高程測量在管道施工中的應(yīng)用

上海浦東新區(qū)三林橋路工程有限責(zé)任公司 胡靈杰

高程測量在管道施工中的應(yīng)用

上海浦東新區(qū)三林橋路工程有限責(zé)任公司 胡靈杰

一、工程概況

岷江為長江上游左岸的一級支流，且是長江水量最大的支流。岷江干流金馬河段長70.6km，是成都市境內(nèi)一條重要的多功能輸水河道，在成都市乃至四川省的經(jīng)濟和社會發(fā)展中占有重要地位。但金馬河河段徑流年內(nèi)分配不均，加之受上游都江堰等灌區(qū)引水影響，枯水期河道干枯見底，使得水生態(tài)功能難以維持，水環(huán)境質(zhì)量下降，河床下切。加之多年來的無序采砂，導(dǎo)致河勢不穩(wěn)，嚴(yán)重影響了河道的取水安全。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，金馬河兩岸的工農(nóng)業(yè)布局發(fā)生了很大變化，對水資源配置以及生態(tài)環(huán)境保護提出了更高要求。為適應(yīng)成都市的發(fā)展戰(zhàn)略，進一步發(fā)揮水資源的綜合效益，保障成都市特別是都江堰、溫江、新津等區(qū)域經(jīng)濟社會環(huán)境的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展，盡早實施取水管道工程建設(shè)顯得尤為迫切。

根據(jù)成都市水務(wù)局《成都金馬河綜合整治規(guī)劃》的要求，溫江段金馬河需建設(shè)4級生態(tài)閘壩，取水管道工程管線起點為新建取水口（位于1級閘壩上游），終點為岷江水廠，全長約為10.5km，采用DN2000PCCP管雙線鋪設(shè)。管道全線主要位于河堤外側(cè)，局部段（有障礙）繞行至河堤內(nèi)側(cè)，整個線路都位于金馬河河堤左岸30m的河道保護帶內(nèi)。

二、測區(qū)概況

金馬河兩岸分布了溫江區(qū)、都江堰市、崇州市、雙流縣、新津縣等5個區(qū)、市、縣，共有113個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積達4 202km2，總?cè)丝?77萬，在成都市乃至四川省的經(jīng)濟和社會發(fā)展中都占有重要地位。該區(qū)域?qū)賮啛釒駶櫄夂騾^(qū)，歷年最冷月平均氣溫4.6℃，最熱月平均氣溫24.4℃。平均年降雨量1 243.80mm。區(qū)域內(nèi)主導(dǎo)風(fēng)向為NW，C，風(fēng)向頻率（%）為12、41，最大風(fēng)速為17m/s，平均風(fēng)速為1.3m/s，本地?zé)o臺風(fēng)出現(xiàn)。年平均最大相對濕度80，最小相對濕度75；年平均最大絕對濕度15.2，最小絕對濕度14.3。歷年平均氣壓933.7MPa。

三、已有測量資料

1. 成都國際體育城取水管道施工設(shè)計圖紙。

2. 控制點成果表，由溫江區(qū)規(guī)劃建筑設(shè)計室提供。坐標(biāo)采用成都市平面坐標(biāo)系統(tǒng)，高程系統(tǒng)采用1985年國家高程基準(zhǔn)。數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 控制點成果表

四、作業(yè)依據(jù)

1.《工程測量規(guī)范》（GB 50026-2007）。

2.《國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范》（GB 12898-91）。

3.《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB 50268-97）。

4.《Q/JWP“PCCP 管”安裝規(guī)程》（JGJ 18-96）。

五、測量方法

1. 水準(zhǔn)儀法。

（1）水準(zhǔn)測量原理。水準(zhǔn)測量是利用水準(zhǔn)儀提供一條水平視線，對豎立在兩地面點的水準(zhǔn)尺上分別進行瞄準(zhǔn)和讀數(shù)，以測定兩點間的高差，再根據(jù)已知點的高程，推算待定點的高程。

（2）水準(zhǔn)讀數(shù)。

后視讀數(shù)（a）：水準(zhǔn)儀在已知高程點A上水準(zhǔn)尺的水準(zhǔn)讀數(shù)。

后視讀數(shù)（b）：水準(zhǔn)儀在待求高程點B上水準(zhǔn)尺的水準(zhǔn)讀數(shù)。

水準(zhǔn)讀數(shù)的大小：當(dāng)視線水平時，立尺點越低，則該點上的水準(zhǔn)讀數(shù)越大，反之，立尺點越高，其上水準(zhǔn)讀數(shù)就越小（如圖1所示）。

圖1 水準(zhǔn)測量原理

（3）水準(zhǔn)測量公式。

①高差法公式。為了避免兩點間高差的正負(fù)號搞錯，規(guī)定高差h的寫法為hAB，hAB為從A點至B點的高差，hAB=a-b。（可以理解為高差具有方向性）。當(dāng)hAB為正值時，表示前視點B高于后視點A；當(dāng)hAB為負(fù)時，表示前視點B低于后視點A。有了高差，就可根據(jù)A點高程求得B點高程了，即：

式（1）表明：待定點高程的測量，在實際中表現(xiàn)為兩相鄰點之間的高差測量。所以，高程測量的實質(zhì)就是測量高差。

②視線高法公式。另外還可通過儀器的視線高Hi，計算B點的高程，即

在一般情況下，安置一次水準(zhǔn)儀需要測量若干前視點高程時，使用視線高法比較方便。

2. 懸掛鋼尺法。在高度過高、常規(guī)鋼尺量高操作不便時，可采用水準(zhǔn)儀配合長鋼尺測高。當(dāng)欲測設(shè)高程與水準(zhǔn)點之間的高差很大時，可以用懸掛鋼尺來代替水準(zhǔn)尺進行測設(shè)。

本工程橫穿金馬湖大橋，在5#橋墩和6#橋墩之間開挖基槽，深度為8.4m，基槽開挖時采用鋼板樁支護，高程由地面?zhèn)鬟f至槽底時即采用懸掛鋼尺法。如圖2所示：水準(zhǔn)點A的高程已知，為了要在深基坑內(nèi)測設(shè)出設(shè)計高程HB，在深基坑一側(cè)懸掛鋼尺（尺的零端在下端，并掛一個重量約等于鋼尺鑒定時拉力的重錘）代替一根水準(zhǔn)尺。

先在地面上的圖示位置安置水準(zhǔn)儀，讀出A點水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)a1，鋼尺上的讀數(shù)為b1，將水準(zhǔn)儀移至基坑內(nèi)安置在圖示位置，讀出鋼尺上的讀數(shù)為a2，假設(shè)B點水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)為b2，則有下列方程成立。

由此可以解出b2為

用逐漸打入木樁或在木樁一側(cè)畫線的方法，使立在B點樁位上的水準(zhǔn)尺讀數(shù)等于b2。此時，B點的高程就等于欲測設(shè)的高程HB。

圖2 測設(shè)深基坑內(nèi)的高程

3. 三角高程法。一百多年前，三角高程測量是測定高差的主要方法。自水準(zhǔn)測量方法出現(xiàn)以后，它已經(jīng)退居次要地位。但因其作業(yè)簡單，且不受地形條件限制，在山區(qū)和丘陵地區(qū)仍得到廣泛應(yīng)用，特別是在如今全站儀逐漸普及的時代，三角高程測量又在施工測量中煥發(fā)了新的生機。三角高程是測定大地高程的基本方法之一，但測量精度低于水準(zhǔn)測量。

（1）傳統(tǒng)三角高程測量法。三角高程測量是利用經(jīng)緯儀或全站儀測量角度，鋼尺或測距儀測距，按三角函數(shù)解算出測點高程的方法。該方法精度不高，適用于在地勢起伏較大的地貌進行低精度的高程測量。

本工程金馬湖大橋下基槽開挖前，為了了解后續(xù)安裝管道施工時的作業(yè)空間高度，需測設(shè)橋梁底部高度，因為測量精度要求不高，所以采用傳統(tǒng)的三角高程測量，既快有好。具體方法如下：如圖3所示，橋下地面相對平坦，將經(jīng)緯儀架設(shè)在已知高程點A上，儀器視線瞄準(zhǔn)橋梁下部C點。讀出垂直角α。用鋼卷尺量得儀器高h(yuǎn)i以及C點的水平投影點B至已知高程點A點的水平距離dAB。已知A點高程為HA，則C點高程為

圖3 傳統(tǒng)三角高程測設(shè)金馬湖大橋橋梁底部高度

式（6）是三角高程測量的基本公式。首先假設(shè)A、B兩點相距不太遠(yuǎn)，可以將水平面看成水準(zhǔn)面，也不考慮大氣折光的影響。因此，只有當(dāng)A、B兩點間的距離很短，地勢平坦時，才比較準(zhǔn)確。當(dāng)A、B兩點距離較遠(yuǎn)時，就必須考慮地球彎曲和大氣折光的影響了。這里不敘述如何進行球差和氣差的改正。從傳統(tǒng)的三角高程測量方法中可以看出，它有以下2個特點：經(jīng)緯儀必須架設(shè)在已知高程點上，且AB兩點間距離較短、地勢較為平坦；對測量精度要求不高。

隨著全站儀在施工中的普遍應(yīng)用及全站儀功能的不斷完善，使用棱鏡、反射貼片、無棱鏡測量模式，均能精確地測距，這使得傳統(tǒng)三角高程測量的精度有所提升，并且避免了許多繁瑣的步驟。但其原理與經(jīng)緯儀測三角高程的原理是一樣的，即，靈活運用三角函數(shù)公式測算高程。

（2）三角高程測量新方法。在本工程施工前原始地貌標(biāo)高復(fù)測作業(yè)中，管線距離較長，為10.5km。管線途徑金馬河河堤附近，植物繁茂，地貌高差較大。采用普通水準(zhǔn)測量的工作量較大，故而采用新的三角高程法，即三角高程全站儀法。把全站儀當(dāng)做水準(zhǔn)儀使用，不必把儀器架設(shè)在已知高程點上，也不必量取儀高、覘高，但還需利用三角高程測量原理測出待測點的高程。這樣不僅測量的速度大大提高而且可以減少用鋼卷尺量儀高、棱鏡高產(chǎn)生的誤差，所以這種新的測量方法比傳統(tǒng)的三角高程測量精度更高，比普通水準(zhǔn)測量更快。

如圖4所示，A為已知點高程，B為待測點。這里要通過全站儀測定其他待測點的高程。計算公式如下：

圖4 三角高程新的方法測設(shè)金馬湖大橋橋梁底部高度

由HC+Hi=HA+L-V1=HB+L-V2，可得

式（7）、式（8）和式（9）中，V代表高差，L代表棱鏡高，α、β代表垂直角（垂直角有正負(fù)之分，仰角為正，俯角為負(fù)），HA、HB、HC代表該點的絕對高程。此方法的步驟如下：儀器置于任一點，但所選點位要求能和已知高程點通視；整平儀器，對準(zhǔn)已知點A測出其平距和垂直角然后計算出V1；儀器不動，再對準(zhǔn)B點，同A點一樣測出平距和垂直角然后計算出V2，進而求得高程HB。

需要注意：此種方法雖然不需要測量儀器高Hi和棱鏡高L，但此處L是固定值，即視前后2次觀測，棱鏡高是相同的。

例：已知A點的絕對高程為519.510m，測站點到A點的平距D=58.2m，垂直角α= 10°30″23′，測站點到未知點B的平距為66.543m，垂直角為β=0°55″22′求該點B的絕對高程。

4. GPS高程測量法。GPS的英文全稱是Navigation SatelliteTiming And Ranging Global Position System，簡稱GPS，有時也被稱作NAVSTAR GPS，是利用衛(wèi)星的測時和測距進行導(dǎo)航，以構(gòu)成全球定位系統(tǒng)。它可以向全球用戶提供連續(xù)、實時、全天候、高精度的三維位置、運動物體的三維速度和時間信息等。GPS技術(shù)除了運用于精密導(dǎo)航和軍事目的外，還廣泛應(yīng)用于大地測量、工程測量、地球資源勘探等領(lǐng)域。在施工測量中，常用于特征點采集、點放樣、直線放樣、曲線放樣、面積測量、線路放樣與測量、斷面測量、道路設(shè)計、斷面設(shè)計等。

（1） GPS的基本組成。GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分即GPS衛(wèi)星星座，地面控制部分即地面監(jiān)控系統(tǒng)，用戶設(shè)備部分即GPS信號接收機。

（2）GPS用于高程控制測量。用GPS技術(shù)，通過WGS-84橢球體高程與大地水準(zhǔn)面黃海高程系的轉(zhuǎn)換，其精度已能達到三、四等水準(zhǔn)測量。利用GPS的實時動態(tài)定位技術(shù)（RTK）可以高效、方便的同時測定三維坐標(biāo)（x，y，h），因此本工程平面控制測量點、高程控制測量點均由溫江規(guī)劃建筑設(shè)計室使用的天津三鼎“T20”RTK測量系統(tǒng)施測。

（3） GPS定位系統(tǒng)的功能特點。

①各測站間不需要通視，但測站點上空需開闊，能接收到衛(wèi)星信號。

②定位精度高。近幾年，國內(nèi)引進了許多種類型的GPS測地型接收機。各種類型的GPS測地型接收機用于精密相對定位時，其雙頻接收機精度可達5mm+1PPM.D，單頻接收機在一定距離內(nèi)精度可達10mm+1PPM.D。

③測量時間短。

④可以提供三維坐標(biāo)。

⑤操作簡單。

⑥可全天候自動化作業(yè)。

5. 連通管法。在測量技術(shù)不斷發(fā)展的今天，各種新型、高精確度的測量儀器普遍應(yīng)用于高程測量。但是連通管法以其操作簡單，原理通俗易懂，可在視線不通視的異形空間內(nèi)測量高程等特點，在建筑內(nèi)裝飾、模板安裝工程中有著廣泛應(yīng)用。

具體方法及原理：幾個底部互相連通的容器，注入同一種液體，在液體不流動時連通器內(nèi)各容器的液面總是保持在同一水平面上。現(xiàn)場施工中常用橡皮管，內(nèi)裝自來水，將其中一根管固定，使另一根管升高、降低或傾斜，可看到兩根管里的液面在靜止時總保持相平。注意：橡皮管內(nèi)壁附著的氣泡要彈出，否則將會影響測量精度。

六、測量的生產(chǎn)管理

施工測量放線工作是工程施工總體中的全局性工序，是工程施工各環(huán)節(jié)的先導(dǎo)性工作，也是該環(huán)節(jié)終了時的驗收性工作。根據(jù)施工進度的需要，及時準(zhǔn)確地進行測量放線、找平，為施工挖槽、支模、鋪設(shè)墊層、安裝管道等工序提供重要依據(jù)。然而有些土木工程人員偏激地認(rèn)為，測量是不產(chǎn)生效益的輔助性工作，因而不重視測量工作。近年來，由于施工人員對測量工作麻痹大意、疏于管理，對工程造成重大損失的案例屢見不鮮。可以說，測量的成功不一定能帶來工程的勝利，但是測量的失敗，必然導(dǎo)致工程的失利。因此，對測量班組的管理顯得尤為重要。

上海浦東新區(qū)三林橋路工程有限責(zé)任公司施工測量管理體系共分3級：一是公司級。公司技術(shù)質(zhì)量部設(shè)專業(yè)測量隊，由測量工程師與測量技師組成，配備GPS、全站儀、電子水準(zhǔn)儀、精密水準(zhǔn)儀等成套儀器，負(fù)責(zé)各項目工程場地控制網(wǎng)的建立，并對各項目部的測量結(jié)果進行復(fù)測驗，擔(dān)任變形與沉降觀測任務(wù)，負(fù)責(zé)對項目部一級的測量員進行技術(shù)交底、培訓(xùn)教育等工作。二是項目部級。由高級、中級放線工負(fù)責(zé)，配備一般經(jīng)緯儀及水準(zhǔn)儀。其任務(wù)是根據(jù)項目部施工進度的需要，進行工程細(xì)部放樣與找平，直接服務(wù)于施工作業(yè)。三是施工班組級，現(xiàn)場每個班組的施工班組長配備1～2名測量配合人員，需熟悉架設(shè)棱鏡、立塔尺、帶線、吊重錘等基本的測量輔助工作。這樣不僅可以提高測量工作的速度，而且避免了由于測量配合人員操作失誤造成的測量工作的錯誤和返工。

測量管理的基本內(nèi)容包括以下幾點。

1. 圖紙與資料管理。

2. 測量儀器設(shè)備管理。

3. 測量人員安全生產(chǎn)與場地控制樁管理。

4. 測量人員的政治思想與崗位責(zé)任管理。

5. 測量工作的獎罰措施管理。

七、結(jié)論與建議

在施工高程測量中，水準(zhǔn)儀測高程精度高，但是遇到地勢起伏變化大的時候水準(zhǔn)儀就顯得特別麻煩；三角高程可以不受地形限制，但精度確不如水準(zhǔn)測量；GPS高程測量精度較高，且不受地勢起伏影響，但在儀器上空有障礙物時，無法接收衛(wèi)星信號；連通管法操作靈活、方便簡單，但只能引測同一水平面上的各點。總之，以上幾種測高方法在施工中都經(jīng)常使用，各有優(yōu)劣。結(jié)合實際施工情況，同時根據(jù)地形的受限程度，可選擇性地使用某種方法，或者幾種方法結(jié)合使用。