基于徠卡TS30全站儀的橋墩平面位移 監(jiān)測應用研究

張鴻祥，劉平利，王傳先，劉松源，陳艷波

（1.河南省地質調查院 河南省城市地質工程技術研究中心，河南 鄭州 450001；2.河南省地質科學研究所，河南 鄭州 450001）

近年來隨著我國交通基礎建設的快速發(fā)展，特別是高速鐵路的不斷延伸，高速鐵路逐步形成網(wǎng)狀分布的態(tài)勢。對于高速鐵路來說，支撐橋墩是最重要和最常見的基礎設施之一，下穿高鐵高架橋鄰近高鐵橋墩開挖施工，將會不可避免地對橋墩產生影響[1]。為減少基坑施工對高速鐵路橋墩變形的影響，保證行車安全，通常需采取相應的措施來降低施工開挖對橋墩的影響，同時對橋墩的平面位移監(jiān)測也是必不可少的重要方式。本文以中石化投建的日照—濮陽—洛陽原油管道下穿鄭焦城際高鐵項目為例，闡述了在鄰近高鐵橋墩開挖施工中，徠卡TS30高精度全站儀在橋墩平面位移監(jiān)測中的應用。

1 工程概況

1.1 工程項目

為滿足河南省對成品油和石油化工產品的快速增長需求，經(jīng)相關部門批準，確定建設日照—濮陽—洛陽的原油管道。該項目為國家原油和成品油管網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃重點項目，管道起點為日照嵐山區(qū)日照輸油站，終點為河南省洛陽市吉利區(qū)洛陽儲油庫，全長796 km。管道穿越焦作市修武縣境內的鄭焦城際高速鐵路，于新月第二雙線特大橋第五孔處下穿而過，該橋孔跨徑為32 m的簡支箱梁，4號和5號橋墩采用圓端形實體橋墩，鉆孔樁基礎直徑為1 m。原油管道下穿線路與鐵路線之間的夾角為74 ，相交鐵路橋下凈空高為 7.72 m，管道距離鐵路橋墩承臺邊的最小距離為10.32 m， 鐵路上下行為雙線電氣化有咋軌道。項目的總體工作方案為：首先采用GPS衛(wèi)星靜態(tài)定位的方法對工作基點實施監(jiān)測[2]，并聯(lián)測工作區(qū)域高鐵建設時設立的CPI或CPII控制點，建立4個平面工作基點；然后在基巖或地質結構穩(wěn)定的地方設立兩個水準工作基點；最后在需進行監(jiān)測的4個橋墩上部兩側設立8個平面監(jiān)測點，在橋墩下部兩側距離地面約50 cm處設立8個水準監(jiān)測點。在工程施工前后，應利用徠卡TS30高精度全站儀和天寶電子水準儀對4個橋墩同時進行平面位移和垂直位移的監(jiān)測。施工現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 施工現(xiàn)場

1.2 地質條件與防護結構

施工區(qū)域地處丘陵與平原過渡地帶，工程范圍 屬于沖積平原地貌，地勢平坦，地表主要為農田。地層為第四系全新統(tǒng)素填土、沖積粉土、中砂，其中素填土分布于地表，厚約1.8 m，黃褐色，松散；沖積粉土分布于素填土下層，厚約8～9 m，黃褐色，中密；中砂分布于沖積粉土層之下，厚約20 m，灰黃色，中密。根據(jù)資料顯示，該區(qū)域地質構造活動不明顯，地震烈度較小，橋址未發(fā)現(xiàn)不良地質作用。

在管廊明挖施工時，不同的基坑支護型將會對周邊土體產生不同程度的擾動，而土體擾動可能會對已建高鐵墩柱帶來安全隱患[3]。根據(jù)工程地質條件，將鋼筋混凝土蓋板作為防護結構通過，蓋板厚20 cm，寬 2 m，每塊蓋板長1.5 m，橋下通過總長60 m，距離原油管道頂部埋深為1.95 m。

2 橋墩平面位移監(jiān)測設計

2.1 平面位移監(jiān)測基準點設計

本文選取項目周圍的3個穩(wěn)定且滿足要求的CPI或CPII控制點作為平面起算點，在施工前進行復測，并確定其可靠性。

2.2 平面位移監(jiān)測工作基點設計

在監(jiān)測橋墩兩側布設4個工作基點，并聯(lián)測平面起算點建立水平位移監(jiān)測網(wǎng)；再采用GPS靜態(tài)觀測的方法間隔觀測兩次，平差后取其平均值作為工作基點的初始值。平面控制網(wǎng)的主要技術要求和精度指標如表1所示。

表1 平面控制網(wǎng)的主要技術要求和精度指標

2.3 平面位移監(jiān)測點設計

本文共設置8個平面位移監(jiān)測點，采用徠卡 40 mm×40 mm的反射片布設于橋墩兩側上部的中間位置，如圖2所示。獲得工作基點的初始數(shù)據(jù)后，利用徠卡TS30高精度全站儀通過后方交會的方法進行設站；然后觀測橋墩上部的平面位移監(jiān)測點，取3次觀測值的平均值作為初始監(jiān)測點的原始數(shù)據(jù)。城市間的軌道設施作為特殊重要保護對象，其對變形的控制指標與基坑對普通道路變形的控制指標在量值上是不同的[4]，根據(jù)鐵路軌道交通等相關規(guī)范，本文制定的平面位移監(jiān)測主要技術指標如表2所示。

圖2 反射片布置圖

表2 平面位移監(jiān)測主要技術要求

3 徠卡TS30高精度全站儀的測量對比

3.1 徠卡TS30高精度全站儀簡介

徠卡TS30高精度全站儀是四代智能型高精密測量儀器，標稱測角精度可達0.5″，測距精度可達0.6 mm+1 ppm，完美地融合了高精度角度測量、高精度距離測量、四重軸系補償系統(tǒng)、自動目標識別以及快速跟蹤等功能[5]。在角度測量系統(tǒng)中，該儀器采用對徑布置4個角度探測器的方式，形成了絕對連續(xù)編碼，進一步消除了儀器的系統(tǒng)誤差；拋物鏡面反射角度探測技術的應用，使反射回聚焦的編碼影像更清晰，能更高效地進行度盤探測和分析讀取；相對于傳統(tǒng)全站儀，該儀器提高了15%的度盤尺寸，從而使度盤分劃更加均勻，精密分辨率更高。在測距系統(tǒng)中，該儀器將PinPoint激光脈沖技術與相位觀測法整合在一起，保證了更高的測距精度；特殊的過濾反射光組件過濾了測量時的干擾光線，從而提高了測距的可靠性。該儀器特有的四重軸系補償系統(tǒng)，補償范圍為4′，精度優(yōu)于0.5″，支持自身補償器校驗，通過校準操作可降低儀器的系統(tǒng)誤差，提高測量精度，對于高精度的測量尤為重要。在自動目標識別與跟蹤方面，該儀器采用壓電陶瓷驅動技術，能將電能直接轉化為機械動能，具有加速度快且步長小、精度高和耐磨性強等特點，為儀器的智能化自動高精度定位提供了基礎。徠卡TS30高精度全站儀的技術參數(shù)如圖3所示。

圖3 徠卡TS30高精度全站儀的技術參數(shù)

3.2 徠卡TS30高精度全站儀的監(jiān)測方式

隨著高精度智能全站儀在高鐵測量中的廣泛應用，基于自由設站的平面位移監(jiān)測方法不僅能有效避免施工干擾，而且能有效保障或提升監(jiān)測的精度和效率[6]。利用徠卡TS30高精度全站儀在野外進行施工測量時，根據(jù)前期收集的資料和工程施工現(xiàn)場的特點，確定測量施工方案為現(xiàn)場自由架站多點后方交會定向的方法，從而消除儀器架站時的對中誤差，再采用按照橋墩監(jiān)測點編號順序觀測的方式進行監(jiān)測測量。

利用全站儀進行觀測前，應將儀器開箱放置約 20 min，以便儀器與環(huán)境溫度基本一致。儀器架站作業(yè)時，物鏡視線宜高出地面和離開建筑物1.2 m以上；晴天作業(yè)時儀器應有遮陽傘遮陽，同時打開設站處放置的氣壓計和氣溫計，以便儀器觀測時進行大氣改正。

在本項目工作中，利用徠卡TS30高精度全站儀對監(jiān)測點做了不同工作模式的應用研究。在儀器設站定向方面，傳統(tǒng)的高鐵橋墩平面位移監(jiān)測方法主要包括前方交會法、極坐標法、視準線法和全圓觀測法 等[7-8]。第一種方法采用傳統(tǒng)的全圓觀測法，即儀器在已知點架站并進行對中整平，將另一個控制點作為定向點進行準確定向，然后直接測量、讀數(shù)、記錄監(jiān)測點，重復架站測量3次，對比觀測的數(shù)據(jù)最大較差為2.2 mm，分析發(fā)現(xiàn)該方法的弊端為儀器架站必須在作業(yè)控制點上，存在每次儀器設置時的對中誤差，且作業(yè)控制點受施工現(xiàn)場影響，不能隨意選取最佳的觀測地點；第二種方法采用后方交會法，在大約距觀測點80 m處利用兩個作業(yè)控制點進行后方交會法設站，然后直接測量、讀數(shù)、記錄監(jiān)測點，重復架站測量3次，對比觀測的數(shù)據(jù)最大較差為1.7 mm；第三種方法仍采用后方交會法，在大約距觀測點80 m處利用4個作業(yè)控制點進行后方交會法設站，然后直接測量、讀數(shù)、記錄監(jiān)測點，重復架站測量3次，對比觀測的數(shù)據(jù)最大較差為1.3 mm。對上述3種測量方法進行對比分析發(fā)現(xiàn)，第三種方法最優(yōu)。基于自由設站的基坑水平位移監(jiān)測法測站擺放靈活、網(wǎng)形多變，采用高等級的全站儀進行觀測，可達到為基坑施工快速、準確反饋變形信息的目的[9]。

項目確定運用4個作業(yè)控制點進行后方交會設站的方法后，為進一步優(yōu)化設站位置對測量精度的影響，根據(jù)施工現(xiàn)場情況，對比了在約100 m處架站和約 60 m處架站測量得到的監(jiān)測點數(shù)據(jù)。結果表明，當儀器架站處距觀測點約為60 m時，所觀測到的數(shù)據(jù)最穩(wěn)定可靠，北向和東向觀測值較平均值差值均小于 1 mm，各項誤差系數(shù)較小，可有效地對橋墩的平面位移起到監(jiān)測預警作用。全站儀監(jiān)測數(shù)據(jù)對比如表3所示。

表3 全站儀監(jiān)測數(shù)據(jù)對比表/m

4 結 語

本文利用徠卡TS30高精度全站儀進行城際高鐵橋墩監(jiān)測，經(jīng)過多次不同監(jiān)測方法的試驗，最后確定采用4個已知控制點進行后方交會設站的方法。該方法比 較適合現(xiàn)場施工場地靈活的選址架站，且不會產生儀器對中誤差，可保證設站時產生的各項誤差較小。在設站位置相對監(jiān)測點距離的測量試驗中，經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)，儀器架站距觀測點形成的面約為60 m時，觀測得到的數(shù)據(jù)最穩(wěn)定可靠，各項誤差 系數(shù)較小。實驗結果表明，在該類高鐵橋墩平面位移監(jiān)測中，應同時注意運用上述兩個方面的方式方法，從而有效地對橋墩的平面位移起到監(jiān)測預警作用。