高速鐵路CPⅢ測量標志在建筑變形監測中的應用

譙生有 趙佳楠 安義兵

(1.中鐵一局集團第五工程有限公司，陜西寶雞 721006;2.寶雞文理學院，陜西寶雞 721013)

CPⅢ控制網是高速鐵路軌道控制網［1］，標識CPⅢ控制點點位的觀測元件稱為CPⅢ測量標志。近年來，隨著我國高速鐵路的大規模施工，高速鐵路精密測量技術通過引進、消化、吸收、創新，逐步形成了具有我國自主知識產權的精密測量技術，多項創新成果補充了我國精密工程測量的空白，該技術不僅限于應用在高速鐵路精密工程測量方面，某些獨特的測量方法、測量設備還可應用于其他領域的精密測量，將CPⅢ測量標志應用于建筑物變形監測，就是一個有益的嘗試和推廣。

1 普通觀測標志的結構及缺陷

1.1 普通監測標志的結構

在建筑物變形監測中，沉降觀測通常采用水準測量方法，監測標志或采用簡易標或采用螺栓式墻標［2］。簡易標采用鋼筋加工，觀測點位為向上彎曲的鋼筋頭頂端，觀測時將水準標尺立于上彎曲的鋼筋頭頂端，觀測標結構如圖1所示;螺栓式墻標采用不銹鋼或者合金材料精密加工而成，測量前先將套管預埋在觀測部位，旋上護蓋進行保護，觀測時卸下護蓋，將螺桿旋進套管，然后將水準標尺立于螺桿前端的半球形凸起上進行觀測，觀測完后卸下螺桿旋上保護蓋，觀測點位為螺桿前端半球形凸起的頂端，觀測標結構如圖2所示。

圖1 簡易標構造示意(單位:mm)

圖2 螺栓式墻標構造(單位:mm)

建筑物基坑支護結構位移監測標一般埋設為鋼筋頭，頂端刻“+”或者圓點表示點位，將棱鏡安置在精密對點器支架上，對中整平對點器后進行觀測。

1.2 普通監測標志的缺陷

(1)簡易標

簡易標雖然取材方便，但點位不易保護，易在施工過程中被碰撞而遭到破壞，碰撞變形較小時不易從觀測標外觀變化及觀測數據的變化中分辨出來，會造成觀測數據失真。

(2)螺栓式墻標

螺栓式墻標的套管預埋在建筑物墻體之中，蓋上護蓋后與墻面基本平齊，彌補了簡易標易被施工破壞的缺陷，但當觀測標遇障礙物無法立尺或者觀測視線過高無法觀測時，觀測標雖然保存完好仍無法讀取觀測數據，造成監測點觀測數據不連續甚至中斷。

(3)基坑支護結構位移監測標

普通基坑支護結構位移監測標需要安置精密對點設備，棱鏡對中誤差會對位移監測點坐標測量精度產生影響。另外，位移監測點一般設置在基坑支護結構的邊緣，架設對點器非常困難，并且會給監測工作帶來安全隱患。

2 CPⅢ測量標志的結構及特點

2.1 CPⅢ測量標志構件組成

高速鐵路CPⅢ測量標志由預埋套管、水準連接桿、棱鏡連接桿等構件組成，各構件采用高強度、耐腐蝕的合金材料精密加工制造，構件之間緊密切合，預埋套管永久性埋設于結構物上，測量時將連接桿插入預埋件進行觀測，水準連接桿圓球中心與棱鏡中心重合，棱鏡中心既是平面點位又是高程點位［3］，如圖3所示。

2.2 CPⅢ測量標志的特點

(1)強制歸心

各構件經精密加工制造，具有良好的重復性和互換性，連接桿插入預埋套管后，平面和高程點位在空間唯一確定，只需將連接桿插入預埋件即可觀測，無需對中整平，消除了對中誤差，操作簡便，具有強制歸心的特點。

(2)三維合一

水準連接桿球形中心與棱鏡中心重合，平面點位與高程點位具有三維合一的特點。從圖3可以看出，無論預埋套管埋設時是否產生傾斜，將水準連接桿球面高程減去球半徑歸算至球心的高程就是棱鏡中心高程。因此，點位高程測量既可以采用幾何水準測量，也可以采用精密三角高程測量，該特點為幾何水準測量無法觀測時采用精密三角高程測量代替提供了條件。

(3)防護性好

插入式CPⅢ測量標志除具有螺栓式墻標的防護特點外，還可避免螺栓式墻標預埋件螺口變形堵塞，導致螺桿無法正確就位，監測點無法使用的情況。由于CPⅢ測量標志采用緊密切合插入式安裝，即使插口因外力導致變形，只需使用銼桿修磨一下即可正常使用，具有更好的防護性。

3 建筑物變形監測應用

3.1 點位埋設

基坑支護結構變形監測時，將預埋套管豎直埋設在觀測部位，預埋套管頂端宜高出水平面3～5 mm，低洼處應埋設在水泥墩上防止積水。

基礎沉降觀測點一般橫埋在墻體觀測部位，應將預埋套管護蓋端上翹3～5 mm，確保連接桿插入預埋套管后不產生下滑。

埋設前應分別將水準連接桿、棱鏡連接桿插入預埋套管，對標志的重復性和互換性進行檢查，連接桿不能插入或者連接桿插入后空隙過大的預埋套管應進行標識并作廢品處理。埋設時，先在埋設部位打眼(施工時能預留孔位效果更好)，然后用值筋膠或速凝劑將預埋件固定。

3.2 基坑支護結構位移監測

位移監測時，先將棱鏡安裝在棱鏡連接桿上，然后將棱鏡連接桿插入預埋套管，棱鏡方向對準全站儀進行測量。若使用具有自動照準、自動搜索功能的高精度智能型全站儀配合CPⅢ平面控制網采集軟件進行自動觀測，一次可同時觀測多個棱鏡，測量效率可得到大幅提高，結束觀測后應及時將護蓋插入預埋套管，做好監測點位的保護工作。

3.3 建筑物基礎沉降觀測

(1)幾何水準測量

沉降觀測采用幾何水準測量時，將水準連接桿插入預埋套管，水準尺立于水準測量連接桿球頭上進行觀測，與常用觀測標志的測量方法一樣。

(2)精密三角高程測量

將棱鏡連接桿插入預埋套管，將全站儀安置于相鄰兩監測點之間，采用不量儀器高棱鏡高的三角高程測量方法測量測點間的高差。

觀測使用的全站儀測角標稱精度不低于±2″，測距標稱精度不低于±(2+2×10-6D)mm，使用具有自動照準、自動觀測的高精度全站儀效果更好。

全站儀照準棱鏡直接測定高差(不分別觀測豎直角和斜距)，讀數至0.1 mm，視距讀數至1 mm，測回間高差較差不超過1 mm［4］。視線長、前后視距差、視距累計差、閉合差、往返觀測較差的限差等技術指標按照同等級幾何水準測量技術指標執行。

根據精密三角高程測量特點，可將固定高度的對中桿作轉點，測量過程中保持對中桿高度固定不變即可。也可將精密三角高程上橋測量裝置作轉點［5］，如圖4所示。該裝置最大的特點是幾何水準測量時轉換套筒中插入水準連接桿可以立水準標尺，轉換套筒中插入棱鏡連接桿可以進行精密三角高程測量，水準連接桿頂端球心高程與棱鏡連接桿上棱鏡中心高程相等。

圖4 精密三角高程上橋測量裝置

從基準點向觀測點聯測高程時，有以下三種方式:

①采用幾何水準測量從水準基點直接進行聯測。

②觀測點無法立尺時，可埋設一個預埋套管作轉點，先采用幾何水準測量將水準點高程從基準點引測至預埋套管水準連接桿球頂，然后將預埋套管換上帶棱鏡的棱鏡連接桿，采用精密三角高程測量將套管水準連接桿球頂高程引測至建筑物監測點上。

③使用精密三角高程測量裝置作臨時轉點進行聯測。

不量儀器高、棱鏡高三角高程測量監測點間的高差可采用下式計算［6］

式中hAB為監測點A至監測點B之間的高差，hOA為全站儀儀器中心O至A點棱鏡中心的高差，hOB為全站儀儀器中心O至B點棱鏡中心的高差。

水準連接桿圓球半徑為一整毫米的固定值，可通過查找標志加工參數獲得，也可采用游標卡尺量取，將水準連接桿球形頂部高程減去球半徑即可將幾何水準測量高程歸算至棱鏡中心，反之，將棱鏡中心高程加上水準連接桿球半徑即可得到幾何水準測量高程。

測站高差中誤差mhAB可采用下式進行估算［4］

式中S0為測站前后視平均視線長，α0為豎直角，mα0為豎直角中誤差，ρ取206 265″，ms0為測距中誤差，R為地球半徑，mΔK為大氣垂直遮光差的中誤差，一般取mΔK=±0.05。從上式可以看出，采用高精度全站儀提高測角、測距精度及減小豎直角是提高測量精度的有效途徑。

3.4 特殊情況下監測方法

觀測點遇障礙物時，往往造成多期觀測數據無法施測，不能及時觀測測點的變形情況，造成了很大的安全隱患，部分情況下可采用變換儀器高度斜尺觀測法觀測障礙物遮擋的觀測點［7］，但是，多數情況下觀測點上即使斜尺都無法安置，幾何水準測量無法施測，例如觀測點上方全部被建筑模板遮擋。應用CPⅢ測量標志作觀測點時，由于觀測點水準測量高程和三角高程成果可以相互歸算，可實現幾何水準測量和精密三角高程聯合作業，遇障礙物的觀測點采用精密三角高程測量，其它觀測點采用幾何水準測量，測量路線的選擇非常靈活，只需某一視線能觀測到測點上的棱鏡即可。

4 結論

CPⅢ測量標志具有強制歸心、三維合一、防護性好的特點，在建筑物變形觀測應用中能彌補傳統監測標志的缺陷，三維合一的特點可使幾何水準測量與短視距精密三角高程測量成果之間進行靈活轉換，實現了幾何水準測量與精密三角高程在建筑物沉降觀測中的聯合作業，為特殊情況下進行沉降監測提供了新的途徑，有效地保證了監測數據的連續性。高速鐵路精密測量技術已在城市軌道交通工程軌道定位測量中進行了一些探索和實踐［9］，將CPⅢ測量標志應用于建筑變形監測，是對高速鐵路精密測量技術應用領域的進一步推廣和拓展。

［1］ 中華人民共和國鐵道部.TB 10601—2009 高速鐵路工程測量規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［2］ 中華人民共和國建設部.JGJ8—2007 建筑變形測量規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2007

［3］ 周建東，譙生有.高速鐵路施工測量［M］.西安:西安交通大學出版社，2011:102-123

［4］ 周國樹，張德強，郭清.短視距精密三角高程測量在沉降監測中的應用［J］.揚州大學學報，2005，8(2):56-59

［5］ 譙生有，周建東.一種精密三角高程上橋測量裝置［J］.測繪通報，2013(11):90

［6］ 譙生有，周建軍，周建東.客運專線無砟軌道CPⅢ精密控制網測量探討［J］.鐵道標準設計，2009(S1):36-39

［7］ 沈彥文，花向紅，王新洲，等.水準尺傾斜對沉降變形量的影響研究［J］.測繪信息與工程，2003，28(2):8-10

［8］ 譙生有，聞道榮.無砟軌道CPⅢ平面控制網測量精度影響因素分析［J］.測繪通報，2011(12):36-39

［9］ 徐永剛.高速鐵路精密測量技術在城市軌道交通中的應用研究［J］.鐵道勘察，2012(2):7-9

［10］周建東，譙生有.高速鐵路底座混凝土模板精密定位測量裝置［J］.鐵道勘察，2013(3):5-6