基于激光定位的基坑盲區放線技術研究

梁珍柱，岳琮昌，汪 勝，凌期鵬，王勝鈺，代永飛

（陜西建工第五建設集團有限公司，陜西 西安 710000）

在建筑工程當中，準確的施工測量與整個施工建設的過程都有密切的聯系，放樣方式以及其精度都可能會對工程質量及工程施工精度造成重要的影響[1-2]。在某些獨立基礎施工放線過程中往往會存在視覺盲區，無法通過經緯儀、全站儀等儀器定位到基坑底部，為放線工作帶來了困難。

精度高、便捷性高的放樣技術一直是國內學者、工程師研究的熱點。隨著城市建設速度和規模的不斷加大，造型復雜、外觀結構特異性建筑逐漸增多，為建筑施工放線工作帶來了困難。富陽北支江水上運動中心項目體形復雜，為不規則空間曲面，凹陷區、過渡區造型多變，放線工作較為困難，李強、余訊[3]等人通過布設幕墻控制網，以及激光鉛垂儀來對樓層軸線進行控制。對于某些超高層異性建筑結構施工測量放線技術很多工程師通過引入CAD、Revit、BIM 等技術來提高平面布置網的布設精度，滿足了復雜高層建筑的施工測量任務并且保證了施工質量與工期，李超[4]、馬泉[5]等人分別在望京SOHO 建筑和新疆大劇院工程等項目進行了實踐并對該類建筑施工放線施工技術進行了研究討論。隨著科技的發展，施工放線技術涉及的交叉學科也在逐漸增多，GPS、無人機、編程、機器學習技術等也逐漸應用在施工放線上。趙巍[6]以具體工程為例詳細總結了RTK 技術放線測量的工作流程和精度控制要點，孫浩天、許東革等人[7]在北京大興國際機場指廊工程中，交替使用無人機、RTK 與全站儀，形成對現場整體的網格管控，提高了測量效率和測量精度。梁華冰[8]將VLISP 與VBA 結合起來并成功開發出一個在CAD 電子圖上拾取坐標生成2 種不同格式的測量放線文件程序的簡單實例，為測量放線中坐標的拾取工作提供了便捷。

目前對于可視點位的定位放線施工技術研究已經較為成熟，但實際工程中往往會出現2 個不同視點之間的放線工作[9]或基坑盲區的放線施工，對于這類放線工作往往會運用全站儀等儀器結合數學計算或使用實時動態測量技術RTK（Real Time Kinematic）等對地形限制較小的儀器來進行施工放線，在基坑盲區放線施工上傳統方法一般運用方木進行引點放線。這些技術往往在放線精度的把控上較為困難，本文基于自研制的激光定位放線裝置結合經緯儀等儀器利用激光的指向性強[10-11]，操作簡單等優點研究了基坑盲區放線技術。

1 激光定位放線裝置設計

紅外定位放線裝置如圖1，該裝置外形尺寸約為250mm×52mm×60mm，重量約為530g，在外形和重量上較為小巧輕便，主要由調平構件，指針刻度部件以及激光發射部件組成，與傳統定位放線裝置棱鏡（圖2）相比，紅外定位放線裝置主要進行了以下幾方面的創新：①調平部分采用了數顯調平技術，較少了工程實踐中調平所花費的時間；②可移動式激光發射器，能夠靈活調節激光發射位置，提高定位精度；③通過張緊裝置增大激光發射器與裝置之間連接的穩定性，保證了其始終垂直向下的角度不產生偏移。

圖1 定位放線儀器

圖2 激光發射部件

1.1 激光發射構件

隨著激光光源技術的迅速發展，激光放線儀作為一種提供參照線的裝置，由于其指向性強，光線能夠保證其直線性，在工程建筑、室內裝修、測量測繪領域得到了廣泛應用，本裝置采用的紅外激光發射裝置參數如表1 所示，通過一個帶阻尼的水平調節裝置進行連接（圖2），能夠有效對放線部件的水平位置進行調節，使其與全站儀光束對準，在保證激光發射方向垂直向下的前提下同時可以避免放線部件在非人為擾動下發生移動，有效地節省了操作步驟，提高了放線效率。

表1 激光發射裝置參數

1.2 裝置質量控制

1）平整度驗證 該裝置采用了數顯調平顯示，但其平整度還有待檢測，采用高精度氣泡水準器架至調平后的紅外定位放線裝置上觀測氣泡位置判斷該裝置的調平效果見圖3 所示，經驗證該氣泡水準器在裝置調平后氣泡始終處于中心位置，因此可以認為該裝置的水平度達到工程實際使用中的精度需求。

圖3 高精度氣泡水準器

2）激光發射裝置垂直度驗證 該裝置上的激光發射部件通過1 個帶阻尼的水平調節裝置進行連接，其激光發射角度直接影響了定位放線的精度，且隨著裝置高度的增加其角度的偏移對結果的影響更大，因此本文采用鉛垂線來對紅外線點的偏移量進行驗證，結果可得紅外線的偏移量很小。

2 基坑盲區放線施工技術研究

在基坑對柱邊線等放線施工過程中經常存在2 個區域高程落差大，在不調整觀測點的情況下，會產生大面積視角盲區，如圖4（a)，該盲區范圍內無法使用儀器直接定點，傳統施工工藝采用方木引點，吊線錘二次倒點的方式進行，如圖4（b），受外界因素及人為因素影響較大，無法確保投點精度。若采用RTK 或使用經緯儀、全站儀配合棱鏡等設備也可在基坑盲區進行軸線放樣，使用RTK 雖然對地形的限制較小但往往在放線精度上難以保證，高精度的RTK 儀器價格昂貴使用成本較大；使用經緯儀、全站儀等配合棱鏡在精度上可以保證，但操作復雜，需要不斷進行調整，對時間成本的消耗較大，且受地形影響較大。

圖4 測量施工放線

2.1 RTK放線定位技術

RTK 技術是GPS 技術中的一種，與傳統的GPS 技術有所不同，RTK 技術不是靜態、快速靜態、動態測量，而是采用實時動態差分法的一種實時測量方法，RTK 技術的測量精度也同時可達到厘米級，比較符合現代工程測量放線的測量精度標準。

2.2 傳統方木引點法基坑盲區放線技術

在建筑物四角與隔墻兩端，基槽開挖邊界線以外1.5～2m 處，設置龍門樁，龍門樁的外側面應與基槽平行。根據施工場地的水準點，用水準儀在每個龍門樁外側，測設出該建筑物室內地坪設計高程線（即±0.00 標高線），并做出標記。沿龍門樁上±0.00 標高線釘設龍門板，沿視線方向在龍門板上定出一點，用小釘作標志，將各軸線引測到龍門板上，所釘之小釘稱為軸線釘。用鋼尺沿龍門板的頂面，檢查軸線釘的間距，其誤差不超過1：2 000，檢查合格后，以軸線釘為準，將墻邊線、基礎邊線、基礎開挖邊線等標定在龍門板上，最后通過鉛垂線將點引在基坑盲區內。

2.3 經緯儀結合棱鏡基坑盲區放線技術

首先將經緯儀放置在支架上，通過調整支架高度，移動腳架等操作進行調平，然后通過經緯儀望遠鏡對準放置所在點位的棱鏡，當經緯儀十字絲對準棱鏡中心點時即可確定基坑盲區點位，做好標記即可進行后續放線施工。

方案二：選用STM32F103 系列MCU 用于控制方案，使用STM32 MCU 作為核心控制芯片[5]，該芯片可以進行擴展，與外設進行連接通信，且控制速度較快，非常利于資源開發。

2.4 基于紅外定位的基坑盲區放線施工技術

本文主要研究了基于紅外定位放線裝置的基坑盲區放線施工技術，利用基坑盲區高精度半自動激光放線設備與經緯儀或全站儀配合使用（圖5），采用平面信號接收，利用激光紅外（綠光）投點，實現軸線豎向投點定位。從而視角盲區內實現了精準定位，避免了環境及人為因素的影響，有效保證了放線的精確度。

圖5 基坑盲區放線示意圖

應用基于基坑盲區的高精度半自動激光放線技術的具體措施如圖6 所示。

圖6 施工流程圖

1）施工準備 測量放線前認證閱讀施工圖紙，對圖紙設計尺寸及標高認真核對。

2）基坑清理 用掃帚等清潔工具清理基坑底部，保證基坑底部無水漬、起砂、雜物等，確保符合畫點及彈線要求。

3）架設經緯儀 將經緯儀放置在支架上，調整支架高度，移動腳架、旋轉腳螺旋使對中標志準確對準測站點的中心，使儀器中心與測站點位于同一鉛垂線上，再進行調平。

4）架設放線裝置及調平 將基坑盲區高精度半自動激光放線裝置連接在支架上，調平，使數顯調平部件X、Y軸分別水平和垂直。

5）投點對正 目鏡調焦使十字絲清晰，紅外定位放線裝置的刻度背板讀數清晰，進行讀數，微調滑臺模組，根據讀數指撥導軌滾珠絲杠滑臺，使滑塊帶動激光紅外模組移動，使激光紅外模組位移至經緯儀所看到可視化背板數值位置，激光紅外模組所投射點位便是放樣標記點位。

6）投點確認標記 采用紅藍鉛筆先標記第一點位，然后垂直旋轉激光投點裝置，實現另一個點位投點并標記，認真仔細畫點標記，減少人為誤差；在標記點周圍利用漏板噴涂紅油漆進行標識。

7）驗證 用經緯儀反向驗證軸線偏差（允許偏差值：±1mm)。

8）彈線 墨線繃緊進行空彈一次，避免彈出的墨線模糊，墨線對中按壓投點點位，垂直彈設墨線確保墨線位置準確，根據所投點位彈設基坑軸線及柱線，并用紅油漆進行四角標記圖，對柱線位置偏差復核。

9）拆除裝置 先拆除放樣設備，拆除前及時切斷激光紅外電源，注意激光鏡頭保護，對放線裝置拆除零件規整于儀器盒內，設備輕拿輕放做好設備保護。

3 工程運用

本文所提及的基于紅外定位放線裝置的基坑盲區放線施工技術已被成功應用于灃采苑項目，與傳統方木引點法或經緯儀結合棱鏡基坑盲區放線技術相比，使用該新型基坑盲區放線技術，減少了人工成本約66%，綜合節約成本17 149.5元，同時該新型放線技術操作簡單便捷，具有推廣價值。

3.1 工程概況

該基于紅外定位放線裝置的基坑盲區放線施工技術已被運用于2 個項目，其中灃采苑項目位于陜西省西咸新區，總建筑面積約453 189.18m2，其中車庫及商業樓基礎形式設計為獨立基礎，基礎埋深標高不一，最大埋深-2.5m。該項目于2022 年4 月～6 月進行獨立基礎的放線定位工作，共計約900 個獨立基坑；西安中梁鎏金雲璽小區位于西咸新區，地下約131 337.5m2，地上約40 514.5m2，由10 棟單體組成。

3.2 相對誤差分析

放樣施工質量要求按照GB50026-2020《工程測量規范》中的8.3.9 建筑物軸線放樣應符合下列規定：其中放樣宜采用2″級經緯儀，應先由控制點放樣出建筑無外廊主要軸線點，偏差不應大于4mm，如表2 所示。

表2 工程測量規范

通過對2 個項目的地基柱軸邊線其中需進行基坑盲區放線施工的施工過程分別采用RTK 法、棱鏡法、紅外定位放線法、方木引點法進行施工測量記錄，其中偏差測量結果如圖7（a)所示，使用棱鏡法其偏差基本控制在了規范容許的范圍內，但該方法時間成本較大，定位一個點位時花費的時間大約為2～4min；紅外定位法也基本保證了其準確性，合格率在90%以上，而方木引點法和使用RTK 儀器的誤差值較大，往往復核時發現不合格需要重新進行調整，以棱鏡法為基準，對同一個點位使用不同方法進行放線施工，其測量差值如圖7（b)所示，其中RTK 技術與棱鏡定位技術的測量差值最大達到了6.8mm，方木引線技術測量差值最大為3.4mm，而紅外定位放線技術差值最大為2.6mm，因此可以認為紅外定位放線技術在放線精度上可以達到規范標準。

圖7 各施工方法誤差分析

3.3 時間成本對比

通過記錄各基坑盲區放線技術施工所需時間如圖8 所示，對比發現使用紅外定位放線法進行基坑盲區放線所需時間的中位數在1.6min 左右，相比于其他放線施工技術所需時間明顯更少，所需的時間成本更低，可以為實際工程節省不少費用。

圖8 各放線技術所需時間

4 結語

本文主要研究了一種紅外定位放線裝置，通過該裝置配合經緯儀、全站儀等可以較好地對基坑盲區進行放線定位，并對2 個項目進行實驗驗證，通過對放線結果精度和所需時間等方面進行研究得到以下結論。

1）通過該紅外定位放線裝置對基坑盲區進行放線，放線精度符合工程測量規范標準，其偏差范圍基本在±4mm 以內，合格率在90%以上，且相比于傳統方木引點法精度更高。

2）通過對各基坑盲區放線施工技術所需時間的統計研究，發現使用紅外定位放線法進行基坑盲區放線所需時間的中位數在1.6min 左右，相比于其他放線施工技術所需時間明顯更少。

3）基于紅外定位放線裝置的基坑盲區放線施工技術操作更加簡單，且精度較高，滿足工程實際使用標準，可以為實際工程節省更多的資源。