基于无反射棱镜全站仪的改进高墩垂直度测量法

2022-09-21林乐鑫杨一科

黑龙江交通科技 2022年9期

林乐鑫，赵望，张伟，杨一科

(长沙理工大学，湖南长沙 410000)

1 概述

在工程实际现场施工中，传统测定建筑物方法有悬吊垂球法、测水平角法、经纬仪投影法等，这些方法都是通过测量并且计算从而得出所求方向的偏离值，求得建筑物或者构造物的倾斜量。对于工程现场，高墩施工过程大体采用悬吊垂球法，这种方法虽然简单直观，但是此法容易产生误差。当桥墩越来越高，铅垂线可能由于垂球重量不够而在风荷载的作用下导致很大的偏位，进而导致结果不准确。风力的大小对结果也有一定的影响。测水平角法以及经纬仪投影法需要在互相垂直的方向上测得偏离分量或者偏离值，接着用矢量相加的方法从而求得构造物或者建筑物的偏离值。全站仪能够直接测出构造物或者建筑物在所求方向的垂直方向的不同高程的点的三维坐标，从而计算出构造物或者建筑物在所求方向的倾斜量，测量过程中设站只要一次，并且可以测得任意高度的两点的倾斜量。

2 无反射棱镜测量

2.1 原理

无反射棱镜全站仪是利用光的反射特性并测得光与物体之间的往返时间，从而测得全站仪与物体之间的距离。假设光在大气中以速度传播，在1、2点间往返一次所需时间为，则1、2点间的距离可用以下式子表示。

(1)

式中：为测站点1、2间的距离，m；为光在地球大气层中的传播速度，m/s；为光在1、2两点间往返一次所需的时间，s。

由式(1)可知，只要测得1、2点间光往返的传播时间，就可以求得两点间的距离。

2.2 无反射棱镜测量的特点

测量时设站灵活。为了便于测量，实际测量过程中常采用后方交会设站或者将测站点定为原点，能够根据现场条件得到最佳的观测位置，使得设站灵活，从而减少测量对其他工序的影响，同时减少了其他工序对测量的影响。

测量速度快。无反射棱镜全站仪的测距速度一般在几秒内就可完成，既减少了作业时间，还减轻了作业人员的工作强度。

实用性强。无棱镜测量技术适合应用于测量人员不方便到达的地方，不但减少了工作量，还降低了作业过程的安全风险。

测量距离远。有的仪器测量距离可达5 km。

2.3 测量时要注意的问题：

考虑目标位置以及瞄准角度。测量光束与目标表面的夹角是影响测量结果的重要因素之一。一般情况下，当入射光线与目标表面的夹角小于15°时，返回的光线就会有有所损失，得出的结果偏差也就越大。

考虑目标的测程。目标表面的颜色、目标形状以及目标的结构都与测程有关。粗糙的表面(如混凝土蜂窝麻面)漫反射大、返回的信息弱、测程也就短。

目标的最佳品质。颜色应为棕色或白色，尽量无光泽，表面粗糙度宜在1～2 mm。

视准线附近不应有带色的反射物或其他光活动；避免正对太阳测量，否则会出现无法测量的情况。

仪器和目标间有物体经过时，必须等物体经过后才可进行测量。

2.4 无反射棱镜全站仪测量法存在的问题

无反射棱镜法是目前用于测量桥墩偏位最常用的方法，虽然此法有诸多优点，但该方法在某些情况下的测量结果不尽人意，容易产生误差。例如当测量横桥向存在偏位的高墩纵桥向偏位时，得出的结果不仅包含横桥向的偏位还有顺桥向的偏位。

鉴于以上种种情况，结合工程实际，在无反射棱镜全站仪测量法的基础上提出了改进的无反射棱镜全站仪测量法。它能在一个测站上更加准确地计算出高墩的纵(横)向偏位。

3 改进的无反射全站仪测量法原理

3.1 原理

查正军等在无反射棱镜全站仪测量法测量建筑物倾斜量的基础上将独立坐标系转换为墙面坐标系，完成了建筑物的倾斜测量。基于改进的无反射棱镜全站仪的高墩垂直度测量是在桥墩的附近建立独立的坐标系，接着利用无反射棱镜全站仪观测桥墩横向或者纵向的墩中心的距测站的水平距离，然后基于改进的方法进行相关计算，从而得出横向或者纵向的墩中心的偏位。

现场具体实施具体步骤如下。

选择合适的地点，在桥墩附近建立独立坐标系，在全站仪中输入测站和定向点坐标(可以把测站点设为原点，全站仪采用盘左测量，将定向点选为桥墩底部的一个角点，将测站点和定向点的连线作为一坐标轴)，测出桥墩所求偏位方向底部左右两个角点的角度。

计算得出1/2夹角的度数。全站仪保持竖直制动不动，调整水平制动使角度值等于1/2夹角。此时该点为所求偏位方向的理论桥墩中线。

继续瞄准上部表面进行水平、竖直制动测量结构物测试范围内的上部表面到仪器的水平距离以及仪器水平面到上部表面的高差，保持水平制动，松开竖直制动移动至上部表面后测量水平距离以及仪器水平面到上部表面的高差，以此类推到、。则桥墩上下两点的平距差计算式子如式(2)所示。

1=-(=1,2,3,4,…)

(2)

式中:1为桥墩表面任意一点跟起始点的平距差。

由于地势原因，不可避免会出现测站点与测试面不垂直的情况，会出现一定的夹角，以至测量得出的数据不仅包含顺桥向的偏差还包括横桥向的偏差，即有一定的误差，并且根据测试距离的远近以及与测试面的夹角大小造成的误差也不一样。

鉴于以上情况，需将测方法进一步改进。如图1所示。具体实施方案如下所述。

图1 修正后的平距法

3.2 理论计算具体步骤

测出水平角∠，以及、的水平距，、。

转动水平微动螺旋，将全站仪的水平角调到角平分线位置，此时即选取到了桥墩的中心线，之后只需调动竖直微动螺旋，即可得到桥墩中心线每个高程的水平距。

由于已知桥墩的长度，利用数学方法得到∠，∠的角度，然后根据测得的、。可以修正得到每一个的距离。根据的距离得到平距差。

4 实例

巴洛河特大桥地处贵州高原向湘西丘陵过渡地带的北部边缘一带，场区属构造溶蚀底山地貌。桥址区有乡村路通至附近，交通条件较好。全桥共两联：(95+180+95)m；起始桩号：K88+970，终止桩号：K89+671.5，桥长701.5 m，上部结构主桥采用变截面预应力混凝土刚构，引桥结合地形条件采用40 m先简支后连续预应力混凝土T梁。下部结构主墩墩身采用双肢等截面矩形空心薄壁墩，主墩采用整体式承台基础，基础采用桩基础。

主桥上部构造(95+180+95)m三跨预应力混凝土连续刚构箱梁，箱梁根部梁高11.5 m，跨中梁高4.0 m，顶板厚32 cm，墩顶箱梁顶板加厚到80 cm，底板厚从跨中至根部由32 cm变化为110 cm，腹板从跨中至根部分三段采用50 cm、60 cm、80 cm三种厚度，箱梁高度和底板厚度按1.8次抛物线变化。箱梁顶板横向宽12.55 m，箱底宽6.5 m，翼缘悬臂长3.025 m。箱梁0号节段长16 m(包括墩两侧各外伸1 m)，每个悬浇“T”纵向对称划分为22个节段，梁段数及梁段长从根部至跨中分别为7×3.0 m、15×4.0 m，节段悬浇总长81.0 m。边、中跨合拢段长均为2 m，边跨现浇段长4 m。箱梁根部设4道厚0.7 m的横隔板，中跨跨中设一道厚0.4 m的横隔板，边跨梁端设一道厚1.8 m的横隔板。

巴洛河特大桥1、2墩以及3墩都属于高墩，桥墩施工过程中垂直度的监测必不可少。将改进后的无反射棱镜全站仪测量法应用于某特大桥83 m高左幅3墩上。

基于无反射棱镜全站仪测量法得出左幅3墩顺桥向的倾斜量如表1所示。