煙囪垂直度快速測(cè)量方法應(yīng)用研究

孫青云（上海泓源建筑工程科技股份有限公司， 上海 201700）

隨著建筑工程施工技術(shù)及工藝水平的提高，國(guó)內(nèi)煙囪筒身中心線允許偏差標(biāo)準(zhǔn)也有了大幅提高。尺量、線墜及經(jīng)緯儀等傳統(tǒng)測(cè)量手段也逐漸被激光垂準(zhǔn)儀、免棱鏡全站儀、三維激光掃描儀、近景攝影測(cè)量等新儀器、新技術(shù)所替代[1－5]。但是，許多新儀器往往價(jià)格比較昂貴，新技術(shù)應(yīng)用也需要專門(mén)的技術(shù)人員。一些施工企業(yè)經(jīng)常因經(jīng)費(fèi)投入不足，選用價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)便的傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器設(shè)備和手段。針對(duì)上述情況，選擇目前市面上價(jià)格相對(duì)低廉的免棱鏡全站儀，進(jìn)行煙囪筒身中心線垂直度偏差測(cè)量，并與激光垂準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 項(xiàng)目情況

上海市竹園污水廠污泥處理工程采用了發(fā)達(dá)國(guó)家已有成熟應(yīng)用的“干化＋焚燒”處理工藝，是目前國(guó)內(nèi)已建成投運(yùn)的較大的污水污泥干化焚燒工程，徹底解決了污水片區(qū)污泥的出路問(wèn)題。

工程服務(wù)范圍為該污水片區(qū)第一、第二、曲陽(yáng)、泗塘 4座污水處理廠產(chǎn)生的脫水污泥。近期建設(shè)規(guī)模為 150 t/d 的干物質(zhì)（750 t/d 的濕污泥，以含水率 80% 計(jì)），年處理脫水污泥達(dá) 27.4萬(wàn) t。考慮設(shè)施檢修所需時(shí)間，年運(yùn)行時(shí)間按7 500 h 計(jì)。由此折算設(shè)計(jì)額定處理能力7.3 t/h 的干物質(zhì)。共設(shè)置 2 條生產(chǎn)線，單線額定處理能力 3.65 t/h 的干物質(zhì)。干化焚燒煙囪高度 50 m，形狀為上口小，下口大，橫切面呈規(guī)則圓形，施工采用模板鋼筋混凝土工藝。

2 測(cè)量方案選定與實(shí)施

2.1 工況現(xiàn)狀

施工測(cè)量技術(shù)人員進(jìn)場(chǎng)時(shí)，該工程煙囪處于剛完工狀態(tài)，需進(jìn)行垂直度復(fù)核。但由于現(xiàn)場(chǎng)施工造成部分控制點(diǎn)被破壞，加上附近已建成建筑、綠化及圍欄等原因，因此無(wú)法直接采用原控制點(diǎn)施測(cè)；而且煙囪攀爬也十分困難，無(wú)法安置測(cè)量棱鏡或反射片等測(cè)量設(shè)備。

2.2 測(cè)量方案選定與優(yōu)化

2.2.1 測(cè)量方案選定

鑒于上述原因，采用免棱鏡全站儀極坐標(biāo)法測(cè)量方式進(jìn)行。測(cè)量?jī)x器采用精密型拓普康全站儀 GPT-3002 LNC。其無(wú)棱鏡測(cè)距精度為 ±（5 mm＋2×10－6×D），D為測(cè)量距離，單位為 km，測(cè)角精度為 2 "。它還擁有 1 200 m 超長(zhǎng)無(wú)棱鏡測(cè)距、測(cè)距光斑小、功耗低、具有激光指向及放樣指示、防塵防水等級(jí)高等特點(diǎn)，施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性價(jià)比很高。

測(cè)量系統(tǒng)采用假定坐標(biāo)系和假定高程系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是可以克服現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)被破壞的困難，避免因施工控制網(wǎng)系統(tǒng)誤差和引測(cè)傳遞誤差造成測(cè)量精度降低。計(jì)算和判定標(biāo)準(zhǔn)依據(jù) GB 50078—2008 《煙囪工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》，分別在煙囪上部、中部和下部區(qū)域相同高度處測(cè)定一系列三維坐標(biāo)點(diǎn)。煙囪橫截面位置示意見(jiàn)圖1。

圖1 煙囪橫截面位置示意圖

從圖1 可見(jiàn)，通過(guò) 4 點(diǎn)共圓原理，利用 CAD 相關(guān)繪圖軟件，求得各區(qū)域相同高度處不同共點(diǎn)圓的圓心坐標(biāo)。然后計(jì)算出各圓心坐標(biāo)的算數(shù)平均值，進(jìn)而以其中兩點(diǎn)連線作為筒身中心線，依據(jù)GB 50078—2008 的規(guī)范判定該處的筒身中心線垂直度偏差量。

2.2.2 精度估算

根據(jù)極坐標(biāo)測(cè)量原理，被測(cè)點(diǎn)（設(shè)為Pi）的三維坐標(biāo)式見(jiàn)式（1）：

式中：Spi—Pi點(diǎn)的斜距；

Vpi—Pi點(diǎn)的豎直角讀數(shù)；

αpi—Pi點(diǎn)的豎直角讀數(shù)。

根據(jù)誤差傳播理論[6]可求得其點(diǎn)位中誤差的表達(dá)式（2）：

式中：ms—儀器測(cè)距標(biāo)稱精度；

mρ—儀器測(cè)角標(biāo)稱精度；mα—測(cè)角精度中誤差；

ρ—弧度為秒的乘常數(shù)。

取ms=±5m m，mρ=±2n，mα=±2n2 ，ρ=206265，Spi≈70 m ，Vpi≈40°，則被測(cè)點(diǎn)Pi的點(diǎn)位中誤差M= ± 5.0 8 mm 。

2.3 方案實(shí)施情況

2.3.1 測(cè)量控制點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)場(chǎng)地情況，在煙囪的東西兩側(cè) 60～80 m 處，布設(shè)兩個(gè)地面觀測(cè)點(diǎn)A和觀測(cè)點(diǎn)B，并在觀測(cè)點(diǎn)A側(cè)布設(shè)一個(gè)地面方向點(diǎn)C，同時(shí)保證這 3 點(diǎn)兩兩通視，以便于互相檢核。觀測(cè)點(diǎn)水平投影示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 觀測(cè)點(diǎn)水平投影示意圖

從圖2 可見(jiàn)，選取的兩個(gè)地面觀測(cè)點(diǎn)A、B，在其視線范圍內(nèi)都可較好地看到同側(cè)煙囪的豎向全貌。設(shè)定地面觀測(cè)點(diǎn)A三維坐標(biāo)，以C點(diǎn)為方向點(diǎn)，建立假定坐標(biāo)系和假定高程系，開(kāi)展后續(xù)測(cè)量工作。取煙囪不同高度的 315 個(gè)橫截面點(diǎn)作為被測(cè)點(diǎn)Pi進(jìn)行測(cè)量，被測(cè)點(diǎn)Pi=P1、P2、P3……(i=1、2、3 …… 315)。

2.3.2 煙囪橫截面選取與測(cè)量

選取煙囪不同高度橫截面 3 處（高、中、低），具體位置選在某一明顯支模板痕跡處及紅白漆交界處。通過(guò)建立的假定坐標(biāo)系，采用全站儀配合免棱鏡模式，對(duì)已經(jīng)確定的截面進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)定。然后將各實(shí)測(cè)截面數(shù)據(jù)導(dǎo)入南方 CASS 7.0 軟件。在軟件內(nèi)用 3 點(diǎn)共圓法繪制所選截面，并確定圓心位置。因存在多個(gè)圓心，所以選取上、中、下截面圓心距離最大情況、最小情況及坐標(biāo)平均值距離情況來(lái)反映煙囪垂直度。

2.3.3 影響因素與處置措施

（1）風(fēng)荷載影響與處置措施。由 JGJ 3—2010 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表3.7.3可知，受風(fēng)荷載影響，該煙囪頂部位移與高度之比的限值取 1/1 000，則風(fēng)荷載影響允許的最大值為 5 cm，已超出 GB 50078—2008 中此高度垂直度允許偏差值。該污泥處理廠位于長(zhǎng)江入海口附近，極易受風(fēng)荷載影響；且空氣濕度較大，對(duì)全站儀配合免棱鏡觀測(cè)精度也有一定影響。

因此，為保證測(cè)量精度和數(shù)據(jù)的可靠性，采取如下處置措施：①選擇微風(fēng)天氣（風(fēng)力 2～3 級(jí)），最大程度減小風(fēng)荷載影響；②選擇最佳觀測(cè)時(shí)段（經(jīng)驗(yàn)證，此處北京時(shí)間上午 7～9 點(diǎn)較佳），減少大氣折射對(duì)測(cè)量精度的影響；③通過(guò)多測(cè)回同精度觀測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)。通過(guò)采取以上處置措施并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試比對(duì)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)荷載影響在此次復(fù)核中可以忽略不計(jì)。

（2）施工偏差影響與處置措施。煙囪在施工過(guò)程中可能存在外表面凹凸不平、橫截面支模板高程不一致，甚至存在整體傾斜、S型等情況。

因此，采取如下處置措施：①選取的下部橫截面距離地面盡可能近，并以其圓心作為筒身中心線評(píng)判點(diǎn)，從而減小計(jì)算偏差；②通過(guò)增加不同橫截面位置的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)，并將其根據(jù) 3 點(diǎn)共圓法求得圓心坐標(biāo)點(diǎn)取算數(shù)平均值，作為最終偏差計(jì)算值，以減小外表面不光滑造成的影響；③通過(guò)選擇上、中、下三處橫截面進(jìn)行計(jì)算，避免施工出現(xiàn) S 型（亦可選擇多處橫截面，提高準(zhǔn)確性）。

（3）測(cè)量誤差與處置措施。免棱鏡測(cè)量狀態(tài)下，其測(cè)量誤差大小和距離成正比；而且俯仰角或側(cè)向角度越大，其測(cè)量誤差越大。另外，橫截面上共點(diǎn)圓測(cè)量點(diǎn)越集中，求得圓心和實(shí)際圓心偏差越大；越分散，求得圓心越接近實(shí)際圓心值。

因此，采取如下處置措施：①地面觀測(cè)點(diǎn)選擇在距離煙囪高度 1～1.5 倍處（60～80 m 處），最高待測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)角控制在 40 °以內(nèi)，優(yōu)化免棱鏡測(cè)量狀態(tài)下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；②地面觀測(cè)點(diǎn)選在煙囪兩側(cè)，保證觀測(cè)點(diǎn)的分散性，使共點(diǎn)圓心盡量接近實(shí)際圓心值；③測(cè)量點(diǎn)采用正倒鏡觀測(cè)方式，取其平均值作為計(jì)算值，以減小觀測(cè)誤差帶來(lái)的影響。

3 數(shù)據(jù)成果分析

根據(jù)假定坐標(biāo)系和假定高程系設(shè)定的地面觀測(cè)點(diǎn)，共測(cè)得不同高度橫截面點(diǎn) 315 個(gè)。經(jīng)過(guò)篩選，得到煙囪下部橫截面（高度 0.86 m 處）代表性共點(diǎn)圓 6 個(gè)，分別為O1～O6；中部橫截面（高度 38.52 m 處）代表性共點(diǎn)圓 6個(gè)，分別為 O7～O12；上部橫截面（高度 47.92 m 處）代表性共點(diǎn)圓 9 個(gè)，分別為 O13～O21。各共點(diǎn)圓圓心坐標(biāo)值詳見(jiàn)表1。

表1 不同部位橫截面共點(diǎn)圓心坐標(biāo)值 m

以煙囪下部橫截面共點(diǎn)圓圓心算數(shù)平均值作為筒身中心線評(píng)判點(diǎn)：中部橫截面筒身中心線偏差 ?X1=0.017 m，?Y1= －0.008 m，其平面向量偏差值為 ?L1=0.018 m；上部橫截面筒身中心線偏差值 ?X2= 0.019 m，?Y2= －0.007 m，其平面向量偏差值為 ?L2=0.020 m。根據(jù) GB 50078—2008 續(xù)表6.5.4可知，?L1限=0.034 m，?L2限=0.039 m (均采用內(nèi)插法計(jì)算得出)，滿足相應(yīng)高度處規(guī)范限差要求。

同時(shí)，采用南方激光垂準(zhǔn)儀對(duì)煙囪頂部筒身中心線垂直度偏差值進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證，其偏差值為 0.027 m，滿足 GB 50078—2008 規(guī)范不超過(guò) 0.040 m 的限差要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以上海市竹園污水廠污泥處理工程為例，采用免棱鏡全站儀對(duì)污泥干化焚燒煙囪進(jìn)行了垂直度偏差測(cè)量。通過(guò)采用假定坐標(biāo)和高程系統(tǒng)，避免了控制測(cè)量誤差和傳遞誤差；選擇微風(fēng)天氣和最佳觀測(cè)時(shí)段，減小了風(fēng)荷載對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；選擇上、中、下橫截面和增加共點(diǎn)圓觀測(cè)點(diǎn)數(shù)，避免施工 S 型和外表面凹凸不平造成的影響；通過(guò)控制觀測(cè)點(diǎn)距離、位置，以及正倒鏡觀測(cè)等措施提高測(cè)量精度。經(jīng)計(jì)算和驗(yàn)證可知，煙囪中部和上部平面向量偏差值分別為?L1=0.018 m 和 ?L2=0.020 m。根據(jù) GB 50078—2008 續(xù)表6.5.4可知，?L1限=0.03 4 m，?L2限= 0.039 m（均采用內(nèi)插法計(jì)算得出)，滿足相應(yīng)高度處規(guī)范的限差要求。

這一快遞測(cè)量方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)便易操作，儀器成本相對(duì)低廉，不必攀爬布設(shè)反射片，也不必爬至頂部讀取垂準(zhǔn)儀讀數(shù)，省時(shí)省工省力；尤其適合因年代久遠(yuǎn)、資料缺失、無(wú)對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)、不易內(nèi)部測(cè)量和外部攀爬的老齡煙囪。這些可供類似施工測(cè)量工程參考。