高速铁路CPⅢ测量标志在建筑变形监测中的应用

谯生有 赵佳楠 安义兵

(1.中铁一局集团第五工程有限公司，陕西宝鸡 721006;2.宝鸡文理学院，陕西宝鸡 721013)

CPⅢ控制网是高速铁路轨道控制网［1］，标识CPⅢ控制点点位的观测元件称为CPⅢ测量标志。近年来，随着我国高速铁路的大规模施工，高速铁路精密测量技术通过引进、消化、吸收、创新，逐步形成了具有我国自主知识产权的精密测量技术，多项创新成果补充了我国精密工程测量的空白，该技术不仅限于应用在高速铁路精密工程测量方面，某些独特的测量方法、测量设备还可应用于其他领域的精密测量，将CPⅢ测量标志应用于建筑物变形监测，就是一个有益的尝试和推广。

1 普通观测标志的结构及缺陷

1.1 普通监测标志的结构

在建筑物变形监测中，沉降观测通常采用水准测量方法，监测标志或采用简易标或采用螺栓式墙标［2］。简易标采用钢筋加工，观测点位为向上弯曲的钢筋头顶端，观测时将水准标尺立于上弯曲的钢筋头顶端，观测标结构如图1所示;螺栓式墙标采用不锈钢或者合金材料精密加工而成，测量前先将套管预埋在观测部位，旋上护盖进行保护，观测时卸下护盖，将螺杆旋进套管，然后将水准标尺立于螺杆前端的半球形凸起上进行观测，观测完后卸下螺杆旋上保护盖，观测点位为螺杆前端半球形凸起的顶端，观测标结构如图2所示。

图1 简易标构造示意(单位:mm)

图2 螺栓式墙标构造(单位:mm)

建筑物基坑支护结构位移监测标一般埋设为钢筋头，顶端刻“+”或者圆点表示点位，将棱镜安置在精密对点器支架上，对中整平对点器后进行观测。

1.2 普通监测标志的缺陷

(1)简易标

简易标虽然取材方便，但点位不易保护，易在施工过程中被碰撞而遭到破坏，碰撞变形较小时不易从观测标外观变化及观测数据的变化中分辨出来，会造成观测数据失真。

(2)螺栓式墙标

螺栓式墙标的套管预埋在建筑物墙体之中，盖上护盖后与墙面基本平齐，弥补了简易标易被施工破坏的缺陷，但当观测标遇障碍物无法立尺或者观测视线过高无法观测时，观测标虽然保存完好仍无法读取观测数据，造成监测点观测数据不连续甚至中断。

(3)基坑支护结构位移监测标

普通基坑支护结构位移监测标需要安置精密对点设备，棱镜对中误差会对位移监测点坐标测量精度产生影响。另外，位移监测点一般设置在基坑支护结构的边缘，架设对点器非常困难，并且会给监测工作带来安全隐患。

2 CPⅢ测量标志的结构及特点

2.1 CPⅢ测量标志构件组成

高速铁路CPⅢ测量标志由预埋套管、水准连接杆、棱镜连接杆等构件组成，各构件采用高强度、耐腐蚀的合金材料精密加工制造，构件之间紧密切合，预埋套管永久性埋设于结构物上，测量时将连接杆插入预埋件进行观测，水准连接杆圆球中心与棱镜中心重合，棱镜中心既是平面点位又是高程点位［3］，如图3所示。

2.2 CPⅢ测量标志的特点

(1)强制归心

各构件经精密加工制造，具有良好的重复性和互换性，连接杆插入预埋套管后，平面和高程点位在空间唯一确定，只需将连接杆插入预埋件即可观测，无需对中整平，消除了对中误差，操作简便，具有强制归心的特点。

(2)三维合一

水准连接杆球形中心与棱镜中心重合，平面点位与高程点位具有三维合一的特点。从图3可以看出，无论预埋套管埋设时是否产生倾斜，将水准连接杆球面高程减去球半径归算至球心的高程就是棱镜中心高程。因此，点位高程测量既可以采用几何水准测量，也可以采用精密三角高程测量，该特点为几何水准测量无法观测时采用精密三角高程测量代替提供了条件。

(3)防护性好

插入式CPⅢ测量标志除具有螺栓式墙标的防护特点外，还可避免螺栓式墙标预埋件螺口变形堵塞，导致螺杆无法正确就位，监测点无法使用的情况。由于CPⅢ测量标志采用紧密切合插入式安装，即使插口因外力导致变形，只需使用锉杆修磨一下即可正常使用，具有更好的防护性。

3 建筑物变形监测应用

3.1 点位埋设

基坑支护结构变形监测时，将预埋套管竖直埋设在观测部位，预埋套管顶端宜高出水平面3～5 mm，低洼处应埋设在水泥墩上防止积水。

基础沉降观测点一般横埋在墙体观测部位，应将预埋套管护盖端上翘3～5 mm，确保连接杆插入预埋套管后不产生下滑。

埋设前应分别将水准连接杆、棱镜连接杆插入预埋套管，对标志的重复性和互换性进行检查，连接杆不能插入或者连接杆插入后空隙过大的预埋套管应进行标识并作废品处理。埋设时，先在埋设部位打眼(施工时能预留孔位效果更好)，然后用值筋胶或速凝剂将预埋件固定。

3.2 基坑支护结构位移监测

位移监测时，先将棱镜安装在棱镜连接杆上，然后将棱镜连接杆插入预埋套管，棱镜方向对准全站仪进行测量。若使用具有自动照准、自动搜索功能的高精度智能型全站仪配合CPⅢ平面控制网采集软件进行自动观测，一次可同时观测多个棱镜，测量效率可得到大幅提高，结束观测后应及时将护盖插入预埋套管，做好监测点位的保护工作。

3.3 建筑物基础沉降观测

(1)几何水准测量

沉降观测采用几何水准测量时，将水准连接杆插入预埋套管，水准尺立于水准测量连接杆球头上进行观测，与常用观测标志的测量方法一样。

(2)精密三角高程测量

将棱镜连接杆插入预埋套管，将全站仪安置于相邻两监测点之间，采用不量仪器高棱镜高的三角高程测量方法测量测点间的高差。

观测使用的全站仪测角标称精度不低于±2″，测距标称精度不低于±(2+2×10-6D)mm，使用具有自动照准、自动观测的高精度全站仪效果更好。

全站仪照准棱镜直接测定高差(不分别观测竖直角和斜距)，读数至0.1 mm，视距读数至1 mm，测回间高差较差不超过1 mm［4］。视线长、前后视距差、视距累计差、闭合差、往返观测较差的限差等技术指标按照同等级几何水准测量技术指标执行。

根据精密三角高程测量特点，可将固定高度的对中杆作转点，测量过程中保持对中杆高度固定不变即可。也可将精密三角高程上桥测量装置作转点［5］，如图4所示。该装置最大的特点是几何水准测量时转换套筒中插入水准连接杆可以立水准标尺，转换套筒中插入棱镜连接杆可以进行精密三角高程测量，水准连接杆顶端球心高程与棱镜连接杆上棱镜中心高程相等。

图4 精密三角高程上桥测量装置

从基准点向观测点联测高程时，有以下三种方式:

①采用几何水准测量从水准基点直接进行联测。

②观测点无法立尺时，可埋设一个预埋套管作转点，先采用几何水准测量将水准点高程从基准点引测至预埋套管水准连接杆球顶，然后将预埋套管换上带棱镜的棱镜连接杆，采用精密三角高程测量将套管水准连接杆球顶高程引测至建筑物监测点上。

③使用精密三角高程测量装置作临时转点进行联测。

不量仪器高、棱镜高三角高程测量监测点间的高差可采用下式计算［6］

式中hAB为监测点A至监测点B之间的高差，hOA为全站仪仪器中心O至A点棱镜中心的高差，hOB为全站仪仪器中心O至B点棱镜中心的高差。

水准连接杆圆球半径为一整毫米的固定值，可通过查找标志加工参数获得，也可采用游标卡尺量取，将水准连接杆球形顶部高程减去球半径即可将几何水准测量高程归算至棱镜中心，反之，将棱镜中心高程加上水准连接杆球半径即可得到几何水准测量高程。

测站高差中误差mhAB可采用下式进行估算［4］

式中S0为测站前后视平均视线长，α0为竖直角，mα0为竖直角中误差，ρ取206 265″，ms0为测距中误差，R为地球半径，mΔK为大气垂直遮光差的中误差，一般取mΔK=±0.05。从上式可以看出，采用高精度全站仪提高测角、测距精度及减小竖直角是提高测量精度的有效途径。

3.4 特殊情况下监测方法

观测点遇障碍物时，往往造成多期观测数据无法施测，不能及时观测测点的变形情况，造成了很大的安全隐患，部分情况下可采用变换仪器高度斜尺观测法观测障碍物遮挡的观测点［7］，但是，多数情况下观测点上即使斜尺都无法安置，几何水准测量无法施测，例如观测点上方全部被建筑模板遮挡。应用CPⅢ测量标志作观测点时，由于观测点水准测量高程和三角高程成果可以相互归算，可实现几何水准测量和精密三角高程联合作业，遇障碍物的观测点采用精密三角高程测量，其它观测点采用几何水准测量，测量路线的选择非常灵活，只需某一视线能观测到测点上的棱镜即可。

4 结论

CPⅢ测量标志具有强制归心、三维合一、防护性好的特点，在建筑物变形观测应用中能弥补传统监测标志的缺陷，三维合一的特点可使几何水准测量与短视距精密三角高程测量成果之间进行灵活转换，实现了几何水准测量与精密三角高程在建筑物沉降观测中的联合作业，为特殊情况下进行沉降监测提供了新的途径，有效地保证了监测数据的连续性。高速铁路精密测量技术已在城市轨道交通工程轨道定位测量中进行了一些探索和实践［9］，将CPⅢ测量标志应用于建筑变形监测，是对高速铁路精密测量技术应用领域的进一步推广和拓展。

［1］ 中华人民共和国铁道部.TB 10601—2009 高速铁路工程测量规范［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［2］ 中华人民共和国建设部.JGJ8—2007 建筑变形测量规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2007

［3］ 周建东，谯生有.高速铁路施工测量［M］.西安:西安交通大学出版社，2011:102-123

［4］ 周国树，张德强，郭清.短视距精密三角高程测量在沉降监测中的应用［J］.扬州大学学报，2005，8(2):56-59

［5］ 谯生有，周建东.一种精密三角高程上桥测量装置［J］.测绘通报，2013(11):90

［6］ 谯生有，周建军，周建东.客运专线无砟轨道CPⅢ精密控制网测量探讨［J］.铁道标准设计，2009(S1):36-39

［7］ 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

［8］ 谯生有，闻道荣.无砟轨道CPⅢ平面控制网测量精度影响因素分析［J］.测绘通报，2011(12):36-39

［9］ 徐永刚.高速铁路精密测量技术在城市轨道交通中的应用研究［J］.铁道勘察，2012(2):7-9

［10］周建东，谯生有.高速铁路底座混凝土模板精密定位测量装置［J］.铁道勘察，2013(3):5-6