新型三角高程测量技术应用

刘洪州，郭守谦，刘志远

（1.天津大学仁爱学院建筑工程系，天津　301636；2.中交一航局第五工程有限公司，河北　秦皇岛　066002；3.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津　300222）

新型三角高程测量技术应用

刘洪州1，郭守谦2，刘志远3

（1.天津大学仁爱学院建筑工程系，天津301636；2.中交一航局第五工程有限公司，河北秦皇岛066002；3.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222）

针对水运工程深基坑高程测量困难问题，提出利用全站仪对边观测的新型三角高程测量方法。工程实例应用表明，该新方法具有低成本、高功效等特点，适用深基坑的高程测量，可为水运工程的深基坑高程测量提供有益经验。

水运工程；深基坑；全站仪；三角高程测量

0　引言

水运工程施工中，通常涉及深基坑高程测量。然而，深基坑高程测量因与地面高差较大，直接利用水准尺传递高程方式相对操作困难，故实际工作中多采用悬挂钢尺法进行测量放样。但由于悬挂钢尺法误差来源多、外业工作量大、施测速度慢，往往不能满足施工测量要求。而传统的三角高程测量虽能避免地势起伏、高差等因素干扰，但测量结果精度不符合工程实际需求。随着科技的发展，目前利用全站仪的高程传递测量已经被广泛应用，林明华[1]等采用精密三角测量法对跨河的高程进行高程传递测量实验研究，张智韬[2]等介绍和分析全站仪三角测量新方法和精度，周建林[3]等应用全站仪高程传递技术对苏通大桥进行高程测量。鉴此，本文介绍一种基于利用全站仪的新型三角高程测量方法，并将该方法运用于水运工程翻车机房深基坑的施工测量中，检验该方法的实用性。

1　高程测量原理

1.1悬挂钢尺法

悬挂钢尺法[4]操作原理：假设已知地面水准点A的高程为HA，基坑内欲测量B点的高程为HB，基坑边设一吊杆悬挂钢尺，钢尺零端位于基坑内，同时在零端悬挂重量适中的重物，见图1。

测量时，首先在地面上安置水准仪，在A点设立水准尺，读取A点读数a和钢尺读数b，然后在基坑内安置水准仪，获得钢尺读数c，最后在B点上下垂直移动水准尺，当读数d=HA+（ab）+c-HB，则B点水准尺底端的高程为测量的基坑高程HB。

图1 悬挂钢尺法Fig.1　Suspension leveling ruler

1.2三角高程测量法

三角高程测量法主要原理[5]是：假设A、B为地面上高度不同的2个高程点。若已知A点高程，通过A、B之间的高差，计算获得B点高程。首先，假设A、B两点相距水平距离相对较短，两点之间的水准面可近似为水平面。已知A、B两点之间的水平距离为D，在A点架设全站仪，在B点立对中杆，A点观测B点的竖直角α，并直接量取仪器高和棱镜高t，见图2。

图2 三角高程测量Fig.2　Trigonom etric leveling

不考虑大气折光和地球曲率的影响条件下，根据图中计算参数和实际测量值，则A、B之间的高差为hab：

hab=V+i-t（1）式中：V为全站仪望远镜和棱镜之间的高差，V= D tanα。

1.3新型三角高程测量技术

1.3.1测量原理

随着全站仪等新测量仪器的兴起，利用新技术仪器进行的高程测量开始逐步被试验和研究[6-7]。因此，本文提出的新型三角高程测量法，其实质是全站仪高程传递测量，通过假设已知B点高程，A点为任意高程未知点，见图3。

图3　全站仪高程传递测量Fig.3　Theelevationmeasurementof totalstation

将式（1）整理获得：

HA+i-t=HB-D tanα（2）

令W=HA+i-t=HB-D tanα，当选定测站点A进行架设仪器后，A点高程HA固定，仪高i值也随之不变，同时选取跟踪杆作为反射棱镜，从而t值也不再变化，所以在进行任意一点高程测量时，W固定不变。由于已知HB，利用全站仪直接测定D tanα，即可计算出W=HB-D tanα。根据式（2），图3中待测点B′高程HB′为：

HB′=HA+D′tanα′+i-t（3）

将W=HA+i-t代入式（3）得：

HB′=W+D′tanα′（4）式中：D′为测站点A到待测点B′的水平距离；α′为测站点A观测待测点B′时竖直角。

由式（4）可知，不同待定点的高程随着测站点到其的水平距离D′和观测竖直角α′的变化而改变。

1.3.2操作步骤

新型三角高程测量法的操作步骤：

1）将全站仪仪器安置于和已知高程点通视的任意一点。

2）采用全站仪照准已知高程点H，测量出D tanα，并计算出W值。

3）将仪器测站点高程重新设定为W，仪器高和棱镜高设定为0。

4）照准待测点，利用式（4）测出其高程。

2　三种测量方法特点对比

若测量的高程点与已知水准点的高差较大时，采用悬挂钢尺法来代替水准尺法进行测量。但采用悬挂钢尺进行高程传递测量时，由于深基坑高差较大，悬挂的钢尺下端应悬挂鉴定钢尺时的标准拉力重锤，否则需进行拉力修正；由仪器角误差引起的高程误差，伴随着前后视距差的增大而增大；钢尺经过一段时间在野外使用后，尺长本身也会发生变化，所以在地下高程放样或测量时，为了确保精度满足要求，应选择严格检验校正的水准仪，并在读数时需格外仔细，操作过程相对复杂。

三角高程测量操作相对简单于悬挂钢尺法，但是其精度受限于以下两个因素：1）水平面为基准面和视线成直线。2）A、B两点的水平距离相对较短。若以上两条件不成立时，采用三角高程测量法测量基坑的高差将不准确。新型三角高程测量技术利用全站仪高程传递原理，测量时可直接将测量结果输入全站仪，全站仪内部系统根据测量参数的结果，直接计算获得待测点高程，并通过计算机连接导出测量结果，不用人工进行复杂计算和仪器操作过程，其具有操作简捷，高效特点。

3　工程应用

3.1工程概述

国投曹妃甸煤码头续建工程中，翻车机房基坑支护结构为圆形地下连续墙，墙厚1.5 m，内径77m，坑底标高-15.45m，墙底标高-29.8 m。顶部设有帽梁1道，梁高1 m，支撑结构采用4道圈梁及12个竖肋，圈梁和竖肋高程见图4。

图4　翻车机房基坑支护结构图Fig.4　Foundation pitsupport structureofdumper

3.2新技术检验

在曹妃甸翻车机房施工中，选用NIKON DTM532型全站仪（测角：2″；标准测距：2mm+ 2×10-6D，D为距离，km）进行高程传递测量，为了验证该新技术的可行性，在翻车机房基坑周围设置10个测站点，已知主体圈梁底层的标高为-15.45 m，分别采用悬挂钢尺法、三角高程测量法以及新型三角高程测量法，测量结果和测量功效，见图5和表1。

图5　三种测量方法成果对比Fig.5　Result com parison of the threemeasurement methods

表1　三种测量方法功效汇总Table 1　Efficacy summary of the threemeasurementm ethods

由图5和表1分析可知，悬挂钢尺法对10个测站点测量用时最长，人员参与最多，同时可能由于施工地点环境温度偏高、钢尺的重复使用以及悬挂物体过重等客观因素的影响，导致基坑高程测量过程中，钢尺的长度伸长，进而产生悬挂钢尺法测量结果偏大于梁圈底部标高，总测量精度相对较差。三角测量由于测站点间距离较近，符合其测量条件。测量时间和测量参与人员与新型三角高程测量法相同，但是测量过程中，由于测站点设置过多，且通过测量过程中量取测仪器与棱镜高，导致误差源的逐渐累积，因此，测量精度低于新型三角测量方法。而新型三角测量方法，测站点内测量结果误差约为0.001 m，测量精度较为准确。通过更换高程控制点，重复上述步骤，对待测点高程进行测量，其结果趋势基本和图5一致，因此，新型三角高程测量技术具有实用性和高效性。

4　结语

新型三角高程测量法能更好的适应天气和地形变化，比三角高程测量的方法精度更高，整个施测过程不必用钢尺量取仪器高，棱镜高，减少了测量过程中的误差来源，避免了误差的累计，保证了测量精度，同时省去了悬挂钢尺法测站读报数据以及可能的站上计算工作，提高了测量功效，降低了施工成本。通过以上实例表明，其在水运工程深基坑的测量成功运用，为深基坑等高程传递跨度大的水运工程项目施工中高程放样提供了一种新的解决方案。该技术还可以适用于道路施工、地势复杂的高程传递，可快速准确的测得高程数据，缩短放样的时间，避免了水准测量因转站多、高差大以及气候恶劣导致的误差，降低了施工测量的工作量与工作强度。

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App lication of new trigonometric leveling technology

LIUHong-zhou1,GUOShou-qian2,LIU Zhi-yuan3
（1.Departmentof Architectural Engineering,Ren'aiCollegeof Tianjin University，Tianjin 301636,China; 2.No.5 Engineering Co.,Ltd.of CCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Qinhuangdao,Hebei066002,China; 3.CCCCTianjin PortEngineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Aiming at the difficult problem of elevation measurement of deep foundation pit in waterway engineering,we put forward a new method of trigonometric leveling by using the total station instrument.The application of engineering example shows that the new method has the characteristics of low cost and high efficiency,which can be used tomeasure the height of the deep foundation pit.Itcan provideusefulexperience for themeasurementofdeep foundation pit inwaterway engineering.

waterway engineering；deep foundation pit；total station instrument；trigonometric leveling

U655.552

A

2095-7874（2016）10-0052-04

10.7640/zggw js201610012

2016-06-27

2016-08-21

刘洪州（1989— ），男，安徽宿州人，助理工程师，助教，研究方向为水利工程施工。E-mail：695627047@qq.com