浅谈施工测量中的高程传递

浅谈施工测量中的高程传递

随着社会经济的发展，建设项目中的大型建设项目层出不穷。这些建筑物一般高出地面数十米,有的高达上百米。在高差这么大的工程测量中,高精度高程传递困难,用传统的水准测量方法是无法完成工程施工标高控制的。目前测量界运用较多的高大建筑物高程传递测量方法有悬挂钢尺法、三角高程测量法、全站仪垂直向上测距法。这些高大建筑物工程中,有的处在江上或海上如杭州湾大桥,而水域地方的气候条件一般较为复杂,其高精度高程传递更为困难。本文分析了海上气候环境对高精度高程传递测量的影响,并介绍杭州湾大桥北航道桥索塔高精度高程传递的实施方法。1索塔高度及高程杭州湾跨海大桥全长36km,主体工程分为:北引线、北引桥、北通航孔桥、中引桥、南通航孔桥、南引桥、南引线等七部分。其中,北航道桥为双塔双索面五跨斜拉桥,主桥全长908m,跨径组合为70m+160m+448m+160m+70m。索塔设计为钻石型空间结构,总高度为178.800m,其中塔冠高5.0m,上塔柱高为43.075m,中塔柱高为95.5m,下塔柱高40.225m,索塔施工中需要进行高精度的高程传递测量,如斜拉桥塔上锚箱的高程定位精度要求高达±5mm。由于杭州湾地区属南亚热带季风气候,温湿多雨,是重大灾害天气多发地带,主要自然灾害有台风、风暴潮、雷暴、龙卷风等,在这种恶劣环境下,须寻求一种有效的、在高差大的情况下也能以较高的精度进行高程传递的测量方法,为此本文将对上述三种高程传递方法逐一进行分析。2风影响张角的张角在高大建筑物高程传递测量中,悬挂钢尺法一直是一种比较成熟的方法,至今仍被广泛采用。众所周知,悬挂钢尺法在风大的时候是无法施测的,即使强行施测,精度也无法保证。前已述及杭州湾地区属南亚热带季风气候,大多数时间都有3至5级的风,在此条件下用悬挂钢尺法进行索塔施工中的高精度高程传递测量,能否可行、精度如何,应该进行分析。如图1所示,在风环境下悬挂钢尺不再保持铅垂,而是张成一角度,悬挂垂球作近似单摆运动,在此条件下高差测量误差为:由(1)式可知,只要算得对应条件下的张角α,便可求得高差测量误差值。根据单摆运动原理,可列立平衡方程:(2)式中重力G已知,风力Ff不能直接获得,还须进一步推算方可求解方程,根据牛顿第二定律推导物体所受风力与风速的关系为:式中Ff:风施加于物体的有效作用力;P:动量;m:质量;v:风速;ρ:空气密度;A:物体迎风面积;Δl/Δt:单位时间风流经长度;Cd:阻力系数(该系数会随物体形状的不同而变化,一般Cd约为2左右)。将(3)式代入(2)式即可求得张角α。假设传递标高时用的垂球是质量为10kg(与钢尺检测时的拉力一致)、半径为10cm、高为15cm的圆锥体,按照几何公式,易得(3)式中A为0.0248㎡;取标况下的空气密度,即为1.29kg/m3;风速取风级区间极大值。按照(3)式,可算得风速与风力的对应关系,见表1。进而按照(2)和(1)式,可求得α和对应张角在不同尺长情况下的σ值,见表2。根据悬挂钢尺法的可作业条件,此处只是对5级风以下的情况进行分析。从表2中的计算结果可以看出:当风力小于二级时,风力对不同尺长的悬挂钢尺法的高差影响误差小于1mm,可见是悬挂钢尺法施测的最佳条件;当风力达到三级时,对100m长的钢尺,仅风影响误差就达到4.5mm;当风力达到四级时,风力对不同尺长的悬挂钢尺法的高差影响误差均在27mm以上;由此可见,对高程定位精度要求高达±5mm的索塔高程传递,只有当风力小于二级时方可施测,其精度才能满足定位要求,而杭州湾的风力大多在四级以上,因此若用悬挂钢尺法进行索塔施工中的高精度高程传递测量,显然是不适合的,因此需寻找其他合适的高程传递测量方法。3地震地质条件前已述及三角高程测量法也是一种大高差高程传递测量的常用方法,它是基于测量斜距、竖直角、仪器高及目标高的原理测定高差的,高差算式为:式中s为斜距;α为天顶距;i为仪器高;v为棱镜高。由于受地球曲率和大气折光的影响,使得竖直角测量时的视线方向不是直线,而是一条弯向地球的曲线,使得三角高程测量的高差含有较大的误差,如果三角高程进行对向同时观测,可以抵消它们的影响。但在杭州湾大桥索塔施工中,由于塔高晃动大,塔上无法架设仪器,因此只能进行单向三角高程测量,而单向三角高程测量又必须加球气差改正,其改正后的高差算式为:(5)式中R为地球曲率半径。一般情况下,若某个地方的气象条件变化不大,则上式中的K接近一常数,此时可通过观测而获得该地方的K值,但是在宽水域地方,气象条件复杂多变,则K不再是常数。杭州湾大桥施工测量,属海上作业,气象条件变化大,同时通过长距离跨海高程传递,视线必须通过海面,而海面空气丰富的水汽将形成大气折光的特有环境,加上日照和温度的变化,使海面大气折光变得异常复杂,因此用(5)式的方法,欲使其要达到毫米级的高差测量精度,显然也是不现实的。另外由于宽水域地方的雾气,使得能见度极低,即使所用TCA2003这样具有自动照准功能(ATR)的全站仪,也很难照准目标,因此在杭州湾大桥,用单向三角高程测量来进行索塔施工中的高精度高程传递测量,也是不合适的,为了进行索塔的施工控制,还得寻找它法。4垂直搜索法适用于全站仪表的垂直搜索法4.1全站仪测距方程全站仪垂直向上测距法进行高差测量,其原理如图2放大图所示。B和a是处在同一铅垂线上的不同高度的两点,记其高程分别为hB和ha,则a、B两点之间的高差为:用全站仪的测距功能进行垂直向上测距,则其所测距离b与仪器高i之和即为所测高差,从而达到高程传递的目的。4.2采用水平视线法测高程传递图2为采用该法将高程从承台传递到横梁的作业示意图。该方法在施测时,应该选择带有ATR功能的全站仪,如TCA2003全站仪,和两把精密水准尺、一个反射芯片。作业时,在横梁a处的水准尺下面贴一反射芯片而取代棱镜,全站仪可以通过照准芯片测得距离b,从而获得高差。由于此法望远镜垂直向上,照准无法按照常规的瞄准方法,在杭州湾作业时,我们是先在a处打一冲眼,将仪器安置于上,打开对中激光束并整平仪器,此时激光束通过冲眼射向承台B处,在B处做好标记并将仪器架于该点上,从而使a、B位于同一铅垂线上,达到观测时照准的目的。由(6)式可知,采用该方法,仪器高i的获取至关重要,其精度直接关系到高程传递的精度,若直接用钢卷尺量测,由于量测时钢卷尺倾斜,使其精度低,将难以达到杭州湾大桥高程传递所需的毫米级精度。具体作业时,采用了水平视线法,即把仪器安置好后放平望远镜直至垂直角读数为90°00′00″,从已知点A(点A与点B相离较近)处所立的水准尺上读取读数c1,从而实现从已知点A到待求点a之间的高程传递,即Ha=HA+c1+b,从而避免了直接量取仪器高而带来的低精度。具体施测时,应多测回多时段测量,以保证a处高程测量的精度。在杭州湾大桥施测时,是每两小时观测一次,共测六个时段,每个时段测四个测回并取中数。4.3测距误差的估计用这种方法观测时,a、B两点在同一铅垂线上,b在测量时已经进行了气象改正,b的精度取决于仪器的测距精度、垂直向上拨角精度和照准芯片精度。若采用TCA2003,按照其标称精度,对于100m高差,算得测距误差为δs=±1mm;每次垂直拨角可控制偏差在5″以内,算得垂直拨角误差引起的高差误差为δv=±2mm;顾及ATR的照准误差基本上反映在测角上,对测距基本无影响,则照准芯片误差可忽略不计。而仪器高i的获取采用了水平视线法,仪器高的量测误差便转化为放平视线的拨角误差,由于A、B相距很近,按照垂直拨角的算法,易得放平视线误差δp<±2mm。根据误差传播定律,可算得高差测量误差为:将上述误差值代入(7)算得δh<±3mm,小于索塔施工所要求的±5mm的误差范围,由此可见全站仪垂直向上测距法进行高差传递测量,可获得较高的精度,能满足索塔施工的精度要求。4.4检测结果比较以上精度分析可知,全站仪垂直向上测距法能满足索塔施工高程控制的精度要求,为了对其精度和可靠性有更好的了解,特进行了不同时段对比观测进行验证。表3是不同时段杭州湾大桥北航道桥索塔高程传递数据,从表3中可以看出各时段高差互差值最大的为3mm,说明其测量结果是可靠的,本方法的内符合精度较好。为了检验其外符合精度,在无风情况下还进行了悬挂钢尺法高差测量的对比观测。通过比较,两种方法的高差中数相差小于5mm,又证明了全站仪垂直向上测距法精度较高。通过以上分析和验证,说明了全站仪垂直向上测距法高差测量,不受风和大气折光的影响,精度较高,应用于杭州湾大桥索塔施工的标高控制,能满足施工的精度要求。5高精度高程测量的优势1)悬挂钢尺法,主要受风的影响,本文用物理的方法分析计算出不同情况下,风力对该法的影响,并针对杭州湾大桥特有的风环境,说明了悬挂钢尺法在杭州湾大桥索塔施工中高精度高程传递测量是不适合的。2)由于杭州湾大桥附近海上气象条件变化大,海面大气折光异常复杂,同时宽水域地方的雾气大、能见度极低、精确