基于可伸縮水準(zhǔn)尺的精密水準(zhǔn)測量方法研究

王登杰，王巖

（1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.山東省交通工程監(jiān)理咨詢公司，山東 濟(jì)南 250013）

條碼銦鋼尺的精度是保證水準(zhǔn)測量精度的關(guān)鍵因素之一，而采用長度可調(diào)節(jié)的水準(zhǔn)尺，在利用現(xiàn)有方法進(jìn)行水準(zhǔn)測量時會對伸縮連接處的誤差帶來的精度影響。國家規(guī)范規(guī)定國家三、四等水準(zhǔn)測量采用2m或3m的木制區(qū)格式雙面水準(zhǔn)尺，國家一、二等水準(zhǔn)測量必須采用3m銦鋼尺或2m（或3m）條碼銦鋼尺。但是2m（或3m）的水準(zhǔn)尺攜帶非常困難，尤其是在建筑物沉降觀測時，測量過程只需要2個人，而要開一個大面色車，的確十分浪費(fèi)，而用小車運(yùn)輸時，車內(nèi)很難放得下2m的水準(zhǔn)尺，無法折疊或伸縮的水準(zhǔn)尺給運(yùn)輸帶來了很大的不便。日前很多測量單位尤其是做建筑物沉降觀測的單位，為了運(yùn)輸一根2m的水準(zhǔn)尺，必須配備一部大長車，給單位帶來了很大的經(jīng)濟(jì)損失。為此，開發(fā)一種可伸縮的條碼銦鋼尺，并提出了三種精密水準(zhǔn)測量的方法，在建筑物沉降觀測中具有很大的應(yīng)用價值，給測量單位帶來很好的經(jīng)濟(jì)和。

1 可伸縮的條碼銦鋼水準(zhǔn)尺的結(jié)構(gòu)形式

可伸縮的條碼銦鋼水準(zhǔn)尺有兩部分組成，帶有銦網(wǎng)條碼帶的水準(zhǔn)尺部分與原銦鋼條碼尺相同，只是鋁合金鋼管部分為空心結(jié)構(gòu)，再做一個形狀與其相似結(jié)構(gòu)的空心鋁合金鋼管，套入原帶的條碼帶的鋁合金鋼管內(nèi)，分為內(nèi)外兩個鋁合金鋼管結(jié)構(gòu)。如圖1和圖2所示。

圖1 可伸縮銦鋼條碼水準(zhǔn)尺結(jié)構(gòu)圖

圖2 可伸縮的銦鋼條碼水準(zhǔn)尺結(jié)構(gòu)平面圖

帶有銦鋼條碼帶的外鋁合金鋼管長度可制作為1.0～1.5m，相應(yīng)的能讀數(shù)的銦鋼條碼帶長度也為1.0～1.5m。寬度為85mm，厚度為40mm，與目前常用的2.0m的銦鋼條碼水準(zhǔn)尺相似。內(nèi)鋁合金鋼管不帶有銦鋼條碼帶，只做水準(zhǔn)尺的伸長部分，不做為水準(zhǔn)尺的讀數(shù)部分。當(dāng)立起水準(zhǔn)尺時，利用可伸出的內(nèi)鋁合金鋼管增加帶有銦鋼條碼帶部分水準(zhǔn)尺的高度。內(nèi)鋁合金鋼管的底部焊一個8mm厚的鋼板，長度和寬度略大于外鋁合金鋼管斷面尺寸即可。內(nèi)外鋁合金鋼管用螺旋式銷栓連接，螺旋式銷栓在水準(zhǔn)尺的每一個橫斷面上有三個，分別位于兩側(cè)面和背面。沿水準(zhǔn)尺的長度方向，每相隔20cm為一個銷栓斷面，形成不同長度的銦鋼條碼水準(zhǔn)尺，方便不同視線高（因地面高度引起）的水準(zhǔn)儀能夠正確的進(jìn)行水準(zhǔn)尺讀數(shù)，并方便滿足精密水準(zhǔn)測量的技術(shù)要求。當(dāng)內(nèi)鋁合金鋼管完全縮進(jìn)外鋁合金鋼管內(nèi)時，水準(zhǔn)尺的長度為1.0～1.5m，可以很方便地納入小汽車的后背箱內(nèi)，攜帶及運(yùn)輸方便。當(dāng)內(nèi)鋁合金鋼管以不同的長度伸出后，可以使水準(zhǔn)尺的長度變?yōu)?.5～3.0m，這樣可以適應(yīng)不同高度的水準(zhǔn)儀進(jìn)行讀數(shù)，當(dāng)采用合理的觀測方法時，均能滿足并達(dá)到精密水準(zhǔn)測量的要求。

2 基于可伸縮水準(zhǔn)尺的精密水準(zhǔn)測量方法

影響水準(zhǔn)測量精度的關(guān)健是水準(zhǔn)尺的零點(diǎn)不同和可伸縮連接處所帶來的誤差。為了削除這些誤差影響，在精密水準(zhǔn)測量時，分別采用了三種不同的觀測方法，即偶數(shù)站觀測法、差分技術(shù)觀測法和同尺觀測法。每一種方法均能削除可伸縮銦鋼條碼水準(zhǔn)尺零點(diǎn)和伸縮連接帶來的誤差影響，使觀測成果均能達(dá)到精密水準(zhǔn)測量的技術(shù)要求。

2.1 偶數(shù)站觀測法

偶數(shù)站觀測法是在兩個觀測點(diǎn)之間，水準(zhǔn)測量的測站數(shù)必須是偶數(shù)站，即在兩觀測點(diǎn)之間的測站數(shù)必須是（n是自然數(shù)即1、2、3、……）。設(shè)①號銦鋼條碼尺的零點(diǎn)誤差和伸縮連接處誤差的綜合影響為，②號銦鋼條碼尺的綜合影響為。如圖3所示兩點(diǎn)之間的高差為。由高差計算公式得：

由式（2）可知，銦鋼尺零點(diǎn)誤差和伸縮水準(zhǔn)尺連接處誤差的綜合影響，在雙測站觀測時，能夠相互抵消，對兩觀測點(diǎn)之間的高差計算沒有影響。

圖3 偶數(shù)站測量原理示意圖

以上是雙測站觀測的計算模型，如果兩觀測點(diǎn)之間相隔很遠(yuǎn)或高差很大時，由點(diǎn)觀測至點(diǎn)時需要多個測站，這時可在中間增加許多轉(zhuǎn)點(diǎn)（TP），但最后一站時，必須①號銦鋼條碼尺上至點(diǎn)，使其測站數(shù)為偶數(shù)，這樣水準(zhǔn)尺零點(diǎn)誤差和連接處誤差的綜合影響為零。

2.2 差分技術(shù)觀測方法

圖4是某基坑沉降觀測的精密水準(zhǔn)測量路線圖，當(dāng)兩根水準(zhǔn)尺在水準(zhǔn)點(diǎn)（BM）點(diǎn)上求出差分值后，即可進(jìn)行水準(zhǔn)路線測量。在第1測站，水準(zhǔn)儀安置在BM點(diǎn)與CJ1點(diǎn)之間，第一根水準(zhǔn)尺（如①號水準(zhǔn)尺）立在BM點(diǎn)上，其讀數(shù)為后視讀數(shù)，第二根水準(zhǔn)尺（如②號水準(zhǔn)尺）立在CJ1點(diǎn)上，為前視讀數(shù)，則第1測站的高差為即：

第2測站水準(zhǔn)測量時，在CJ1點(diǎn)上的水準(zhǔn)尺（即②號水準(zhǔn)尺）為后視點(diǎn)，其讀數(shù)為后視讀數(shù)，第一根水準(zhǔn)尺（即①號水準(zhǔn)尺）移至CJ2點(diǎn)上，其讀數(shù)為前視讀數(shù)，則第2測站的高差為，則：。同樣由于兩根水準(zhǔn)尺的零點(diǎn)和連接處存在的綜合誤差影響，減去這一綜合誤差的影響，可得到第2測站即CJ1至CJ2點(diǎn)的真實(shí)高差。

即：

表1 三種觀測方法的高差觀測值 （m）

圖4 差分技術(shù)的水準(zhǔn)測量方法

第3測站與第1測站相同，第4 測站與第2測站相同。以此類推，可以測出各段的高差，根據(jù)各段的高差和已知點(diǎn)（BM）點(diǎn)的高程，可以求得各沉降觀測點(diǎn)的高程。

2.3 同尺觀測法

同尺觀測法是利用一根可伸縮的銦鋼條碼尺進(jìn)行精密水準(zhǔn)測量。多用于建筑物的沉降觀測或基坑的豎向位移觀測。在精密水準(zhǔn)測量時，由于前視尺和后視尺為同一根水準(zhǔn)尺，水準(zhǔn)尺零點(diǎn)誤差和伸縮水準(zhǔn)尺連接處誤差的綜合影響，對前、后視讀數(shù)的影響是相同的，均為。則觀測點(diǎn)之間的高差為：

由此可見，當(dāng)采用一根水準(zhǔn)尺進(jìn)行水準(zhǔn)測量時，水準(zhǔn)尺零點(diǎn)誤差和伸縮水準(zhǔn)尺連接處誤差的綜合影響對觀測高差沒有影響，無論奇數(shù)站還是偶數(shù)站對觀測點(diǎn)的高程計算也沒有影響。只要是按照精密測量的方法進(jìn)行水準(zhǔn)測量，所觀測的成果均能達(dá)到精密測量的技術(shù)要求。完全滿足一般沉降觀測的精度要求。

3 實(shí)際工程應(yīng)用

濟(jì)南人民傳媒大廈基坑支護(hù)工程，由2棟高層(24F)、裙樓(4F)和地下車庫（地下3F)組成。地下車庫外輪廓長約403.5m。工程+0.00相對于絕對標(biāo)高為108.10m。基坑深度按11.7～17.7m。擬建建筑物外墻距東側(cè)圍墻最近處約4.2m，圍墻外為洪山路；基坑西側(cè)為泄洪溝。場區(qū)西側(cè)、北側(cè)及東側(cè)北段圍墻需拆除，將場區(qū)內(nèi)整平至圍墻外地坪標(biāo)高。基坑周圍設(shè)置了12個基坑豎向位移觀測點(diǎn)。如圖4所示。在某一期的基坑豎向位移觀測時，我們分別采用了以上三種方法對12個沉降觀測點(diǎn)之間的高差進(jìn)行了水準(zhǔn)測量。基測量結(jié)果如表1所示。

表1中的高差之差值單位為mm。

理論上講，用同一根水準(zhǔn)尺進(jìn)行水準(zhǔn)測量時，由于同一根水準(zhǔn)尺的零點(diǎn)誤差和連接空隙引起的誤差是完全相同的，在水準(zhǔn)測量時可以相互抵消，其所測量高差最接近真實(shí)高差。從上表可以看出，三種方法所測高差之差均小于0.3mm。通過實(shí)際工程水準(zhǔn)測量應(yīng)用，用三種測量方法的高差閉合差分別為：+0.16mm、+0.28mm和+0.09mm。均小于一等水準(zhǔn)測量和一級沉降觀測的高差閉合差的精度要求。以上三種水準(zhǔn)測量的方法均能滿足精密水準(zhǔn)測量要求，其觀測精度完全能達(dá)到精密水準(zhǔn)測量的技術(shù)要求。

4 結(jié)語

本文首先提出了一種可伸縮的精密水準(zhǔn)尺，在此水準(zhǔn)尺的基礎(chǔ)上提出了三種水準(zhǔn)測量的觀測方法，不僅解決了原精密水準(zhǔn)尺（2m或3m的銦鋼條碼水準(zhǔn)尺）攜帶和運(yùn)輸不便的問題，同時還能滿足利用現(xiàn)有的水準(zhǔn)尺（可伸縮的精密水準(zhǔn)尺）進(jìn)行高精度水準(zhǔn)測量的目的，為精密水準(zhǔn)測量和基坑及建筑物沉降測量提出了新的觀測方法。

通過實(shí)際工程應(yīng)用證明，利用可伸縮的水準(zhǔn)尺，結(jié)合以上三種水準(zhǔn)測量的方法。其觀測精度完全滿足精密水準(zhǔn)測量和高精度沉降觀測的技術(shù)要求。尤其在建筑物沉降觀測中具有很大的應(yīng)用價值。和良好的經(jīng)濟(jì)效益。將可伸縮的精密水準(zhǔn)尺制造成木制的可伸縮的區(qū)格式雙面水準(zhǔn)尺，利用本文所提到的水準(zhǔn)測量方法也可進(jìn)行其它等級的水準(zhǔn)測量，甚至可以應(yīng)用于其它的水準(zhǔn)測量工程中。