悬挂式水准尺在高铁桥梁沉降观测中的应用

徐 猛，宋 杰，韩天培，雷朋涛

（1. 中国地质大学（武汉） 信息工程学院，湖北 武汉 430074；2. 太原市勘察测绘研究院，山西 太原 030002；3. 中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

悬挂式水准尺在高铁桥梁沉降观测中的应用

徐 猛1，宋 杰2，韩天培3，雷朋涛1

（1. 中国地质大学（武汉） 信息工程学院，湖北 武汉 430074；2. 太原市勘察测绘研究院，山西 太原 030002；3. 中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

分析了斜尺测量和倒尺测量在高铁桥梁沉降观测中存在的缺陷，提出一种悬挂式水准尺。介绍了其外观设计和采用悬挂式水准尺进行桥梁沉降观测的方法。通过实例进行对比分析，验证了悬挂式水准尺应用于高铁沉降观测的可行性。

沉降观测；斜尺测量；倒尺测量；悬挂式水准尺

高速铁路对线下工程沉降变形的要求极为严格[1]。在高铁桥梁沉降观测中，扇形桥墩的沉降观测标一般埋设在桥墩两侧顶端，采用倒尺测量方法，既美观又有利于观测标的保护，但这样会使得沉降观测不方便。另外一种措施是把观测标埋设在桥墩两侧较低处，但这往往会引起水准尺无法立直，即斜尺。本文结合实际数据，分析了斜尺测量和倒尺测量在高铁桥梁沉降观测中存在的缺陷，同时提出采用悬挂式水准尺进行沉降观测。对悬挂式水准尺的外观和相关技术进行设计，并通过工程实例验证了悬挂式水准尺应用于高铁桥梁沉降观测的可行性。

1 斜尺测量和倒尺测量在高铁桥梁沉降观测中的不足

1.1 斜尺测量对沉降观测的影响

在高铁桥梁沉降观测中，对于较矮的桥墩，尤其是扇形墩，水准尺在观测标上无法立直，往往采用斜尺。假设斜尺的倾斜角度为a，斜尺读数为h1，根据简单的三角关系可以得到对应直尺的读数为h=h1cosa，斜尺读数与直尺读数的差值Δ=h1(1-cosa)。由此可知，斜尺带来的观测误差是水准尺倾斜角a和斜尺读数h1的函数[2]。

这种误差对高铁沉降观测数据的影响规律是：1）斜尺读数不同，Δ值不同。在桥梁沉降观测时，斜尺是相邻两测站的前尺和后尺，当两测站的仪器高不同时，造成相邻两站同一把斜尺读数值不同，Δ值也不同，其结果是线路测量的闭合差（附合差）增大。2）对于相同的h1，斜尺倾斜角a不同，斜尺读数也不同，而沉降观测是多期次重复观测，不同期次的斜尺倾斜角度不同，得到的高程就含有粗差。实际中，斜尺对桥梁沉降观测数据质量的影响体现在沉降-时间曲线图中，无法正确反映桥墩的沉降情况。有学者提出一种斜尺改正的方法，但操作复杂，不易进行。因此，斜尺测量在观测精度上无法满足高铁沉降观测的要求。

1.2 倒尺测量的可行性分析

倒尺测量，就是使用数字水准仪的倒尺测量功能，将水准尺底端朝上，并使底端紧贴待测点进行水准测量。倒尺测量操作较为困难：1）司尺人员必须抬起水准尺，使水准尺底面紧贴观测标，给司尺人员增加了负担。2）倒尺测量时，水准尺气泡的翻转使司尺人员不容易判断水准尺的竖直情况[3]。正因如此，水准尺偶尔会出现和观测标没有紧贴、竖直情况差等，使得每一测站的测站差和同一水准尺读数差很容易超过《国家二等水准测量规范》要求。对于线路测量，往往会引起线路闭合差（附合差）超限。

表1列出了采用倒尺测量某高铁桥墩的闭合差及限差。可见，倒尺测量的线路测量闭合差较大，大部分超过了《规范》要求。因此，采用倒尺测量无论是精度还是操作，都不能满足沉降观测的要求。

表1 某高速铁路桥墩沉降观测倒尺测量闭合差及限差统计表

2 悬挂尺及设计

为了弥补斜尺和倒尺的缺陷，本文提出采用悬挂尺进行沉降观测的方法。在水准尺顶部背面做一突出部，突出部存在一个平整底面，水准尺利用突出部的底面悬挂在位置较高的沉降观测标上，如图1所示。

图1 悬挂式水准尺外观设计

利用此设计可以把水准尺悬挂在观测标上进行沉降观测。司尺人员只需把水准尺悬挂在观测标上，再调整水准尺使水准气泡居中即可，既利于观测标的保护，保证沉降观测的连续性，又减轻司尺人员的劳动强度，提高观测效率。

2.1 悬挂尺测量的可行性分析

利用悬挂尺进行测量的可行性取决于两点：①悬挂装置2的制作质量，包括悬挂装置2的稳定性、底面3的平整度、底面3与水准尺底面4的平行程度。其中，底面3的制作质量对水准测量结果影响较大，其表现是一种偶然误差。②常数K的测定精度。常数K是水准尺底面到悬挂装置底面3的长度。在沉降观测中，用悬挂尺测得的标高加常数K为实际标高。K的测定误差会对水准测量结果造成系统误差。如果能保证悬挂装置制作质量并精确测定常数K，理论上利用悬挂尺进行水准测量有着和常规水准测量相同的精度。

2.2 悬挂尺测量方法

采用悬挂尺施测时，其中一把水准尺为悬挂式。对于矮桥墩的沉降观测标，把悬挂尺悬挂在观测标上，司尺人员通过尺身底部圆水准器调整尺身，使尺身竖直。另一把水准尺立在尺垫上，进行每测站的悬挂尺读数时，观测点号前加一特定符号，方便后处理。桥梁沉降观测时，相邻两测站用悬挂尺观测相邻两桥墩观测标，另一把尺始终放在地面作为转点，如图2。

图2 采用悬挂式水准尺进行桥梁沉降观测

可编写计算机程序对原始数据进行后处理。把原始数据中有特定符号的观测点视线高读数减常数K并统计观测信息，得到观测标的真实标高。借助Visual Basic编写应用程序，部分关键源代码如下。此代码只针对徕卡DNA系列的gsi16位原始数据，并假设原始数据中悬挂尺观测标的特定符号为XG，K值可从程序中输入。

Open Replace(str1, "．gsi", "修改后．gsi") _

For Output As 2

For i = 0 To UBound(dataline)

If Len(dataline(i)) = 73 And _

InStr(1, Mid(dataline(i), 9, 16), "XG", 1) ＜＞ 0 Then

If Val(Mid(dataline(i), 56, 17)) - K ＜ 0 Then

Print #2, Left(dataline(i), 55) & Format( _

Str(Val(Mid(dataline(i), 56, 17)) - K) _

, "0000000000000000") & " "

Else

Print #2, Left(dataline(i), 55) & "+" & Format( _

Str(Val(Mid(dataline(i), 56, 17)) - K) _

, "0000000000000000") & " "

End If

Else

Print #2, dataline(i)

End If

Next

3 应用实例

以某高铁特大桥21#墩和34#墩的沉降观测数据为例，分析悬挂尺测量的可行性。21#墩为扇形墩，在桥墩左右两侧的上部和下部各埋一对观测标，上部采用悬挂尺观测，下部采用斜尺进行平行观测；34#墩为直型墩，在桥墩左右两侧的上部和下部各埋设一对观测标，上部采用悬挂尺观测，下部采用常规测法进行平行观测。表2列出21#和34#上下两对观测标的累计沉降量。

表2 21#墩2个观测标和34#墩2个观测标的沉降量对比

图3 21#D1，21#D2斜尺和挂尺观测的沉降曲线对比图

图4 34#D1，34#D2挂尺观测和正常观测的沉降曲线对比图

图3中，21#墩采用斜尺观测的沉降曲线上下波动较大（相邻两期最大波动2．92 mm），显然与桥梁实际沉降规律不符。而采用悬挂尺观测的沉降曲线明显平滑。图4中，34#墩采用悬挂尺观测的沉降曲线与正常观测的沉降曲线趋势基本吻合。综合上述得到结论，斜尺观测得到的沉降曲线波动较大，不能满足高铁沉降观测的要求；悬挂尺观测与正常水准观测有着相同的精度，得到的成果能如实准确地反映桥梁沉降的趋势。

此外，悬挂尺还能应用于隧道测量、建筑物沉降观测及其他水准测量中。

[1] TB10601-2009．高速铁路工程测量规范[S]．

[2] 张届，阮汝伟，李建平，等． 水准尺倾斜对高铁桥墩沉降观测的影响研究[J]． 测绘通报，2011(10)：47-49

[3] 陈学彬，李旭． 倒尺法在高程传递中的应用[J]． 城市勘测，2011(1)：148-149

[4] 潘正风，杨正尧． 数字化测图原理与方法[M]． 武汉：武汉大学出版社，2004

[5] 黄张裕，于涛，袁峥． 两种特殊情况下的建筑物沉降观测方法[J]． 测绘工程，2006(5)：57-60

[6] 沈彦文，花向红，王新洲，等． 水准尺倾斜对沉降变形量的影响研究[J]． 测绘信息与工程，2003，28(2)：8-10

[7] 张届，游振兴，阮汝伟，等． 高速铁路桥梁沉降预测模型的对比分析[J]． 测绘地理信息，2013，38(1)：52-54

P258

B

1672-4623（2014）04-0130-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.04.046

徐猛，硕士，研究方向为变形监测。

2013-04-18。