參考。