CPⅢ技术在变形监测中的应用

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。

1 CPⅢ测量方法及精度要求

1．1 CPⅢ平面控制网的布设和测量

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

1．2 CPⅢ三角高程测量

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。

1．3 高铁建设中控制网的精度要求

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。

2 工程实例

2．1 工程概况

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。

2．2 监测点布设及外业测量

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。

2．3 数据处理及变形分析

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。

3 结束语

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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