基于徠卡TS30全站儀的橋墩平面位移 監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究

張鴻祥，劉平利，王傳先，劉松源，陳艷波

（1.河南省地質(zhì)調(diào)查院 河南省城市地質(zhì)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001；2.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，河南 鄭州 450001）

近年來(lái)隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，特別是高速鐵路的不斷延伸，高速鐵路逐步形成網(wǎng)狀分布的態(tài)勢(shì)。對(duì)于高速鐵路來(lái)說(shuō)，支撐橋墩是最重要和最常見(jiàn)的基礎(chǔ)設(shè)施之一，下穿高鐵高架橋鄰近高鐵橋墩開(kāi)挖施工，將會(huì)不可避免地對(duì)橋墩產(chǎn)生影響[1]。為減少基坑施工對(duì)高速鐵路橋墩變形的影響，保證行車(chē)安全，通常需采取相應(yīng)的措施來(lái)降低施工開(kāi)挖對(duì)橋墩的影響，同時(shí)對(duì)橋墩的平面位移監(jiān)測(cè)也是必不可少的重要方式。本文以中石化投建的日照—濮陽(yáng)—洛陽(yáng)原油管道下穿鄭焦城際高鐵項(xiàng)目為例，闡述了在鄰近高鐵橋墩開(kāi)挖施工中，徠卡TS30高精度全站儀在橋墩平面位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 工程項(xiàng)目

為滿足河南省對(duì)成品油和石油化工產(chǎn)品的快速增長(zhǎng)需求，經(jīng)相關(guān)部門(mén)批準(zhǔn)，確定建設(shè)日照—濮陽(yáng)—洛陽(yáng)的原油管道。該項(xiàng)目為國(guó)家原油和成品油管網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目，管道起點(diǎn)為日照嵐山區(qū)日照輸油站，終點(diǎn)為河南省洛陽(yáng)市吉利區(qū)洛陽(yáng)儲(chǔ)油庫(kù)，全長(zhǎng)796 km。管道穿越焦作市修武縣境內(nèi)的鄭焦城際高速鐵路，于新月第二雙線特大橋第五孔處下穿而過(guò)，該橋孔跨徑為32 m的簡(jiǎn)支箱梁，4號(hào)和5號(hào)橋墩采用圓端形實(shí)體橋墩，鉆孔樁基礎(chǔ)直徑為1 m。原油管道下穿線路與鐵路線之間的夾角為74 ，相交鐵路橋下凈空高為 7.72 m，管道距離鐵路橋墩承臺(tái)邊的最小距離為10.32 m， 鐵路上下行為雙線電氣化有咋軌道。項(xiàng)目的總體工作方案為：首先采用GPS衛(wèi)星靜態(tài)定位的方法對(duì)工作基點(diǎn)實(shí)施監(jiān)測(cè)[2]，并聯(lián)測(cè)工作區(qū)域高鐵建設(shè)時(shí)設(shè)立的CPI或CPII控制點(diǎn)，建立4個(gè)平面工作基點(diǎn)；然后在基巖或地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的地方設(shè)立兩個(gè)水準(zhǔn)工作基點(diǎn)；最后在需進(jìn)行監(jiān)測(cè)的4個(gè)橋墩上部?jī)蓚?cè)設(shè)立8個(gè)平面監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在橋墩下部?jī)蓚?cè)距離地面約50 cm處設(shè)立8個(gè)水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在工程施工前后，應(yīng)利用徠卡TS30高精度全站儀和天寶電子水準(zhǔn)儀對(duì)4個(gè)橋墩同時(shí)進(jìn)行平面位移和垂直位移的監(jiān)測(cè)。施工現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 施工現(xiàn)場(chǎng)

1.2 地質(zhì)條件與防護(hù)結(jié)構(gòu)

施工區(qū)域地處丘陵與平原過(guò)渡地帶，工程范圍 屬于沖積平原地貌，地勢(shì)平坦，地表主要為農(nóng)田。地層為第四系全新統(tǒng)素填土、沖積粉土、中砂，其中素填土分布于地表，厚約1.8 m，黃褐色，松散；沖積粉土分布于素填土下層，厚約8～9 m，黃褐色，中密；中砂分布于沖積粉土層之下，厚約20 m，灰黃色，中密。根據(jù)資料顯示，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)不明顯，地震烈度較小，橋址未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)作用。

在管廊明挖施工時(shí)，不同的基坑支護(hù)型將會(huì)對(duì)周邊土體產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng)，而土體擾動(dòng)可能會(huì)對(duì)已建高鐵墩柱帶來(lái)安全隱患[3]。根據(jù)工程地質(zhì)條件，將鋼筋混凝土蓋板作為防護(hù)結(jié)構(gòu)通過(guò)，蓋板厚20 cm，寬 2 m，每塊蓋板長(zhǎng)1.5 m，橋下通過(guò)總長(zhǎng)60 m，距離原油管道頂部埋深為1.95 m。

2 橋墩平面位移監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

2.1 平面位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本文選取項(xiàng)目周?chē)?個(gè)穩(wěn)定且滿足要求的CPI或CPII控制點(diǎn)作為平面起算點(diǎn)，在施工前進(jìn)行復(fù)測(cè)，并確定其可靠性。

2.2 平面位移監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)設(shè)計(jì)

在監(jiān)測(cè)橋墩兩側(cè)布設(shè)4個(gè)工作基點(diǎn)，并聯(lián)測(cè)平面起算點(diǎn)建立水平位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)；再采用GPS靜態(tài)觀測(cè)的方法間隔觀測(cè)兩次，平差后取其平均值作為工作基點(diǎn)的初始值。平面控制網(wǎng)的主要技術(shù)要求和精度指標(biāo)如表1所示。

表1 平面控制網(wǎng)的主要技術(shù)要求和精度指標(biāo)

2.3 平面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本文共設(shè)置8個(gè)平面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用徠卡 40 mm×40 mm的反射片布設(shè)于橋墩兩側(cè)上部的中間位置，如圖2所示。獲得工作基點(diǎn)的初始數(shù)據(jù)后，利用徠卡TS30高精度全站儀通過(guò)后方交會(huì)的方法進(jìn)行設(shè)站；然后觀測(cè)橋墩上部的平面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，取3次觀測(cè)值的平均值作為初始監(jiān)測(cè)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)。城市間的軌道設(shè)施作為特殊重要保護(hù)對(duì)象，其對(duì)變形的控制指標(biāo)與基坑對(duì)普通道路變形的控制指標(biāo)在量值上是不同的[4]，根據(jù)鐵路軌道交通等相關(guān)規(guī)范，本文制定的平面位移監(jiān)測(cè)主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

圖2 反射片布置圖

表2 平面位移監(jiān)測(cè)主要技術(shù)要求

3 徠卡TS30高精度全站儀的測(cè)量對(duì)比

3.1 徠卡TS30高精度全站儀簡(jiǎn)介

徠卡TS30高精度全站儀是四代智能型高精密測(cè)量?jī)x器，標(biāo)稱(chēng)測(cè)角精度可達(dá)0.5″，測(cè)距精度可達(dá)0.6 mm+1 ppm，完美地融合了高精度角度測(cè)量、高精度距離測(cè)量、四重軸系補(bǔ)償系統(tǒng)、自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別以及快速跟蹤等功能[5]。在角度測(cè)量系統(tǒng)中，該儀器采用對(duì)徑布置4個(gè)角度探測(cè)器的方式，形成了絕對(duì)連續(xù)編碼，進(jìn)一步消除了儀器的系統(tǒng)誤差；拋物鏡面反射角度探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，使反射回聚焦的編碼影像更清晰，能更高效地進(jìn)行度盤(pán)探測(cè)和分析讀取；相對(duì)于傳統(tǒng)全站儀，該儀器提高了15%的度盤(pán)尺寸，從而使度盤(pán)分劃更加均勻，精密分辨率更高。在測(cè)距系統(tǒng)中，該儀器將PinPoint激光脈沖技術(shù)與相位觀測(cè)法整合在一起，保證了更高的測(cè)距精度；特殊的過(guò)濾反射光組件過(guò)濾了測(cè)量時(shí)的干擾光線，從而提高了測(cè)距的可靠性。該儀器特有的四重軸系補(bǔ)償系統(tǒng)，補(bǔ)償范圍為4′，精度優(yōu)于0.5″，支持自身補(bǔ)償器校驗(yàn)，通過(guò)校準(zhǔn)操作可降低儀器的系統(tǒng)誤差，提高測(cè)量精度，對(duì)于高精度的測(cè)量尤為重要。在自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別與跟蹤方面，該儀器采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)技術(shù)，能將電能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能，具有加速度快且步長(zhǎng)小、精度高和耐磨性強(qiáng)等特點(diǎn)，為儀器的智能化自動(dòng)高精度定位提供了基礎(chǔ)。徠卡TS30高精度全站儀的技術(shù)參數(shù)如圖3所示。

圖3 徠卡TS30高精度全站儀的技術(shù)參數(shù)

3.2 徠卡TS30高精度全站儀的監(jiān)測(cè)方式

隨著高精度智能全站儀在高鐵測(cè)量中的廣泛應(yīng)用，基于自由設(shè)站的平面位移監(jiān)測(cè)方法不僅能有效避免施工干擾，而且能有效保障或提升監(jiān)測(cè)的精度和效率[6]。利用徠卡TS30高精度全站儀在野外進(jìn)行施工測(cè)量時(shí)，根據(jù)前期收集的資料和工程施工現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn)，確定測(cè)量施工方案為現(xiàn)場(chǎng)自由架站多點(diǎn)后方交會(huì)定向的方法，從而消除儀器架站時(shí)的對(duì)中誤差，再采用按照橋墩監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)順序觀測(cè)的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)測(cè)量。

利用全站儀進(jìn)行觀測(cè)前，應(yīng)將儀器開(kāi)箱放置約 20 min，以便儀器與環(huán)境溫度基本一致。儀器架站作業(yè)時(shí)，物鏡視線宜高出地面和離開(kāi)建筑物1.2 m以上；晴天作業(yè)時(shí)儀器應(yīng)有遮陽(yáng)傘遮陽(yáng)，同時(shí)打開(kāi)設(shè)站處放置的氣壓計(jì)和氣溫計(jì)，以便儀器觀測(cè)時(shí)進(jìn)行大氣改正。

在本項(xiàng)目工作中，利用徠卡TS30高精度全站儀對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)做了不同工作模式的應(yīng)用研究。在儀器設(shè)站定向方面，傳統(tǒng)的高鐵橋墩平面位移監(jiān)測(cè)方法主要包括前方交會(huì)法、極坐標(biāo)法、視準(zhǔn)線法和全圓觀測(cè)法 等[7-8]。第一種方法采用傳統(tǒng)的全圓觀測(cè)法，即儀器在已知點(diǎn)架站并進(jìn)行對(duì)中整平，將另一個(gè)控制點(diǎn)作為定向點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定向，然后直接測(cè)量、讀數(shù)、記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)，重復(fù)架站測(cè)量3次，對(duì)比觀測(cè)的數(shù)據(jù)最大較差為2.2 mm，分析發(fā)現(xiàn)該方法的弊端為儀器架站必須在作業(yè)控制點(diǎn)上，存在每次儀器設(shè)置時(shí)的對(duì)中誤差，且作業(yè)控制點(diǎn)受施工現(xiàn)場(chǎng)影響，不能隨意選取最佳的觀測(cè)地點(diǎn)；第二種方法采用后方交會(huì)法，在大約距觀測(cè)點(diǎn)80 m處利用兩個(gè)作業(yè)控制點(diǎn)進(jìn)行后方交會(huì)法設(shè)站，然后直接測(cè)量、讀數(shù)、記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)，重復(fù)架站測(cè)量3次，對(duì)比觀測(cè)的數(shù)據(jù)最大較差為1.7 mm；第三種方法仍采用后方交會(huì)法，在大約距觀測(cè)點(diǎn)80 m處利用4個(gè)作業(yè)控制點(diǎn)進(jìn)行后方交會(huì)法設(shè)站，然后直接測(cè)量、讀數(shù)、記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)，重復(fù)架站測(cè)量3次，對(duì)比觀測(cè)的數(shù)據(jù)最大較差為1.3 mm。對(duì)上述3種測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，第三種方法最優(yōu)。基于自由設(shè)站的基坑水平位移監(jiān)測(cè)法測(cè)站擺放靈活、網(wǎng)形多變，采用高等級(jí)的全站儀進(jìn)行觀測(cè)，可達(dá)到為基坑施工快速、準(zhǔn)確反饋?zhàn)冃涡畔⒌哪康腫9]。

項(xiàng)目確定運(yùn)用4個(gè)作業(yè)控制點(diǎn)進(jìn)行后方交會(huì)設(shè)站的方法后，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)站位置對(duì)測(cè)量精度的影響，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)比了在約100 m處架站和約 60 m處架站測(cè)量得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，當(dāng)儀器架站處距觀測(cè)點(diǎn)約為60 m時(shí)，所觀測(cè)到的數(shù)據(jù)最穩(wěn)定可靠，北向和東向觀測(cè)值較平均值差值均小于 1 mm，各項(xiàng)誤差系數(shù)較小，可有效地對(duì)橋墩的平面位移起到監(jiān)測(cè)預(yù)警作用。全站儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。

表3 全站儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表/m

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用徠卡TS30高精度全站儀進(jìn)行城際高鐵橋墩監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)多次不同監(jiān)測(cè)方法的試驗(yàn)，最后確定采用4個(gè)已知控制點(diǎn)進(jìn)行后方交會(huì)設(shè)站的方法。該方法比 較適合現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地靈活的選址架站，且不會(huì)產(chǎn)生儀器對(duì)中誤差，可保證設(shè)站時(shí)產(chǎn)生的各項(xiàng)誤差較小。在設(shè)站位置相對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離的測(cè)量試驗(yàn)中，經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，儀器架站距觀測(cè)點(diǎn)形成的面約為60 m時(shí)，觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)最穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)誤差 系數(shù)較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在該類(lèi)高鐵橋墩平面位移監(jiān)測(cè)中，應(yīng)同時(shí)注意運(yùn)用上述兩個(gè)方面的方式方法，從而有效地對(duì)橋墩的平面位移起到監(jiān)測(cè)預(yù)警作用。