懸掛式水準尺在高鐵橋梁沉降觀測中的應用

徐 猛，宋 杰，韓天培，雷朋濤

（1. 中國地質大學（武漢） 信息工程學院，湖北 武漢 430074；2. 太原市勘察測繪研究院，山西 太原 030002；3. 中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

懸掛式水準尺在高鐵橋梁沉降觀測中的應用

徐 猛1，宋 杰2，韓天培3，雷朋濤1

（1. 中國地質大學（武漢） 信息工程學院，湖北 武漢 430074；2. 太原市勘察測繪研究院，山西 太原 030002；3. 中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

分析了斜尺測量和倒尺測量在高鐵橋梁沉降觀測中存在的缺陷，提出一種懸掛式水準尺。介紹了其外觀設計和采用懸掛式水準尺進行橋梁沉降觀測的方法。通過實例進行對比分析，驗證了懸掛式水準尺應用于高鐵沉降觀測的可行性。

沉降觀測；斜尺測量；倒尺測量；懸掛式水準尺

高速鐵路對線下工程沉降變形的要求極為嚴格[1]。在高鐵橋梁沉降觀測中，扇形橋墩的沉降觀測標一般埋設在橋墩兩側頂端，采用倒尺測量方法，既美觀又有利于觀測標的保護，但這樣會使得沉降觀測不方便。另外一種措施是把觀測標埋設在橋墩兩側較低處，但這往往會引起水準尺無法立直，即斜尺。本文結合實際數據，分析了斜尺測量和倒尺測量在高鐵橋梁沉降觀測中存在的缺陷，同時提出采用懸掛式水準尺進行沉降觀測。對懸掛式水準尺的外觀和相關技術進行設計，并通過工程實例驗證了懸掛式水準尺應用于高鐵橋梁沉降觀測的可行性。

1 斜尺測量和倒尺測量在高鐵橋梁沉降觀測中的不足

1.1 斜尺測量對沉降觀測的影響

在高鐵橋梁沉降觀測中，對于較矮的橋墩，尤其是扇形墩，水準尺在觀測標上無法立直，往往采用斜尺。假設斜尺的傾斜角度為a，斜尺讀數為h1，根據簡單的三角關系可以得到對應直尺的讀數為h=h1cosa，斜尺讀數與直尺讀數的差值Δ=h1(1-cosa)。由此可知，斜尺帶來的觀測誤差是水準尺傾斜角a和斜尺讀數h1的函數[2]。

這種誤差對高鐵沉降觀測數據的影響規律是：1）斜尺讀數不同，Δ值不同。在橋梁沉降觀測時，斜尺是相鄰兩測站的前尺和后尺，當兩測站的儀器高不同時，造成相鄰兩站同一把斜尺讀數值不同，Δ值也不同，其結果是線路測量的閉合差（附合差）增大。2）對于相同的h1，斜尺傾斜角a不同，斜尺讀數也不同，而沉降觀測是多期次重復觀測，不同期次的斜尺傾斜角度不同，得到的高程就含有粗差。實際中，斜尺對橋梁沉降觀測數據質量的影響體現在沉降-時間曲線圖中，無法正確反映橋墩的沉降情況。有學者提出一種斜尺改正的方法，但操作復雜，不易進行。因此，斜尺測量在觀測精度上無法滿足高鐵沉降觀測的要求。

1.2 倒尺測量的可行性分析

倒尺測量，就是使用數字水準儀的倒尺測量功能，將水準尺底端朝上，并使底端緊貼待測點進行水準測量。倒尺測量操作較為困難：1）司尺人員必須抬起水準尺，使水準尺底面緊貼觀測標，給司尺人員增加了負擔。2）倒尺測量時，水準尺氣泡的翻轉使司尺人員不容易判斷水準尺的豎直情況[3]。正因如此，水準尺偶爾會出現和觀測標沒有緊貼、豎直情況差等，使得每一測站的測站差和同一水準尺讀數差很容易超過《國家二等水準測量規范》要求。對于線路測量，往往會引起線路閉合差（附合差）超限。

表1列出了采用倒尺測量某高鐵橋墩的閉合差及限差。可見，倒尺測量的線路測量閉合差較大，大部分超過了《規范》要求。因此，采用倒尺測量無論是精度還是操作，都不能滿足沉降觀測的要求。

表1 某高速鐵路橋墩沉降觀測倒尺測量閉合差及限差統計表

2 懸掛尺及設計

為了彌補斜尺和倒尺的缺陷，本文提出采用懸掛尺進行沉降觀測的方法。在水準尺頂部背面做一突出部，突出部存在一個平整底面，水準尺利用突出部的底面懸掛在位置較高的沉降觀測標上，如圖1所示。

圖1 懸掛式水準尺外觀設計

利用此設計可以把水準尺懸掛在觀測標上進行沉降觀測。司尺人員只需把水準尺懸掛在觀測標上，再調整水準尺使水準氣泡居中即可，既利于觀測標的保護，保證沉降觀測的連續性，又減輕司尺人員的勞動強度，提高觀測效率。

2.1 懸掛尺測量的可行性分析

利用懸掛尺進行測量的可行性取決于兩點：①懸掛裝置2的制作質量，包括懸掛裝置2的穩定性、底面3的平整度、底面3與水準尺底面4的平行程度。其中，底面3的制作質量對水準測量結果影響較大，其表現是一種偶然誤差。②常數K的測定精度。常數K是水準尺底面到懸掛裝置底面3的長度。在沉降觀測中，用懸掛尺測得的標高加常數K為實際標高。K的測定誤差會對水準測量結果造成系統誤差。如果能保證懸掛裝置制作質量并精確測定常數K，理論上利用懸掛尺進行水準測量有著和常規水準測量相同的精度。

2.2 懸掛尺測量方法

采用懸掛尺施測時，其中一把水準尺為懸掛式。對于矮橋墩的沉降觀測標，把懸掛尺懸掛在觀測標上，司尺人員通過尺身底部圓水準器調整尺身，使尺身豎直。另一把水準尺立在尺墊上，進行每測站的懸掛尺讀數時，觀測點號前加一特定符號，方便后處理。橋梁沉降觀測時，相鄰兩測站用懸掛尺觀測相鄰兩橋墩觀測標，另一把尺始終放在地面作為轉點，如圖2。

圖2 采用懸掛式水準尺進行橋梁沉降觀測

可編寫計算機程序對原始數據進行后處理。把原始數據中有特定符號的觀測點視線高讀數減常數K并統計觀測信息，得到觀測標的真實標高。借助Visual Basic編寫應用程序，部分關鍵源代碼如下。此代碼只針對徠卡DNA系列的gsi16位原始數據，并假設原始數據中懸掛尺觀測標的特定符號為XG，K值可從程序中輸入。

Open Replace(str1, "．gsi", "修改后．gsi") _

For Output As 2

For i = 0 To UBound(dataline)

If Len(dataline(i)) = 73 And _

InStr(1, Mid(dataline(i), 9, 16), "XG", 1) ＜＞ 0 Then

If Val(Mid(dataline(i), 56, 17)) - K ＜ 0 Then

Print #2, Left(dataline(i), 55) & Format( _

Str(Val(Mid(dataline(i), 56, 17)) - K) _

, "0000000000000000") & " "

Else

Print #2, Left(dataline(i), 55) & "+" & Format( _

Str(Val(Mid(dataline(i), 56, 17)) - K) _

, "0000000000000000") & " "

End If

Else

Print #2, dataline(i)

End If

Next

3 應用實例

以某高鐵特大橋21#墩和34#墩的沉降觀測數據為例，分析懸掛尺測量的可行性。21#墩為扇形墩，在橋墩左右兩側的上部和下部各埋一對觀測標，上部采用懸掛尺觀測，下部采用斜尺進行平行觀測；34#墩為直型墩，在橋墩左右兩側的上部和下部各埋設一對觀測標，上部采用懸掛尺觀測，下部采用常規測法進行平行觀測。表2列出21#和34#上下兩對觀測標的累計沉降量。

表2 21#墩2個觀測標和34#墩2個觀測標的沉降量對比

圖3 21#D1，21#D2斜尺和掛尺觀測的沉降曲線對比圖

圖4 34#D1，34#D2掛尺觀測和正常觀測的沉降曲線對比圖

圖3中，21#墩采用斜尺觀測的沉降曲線上下波動較大（相鄰兩期最大波動2．92 mm），顯然與橋梁實際沉降規律不符。而采用懸掛尺觀測的沉降曲線明顯平滑。圖4中，34#墩采用懸掛尺觀測的沉降曲線與正常觀測的沉降曲線趨勢基本吻合。綜合上述得到結論，斜尺觀測得到的沉降曲線波動較大，不能滿足高鐵沉降觀測的要求；懸掛尺觀測與正常水準觀測有著相同的精度，得到的成果能如實準確地反映橋梁沉降的趨勢。

此外，懸掛尺還能應用于隧道測量、建筑物沉降觀測及其他水準測量中。

[1] TB10601-2009．高速鐵路工程測量規范[S]．

[2] 張屆，阮汝偉，李建平，等． 水準尺傾斜對高鐵橋墩沉降觀測的影響研究[J]． 測繪通報，2011(10)：47-49

[3] 陳學彬，李旭． 倒尺法在高程傳遞中的應用[J]． 城市勘測，2011(1)：148-149

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P258

B

1672-4623（2014）04-0130-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.04.046

徐猛，碩士，研究方向為變形監測。

2013-04-18。