高程测量在管道施工中的应用

上海浦东新区三林桥路工程有限责任公司 胡灵杰

高程测量在管道施工中的应用

上海浦东新区三林桥路工程有限责任公司 胡灵杰

一、工程概况

岷江为长江上游左岸的一级支流，且是长江水量最大的支流。岷江干流金马河段长70.6km，是成都市境内一条重要的多功能输水河道，在成都市乃至四川省的经济和社会发展中占有重要地位。但金马河河段径流年内分配不均，加之受上游都江堰等灌区引水影响，枯水期河道干枯见底，使得水生态功能难以维持，水环境质量下降，河床下切。加之多年来的无序采砂，导致河势不稳，严重影响了河道的取水安全。随着社会经济的快速发展及西部大开发战略的实施，金马河两岸的工农业布局发生了很大变化，对水资源配置以及生态环境保护提出了更高要求。为适应成都市的发展战略，进一步发挥水资源的综合效益，保障成都市特别是都江堰、温江、新津等区域经济社会环境的可持续协调发展，尽早实施取水管道工程建设显得尤为迫切。

根据成都市水务局《成都金马河综合整治规划》的要求，温江段金马河需建设4级生态闸坝，取水管道工程管线起点为新建取水口（位于1级闸坝上游），终点为岷江水厂，全长约为10.5km，采用DN2000PCCP管双线铺设。管道全线主要位于河堤外侧，局部段（有障碍）绕行至河堤内侧，整个线路都位于金马河河堤左岸30m的河道保护带内。

二、测区概况

金马河两岸分布了温江区、都江堰市、崇州市、双流县、新津县等5个区、市、县，共有113个乡镇，面积达4 202km2，总人口277万，在成都市乃至四川省的经济和社会发展中都占有重要地位。该区域属亚热带湿润气候区，历年最冷月平均气温4.6℃，最热月平均气温24.4℃。平均年降雨量1 243.80mm。区域内主导风向为NW，C，风向频率（%）为12、41，最大风速为17m/s，平均风速为1.3m/s，本地无台风出现。年平均最大相对湿度80，最小相对湿度75；年平均最大绝对湿度15.2，最小绝对湿度14.3。历年平均气压933.7MPa。

三、已有测量资料

1. 成都国际体育城取水管道施工设计图纸。

2. 控制点成果表，由温江区规划建筑设计室提供。坐标采用成都市平面坐标系统，高程系统采用1985年国家高程基准。数据如表1所示。

表1 控制点成果表

四、作业依据

1.《工程测量规范》（GB 50026-2007）。

2.《国家三、四等水准测量规范》（GB 12898-91）。

3.《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB 50268-97）。

4.《Q/JWP“PCCP 管”安装规程》（JGJ 18-96）。

五、测量方法

1. 水准仪法。

（1）水准测量原理。水准测量是利用水准仪提供一条水平视线，对竖立在两地面点的水准尺上分别进行瞄准和读数，以测定两点间的高差，再根据已知点的高程，推算待定点的高程。

（2）水准读数。

后视读数（a）：水准仪在已知高程点A上水准尺的水准读数。

后视读数（b）：水准仪在待求高程点B上水准尺的水准读数。

水准读数的大小：当视线水平时，立尺点越低，则该点上的水准读数越大，反之，立尺点越高，其上水准读数就越小（如图1所示）。

图1 水准测量原理

（3）水准测量公式。

①高差法公式。为了避免两点间高差的正负号搞错，规定高差h的写法为hAB，hAB为从A点至B点的高差，hAB=a-b。（可以理解为高差具有方向性）。当hAB为正值时，表示前视点B高于后视点A；当hAB为负时，表示前视点B低于后视点A。有了高差，就可根据A点高程求得B点高程了，即：

式（1）表明：待定点高程的测量，在实际中表现为两相邻点之间的高差测量。所以，高程测量的实质就是测量高差。

②视线高法公式。另外还可通过仪器的视线高Hi，计算B点的高程，即

在一般情况下，安置一次水准仪需要测量若干前视点高程时，使用视线高法比较方便。

2. 悬挂钢尺法。在高度过高、常规钢尺量高操作不便时，可采用水准仪配合长钢尺测高。当欲测设高程与水准点之间的高差很大时，可以用悬挂钢尺来代替水准尺进行测设。

本工程横穿金马湖大桥，在5#桥墩和6#桥墩之间开挖基槽，深度为8.4m，基槽开挖时采用钢板桩支护，高程由地面传递至槽底时即采用悬挂钢尺法。如图2所示：水准点A的高程已知，为了要在深基坑内测设出设计高程HB，在深基坑一侧悬挂钢尺（尺的零端在下端，并挂一个重量约等于钢尺鉴定时拉力的重锤）代替一根水准尺。

先在地面上的图示位置安置水准仪，读出A点水准尺上的读数a1，钢尺上的读数为b1，将水准仪移至基坑内安置在图示位置，读出钢尺上的读数为a2，假设B点水准尺上的读数为b2，则有下列方程成立。

由此可以解出b2为

用逐渐打入木桩或在木桩一侧画线的方法，使立在B点桩位上的水准尺读数等于b2。此时，B点的高程就等于欲测设的高程HB。

图2 测设深基坑内的高程

3. 三角高程法。一百多年前，三角高程测量是测定高差的主要方法。自水准测量方法出现以后，它已经退居次要地位。但因其作业简单，且不受地形条件限制，在山区和丘陵地区仍得到广泛应用，特别是在如今全站仪逐渐普及的时代，三角高程测量又在施工测量中焕发了新的生机。三角高程是测定大地高程的基本方法之一，但测量精度低于水准测量。

（1）传统三角高程测量法。三角高程测量是利用经纬仪或全站仪测量角度，钢尺或测距仪测距，按三角函数解算出测点高程的方法。该方法精度不高，适用于在地势起伏较大的地貌进行低精度的高程测量。

本工程金马湖大桥下基槽开挖前，为了了解后续安装管道施工时的作业空间高度，需测设桥梁底部高度，因为测量精度要求不高，所以采用传统的三角高程测量，既快有好。具体方法如下：如图3所示，桥下地面相对平坦，将经纬仪架设在已知高程点A上，仪器视线瞄准桥梁下部C点。读出垂直角α。用钢卷尺量得仪器高hi以及C点的水平投影点B至已知高程点A点的水平距离dAB。已知A点高程为HA，则C点高程为

图3 传统三角高程测设金马湖大桥桥梁底部高度

式（6）是三角高程测量的基本公式。首先假设A、B两点相距不太远，可以将水平面看成水准面，也不考虑大气折光的影响。因此，只有当A、B两点间的距离很短，地势平坦时，才比较准确。当A、B两点距离较远时，就必须考虑地球弯曲和大气折光的影响了。这里不叙述如何进行球差和气差的改正。从传统的三角高程测量方法中可以看出，它有以下2个特点：经纬仪必须架设在已知高程点上，且AB两点间距离较短、地势较为平坦；对测量精度要求不高。

随着全站仪在施工中的普遍应用及全站仪功能的不断完善，使用棱镜、反射贴片、无棱镜测量模式，均能精确地测距，这使得传统三角高程测量的精度有所提升，并且避免了许多繁琐的步骤。但其原理与经纬仪测三角高程的原理是一样的，即，灵活运用三角函数公式测算高程。

（2）三角高程测量新方法。在本工程施工前原始地貌标高复测作业中，管线距离较长，为10.5km。管线途径金马河河堤附近，植物繁茂，地貌高差较大。采用普通水准测量的工作量较大，故而采用新的三角高程法，即三角高程全站仪法。把全站仪当做水准仪使用，不必把仪器架设在已知高程点上，也不必量取仪高、觇高，但还需利用三角高程测量原理测出待测点的高程。这样不仅测量的速度大大提高而且可以减少用钢卷尺量仪高、棱镜高产生的误差，所以这种新的测量方法比传统的三角高程测量精度更高，比普通水准测量更快。

如图4所示，A为已知点高程，B为待测点。这里要通过全站仪测定其他待测点的高程。计算公式如下：

图4 三角高程新的方法测设金马湖大桥桥梁底部高度

由HC+Hi=HA+L-V1=HB+L-V2，可得

式（7）、式（8）和式（9）中，V代表高差，L代表棱镜高，α、β代表垂直角（垂直角有正负之分，仰角为正，俯角为负），HA、HB、HC代表该点的绝对高程。此方法的步骤如下：仪器置于任一点，但所选点位要求能和已知高程点通视；整平仪器，对准已知点A测出其平距和垂直角然后计算出V1；仪器不动，再对准B点，同A点一样测出平距和垂直角然后计算出V2，进而求得高程HB。

需要注意：此种方法虽然不需要测量仪器高Hi和棱镜高L，但此处L是固定值，即视前后2次观测，棱镜高是相同的。

例：已知A点的绝对高程为519.510m，测站点到A点的平距D=58.2m，垂直角α= 10°30″23′，测站点到未知点B的平距为66.543m，垂直角为β=0°55″22′求该点B的绝对高程。

4. GPS高程测量法。GPS的英文全称是Navigation SatelliteTiming And Ranging Global Position System，简称GPS，有时也被称作NAVSTAR GPS，是利用卫星的测时和测距进行导航，以构成全球定位系统。它可以向全球用户提供连续、实时、全天候、高精度的三维位置、运动物体的三维速度和时间信息等。GPS技术除了运用于精密导航和军事目的外，还广泛应用于大地测量、工程测量、地球资源勘探等领域。在施工测量中，常用于特征点采集、点放样、直线放样、曲线放样、面积测量、线路放样与测量、断面测量、道路设计、断面设计等。

（1） GPS的基本组成。GPS系统包括三大部分：空间部分即GPS卫星星座，地面控制部分即地面监控系统，用户设备部分即GPS信号接收机。

（2）GPS用于高程控制测量。用GPS技术，通过WGS-84椭球体高程与大地水准面黄海高程系的转换，其精度已能达到三、四等水准测量。利用GPS的实时动态定位技术（RTK）可以高效、方便的同时测定三维坐标（x，y，h），因此本工程平面控制测量点、高程控制测量点均由温江规划建筑设计室使用的天津三鼎“T20”RTK测量系统施测。

（3） GPS定位系统的功能特点。

①各测站间不需要通视，但测站点上空需开阔，能接收到卫星信号。

②定位精度高。近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+1PPM.D，单频接收机在一定距离内精度可达10mm+1PPM.D。

③测量时间短。

④可以提供三维坐标。

⑤操作简单。

⑥可全天候自动化作业。

5. 连通管法。在测量技术不断发展的今天，各种新型、高精确度的测量仪器普遍应用于高程测量。但是连通管法以其操作简单，原理通俗易懂，可在视线不通视的异形空间内测量高程等特点，在建筑内装饰、模板安装工程中有着广泛应用。

具体方法及原理：几个底部互相连通的容器，注入同一种液体，在液体不流动时连通器内各容器的液面总是保持在同一水平面上。现场施工中常用橡皮管，内装自来水，将其中一根管固定，使另一根管升高、降低或倾斜，可看到两根管里的液面在静止时总保持相平。注意：橡皮管内壁附着的气泡要弹出，否则将会影响测量精度。

六、测量的生产管理

施工测量放线工作是工程施工总体中的全局性工序，是工程施工各环节的先导性工作，也是该环节终了时的验收性工作。根据施工进度的需要，及时准确地进行测量放线、找平，为施工挖槽、支模、铺设垫层、安装管道等工序提供重要依据。然而有些土木工程人员偏激地认为，测量是不产生效益的辅助性工作，因而不重视测量工作。近年来，由于施工人员对测量工作麻痹大意、疏于管理，对工程造成重大损失的案例屡见不鲜。可以说，测量的成功不一定能带来工程的胜利，但是测量的失败，必然导致工程的失利。因此，对测量班组的管理显得尤为重要。

上海浦东新区三林桥路工程有限责任公司施工测量管理体系共分3级：一是公司级。公司技术质量部设专业测量队，由测量工程师与测量技师组成，配备GPS、全站仪、电子水准仪、精密水准仪等成套仪器，负责各项目工程场地控制网的建立，并对各项目部的测量结果进行复测验，担任变形与沉降观测任务，负责对项目部一级的测量员进行技术交底、培训教育等工作。二是项目部级。由高级、中级放线工负责，配备一般经纬仪及水准仪。其任务是根据项目部施工进度的需要，进行工程细部放样与找平，直接服务于施工作业。三是施工班组级，现场每个班组的施工班组长配备1～2名测量配合人员，需熟悉架设棱镜、立塔尺、带线、吊重锤等基本的测量辅助工作。这样不仅可以提高测量工作的速度，而且避免了由于测量配合人员操作失误造成的测量工作的错误和返工。

测量管理的基本内容包括以下几点。

1. 图纸与资料管理。

2. 测量仪器设备管理。

3. 测量人员安全生产与场地控制桩管理。

4. 测量人员的政治思想与岗位责任管理。

5. 测量工作的奖罚措施管理。

七、结论与建议

在施工高程测量中，水准仪测高程精度高，但是遇到地势起伏变化大的时候水准仪就显得特别麻烦；三角高程可以不受地形限制，但精度确不如水准测量；GPS高程测量精度较高，且不受地势起伏影响，但在仪器上空有障碍物时，无法接收卫星信号；连通管法操作灵活、方便简单，但只能引测同一水平面上的各点。总之，以上几种测高方法在施工中都经常使用，各有优劣。结合实际施工情况，同时根据地形的受限程度，可选择性地使用某种方法，或者几种方法结合使用。