岳仁宾,张 恒,李 超
(重庆市勘测院,重庆400020)
近年来,城市建设的加快,巨大的规模和复杂的工艺对安全监测工作的开展提出更高的要求。而山体滑坡、极端天气等环境因素的影响,使突发事件增多、变形监测抢险工程频繁出现。相对于常规变形监测项目,抢险工程通常要求反应速度快,在尽可能短的时间内获取监测对象的变形信息,因此常常采用特殊的测量方式。在高铁建设中已广泛应用的CPⅢ技术,为变形监测抢险工程提供了一个简单有效的作业方式。
我国客运专线无碴轨道铁路工程测量平面控制网可分为3个等级:第1级为基础平面控制网(CPⅠ),第2级为线路控制网(CPⅡ),第3级为基桩控制网(CPⅢ),主要为铺设无碴轨道和运营维护提供控制基准,可采用导线测量方法或者后方交会法测量。其中,采用后方交会的方法观测量较多,图形条件强,能够达到较高的测量精度。
基于后方交会测量的CPⅢ控制网应采用独立自由网平差,网形如图1所示。
从图1所示的CPⅢ网形可以看出,CPⅢ平面网是一个非常规则的测量控制网,所有CPⅢ点在网中的交互强度很高而且分布均匀,图形强度高,网本身基本没有最弱点的存在。CPⅢ平面网观测时采用全站仪自由设站的方法,因此不存在仪器对中误差。测站间距大致相等,均匀分布在线路中线附近。在高铁建设中,CPⅢ点采用特殊的强制固定装置,保证了目标点重复安装的精度,也最大程度消减了棱镜安装时的对中误差。
图1 CPⅢ后方交会控制网
如图2所示,以1、2、11、12号CPⅢ点为例,它们距测站的距离大致相等,在等距的情况下,目标点之间的高差是消除了地球曲率影响的,同时,由于CPⅢ点上直接安置棱镜,仪器高的测量误差也避免了,4个点之间的高差是精确的。同样可知3、4、9、10号点之间以及5、6、7、8号点之间任意两点之间的高差。
图2 CPⅢ相邻两站关系示意图
如果只是考虑一站的对应点高差,从列的方向看,只能得到1号点与11号点、2号点与9号点、5号点与7号点之间的高差,缺少3号与5号、7号与9号之间的高差。这样建立不了完整的水准网。因此考虑以相邻两站为研究对象,计算出测站之间8号点与10号点的高差h8-10,或者是7号点与9号点的高差h7-9。由于8号点与10号点到测站的距离相差较大,这里以两站分别求出的h8-10取平均值作为8号点与10号点的观测高差。
三角高差存在重复观测的情况,于是存在观测值归化的问题。该问题的处理思想是:以高差观测值h5-6的两对应点,5号点和6号点到测站的水平距离之和为定权标准,取所有重复观测值的加权平均值为其最终观测值,并反算出其对应的权。计算表达式为
按照上述算法思想,可以得到CPⅢ水准网的三角高差观测值,进而进行高程平差,就可以计算出高程。
无碴轨道测量各级控制网在铁路施工中发挥着不同的作用,对测量精度的要求也有所不同,其中CPⅢ控制网的测量准则见表1、表2。
表1 无碴轨道测量各平面控制网测量精度要求 mm
表2 无碴轨道测量各平面控制网测量精度要求
精密水准测量距离L<1 k m,CPⅢ网高程中误差小于±1 mm。
《建筑变形测量规范JGJ 8-2007》规定了建筑变形观测的等级及精度要求,如表3所示。
表3 变形观测的等级及精度要求
由表1表2和表3的对比可见,CPⅢ控制网的平面测量精度满足变形观测二级的要求,CPⅢ高程测量能够达到精密水准测量精度,因此在距离不长的情况下,将CPⅢ技术应用于大多数变形监测工程在理论上是可行的。
由于连续特大暴雨袭击,重庆市某区滨江路某段隔离带出现较大裂痕,经现场踏勘,该路段以隔离带为界,靠江一侧为桥梁,另一侧为实地,桥梁与实地的交界处为一个L型构筑物,L型构筑物顶部已出现明显裂缝,如图3所示。桥下靠实地一侧的桥墩与L型构筑物紧密连接,可能受L型构筑物的变形影响较大。为获取桥墩和L型构筑物的变形情况,需要对该区域开展变形监测抢险工作。
抢险工程共分为三部分:L型构筑物的沉降监测、裂缝监测、桥墩的平面及沉降变形监测。其中桥墩变形观测采用CPⅢ技术,其余部分为常规测量方法。本文介绍桥墩的平面及沉降变形观测。
图3 重庆市某区滨江路某段隔离带出现裂缝
为了满足变形监测的要求,根据现场情况,将4个基准点选定在变形区域外的桥墩上,编号为K1~K4。在变形区域内的桥墩上共布设20个监测点,编号为Z1~Z20,采用CPⅢ技术平面位移监测、沉降监测同时进行,测站架设在L型构筑物与护坡间的人行过道上,测站间距离大致相等,约为20 m,每一期观测测站架设位置相同。点位布设及观测路线见图4。因测站较多,图中仅表示出第2、第3两测站的观测线路。
图4 桥墩监测点布设情况及观测线路图
变形监测基准控制网采用“一点一方位”建立,假定 K1(500.000,500.000,100.000)为 已 知 点,K1-K3为零方向建立坐标基准,采用高精度全站仪联测,求出K2~K4坐标,作为本次变形监测抢险工程的基准网。监测点观测使用TCA2003智能型全站仪(0.5″,1 mm+1 pp m)自动观测,水平角及垂直角均观测4测回,距离测量8测回。全站仪与PDA建立实时通讯,数据传入PDA后立即进行近似坐标计算,并将数据初步对比,全部观测完成后需要进行严密平差和坐标转换。
本工程数据处理采用自由网平差结合坐标转换完成。首先把监测网中各网点Z1~Z20同与其联测的K1~K4一起进行自由网平差,这样K1~K4点就有了两套坐标:一套是自由网平差的坐标,另一套是它们在变形监测网坐标基准下的坐标。利用4个基准点,按最小二乘原理,可以求得两套坐标系统的转换参数,通过坐标转换参数实现将监测网网点坐标转换到假定的坐标基准下。
本抢险工程于8月2日开始,至8月24日加固工程完成后结束,转入常规变形观测,共观测23期。其中8月2日至8月6日暴雨期间每天观测2期;8月7日至8月14日L型构筑物支护工程已完成,每天观测1期;8月15日~24日护坡加固期间每两天观测1期。由于数据量较大,本文仅列出裂缝最大处的Z1、Z2监测点观测数据进行分析,见表4。
表4 Z1、Z2点平面位移及沉降观测统计
表4结果表明:
1)Z1、Z2点变化趋势基本一致,这是因为Z1、Z2两点分别位于同一桥墩的两侧。
2)Z1、Z2点在第8期(8月5日,19:00)发生突变,其中沿Y负方向变化尤其明显,平均变化量为22.1 mm。经现场踏勘,8月5日中午完成了L型构筑物及桥墩的支护工作,对L型构筑物和桥墩有顶推施工。
3)Z1、Z2点在第8期至第32期之间无明显变化。8月5日至8月24日间,主要支护工作完成,降雨结束,各点位趋于稳定。
其余各监测点变化趋势与Z1、Z2基本一致,除第8期出现突变外,其余各期处于缓慢变化状态;其中Z11~Z20共10个监测点整体变化相对较小,这是因为Z11~Z20布设在第2排桥墩上,距离L型构筑物较远。
将应用CPⅢ技术得到的监测数据与裂缝观测(使用游标卡尺测量)、L型挡墙沉降观测(直接水准测量)对比,分析结果完全一致。
本文叙述了采用CPⅢ技术进行桥墩平面位移及沉降监测的点位布设、数据采集、变形分析等过程,通过对比布设在桥墩两侧的监测点各期观测数据,分析桥墩的变形趋势。经过综合对比,应用CPⅢ技术得到的桥墩变形监测数据与裂缝观测、L型挡墙沉降观测的分析结果完全一致,并且观测数据的变化情况与现场施工进程相符合,说明观测数据可靠性强,能够准确反映监测对象的形变。
在监测点呈带状有规律分布的情况下,使用CPⅢ技术具有操作方便、测量精度高等特点。随着数据采集方式的多元化和数据处理软件的日益完善,CPⅢ技术必然能够在变形监测工程,尤其是抢险工程中发挥更大的作用。
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