一種精密三角高程上橋測(cè)量裝置

譙生有，周建東

（中鐵一局集團(tuán)第五工程有限公司，陜西寶雞 721006）

一、引 言

在高速鐵路橋梁CPⅢ控制網(wǎng)（軌道控制網(wǎng)）水準(zhǔn)測(cè)量中，將地面二等水準(zhǔn)點(diǎn)高程應(yīng)用不量棱鏡高和儀器高的三角高程測(cè)量方法引測(cè)至橋上水準(zhǔn)點(diǎn)的過(guò)程稱為“高程上橋測(cè)量”，測(cè)量原理如圖1［1］所示，ΔHBF=v-Δh1+Δh2-v=Δh2-Δh1。CPⅢ控制網(wǎng)水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)附合于線路水準(zhǔn)基點(diǎn)，按精密水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)要求施測(cè)，水準(zhǔn)線路附合長(zhǎng)度不得大于3 km［2］。由于高速鐵路線路橋梁所占的比重大，橋梁地段每2～3 km就要將地面線路水準(zhǔn)點(diǎn)高程引測(cè)至橋上CPⅢ控制點(diǎn)，高程上橋測(cè)量是高速鐵路CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量一個(gè)必不可少的測(cè)量環(huán)節(jié)。高程上橋測(cè)量通常使用普通對(duì)中桿固定高度進(jìn)行施測(cè)，存在諸多缺陷和不足，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、兼容性強(qiáng)、操作方便的高程上橋測(cè)量裝置很有必要。

圖1 三角高程上橋測(cè)量原理

二、常規(guī)裝置的缺陷及新裝置的特點(diǎn)

1.常規(guī)裝置的缺陷

1）規(guī)格不統(tǒng)一，沒(méi)有通用性。某一類型的普通對(duì)中桿只適合于某一種類型的棱鏡，而其他類型的棱鏡無(wú)法使用。

2）固定高度的對(duì)中桿必須安置于已知水準(zhǔn)點(diǎn)上方能進(jìn)行上橋測(cè)量，若已知水準(zhǔn)點(diǎn)與橋上水準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離超過(guò)規(guī)范要求，或全站儀與已知水準(zhǔn)點(diǎn)之間不能通視，則必須在橋下重新選點(diǎn)埋設(shè)過(guò)渡水準(zhǔn)點(diǎn)，然后將高程從已知水準(zhǔn)點(diǎn)引測(cè)至過(guò)渡水準(zhǔn)點(diǎn)上后進(jìn)行上橋測(cè)量，為上橋測(cè)量進(jìn)行選點(diǎn)埋石增加了測(cè)量成本，并且會(huì)延誤測(cè)量工期。

3）固定高度的對(duì)中桿要保證固定棱鏡支架高度不變，因此在上橋測(cè)量時(shí)，橋下水準(zhǔn)點(diǎn)觀測(cè)完后需將橋下對(duì)中桿保持高度不變搬到橋上去觀測(cè)，如圖1所示，測(cè)量第二測(cè)回時(shí)，觀測(cè)完橋上對(duì)中桿后還需要再將對(duì)中桿保持高度不變搬到橋下進(jìn)行觀測(cè)。如果兩次測(cè)量結(jié)果超限，還需要重復(fù)以上操作。測(cè)量期間，對(duì)中桿需要從地面到橋上來(lái)回搬動(dòng)并且保持高度不變，勞動(dòng)強(qiáng)度大，測(cè)量效率低。

4）應(yīng)用固定高度的對(duì)中桿進(jìn)行高程上橋測(cè)量時(shí)，前后視不能同時(shí)觀測(cè)，大氣折光不能有效地削弱和消除。

5）固定高度的對(duì)中桿在橋上水準(zhǔn)點(diǎn)安置時(shí)，遇到有風(fēng)天氣，對(duì)中桿容易被風(fēng)吹倒，給對(duì)中桿上安裝的棱鏡帶來(lái)安全隱患。

2.新裝置的特點(diǎn)

為了克服普通對(duì)中桿作為高程上橋測(cè)量棱鏡支架的不足和缺陷，設(shè)計(jì)制作了一個(gè)精密三角高程上橋測(cè)量專用裝置，該裝置具有以下特點(diǎn):

1）兼容性強(qiáng)，通過(guò)棱鏡適配器可方便安裝多種常用CPⅢ測(cè)量棱鏡。

2）測(cè)量路線選擇靈活，即測(cè)即用。

3）在橋下可以兼作臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)，不用為上橋測(cè)量專門在橋下埋設(shè)過(guò)渡水準(zhǔn)點(diǎn)，節(jié)約測(cè)量成本。

4）橋下線路水準(zhǔn)點(diǎn)高程可以方便地引測(cè)至三角高程上橋測(cè)量裝置上的棱鏡中心，再將橋下三角高程上橋測(cè)量裝置上棱鏡中心的高程直接傳遞到橋上棱鏡中心，即圖1中的棱鏡高v=0?？梢杂行Ю弥悄苋緝x全程進(jìn)行前后視同時(shí)觀測(cè)，有效地削弱了大氣折光對(duì)高差測(cè)量誤差的影響。

5）以橋上CPⅢ控制點(diǎn)為橋上高程控制點(diǎn)，消除了橋上棱鏡的安全隱患。

6）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，便于攜帶。

三、精密三角高程上橋測(cè)量裝置主要構(gòu)造

1.裝置構(gòu)件實(shí)物圖

三角高程上橋測(cè)量裝置主要由11個(gè)構(gòu)件組成，實(shí)物如圖2～圖3所示。

圖2 各構(gòu)件實(shí)物圖

圖3 安裝棱鏡和水準(zhǔn)測(cè)量連接桿后的實(shí)物圖

2.各構(gòu)件名稱及功能

各構(gòu)件主要功能見(jiàn)表1。

3.各構(gòu)件制造工藝要求

1）各構(gòu)件結(jié)合部位及棱鏡適配器采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精加工，加工精度優(yōu)于0.1 mm。

表1 精密三角高程上橋測(cè)量裝置構(gòu)件功能說(shuō)明表

2）適配器轉(zhuǎn)換口為圓筒形不銹鋼材質(zhì)，上下通透。

3）構(gòu)件7～10的下端連接桿外徑與構(gòu)件1的內(nèi)徑應(yīng)切合緊密，使連接桿從適配器中能順利插拔并且不會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)。

4）連接圓盤為不銹鋼材質(zhì)，下方焊接用于固定支腳的套管，套管內(nèi)車有螺紋。

5）支腳為實(shí)心圓鋼，外車螺紋可以通過(guò)套管內(nèi)的螺紋固定起來(lái)，支腳下端為圓錐形，支腳固定后，在外側(cè)焊接腳踏。

6）構(gòu)件1和構(gòu)件4焊接在構(gòu)件3上，構(gòu)件4與構(gòu)件5通過(guò)絲口旋緊固定，使用完后，構(gòu)件5可從構(gòu)件4中拆卸下來(lái)以便搬運(yùn)。

7）加工附件時(shí)，應(yīng)確保將棱鏡適配器插入轉(zhuǎn)換口內(nèi)后，棱鏡中心與水準(zhǔn)測(cè)量連接桿的球頭中心重合，球棱鏡中心與半球尺墊的球心重合，如圖4～圖5所示。

圖4 插拔式安裝的棱鏡適配器及水準(zhǔn)測(cè)量連接桿附件安裝示意圖

圖5 球棱鏡適配器及半球尺墊附件安裝示意圖

8）球棱鏡適配器頂部球面的半徑與球棱鏡半徑相同，磁性半球尺墊隨球棱鏡配套購(gòu)買。

9）水準(zhǔn)測(cè)量連接桿頂部的球頭為一固定半徑的球體，在機(jī)械加工時(shí)將其加工為整數(shù)厘米的半徑值，以便于將球頂高程改化至球心。

10）支架總重量大于5 kg，可防止測(cè)量過(guò)程中支架自身重量過(guò)輕造成支架回彈。

四、操作要點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用效果

1.高程上橋測(cè)量操作要點(diǎn)

架設(shè)全站儀，測(cè)量前、后視距離，一般前、后視距離不大于100 m，最大不得超過(guò)150 m，前、后視距差不應(yīng)超過(guò)5 m［1］，選一大致平坦土質(zhì)堅(jiān)實(shí)的地方安放三角高程上橋測(cè)量裝置，將支架踩實(shí)，使之在觀測(cè)過(guò)程中不發(fā)生下沉或上浮。

當(dāng)測(cè)量采用徠卡、Sining小棱鏡時(shí)，先將水準(zhǔn)測(cè)量連接桿插入適配器轉(zhuǎn)換口，將地面水準(zhǔn)點(diǎn)高程按幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法引測(cè)至水準(zhǔn)測(cè)量球頭連接桿頂部的球頭中心。由于水準(zhǔn)測(cè)量連接桿頂端為固定半徑的球形，因此，即使支架傾斜，也能保證水準(zhǔn)測(cè)量連接桿球心與棱鏡中心重合。水準(zhǔn)測(cè)量引測(cè)時(shí)，測(cè)站數(shù)應(yīng)為偶數(shù)站，然后取下水準(zhǔn)測(cè)量球頭連接桿，安裝棱鏡適配器和棱鏡，應(yīng)用CPⅢ平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)橋上橋下棱鏡進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，按照規(guī)范要求測(cè)完所有測(cè)回的觀測(cè)數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)計(jì)算時(shí)，將水準(zhǔn)測(cè)量球頭連接桿頂部高程減去球頭半徑即可歸化為棱鏡中心高程，應(yīng)用不量?jī)x器高、棱鏡高三角高程測(cè)量原理將地面線路水準(zhǔn)點(diǎn)高程引測(cè)至橋上 CPⅢ點(diǎn)上［2］。

當(dāng)測(cè)量采用球棱鏡時(shí)，先將球棱鏡適配器插入轉(zhuǎn)換口，在水準(zhǔn)尺底部裝上磁性半球尺墊進(jìn)行高程引測(cè)，然后進(jìn)行上橋測(cè)量。由于磁性半球尺墊是外徑相同的球棱鏡球體沿球心切割一半制成，因此引測(cè)至磁性半球尺墊中心的高程即為三角高程上橋測(cè)量裝置上球棱鏡中心高程。外業(yè)觀測(cè)與內(nèi)業(yè)計(jì)算原理與其他類型棱鏡相同。

2.應(yīng)用效果

該裝置在哈大高鐵TJ-1標(biāo)段CPⅢ測(cè)量中進(jìn)行了應(yīng)用，前后上橋測(cè)量共28次，減少埋設(shè)臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)28個(gè)，節(jié)約埋樁費(fèi)用5.6萬(wàn)元，節(jié)約80個(gè)人工日，節(jié)約工費(fèi)1.2萬(wàn)元，共節(jié)約費(fèi)用6.8萬(wàn)元，利用CPⅢ數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)現(xiàn)了三角高程上橋測(cè)量?jī)?nèi)外業(yè)一體化，并且提高了測(cè)量精度和效率，取得了良好的應(yīng)用效果。

五、結(jié)束語(yǔ)

精密三角高程上橋測(cè)量裝置獲得了國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局實(shí)用新型專利授權(quán)，為高程上橋測(cè)量提供了一種專用裝備，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，便于拆裝和攜帶，有效地提高了測(cè)量精度和測(cè)量效率，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 譙生有，周建軍，周建東.客運(yùn)專線無(wú)砟軌道CPⅢ精密控制網(wǎng)測(cè)量探討［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009（S1）:36-39.

［2］ 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10601—2009高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

［3］ 譙生有，聞道榮.無(wú)砟軌道CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量精度影響因素分析［J］.測(cè)繪通報(bào)，2011（12）:47-49.

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