浅谈全站仪在工程施工测量中的应用

2016-08-08陈里

太原城市职业技术学院学报 2016年5期

关键词：主塔长江大桥测站

陈里

（中铁十八局集团有限公司第四工程有限公司，天津 300222）

浅谈全站仪在工程施工测量中的应用

陈里

（中铁十八局集团有限公司第四工程有限公司，天津 300222）

全站仪是目前工程施工中最为高效率的测量仪器，可以在同一测站中实现对施工对象角度、距离、坐标、高程等的测量，同时，还可以进行坐标放样，使用方便、支持大量信息存储且测量精确度高，为施工工作量大幅减负。本文以X长江大桥施工项目为实例，介绍了该大桥利用全站仪实施工程施工测量的全过程，证明了全站仪的高精度与高稳定性。

全站仪；施工测量；X长江大桥；坐标放样；高程测量

全站仪（Electronic Total Station）是集合了光、电、机三位为一体的新型角度测量仪器，目前，被广泛应用于各种大型工程的高精密测量项目中，而且，也具有变形监测测绘功能。全站仪可以实现测量与处理过程的电子一体化，特别是在测量要求较高的桥梁工程中最为常用。

一、X长江大桥概况

X长江大桥是目前我国国内已建成的跨度较大的双塔双索面斜拉桥。它的全长达到3851.23m，主桥长度1022m，主跨达到600m，双塔高均在178m。桥的主梁是由钢箱梁配合混凝土箱梁所组合而成的复合型结构，梁宽29.5m。如此复杂的桥梁设计在测量方面相当繁琐，而且，出于安全考虑，要求测量精度较高，例如，对其平面点位的高程精度测量都要求精确在±10mm之内。因此，为了确保X长江大桥的整体建设质量，在施工阶段就为大桥采用了NIKON全站仪，该全站仪是目前世界上操作最为便捷的全站仪，它所具备的一键操作功能可以大大提升施工测量效率。另外，NIKON全站仪所提供的ED超低离散透镜能在赤目阳光的晴天或者雨雾较多的阴天为操作人员提供最为清晰的测量影像，而且，它具备20～30小时超长电池续航能力和不大于2小时的快速充电能力，这些都满足了桥梁工程的高强度作业要求。

二、NIKON全站仪的主要技术参数及特性介绍

（一）技术参数

NIKON全站仪在测距精度方面，其标准测量模式下可以达到±（2mm+2×10-6·D）；而在跟踪测量模式下，可以达到±10mm～-25mm。它在测回水平方向中，误差为0.5"；测回竖直角中，误差为0.5"。测程方面，其单棱镜能够达到2.5km，而11棱镜可以达到5.5km。

（二）性能特点

NIKON全站仪具有整体式测量功能，它的视准轴、测距仪的发射轴与接收轴是能够形成三轴共线效果的，作用就在于能够一次找准反射棱镜，并测出所测量对象的垂直角、水平角与斜距。最后，依据测量结果，通过仪器即刻计算并显示出所测量点的高程及坐标。

在角度倾斜补偿功能方面，NIKON全站仪可以实现对垂直轴与水平轴的自动测量，表示出水平轴的倾斜误差，对角度测量结果施加适量改正，并将补偿范围规范到±10以内，且它的补偿精度非常高，可以达到0.3"。再者，它还具备了数据自动记录与数据内外一体化的处理功能。当全站仪主体与通讯结构相连接时，其外界数据存储器就可以实现与计算机主机相连，进而通过辅助功能完成对测量数据的获取、传输、计算、绘图和管理，并借助计算机的强大功能形成一套完整的自动化测量体系。

三、全站仪在X长江大桥工程施工测量中的应用

（一）控制测量分析

X长江大桥的主副控制网处于长江的南北两岸，其中，共有13个控制点，点距为2.5km。如果直接在控制点上放样测量，会由于点距之间距离过大而为施工带来不便。同时，随着大桥施工进度的逐渐推进，由于过多临时建筑的出现和桥墩的升高，会让控制点的通视效果下降。所以，考虑上述因素并尽量满足施工测量放样工作的实际需求，在X长江大桥的施工初期就结合场地实情，在主副控制网上为13个控制点进行加密，将加密点距设置为300m。

如图1所示，加密点所采取的是边角同侧的观测方案，它能够保证对所有通视控制点及其加密点的水平距离与方向值进行全方位观测，确保为测量准备足够的余量观测值。该工程利用NIKON全站仪，通过全圆观测法与水平距离观测法，分别观测4测回与2测回，并按照间接平差法进行平差计算。计算结果发现，其平差的最弱点点位误差在±5mm，最大距离的修正数在6.2mm。

图1X长江大桥主副控制网的控制点及加密点设置示意图

（二）桥墩中心点的确定

在X长江大桥完成桥墩工程之后，就要进行桥墩中心点的准确位置恢复。所选用的方法是边角联合后方交会法，又叫做自由设站法。它综合了传统中方向交会法与距离交会法中的优点，其效果省时、省力、省时间，可以在2小时内完成桥墩中心点的准确定位。

本文将X长江大桥的主桥墩中心点设置为S1，当恢复S1点后，就可以利用大桥控制网中的已知点位（共3点）确立后视观测点。作业前，通过自由设站法结合计算机系统，为三个已知点位设置点位坐标号，并在作业过程中利用放样方法，在主桥墩中心点的周围设置近似点，在近似点上设置观测站，通过观测站观测三个已知点的方向值以及水平距离，在作业最后，实施对方向值的4测回与水平距离的2测回。测算之后将结果传输回计算机系统，通过计算分析，马上就可以得到所测量坐标点位的精度，再通过测量数据精度对比主桥墩中心点所设计的坐标后就能进行正量改正，近似点改正后就可以加入到设计位置中参与放样测量。

（三）放样测量

由于NIKON全站仪中有专门的极坐标放样点位程序，所以，采用该全站仪的桥梁测量放样是可以选择这种方法进行放样点位设置的。在放样前，首先将所要放样的距离输入到全站仪中，并确定所要放样的方向，以便于将棱镜杆移动到该方向。当全站仪测量完毕后就会自动显示放样距离的改正值，全过程智能自动化，无需人为操作计算。考虑到某些桥梁工程在基础施工阶段没有供全站仪放样点位参考的周边参照物，所以，才采用极坐标放样法。

本文的X长江大桥工程施工所采用的是坐标归化法。它以X大桥的桥轴线作为纵轴，其垂直方向作为横轴，这样就可以基本确立放样的点坐标为X、Y，也直观明确地反应了所有放样点位相对于桥梁轴线的具体位置。在X大桥的施工测量中，先实施初步放样，然后，再通过精确测定来明确放样点的具体坐标。在明确具体坐标位置后，将它与初期设计图纸中的坐标进行对比，得出改正量为△X与△Y，此时，再将初步放样的点位改正后结合到设计位置之中，这里要注意最终点位的精度要取决于实际所测的精度。所以，可得到全站仪的计算测量点位坐标公式应该为：

X测点坐标=X测站坐标+S0·cosα

Y测点坐标=Y测站坐标+S0·sinα（S0为平距，α为方位角）

在测量之前，要把测站坐标与后视方位角全部输入到仪器中；测量完成后，全站仪就会根据以上的坐标轴测点坐标公式来推导出改正量的计算公式。应该为：

△X=X测点坐标-X设计坐标=（X测站坐标+S0·cosα）-X设计坐标=（X测站坐标-X设计坐标）+S0·cosα

△Y=Y测点坐标-Y设计坐标=（Y测站坐标+S0·cosα）-Y设计坐标=（Y测站坐标-Y设计坐标）+S0·cosα

依据上述两公式，如果将（X测站坐标-X设计坐标）、（Y测站坐标-Y设计坐标）作为此次工程的测站点坐标，就要将它们首先输入全站仪，但测量后，全站仪所显示的不会是测点的坐标值，而是改正量的坐标值△X与△Y。如上述操作之后，可以省去人工计算环节，而且，测量失误率也较低，它体现了全站仪坐标放样计算功能的灵活性。

（四）高程测量

X长江大桥所采用的是三角高程测量，主要测量了大桥斜拉塔的主塔位置放样点高程。在测量过程中，如果三角高程的测量结果可以达到全站仪所要求的± 10mm精度要求，就可以省略掉传统高程测量中的吊钢尺程序，为施工节约成本。所以，首先要计算三角高程中单向测量高差h为：

在公式中s0代表平距，α代表倾角，c代表球气差的系数，而i和v则代表了全站仪的高度与目标高度。在全站仪内部设置中，球气差系数c为6.8422×10-8，而在一般放样范围中，s的值取500，且α＜20℃。对X长江大桥的主塔测量，其高程应该为119m，并且，在连续10次的反复测量后，发现高程的最大值h1与最小值h2之间的差值△h为10mm。如果将△h视为是全站仪单向观测的高差极差R，则按照数理统计中的极差理论，就可以按照以下公式来计算观测限差mh为：

如果n=10时，αn就应该取值为4，那么mh=±4.5，这里按照观测误差为2倍观测限差的原理可知，△限差≈9mm＜10mm，它满足了精度要求。按照上述计算可以看出，单向三角高程测量的精度是相当高的，这是因为全站仪在测距与测角精度方面具有很高的水准，另外，也是因为可能此次工程所测量的桥梁距离地面约15m高，所以，导致视线距离地面较高。如此一来，受到大气折射阳光的折线影响就会相对更小，因此，在此次测量实践中就可以证明，利用全站仪进行三角高程测量方法是具有一定可行性的。

另一方面，关于X长江大桥斜拉塔主塔由于平常受到风力与日照等外界因素的影响，其斜拉索的张拉效果会变化较大，甚至会对大桥产生顺桥向与横桥向的偏移，所以，为了确保主塔安全，也要对其主塔挠度变形进行监测。此次工程要求对主塔挠度的变形点点位精度要求小于±8.0mm。

利用全站仪中的极坐标法对斜拉塔的点位坐标进行测量，设置点位误差为m，该误差主要来源于测距与测角误差，所以根据传播定律可知：