三峽升船機塔柱混凝土施工測量技術(shù)

羅 琛，晏春波

（中國葛洲壩集團股份有限公司測繪工程院，湖北宜昌 443002）

1 前言

三峽升船機是永久通航設(shè)施，為齒輪齒條爬升式垂直升船機，其過船規(guī)模為3 000噸級，最大提升高度為113m。升船機由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道組成，其中50.00～196.00m高程為船廂室段塔柱承重結(jié)構(gòu)，塔柱由墻—筒體—墻—筒體—墻組成，每側(cè)的墻與筒體之間由縱向聯(lián)系梁連接，各自對稱布置在升船機中心線兩側(cè)，左右側(cè)塔柱在頂部196.00m高程處由7根橫梁和兩個平臺連接，與上下閘首凈距為1m。左右側(cè)塔柱之間的距離為25.8m，即升船機船廂室的寬度，墻體厚為1～2m。塔柱結(jié)構(gòu)的墻體薄、結(jié)構(gòu)埋件多，對質(zhì)量和形狀尺寸要求極其嚴格，施工強度大，精度要求高，測量控制難度大，因此塔柱混凝土澆筑階段的施工測量工作（主要包括混凝土結(jié)構(gòu)尺寸測量和內(nèi)置埋件定位測量）顯得尤為重要。

2 施工測量特性

2.1 精度指標

2.1.1 塔柱混凝土

依據(jù)三峽升船機設(shè)計要求，塔柱結(jié)構(gòu)施工測量允許誤差見表1。

表1 塔柱結(jié)構(gòu)施工測量允許誤差Table 1 Construction survey perm issible error on tower structure mm

2.1.2 內(nèi)置埋件

隨塔柱混凝土澆筑同步穿插安排埋設(shè)的內(nèi)置埋件主要為預應力套管，主要精度指標為：套管的高程及水平偏差均不大于±4mm；同一根套管兩端中心的高度差不大于±1mm；同一列套管同側(cè)端口的相對位置偏差不大于±3mm；同一行套管同側(cè)管端口中心的相對位置偏差不大于±2mm；一期混凝土澆筑后套管的位置偏差不大于±5mm。

2.2 施工技術(shù)特點及難點

施工技術(shù)的特點主要有：提升高度大，船廂與混凝土建筑物結(jié)合密切，混凝土施工精度要求高；作業(yè)場地狹窄，通視差，實施常規(guī)測量的條件不佳。

施工技術(shù)的難點主要有：將混凝土的精度指標數(shù)量級從常規(guī)混凝土的±20mm調(diào)整到現(xiàn)有的±（2～10）mm。

3 施工測量技術(shù)研究

3.1 平面基準傳遞法

在塔柱混凝土施工過程中，每到一個施工高程面，都需要將平面基準傳遞到位，以便埋件定位、模板定位使用。平面基準傳遞常規(guī)方法為全站儀極坐標法，而三峽升船機因其高而窄小且通視差的特點，采用了天頂儀投點平面基準傳遞法[1，2]。

3.1.1 方法定義

1）全站儀極坐標法就是將全站儀架設(shè)在一個已知的平面基準點上，后視另一個已知平面基準點，直接測量施工高程面上埋件定位、模板定位點的坐標。

2）天頂儀投點平面基準傳遞法就是將標稱精度為1/200 000的激光天頂儀架設(shè)在已知平面基準點上，垂直往上將埋件定位、模板定位點的基準值直接傳遞到施工高程面。

3.1.2 精度分析

1）全站儀極坐標法精度分析。依據(jù)三峽升船機實際條件，取平面基準傳遞的極限距離為300m，考慮照準誤差0.5mm，則傳遞的點位中誤差最大不超過±2.6mm。

2）天頂儀投點平面基準傳遞法精度分析。以150m高度計算，投測誤差為±0.75mm，考慮儀器對中誤差±0.2mm、接受光靶讀數(shù)誤差±0.3mm、不可預計誤差±0.5mm和已知平面基準點誤差，其投測平面基準點點位最終誤差小于±2mm。

3.1.3 天頂儀投點平面基準傳遞法精度驗證

為驗證天頂儀投點平面基準傳遞法的實際精度，在高差分別為52.34m、70m、102m的3種情況下進行試驗，利用全站儀極坐標法測量了天頂儀架站位置與接收靶位置的坐標，其坐標偏差都在±1.0mm以內(nèi)，說明激光天頂儀投點精度高而可靠。

3.1.4 天頂儀投點平面基準傳遞法的優(yōu)點

1）精度高。天頂儀投點平面基準傳遞法主要依靠激光源發(fā)射激光束到接受光靶直接進行讀數(shù)測量，避免了多次照準棱鏡帶來的照準誤差，比全站儀極坐標法測量精度高。

2）操作簡單便捷。天頂儀投點平面基準傳遞法只需通過腳架直接架設(shè)在投點輪廓控制點上進行測量，不需設(shè)置任何儀器參數(shù)、測站數(shù)據(jù)和后視方向，避免了因設(shè)置參數(shù)而帶來的錯誤。與全站儀極坐標法相比較，作業(yè)步驟少，作業(yè)過程時間短，提高了工作效率。

3）能更好地解決隱蔽部位的測量。三峽升船機因其地形條件無法布設(shè)更多的控制網(wǎng)點來滿足每個部位的測量。同時因其設(shè)計形狀和施工先后順序，部分施工部位無法通過全站儀進行測量或通過全站儀測量也滿足不了施工精度要求。故在這些部位的平面基準的傳遞只能采用激光天頂儀架設(shè)在50m底板上進行投點測量。

3.2 高程基準傳遞法

三峽升船機屬于高建筑物，其內(nèi)置埋件的高程基準傳遞比較重要。70.00m高程以下可以直接用水準儀或全站儀進行高程基準傳遞，70.00m高程以上因其高差大無法通過幾何水準或全站儀測量方法進行高程基準傳遞。高程基準傳遞的常規(guī)方法為鋼尺傳遞法。因為鋼尺傳遞法效率低且精度難以保證，所以三峽升船機采用了電磁波測距傳遞法[3，4]。

3.2.1 方法定義

1）鋼尺傳遞法就是利用經(jīng)檢定過的30m或50m的鋼尺和水準儀進行高程傳遞的方法。該方法的步驟為a.將鋼尺豎直懸掛在需要傳遞高程的部位，鋼尺的底部懸吊10～20 kg的重錘，在鋼尺的頂部和底部分別架設(shè)水準儀。b.底部水準儀進行已知高程接測獲得該水準儀的視線高。c.頂部和底部水準儀同時進行鋼尺讀數(shù)測量，并記下當時測量溫度，頂部和底部讀數(shù)之差為高差，利用鋼尺尺長改正公式對高差進行尺長和溫度改正，改正后的高差與底部水準儀視線高之和為頂部水準儀視線高。d.利用頂部水準儀將高程基準引測到周圍的墻體上作為現(xiàn)場作業(yè)的高程基準或直接利用頂部水準儀進行現(xiàn)場高程測量。

2）電磁波測距傳遞法就是利用全站儀的測距進行高程基準傳遞的方法。該方法的步驟為a.將全站儀架設(shè)在需要傳遞高程部位的正下方，利用已知高程基準點接測全站儀視線高的地方。b.在需要高程基準的部位焊接一塊用于接收測距光源靶的鋼板，鋼板位于全站儀的正上方。c.在鋼板上放置棱鏡，全站儀豎直向上照準棱鏡，測量距離，此距離為全站儀與鋼板之間的高差，高差與全站儀視線高之和為鋼板高程。d.架設(shè)水準儀，將鋼板上的高程接測到墻體上，作為現(xiàn)場作業(yè)的高程基準。

3.2.2 精度分析

1）鋼尺傳遞法精度分析。鋼尺傳遞法誤差主要有水準儀接測視線高誤差和水準儀對鋼尺進行讀數(shù)的讀數(shù)誤差。水準儀接測視線高誤差由對點誤差和讀數(shù)誤差組成，對點誤差一般不大于0.2mm；讀數(shù)誤差與水準儀的放大倍率和測量距離有關(guān)，以普通水準儀放大倍率24倍計算，在20m范圍內(nèi)讀數(shù)誤差小于0.2mm。因此，水準儀接測視線高誤差應小于0.3mm。水準儀對鋼尺進行讀數(shù)的讀數(shù)誤差以鋼尺距離5m、普通水準儀放大倍率24倍計算，其誤差小于0.1mm。故鋼尺傳遞法誤差小于0.32mm。但鋼尺傳遞法中所用的鋼尺一般采用懸垂法進行檢定，在水平面懸垂狀態(tài)下進行，而不是在垂直面鉛垂狀態(tài)下進行，用懸垂狀態(tài)下檢定的鋼尺尺長改正公式來計算鉛垂狀態(tài)下尺長帶來的誤差非常大。故實際作業(yè)中鋼尺傳遞高程的誤差達到2～3mm。

2）電磁波測距傳遞法精度分析。電磁波測距傳遞法誤差主要有全站儀接測視線高誤差、測距誤差和水準儀接測高誤差。測距標稱精度為（1+1×10-6×D）mm的全站儀按接測視線高距離20m、傳遞高度50m及放大倍率30倍計算，電磁波測距傳遞法誤差小于1.1mm。因其誤差實際包含了測距系統(tǒng)誤差1mm，為了避免此誤差帶來的影響，確保相對精度，作業(yè)時采用同一儀器進行高程傳遞，其實際誤差小于0.27mm。

3.2.3 電磁波測距法精度驗證

為驗證電磁波測距傳遞法的可行性，在高差為34.60m和134.50m的高程面上，采用幾何水準測量方法進行了比對試驗，兩種方法測量的高差之差都為0.1mm，證明利用電磁波測距精度高，方法可行。

3.2.4 電磁波測距法的優(yōu)點

1）精度高。在精度分析中知道鋼尺傳遞高程因為要利用懸垂狀態(tài)下檢定的鋼尺尺長改正公式來計算鉛垂狀態(tài)下尺長（高差），帶來的誤差非常大，最大達到3mm，而電磁波測距絕對誤差一般可控制在1.2mm以內(nèi)，相對精度可以控制在0.3mm以內(nèi)。

2）傳遞高程無局限性。鋼尺傳遞法局限性比較大，現(xiàn)今市場能購置的鋼尺最長為50m，當傳遞高程超過50.00m就不能實施，必須分段進行，這樣勢必帶來更大的誤差。而電磁波測距傳遞法不受傳遞高程限制，不管傳遞高程的高低，都可以一次性傳遞到位，減少了分段傳遞的誤差。

3）操作簡單，作業(yè)效率高。電磁波測距只需進行距離測量即可，操作全站儀簡單方便，需要的測量人員也少，且速度快，一次傳遞只需2人耗時15min即可完成。而鋼尺傳遞一次需4人耗時40m in才能完成高程傳遞。

3.3 內(nèi)置埋件定位

塔柱混凝土中埋設(shè)的金屬結(jié)構(gòu)埋件主要為空心圓形PVC套管，其測量內(nèi)容為PVC套管中心位置偏差。有兩種常規(guī)測量方法：一是在圓形套管上等分四點，分別測量出四點的坐標，通過四點的坐標計算出圓形套管中心坐標實際值，與設(shè)計值比對獲得其偏差；二是在圓形套管上等分四點，每對稱兩點張拉一根1mm的細軟線，直接測量兩根細軟線交點的實際坐標值，與設(shè)計值比對獲得其偏差。這兩種測量方法的缺點：一是測點多，效率低；二是測量精度難以保證。為此，根據(jù)空心圓形套管內(nèi)外徑尺寸，設(shè)計一種中心帶照準標志的圓柱螺帽型的定位裝置（見圖1），既能確保精度，又能提高工作效率。

圖1 中心帶照準標志的圓柱螺帽型定位裝置Fig.1 Cylindricalnut type positioning devicew ith a sightingmark in center

測量時，將加工好的定位裝置套入需要定位測量的PVC套管中，采用高精度全站儀照準定位裝置中心反射片，直接測量出定位裝置中心的三維空間坐標值（X，Y，H），即為PVC套管截面中心三維空間坐標值。

為驗證其可行性，利用施工現(xiàn)場已安裝好的PVC套管，采用兩種不同的測量手段進行PVC套管截面中心位置測量。一種是采用在PVC套管上精確等分四點，分別測量出四點的坐標，通過四點的坐標計算出PVC套管截面中心坐標實際值的方法；另一種是采用定位裝置直接進行截面中心位置測量的方法。兩種測量方法的差值都在0.2mm以內(nèi)，證明采用定位裝置進行截面中心定位測量的方法是可行的。

4 施工測量技術(shù)實施

4.1 混凝土結(jié)構(gòu)尺寸測量

4.1.1 測量方法

混凝土施工過程中，主要控制其垂直度偏差、截面尺寸偏差和軸線偏差，因三者之間存在幾何數(shù)學關(guān)系，控制其中的兩項就能達到整體控制，故選擇控制垂直度偏差和截面尺寸偏差。而混凝土澆筑精度是通過模板安裝精度來體現(xiàn)的，因此在實際測量中只進行模板安裝垂直度及截面尺寸偏差調(diào)整以及驗收測量。

垂直度偏差測量有3種方法：一是直接利用全站儀極坐標法進行模板初調(diào)；二是利用天頂儀投點平面基準傳遞法進行模板終調(diào)；三是利用檢定過的小鋼尺對倉面混凝土另一側(cè)模板進行垂直度偏差調(diào)整，以調(diào)整加固好的一側(cè)模板內(nèi)邊線為基準線，根據(jù)設(shè)計偏差值實時對另一側(cè)模板進行精確調(diào)整。

截面尺寸偏差測量分兩步進行a.在已經(jīng)加固好的混凝土墻體兩側(cè)模板內(nèi)邊線用紅油漆兩兩對應作好標記，一塊模板至少兩個點。b.利用檢定過的小鋼尺對作好標記兩兩對應點進行精密量測距離，與設(shè)計的墻體寬度相比獲得截面尺寸偏差，判斷偏差值是否符合設(shè)計要求。

4.1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

現(xiàn)將1＃筒體和7軸剪力墻的部分驗收模版數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示。

表2 驗收模板數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 2 Data table for acceptance tem p late

從表2中可以看出，99%以上的驗收模板點偏差都滿足精度要求，確保了各墻體的垂直度和截面尺寸，只有極少數(shù)點因模板本身加工原因無法調(diào)整到設(shè)計要求偏差范圍內(nèi)，但這些點主要分布在樓梯間，不影響升船機以后的運行。

4.2 內(nèi)置埋件定位測量

4.2.1 測量方法

套管空間定位測量采用了以下兩種方法。

方法一：a.在控制網(wǎng)點上架設(shè)高精度全站儀。b.將加工好的定位裝置套入需要定位測量的一期埋件套管中。c.將高精度全站儀照準定位裝置上的反射片，直接測量出套管中心的三維坐標（X，Y，H），計算三維空間坐標值與設(shè)計值的差值。d.根據(jù)差值調(diào)整套管，直至滿足設(shè)計要求。

方法二：a.對應套管埋設(shè)位置，在升船機底板上埋設(shè)投測控制點，在高于底板1.5m的已澆筑混凝土的墻體上刻制2～3個高程控制點，采用高精度全站儀精確測定投測控制點的三維坐標。b.對應套管埋設(shè)位置，在已澆筑倉面混凝土面上各埋設(shè)兩塊鋼板，將激光天頂儀架設(shè)在底板投測控制點上，采用天頂儀將投測控制點引測至鋼板上，點位用十字絲標注，套管的左右側(cè)或前后向各投測兩個平面點，四點組成了套管平面位置調(diào)整基準。c.采用光電測距高程基準傳遞法將高程引測到鋼板上，用紅油漆標注，套管的左右側(cè)或前后向各投測兩個高程點，四點組成了套管高程調(diào)整基準。d.將定位裝置套入需要定位測量的埋件套管中，利用已投測在鋼板上的基準點，實測計算套管中心的三維坐標（X，Y，H）與設(shè)計值的差值。e.根據(jù)差值指導工人調(diào)整套管，直至滿足技術(shù)要求。

第一種測量方法運用在低高程倉面部位；第二種測量方法運用在高高程倉面和受地形、施工條件及視線局限影響無法進行常規(guī)測量的部位。

4.2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

對1＃筒體齒條埋件套管的部分砼澆筑前、砼澆筑后測量數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，結(jié)果見表3、表4。

表3 1＃筒體齒條套管偏差值統(tǒng)計表Table3 Deviation statisticsof 1#cylinder rack casing

表4 1＃筒體螺母柱套管偏差值統(tǒng)計表Table4 Deviation statisticsof 1#cylinder nut rod casing

從表3、表4中可以分析出：齒條、螺母柱一期埋件套管在砼澆筑前和砼澆筑后其套管截面中心偏差值都滿足要求，依據(jù)制定的一期套管埋件測量方法和混凝土澆筑方法完全能夠?qū)胃坠芸臻g位置及每組套管相對空間位置關(guān)系控制在技術(shù)要求范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

本文結(jié)合三峽升船機高薄壁塔柱結(jié)構(gòu)混凝土施工的特點，研究和運用了區(qū)別于水工建筑物常規(guī)混凝土施工的測量方法來實施升船機塔柱混凝土的施工測量，通過對砼澆筑前和砼澆筑后的相關(guān)測量數(shù)據(jù)進行分析，驗證了所采用的測量方法的可靠性和可行性，證明其能滿足設(shè)計精度要求。本文所提出的混凝土施工測量技術(shù)方案對以后相關(guān)工程混凝土施工測量技術(shù)的改進和提高具有重要的參考價值。

[1] 李青岳，陳永奇.工程測量學[M].3版.北京：測繪出版社，2008.

[2] 吳子安，吳棟材.水利工程測量[M].北京：測繪出版社，1990.

[3] 國家能源局.DL/T 5173—2012水電水利工程施工測量規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2012.

[4] 中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50026—2007工程測量規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2007.