基于激光定位的基坑盲区放线技术研究

梁珍柱，岳琮昌，汪 胜，凌期鹏，王胜钰，代永飞

（陕西建工第五建设集团有限公司，陕西 西安 710000）

在建筑工程当中，准确的施工测量与整个施工建设的过程都有密切的联系，放样方式以及其精度都可能会对工程质量及工程施工精度造成重要的影响[1-2]。在某些独立基础施工放线过程中往往会存在视觉盲区，无法通过经纬仪、全站仪等仪器定位到基坑底部，为放线工作带来了困难。

精度高、便捷性高的放样技术一直是国内学者、工程师研究的热点。随着城市建设速度和规模的不断加大，造型复杂、外观结构特异性建筑逐渐增多，为建筑施工放线工作带来了困难。富阳北支江水上运动中心项目体形复杂，为不规则空间曲面，凹陷区、过渡区造型多变，放线工作较为困难，李强、余讯[3]等人通过布设幕墙控制网，以及激光铅垂仪来对楼层轴线进行控制。对于某些超高层异性建筑结构施工测量放线技术很多工程师通过引入CAD、Revit、BIM 等技术来提高平面布置网的布设精度，满足了复杂高层建筑的施工测量任务并且保证了施工质量与工期，李超[4]、马泉[5]等人分别在望京SOHO 建筑和新疆大剧院工程等项目进行了实践并对该类建筑施工放线施工技术进行了研究讨论。随着科技的发展，施工放线技术涉及的交叉学科也在逐渐增多，GPS、无人机、编程、机器学习技术等也逐渐应用在施工放线上。赵巍[6]以具体工程为例详细总结了RTK 技术放线测量的工作流程和精度控制要点，孙浩天、许东革等人[7]在北京大兴国际机场指廊工程中，交替使用无人机、RTK 与全站仪，形成对现场整体的网格管控，提高了测量效率和测量精度。梁华冰[8]将VLISP 与VBA 结合起来并成功开发出一个在CAD 电子图上拾取坐标生成2 种不同格式的测量放线文件程序的简单实例，为测量放线中坐标的拾取工作提供了便捷。

目前对于可视点位的定位放线施工技术研究已经较为成熟，但实际工程中往往会出现2 个不同视点之间的放线工作[9]或基坑盲区的放线施工，对于这类放线工作往往会运用全站仪等仪器结合数学计算或使用实时动态测量技术RTK（Real Time Kinematic）等对地形限制较小的仪器来进行施工放线，在基坑盲区放线施工上传统方法一般运用方木进行引点放线。这些技术往往在放线精度的把控上较为困难，本文基于自研制的激光定位放线装置结合经纬仪等仪器利用激光的指向性强[10-11]，操作简单等优点研究了基坑盲区放线技术。

1 激光定位放线装置设计

红外定位放线装置如图1，该装置外形尺寸约为250mm×52mm×60mm，重量约为530g，在外形和重量上较为小巧轻便，主要由调平构件，指针刻度部件以及激光发射部件组成，与传统定位放线装置棱镜（图2）相比，红外定位放线装置主要进行了以下几方面的创新：①调平部分采用了数显调平技术，较少了工程实践中调平所花费的时间；②可移动式激光发射器，能够灵活调节激光发射位置，提高定位精度；③通过张紧装置增大激光发射器与装置之间连接的稳定性，保证了其始终垂直向下的角度不产生偏移。

图1 定位放线仪器

图2 激光发射部件

1.1 激光发射构件

随着激光光源技术的迅速发展，激光放线仪作为一种提供参照线的装置，由于其指向性强，光线能够保证其直线性，在工程建筑、室内装修、测量测绘领域得到了广泛应用，本装置采用的红外激光发射装置参数如表1 所示，通过一个带阻尼的水平调节装置进行连接（图2），能够有效对放线部件的水平位置进行调节，使其与全站仪光束对准，在保证激光发射方向垂直向下的前提下同时可以避免放线部件在非人为扰动下发生移动，有效地节省了操作步骤，提高了放线效率。

表1 激光发射装置参数

1.2 装置质量控制

1）平整度验证 该装置采用了数显调平显示，但其平整度还有待检测，采用高精度气泡水准器架至调平后的红外定位放线装置上观测气泡位置判断该装置的调平效果见图3 所示，经验证该气泡水准器在装置调平后气泡始终处于中心位置，因此可以认为该装置的水平度达到工程实际使用中的精度需求。

图3 高精度气泡水准器

2）激光发射装置垂直度验证 该装置上的激光发射部件通过1 个带阻尼的水平调节装置进行连接，其激光发射角度直接影响了定位放线的精度，且随着装置高度的增加其角度的偏移对结果的影响更大，因此本文采用铅垂线来对红外线点的偏移量进行验证，结果可得红外线的偏移量很小。

2 基坑盲区放线施工技术研究

在基坑对柱边线等放线施工过程中经常存在2 个区域高程落差大，在不调整观测点的情况下，会产生大面积视角盲区，如图4（a)，该盲区范围内无法使用仪器直接定点，传统施工工艺采用方木引点，吊线锤二次倒点的方式进行，如图4（b），受外界因素及人为因素影响较大，无法确保投点精度。若采用RTK 或使用经纬仪、全站仪配合棱镜等设备也可在基坑盲区进行轴线放样，使用RTK 虽然对地形的限制较小但往往在放线精度上难以保证，高精度的RTK 仪器价格昂贵使用成本较大；使用经纬仪、全站仪等配合棱镜在精度上可以保证，但操作复杂，需要不断进行调整，对时间成本的消耗较大，且受地形影响较大。

图4 测量施工放线

2.1 RTK放线定位技术

RTK 技术是GPS 技术中的一种，与传统的GPS 技术有所不同，RTK 技术不是静态、快速静态、动态测量，而是采用实时动态差分法的一种实时测量方法，RTK 技术的测量精度也同时可达到厘米级，比较符合现代工程测量放线的测量精度标准。

2.2 传统方木引点法基坑盲区放线技术

在建筑物四角与隔墙两端，基槽开挖边界线以外1.5～2m 处，设置龙门桩，龙门桩的外侧面应与基槽平行。根据施工场地的水准点，用水准仪在每个龙门桩外侧，测设出该建筑物室内地坪设计高程线（即±0.00 标高线），并做出标记。沿龙门桩上±0.00 标高线钉设龙门板，沿视线方向在龙门板上定出一点，用小钉作标志，将各轴线引测到龙门板上，所钉之小钉称为轴线钉。用钢尺沿龙门板的顶面，检查轴线钉的间距，其误差不超过1：2 000，检查合格后，以轴线钉为准，将墙边线、基础边线、基础开挖边线等标定在龙门板上，最后通过铅垂线将点引在基坑盲区内。

2.3 经纬仪结合棱镜基坑盲区放线技术

首先将经纬仪放置在支架上，通过调整支架高度，移动脚架等操作进行调平，然后通过经纬仪望远镜对准放置所在点位的棱镜，当经纬仪十字丝对准棱镜中心点时即可确定基坑盲区点位，做好标记即可进行后续放线施工。

方案二：选用STM32F103 系列MCU 用于控制方案，使用STM32 MCU 作为核心控制芯片[5]，该芯片可以进行扩展，与外设进行连接通信，且控制速度较快，非常利于资源开发。

2.4 基于红外定位的基坑盲区放线施工技术

本文主要研究了基于红外定位放线装置的基坑盲区放线施工技术，利用基坑盲区高精度半自动激光放线设备与经纬仪或全站仪配合使用（图5），采用平面信号接收，利用激光红外（绿光）投点，实现轴线竖向投点定位。从而视角盲区内实现了精准定位，避免了环境及人为因素的影响，有效保证了放线的精确度。

图5 基坑盲区放线示意图

应用基于基坑盲区的高精度半自动激光放线技术的具体措施如图6 所示。

图6 施工流程图

1）施工准备 测量放线前认证阅读施工图纸，对图纸设计尺寸及标高认真核对。

2）基坑清理 用扫帚等清洁工具清理基坑底部，保证基坑底部无水渍、起砂、杂物等，确保符合画点及弹线要求。

3）架设经纬仪 将经纬仪放置在支架上，调整支架高度，移动脚架、旋转脚螺旋使对中标志准确对准测站点的中心，使仪器中心与测站点位于同一铅垂线上，再进行调平。

4）架设放线装置及调平 将基坑盲区高精度半自动激光放线装置连接在支架上，调平，使数显调平部件X、Y轴分别水平和垂直。

5）投点对正 目镜调焦使十字丝清晰，红外定位放线装置的刻度背板读数清晰，进行读数，微调滑台模组，根据读数指拨导轨滚珠丝杠滑台，使滑块带动激光红外模组移动，使激光红外模组位移至经纬仪所看到可视化背板数值位置，激光红外模组所投射点位便是放样标记点位。

6）投点确认标记 采用红蓝铅笔先标记第一点位，然后垂直旋转激光投点装置，实现另一个点位投点并标记，认真仔细画点标记，减少人为误差；在标记点周围利用漏板喷涂红油漆进行标识。

7）验证 用经纬仪反向验证轴线偏差（允许偏差值：±1mm)。

8）弹线 墨线绷紧进行空弹一次，避免弹出的墨线模糊，墨线对中按压投点点位，垂直弹设墨线确保墨线位置准确，根据所投点位弹设基坑轴线及柱线，并用红油漆进行四角标记图，对柱线位置偏差复核。

9）拆除装置 先拆除放样设备，拆除前及时切断激光红外电源，注意激光镜头保护，对放线装置拆除零件规整于仪器盒内，设备轻拿轻放做好设备保护。

3 工程运用

本文所提及的基于红外定位放线装置的基坑盲区放线施工技术已被成功应用于沣采苑项目，与传统方木引点法或经纬仪结合棱镜基坑盲区放线技术相比，使用该新型基坑盲区放线技术，减少了人工成本约66%，综合节约成本17 149.5元，同时该新型放线技术操作简单便捷，具有推广价值。

3.1 工程概况

该基于红外定位放线装置的基坑盲区放线施工技术已被运用于2 个项目，其中沣采苑项目位于陕西省西咸新区，总建筑面积约453 189.18m2，其中车库及商业楼基础形式设计为独立基础，基础埋深标高不一，最大埋深-2.5m。该项目于2022 年4 月～6 月进行独立基础的放线定位工作，共计约900 个独立基坑；西安中梁鎏金雲玺小区位于西咸新区，地下约131 337.5m2，地上约40 514.5m2，由10 栋单体组成。

3.2 相对误差分析

放样施工质量要求按照GB50026-2020《工程测量规范》中的8.3.9 建筑物轴线放样应符合下列规定：其中放样宜采用2″级经纬仪，应先由控制点放样出建筑无外廊主要轴线点，偏差不应大于4mm，如表2 所示。

表2 工程测量规范

通过对2 个项目的地基柱轴边线其中需进行基坑盲区放线施工的施工过程分别采用RTK 法、棱镜法、红外定位放线法、方木引点法进行施工测量记录，其中偏差测量结果如图7（a)所示，使用棱镜法其偏差基本控制在了规范容许的范围内，但该方法时间成本较大，定位一个点位时花费的时间大约为2～4min；红外定位法也基本保证了其准确性，合格率在90%以上，而方木引点法和使用RTK 仪器的误差值较大，往往复核时发现不合格需要重新进行调整，以棱镜法为基准，对同一个点位使用不同方法进行放线施工，其测量差值如图7（b)所示，其中RTK 技术与棱镜定位技术的测量差值最大达到了6.8mm，方木引线技术测量差值最大为3.4mm，而红外定位放线技术差值最大为2.6mm，因此可以认为红外定位放线技术在放线精度上可以达到规范标准。

图7 各施工方法误差分析

3.3 时间成本对比

通过记录各基坑盲区放线技术施工所需时间如图8 所示，对比发现使用红外定位放线法进行基坑盲区放线所需时间的中位数在1.6min 左右，相比于其他放线施工技术所需时间明显更少，所需的时间成本更低，可以为实际工程节省不少费用。

图8 各放线技术所需时间

4 结语

本文主要研究了一种红外定位放线装置，通过该装置配合经纬仪、全站仪等可以较好地对基坑盲区进行放线定位，并对2 个项目进行实验验证，通过对放线结果精度和所需时间等方面进行研究得到以下结论。

1）通过该红外定位放线装置对基坑盲区进行放线，放线精度符合工程测量规范标准，其偏差范围基本在±4mm 以内，合格率在90%以上，且相比于传统方木引点法精度更高。

2）通过对各基坑盲区放线施工技术所需时间的统计研究，发现使用红外定位放线法进行基坑盲区放线所需时间的中位数在1.6min 左右，相比于其他放线施工技术所需时间明显更少。

3）基于红外定位放线装置的基坑盲区放线施工技术操作更加简单，且精度较高，满足工程实际使用标准，可以为实际工程节省更多的资源。