CPⅢ技術在變形監測中的應用

岳仁賓，張 恒，李 超

（重慶市勘測院，重慶400020）

近年來，城市建設的加快，巨大的規模和復雜的工藝對安全監測工作的開展提出更高的要求。而山體滑坡、極端天氣等環境因素的影響，使突發事件增多、變形監測搶險工程頻繁出現。相對于常規變形監測項目，搶險工程通常要求反應速度快，在盡可能短的時間內獲取監測對象的變形信息，因此常常采用特殊的測量方式。在高鐵建設中已廣泛應用的CPⅢ技術，為變形監測搶險工程提供了一個簡單有效的作業方式。

我國客運專線無碴軌道鐵路工程測量平面控制網可分為3個等級：第1級為基礎平面控制網（CPⅠ），第2級為線路控制網（CPⅡ），第3級為基樁控制網（CPⅢ），主要為鋪設無碴軌道和運營維護提供控制基準，可采用導線測量方法或者后方交會法測量。其中，采用后方交會的方法觀測量較多，圖形條件強，能夠達到較高的測量精度。

1 CPⅢ測量方法及精度要求

1．1 CPⅢ平面控制網的布設和測量

基于后方交會測量的CPⅢ控制網應采用獨立自由網平差，網形如圖1所示。

從圖1所示的CPⅢ網形可以看出，CPⅢ平面網是一個非常規則的測量控制網，所有CPⅢ點在網中的交互強度很高而且分布均勻，圖形強度高，網本身基本沒有最弱點的存在。CPⅢ平面網觀測時采用全站儀自由設站的方法，因此不存在儀器對中誤差。測站間距大致相等，均勻分布在線路中線附近。在高鐵建設中，CPⅢ點采用特殊的強制固定裝置，保證了目標點重復安裝的精度，也最大程度消減了棱鏡安裝時的對中誤差。

圖1 CPⅢ后方交會控制網

1．2 CPⅢ三角高程測量

如圖2所示，以1、2、11、12號CPⅢ點為例，它們距測站的距離大致相等，在等距的情況下，目標點之間的高差是消除了地球曲率影響的，同時，由于CPⅢ點上直接安置棱鏡，儀器高的測量誤差也避免了，4個點之間的高差是精確的。同樣可知3、4、9、10號點之間以及5、6、7、8號點之間任意兩點之間的高差。

圖2 CPⅢ相鄰兩站關系示意圖

如果只是考慮一站的對應點高差，從列的方向看，只能得到1號點與11號點、2號點與9號點、5號點與7號點之間的高差，缺少3號與5號、7號與9號之間的高差。這樣建立不了完整的水準網。因此考慮以相鄰兩站為研究對象，計算出測站之間8號點與10號點的高差h8－10，或者是7號點與9號點的高差h7－9。由于8號點與10號點到測站的距離相差較大，這里以兩站分別求出的h8－10取平均值作為8號點與10號點的觀測高差。

三角高差存在重復觀測的情況，于是存在觀測值歸化的問題。該問題的處理思想是：以高差觀測值h5－6的兩對應點，5號點和6號點到測站的水平距離之和為定權標準，取所有重復觀測值的加權平均值為其最終觀測值，并反算出其對應的權。計算表達式為

按照上述算法思想，可以得到CPⅢ水準網的三角高差觀測值，進而進行高程平差，就可以計算出高程。

1．3 高鐵建設中控制網的精度要求

無碴軌道測量各級控制網在鐵路施工中發揮著不同的作用，對測量精度的要求也有所不同，其中CPⅢ控制網的測量準則見表1、表2。

表1 無碴軌道測量各平面控制網測量精度要求 mm

表2 無碴軌道測量各平面控制網測量精度要求

精密水準測量距離L＜1 k m，CPⅢ網高程中誤差小于±1 mm。

《建筑變形測量規范JGJ 8－2007》規定了建筑變形觀測的等級及精度要求，如表3所示。

表3 變形觀測的等級及精度要求

由表1表2和表3的對比可見，CPⅢ控制網的平面測量精度滿足變形觀測二級的要求，CPⅢ高程測量能夠達到精密水準測量精度，因此在距離不長的情況下，將CPⅢ技術應用于大多數變形監測工程在理論上是可行的。

2 工程實例

2．1 工程概況

由于連續特大暴雨襲擊，重慶市某區濱江路某段隔離帶出現較大裂痕，經現場踏勘，該路段以隔離帶為界，靠江一側為橋梁，另一側為實地，橋梁與實地的交界處為一個L型構筑物，L型構筑物頂部已出現明顯裂縫，如圖3所示。橋下靠實地一側的橋墩與L型構筑物緊密連接，可能受L型構筑物的變形影響較大。為獲取橋墩和L型構筑物的變形情況，需要對該區域開展變形監測搶險工作。

搶險工程共分為三部分：L型構筑物的沉降監測、裂縫監測、橋墩的平面及沉降變形監測。其中橋墩變形觀測采用CPⅢ技術，其余部分為常規測量方法。本文介紹橋墩的平面及沉降變形觀測。

2．2 監測點布設及外業測量

圖3 重慶市某區濱江路某段隔離帶出現裂縫

為了滿足變形監測的要求，根據現場情況，將4個基準點選定在變形區域外的橋墩上，編號為K1～K4。在變形區域內的橋墩上共布設20個監測點，編號為Z1～Z20，采用CPⅢ技術平面位移監測、沉降監測同時進行，測站架設在L型構筑物與護坡間的人行過道上，測站間距離大致相等，約為20 m，每一期觀測測站架設位置相同。點位布設及觀測路線見圖4。因測站較多，圖中僅表示出第2、第3兩測站的觀測線路。

圖4 橋墩監測點布設情況及觀測線路圖

變形監測基準控制網采用“一點一方位”建立，假定 K1（500．000，500．000，100．000）為 已 知 點，K1－K3為零方向建立坐標基準，采用高精度全站儀聯測，求出K2～K4坐標，作為本次變形監測搶險工程的基準網。監測點觀測使用TCA2003智能型全站儀（0．5″，1 mm＋1 pp m）自動觀測，水平角及垂直角均觀測4測回，距離測量8測回。全站儀與PDA建立實時通訊，數據傳入PDA后立即進行近似坐標計算，并將數據初步對比，全部觀測完成后需要進行嚴密平差和坐標轉換。

2．3 數據處理及變形分析

本工程數據處理采用自由網平差結合坐標轉換完成。首先把監測網中各網點Z1～Z20同與其聯測的K1～K4一起進行自由網平差，這樣K1～K4點就有了兩套坐標：一套是自由網平差的坐標，另一套是它們在變形監測網坐標基準下的坐標。利用4個基準點，按最小二乘原理，可以求得兩套坐標系統的轉換參數，通過坐標轉換參數實現將監測網網點坐標轉換到假定的坐標基準下。

本搶險工程于8月2日開始，至8月24日加固工程完成后結束，轉入常規變形觀測，共觀測23期。其中8月2日至8月6日暴雨期間每天觀測2期；8月7日至8月14日L型構筑物支護工程已完成，每天觀測1期；8月15日～24日護坡加固期間每兩天觀測1期。由于數據量較大，本文僅列出裂縫最大處的Z1、Z2監測點觀測數據進行分析，見表4。

表4 Z1、Z2點平面位移及沉降觀測統計

表4結果表明：

1）Z1、Z2點變化趨勢基本一致，這是因為Z1、Z2兩點分別位于同一橋墩的兩側。

2）Z1、Z2點在第8期（8月5日，19：00）發生突變，其中沿Y負方向變化尤其明顯，平均變化量為22．1 mm。經現場踏勘，8月5日中午完成了L型構筑物及橋墩的支護工作，對L型構筑物和橋墩有頂推施工。

3）Z1、Z2點在第8期至第32期之間無明顯變化。8月5日至8月24日間，主要支護工作完成，降雨結束，各點位趨于穩定。

其余各監測點變化趨勢與Z1、Z2基本一致，除第8期出現突變外，其余各期處于緩慢變化狀態；其中Z11～Z20共10個監測點整體變化相對較小，這是因為Z11～Z20布設在第2排橋墩上，距離L型構筑物較遠。

將應用CPⅢ技術得到的監測數據與裂縫觀測（使用游標卡尺測量）、L型擋墻沉降觀測（直接水準測量）對比，分析結果完全一致。

3 結束語

本文敘述了采用CPⅢ技術進行橋墩平面位移及沉降監測的點位布設、數據采集、變形分析等過程，通過對比布設在橋墩兩側的監測點各期觀測數據，分析橋墩的變形趨勢。經過綜合對比，應用CPⅢ技術得到的橋墩變形監測數據與裂縫觀測、L型擋墻沉降觀測的分析結果完全一致，并且觀測數據的變化情況與現場施工進程相符合，說明觀測數據可靠性強，能夠準確反映監測對象的形變。

在監測點呈帶狀有規律分布的情況下，使用CPⅢ技術具有操作方便、測量精度高等特點。隨著數據采集方式的多元化和數據處理軟件的日益完善，CPⅢ技術必然能夠在變形監測工程，尤其是搶險工程中發揮更大的作用。

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