新型三角高程測量技術應用

劉洪州，郭守謙，劉志遠

（1.天津大學仁愛學院建筑工程系，天津　301636；2.中交一航局第五工程有限公司，河北　秦皇島　066002；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津　300222）

新型三角高程測量技術應用

劉洪州1，郭守謙2，劉志遠3

（1.天津大學仁愛學院建筑工程系，天津301636；2.中交一航局第五工程有限公司，河北秦皇島066002；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222）

針對水運工程深基坑高程測量困難問題，提出利用全站儀對邊觀測的新型三角高程測量方法。工程實例應用表明，該新方法具有低成本、高功效等特點，適用深基坑的高程測量，可為水運工程的深基坑高程測量提供有益經驗。

水運工程；深基坑；全站儀；三角高程測量

0　引言

水運工程施工中，通常涉及深基坑高程測量。然而，深基坑高程測量因與地面高差較大，直接利用水準尺傳遞高程方式相對操作困難，故實際工作中多采用懸掛鋼尺法進行測量放樣。但由于懸掛鋼尺法誤差來源多、外業工作量大、施測速度慢，往往不能滿足施工測量要求。而傳統的三角高程測量雖能避免地勢起伏、高差等因素干擾，但測量結果精度不符合工程實際需求。隨著科技的發展，目前利用全站儀的高程傳遞測量已經被廣泛應用，林明華[1]等采用精密三角測量法對跨河的高程進行高程傳遞測量實驗研究，張智韜[2]等介紹和分析全站儀三角測量新方法和精度，周建林[3]等應用全站儀高程傳遞技術對蘇通大橋進行高程測量。鑒此，本文介紹一種基于利用全站儀的新型三角高程測量方法，并將該方法運用于水運工程翻車機房深基坑的施工測量中，檢驗該方法的實用性。

1　高程測量原理

1.1懸掛鋼尺法

懸掛鋼尺法[4]操作原理：假設已知地面水準點A的高程為HA，基坑內欲測量B點的高程為HB，基坑邊設一吊桿懸掛鋼尺，鋼尺零端位于基坑內，同時在零端懸掛重量適中的重物，見圖1。

測量時，首先在地面上安置水準儀，在A點設立水準尺，讀取A點讀數a和鋼尺讀數b，然后在基坑內安置水準儀，獲得鋼尺讀數c，最后在B點上下垂直移動水準尺，當讀數d=HA+（ab）+c-HB，則B點水準尺底端的高程為測量的基坑高程HB。

圖1 懸掛鋼尺法Fig.1　Suspension leveling ruler

1.2三角高程測量法

三角高程測量法主要原理[5]是：假設A、B為地面上高度不同的2個高程點。若已知A點高程，通過A、B之間的高差，計算獲得B點高程。首先，假設A、B兩點相距水平距離相對較短，兩點之間的水準面可近似為水平面。已知A、B兩點之間的水平距離為D，在A點架設全站儀，在B點立對中桿，A點觀測B點的豎直角α，并直接量取儀器高和棱鏡高t，見圖2。

圖2 三角高程測量Fig.2　Trigonom etric leveling

不考慮大氣折光和地球曲率的影響條件下，根據圖中計算參數和實際測量值，則A、B之間的高差為hab：

hab=V+i-t（1）式中：V為全站儀望遠鏡和棱鏡之間的高差，V= D tanα。

1.3新型三角高程測量技術

1.3.1測量原理

隨著全站儀等新測量儀器的興起，利用新技術儀器進行的高程測量開始逐步被試驗和研究[6-7]。因此，本文提出的新型三角高程測量法，其實質是全站儀高程傳遞測量，通過假設已知B點高程，A點為任意高程未知點，見圖3。

圖3　全站儀高程傳遞測量Fig.3　Theelevationmeasurementof totalstation

將式（1）整理獲得：

HA+i-t=HB-D tanα（2）

令W=HA+i-t=HB-D tanα，當選定測站點A進行架設儀器后，A點高程HA固定，儀高i值也隨之不變，同時選取跟蹤桿作為反射棱鏡，從而t值也不再變化，所以在進行任意一點高程測量時，W固定不變。由于已知HB，利用全站儀直接測定D tanα，即可計算出W=HB-D tanα。根據式（2），圖3中待測點B′高程HB′為：

HB′=HA+D′tanα′+i-t（3）

將W=HA+i-t代入式（3）得：

HB′=W+D′tanα′（4）式中：D′為測站點A到待測點B′的水平距離；α′為測站點A觀測待測點B′時豎直角。

由式（4）可知，不同待定點的高程隨著測站點到其的水平距離D′和觀測豎直角α′的變化而改變。

1.3.2操作步驟

新型三角高程測量法的操作步驟：

1）將全站儀儀器安置于和已知高程點通視的任意一點。

2）采用全站儀照準已知高程點H，測量出D tanα，并計算出W值。

3）將儀器測站點高程重新設定為W，儀器高和棱鏡高設定為0。

4）照準待測點，利用式（4）測出其高程。

2　三種測量方法特點對比

若測量的高程點與已知水準點的高差較大時，采用懸掛鋼尺法來代替水準尺法進行測量。但采用懸掛鋼尺進行高程傳遞測量時，由于深基坑高差較大，懸掛的鋼尺下端應懸掛鑒定鋼尺時的標準拉力重錘，否則需進行拉力修正；由儀器角誤差引起的高程誤差，伴隨著前后視距差的增大而增大；鋼尺經過一段時間在野外使用后，尺長本身也會發生變化，所以在地下高程放樣或測量時，為了確保精度滿足要求，應選擇嚴格檢驗校正的水準儀，并在讀數時需格外仔細，操作過程相對復雜。

三角高程測量操作相對簡單于懸掛鋼尺法，但是其精度受限于以下兩個因素：1）水平面為基準面和視線成直線。2）A、B兩點的水平距離相對較短。若以上兩條件不成立時，采用三角高程測量法測量基坑的高差將不準確。新型三角高程測量技術利用全站儀高程傳遞原理，測量時可直接將測量結果輸入全站儀，全站儀內部系統根據測量參數的結果，直接計算獲得待測點高程，并通過計算機連接導出測量結果，不用人工進行復雜計算和儀器操作過程，其具有操作簡捷，高效特點。

3　工程應用

3.1工程概述

國投曹妃甸煤碼頭續建工程中，翻車機房基坑支護結構為圓形地下連續墻，墻厚1.5 m，內徑77m，坑底標高-15.45m，墻底標高-29.8 m。頂部設有帽梁1道，梁高1 m，支撐結構采用4道圈梁及12個豎肋，圈梁和豎肋高程見圖4。

圖4　翻車機房基坑支護結構圖Fig.4　Foundation pitsupport structureofdumper

3.2新技術檢驗

在曹妃甸翻車機房施工中，選用NIKON DTM532型全站儀（測角：2″；標準測距：2mm+ 2×10-6D，D為距離，km）進行高程傳遞測量，為了驗證該新技術的可行性，在翻車機房基坑周圍設置10個測站點，已知主體圈梁底層的標高為-15.45 m，分別采用懸掛鋼尺法、三角高程測量法以及新型三角高程測量法，測量結果和測量功效，見圖5和表1。

圖5　三種測量方法成果對比Fig.5　Result com parison of the threemeasurement methods

表1　三種測量方法功效匯總Table 1　Efficacy summary of the threemeasurementm ethods

由圖5和表1分析可知，懸掛鋼尺法對10個測站點測量用時最長，人員參與最多，同時可能由于施工地點環境溫度偏高、鋼尺的重復使用以及懸掛物體過重等客觀因素的影響，導致基坑高程測量過程中，鋼尺的長度伸長，進而產生懸掛鋼尺法測量結果偏大于梁圈底部標高，總測量精度相對較差。三角測量由于測站點間距離較近，符合其測量條件。測量時間和測量參與人員與新型三角高程測量法相同，但是測量過程中，由于測站點設置過多，且通過測量過程中量取測儀器與棱鏡高，導致誤差源的逐漸累積，因此，測量精度低于新型三角測量方法。而新型三角測量方法，測站點內測量結果誤差約為0.001 m，測量精度較為準確。通過更換高程控制點，重復上述步驟，對待測點高程進行測量，其結果趨勢基本和圖5一致，因此，新型三角高程測量技術具有實用性和高效性。

4　結語

新型三角高程測量法能更好的適應天氣和地形變化，比三角高程測量的方法精度更高，整個施測過程不必用鋼尺量取儀器高，棱鏡高，減少了測量過程中的誤差來源，避免了誤差的累計，保證了測量精度，同時省去了懸掛鋼尺法測站讀報數據以及可能的站上計算工作，提高了測量功效，降低了施工成本。通過以上實例表明，其在水運工程深基坑的測量成功運用，為深基坑等高程傳遞跨度大的水運工程項目施工中高程放樣提供了一種新的解決方案。該技術還可以適用于道路施工、地勢復雜的高程傳遞，可快速準確的測得高程數據，縮短放樣的時間，避免了水準測量因轉站多、高差大以及氣候惡劣導致的誤差，降低了施工測量的工作量與工作強度。

[1]林明華，蘇志堅，侯飛.精密三角高程測量用于跨河高程傳遞的實驗研究[J].測繪科學，2012，37（5）：209-211. LIN Ming-hua,SU Zhi-jian,HOU Fei.Study on river-crossing levelingwith precise trigonometric leveling[J].Scienceof Surveying and Mapping,2012,37(5):209-211.

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App lication of new trigonometric leveling technology

LIUHong-zhou1,GUOShou-qian2,LIU Zhi-yuan3
（1.Departmentof Architectural Engineering,Ren'aiCollegeof Tianjin University，Tianjin 301636,China; 2.No.5 Engineering Co.,Ltd.of CCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Qinhuangdao,Hebei066002,China; 3.CCCCTianjin PortEngineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Aiming at the difficult problem of elevation measurement of deep foundation pit in waterway engineering,we put forward a new method of trigonometric leveling by using the total station instrument.The application of engineering example shows that the new method has the characteristics of low cost and high efficiency,which can be used tomeasure the height of the deep foundation pit.Itcan provideusefulexperience for themeasurementofdeep foundation pit inwaterway engineering.

waterway engineering；deep foundation pit；total station instrument；trigonometric leveling

U655.552

A

2095-7874（2016）10-0052-04

10.7640/zggw js201610012

2016-06-27

2016-08-21

劉洪州（1989— ），男，安徽宿州人，助理工程師，助教，研究方向為水利工程施工。E-mail：695627047@qq.com