CPⅢ技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

岳仁賓，張 恒，李 超

（重慶市勘測(cè)院，重慶400020）

近年來，城市建設(shè)的加快，巨大的規(guī)模和復(fù)雜的工藝對(duì)安全監(jiān)測(cè)工作的開展提出更高的要求。而山體滑坡、極端天氣等環(huán)境因素的影響，使突發(fā)事件增多、變形監(jiān)測(cè)搶險(xiǎn)工程頻繁出現(xiàn)。相對(duì)于常規(guī)變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，搶險(xiǎn)工程通常要求反應(yīng)速度快，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)獲取監(jiān)測(cè)對(duì)象的變形信息，因此常常采用特殊的測(cè)量方式。在高鐵建設(shè)中已廣泛應(yīng)用的CPⅢ技術(shù)，為變形監(jiān)測(cè)搶險(xiǎn)工程提供了一個(gè)簡(jiǎn)單有效的作業(yè)方式。

我國(guó)客運(yùn)專線無碴軌道鐵路工程測(cè)量平面控制網(wǎng)可分為3個(gè)等級(jí)：第1級(jí)為基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)（CPⅠ），第2級(jí)為線路控制網(wǎng)（CPⅡ），第3級(jí)為基樁控制網(wǎng)（CPⅢ），主要為鋪設(shè)無碴軌道和運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供控制基準(zhǔn)，可采用導(dǎo)線測(cè)量方法或者后方交會(huì)法測(cè)量。其中，采用后方交會(huì)的方法觀測(cè)量較多，圖形條件強(qiáng)，能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度。

1 CPⅢ測(cè)量方法及精度要求

1．1 CPⅢ平面控制網(wǎng)的布設(shè)和測(cè)量

基于后方交會(huì)測(cè)量的CPⅢ控制網(wǎng)應(yīng)采用獨(dú)立自由網(wǎng)平差，網(wǎng)形如圖1所示。

從圖1所示的CPⅢ網(wǎng)形可以看出，CPⅢ平面網(wǎng)是一個(gè)非常規(guī)則的測(cè)量控制網(wǎng)，所有CPⅢ點(diǎn)在網(wǎng)中的交互強(qiáng)度很高而且分布均勻，圖形強(qiáng)度高，網(wǎng)本身基本沒有最弱點(diǎn)的存在。CPⅢ平面網(wǎng)觀測(cè)時(shí)采用全站儀自由設(shè)站的方法，因此不存在儀器對(duì)中誤差。測(cè)站間距大致相等，均勻分布在線路中線附近。在高鐵建設(shè)中，CPⅢ點(diǎn)采用特殊的強(qiáng)制固定裝置，保證了目標(biāo)點(diǎn)重復(fù)安裝的精度，也最大程度消減了棱鏡安裝時(shí)的對(duì)中誤差。

圖1 CPⅢ后方交會(huì)控制網(wǎng)

1．2 CPⅢ三角高程測(cè)量

如圖2所示，以1、2、11、12號(hào)CPⅢ點(diǎn)為例，它們距測(cè)站的距離大致相等，在等距的情況下，目標(biāo)點(diǎn)之間的高差是消除了地球曲率影響的，同時(shí)，由于CPⅢ點(diǎn)上直接安置棱鏡，儀器高的測(cè)量誤差也避免了，4個(gè)點(diǎn)之間的高差是精確的。同樣可知3、4、9、10號(hào)點(diǎn)之間以及5、6、7、8號(hào)點(diǎn)之間任意兩點(diǎn)之間的高差。

圖2 CPⅢ相鄰兩站關(guān)系示意圖

如果只是考慮一站的對(duì)應(yīng)點(diǎn)高差，從列的方向看，只能得到1號(hào)點(diǎn)與11號(hào)點(diǎn)、2號(hào)點(diǎn)與9號(hào)點(diǎn)、5號(hào)點(diǎn)與7號(hào)點(diǎn)之間的高差，缺少3號(hào)與5號(hào)、7號(hào)與9號(hào)之間的高差。這樣建立不了完整的水準(zhǔn)網(wǎng)。因此考慮以相鄰兩站為研究對(duì)象，計(jì)算出測(cè)站之間8號(hào)點(diǎn)與10號(hào)點(diǎn)的高差h8－10，或者是7號(hào)點(diǎn)與9號(hào)點(diǎn)的高差h7－9。由于8號(hào)點(diǎn)與10號(hào)點(diǎn)到測(cè)站的距離相差較大，這里以兩站分別求出的h8－10取平均值作為8號(hào)點(diǎn)與10號(hào)點(diǎn)的觀測(cè)高差。

三角高差存在重復(fù)觀測(cè)的情況，于是存在觀測(cè)值歸化的問題。該問題的處理思想是：以高差觀測(cè)值h5－6的兩對(duì)應(yīng)點(diǎn)，5號(hào)點(diǎn)和6號(hào)點(diǎn)到測(cè)站的水平距離之和為定權(quán)標(biāo)準(zhǔn)，取所有重復(fù)觀測(cè)值的加權(quán)平均值為其最終觀測(cè)值，并反算出其對(duì)應(yīng)的權(quán)。計(jì)算表達(dá)式為

按照上述算法思想，可以得到CPⅢ水準(zhǔn)網(wǎng)的三角高差觀測(cè)值，進(jìn)而進(jìn)行高程平差，就可以計(jì)算出高程。

1．3 高鐵建設(shè)中控制網(wǎng)的精度要求

無碴軌道測(cè)量各級(jí)控制網(wǎng)在鐵路施工中發(fā)揮著不同的作用，對(duì)測(cè)量精度的要求也有所不同，其中CPⅢ控制網(wǎng)的測(cè)量準(zhǔn)則見表1、表2。

表1 無碴軌道測(cè)量各平面控制網(wǎng)測(cè)量精度要求 mm

表2 無碴軌道測(cè)量各平面控制網(wǎng)測(cè)量精度要求

精密水準(zhǔn)測(cè)量距離L＜1 k m，CPⅢ網(wǎng)高程中誤差小于±1 mm。

《建筑變形測(cè)量規(guī)范JGJ 8－2007》規(guī)定了建筑變形觀測(cè)的等級(jí)及精度要求，如表3所示。

表3 變形觀測(cè)的等級(jí)及精度要求

由表1表2和表3的對(duì)比可見，CPⅢ控制網(wǎng)的平面測(cè)量精度滿足變形觀測(cè)二級(jí)的要求，CPⅢ高程測(cè)量能夠達(dá)到精密水準(zhǔn)測(cè)量精度，因此在距離不長(zhǎng)的情況下，將CPⅢ技術(shù)應(yīng)用于大多數(shù)變形監(jiān)測(cè)工程在理論上是可行的。

2 工程實(shí)例

2．1 工程概況

由于連續(xù)特大暴雨襲擊，重慶市某區(qū)濱江路某段隔離帶出現(xiàn)較大裂痕，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，該路段以隔離帶為界，靠江一側(cè)為橋梁，另一側(cè)為實(shí)地，橋梁與實(shí)地的交界處為一個(gè)L型構(gòu)筑物，L型構(gòu)筑物頂部已出現(xiàn)明顯裂縫，如圖3所示。橋下靠實(shí)地一側(cè)的橋墩與L型構(gòu)筑物緊密連接，可能受L型構(gòu)筑物的變形影響較大。為獲取橋墩和L型構(gòu)筑物的變形情況，需要對(duì)該區(qū)域開展變形監(jiān)測(cè)搶險(xiǎn)工作。

搶險(xiǎn)工程共分為三部分：L型構(gòu)筑物的沉降監(jiān)測(cè)、裂縫監(jiān)測(cè)、橋墩的平面及沉降變形監(jiān)測(cè)。其中橋墩變形觀測(cè)采用CPⅢ技術(shù)，其余部分為常規(guī)測(cè)量方法。本文介紹橋墩的平面及沉降變形觀測(cè)。

2．2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)及外業(yè)測(cè)量

圖3 重慶市某區(qū)濱江路某段隔離帶出現(xiàn)裂縫

為了滿足變形監(jiān)測(cè)的要求，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，將4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)選定在變形區(qū)域外的橋墩上，編號(hào)為K1～K4。在變形區(qū)域內(nèi)的橋墩上共布設(shè)20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為Z1～Z20，采用CPⅢ技術(shù)平面位移監(jiān)測(cè)、沉降監(jiān)測(cè)同時(shí)進(jìn)行，測(cè)站架設(shè)在L型構(gòu)筑物與護(hù)坡間的人行過道上，測(cè)站間距離大致相等，約為20 m，每一期觀測(cè)測(cè)站架設(shè)位置相同。點(diǎn)位布設(shè)及觀測(cè)路線見圖4。因測(cè)站較多，圖中僅表示出第2、第3兩測(cè)站的觀測(cè)線路。

圖4 橋墩監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況及觀測(cè)線路圖

變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)控制網(wǎng)采用“一點(diǎn)一方位”建立，假定 K1（500．000，500．000，100．000）為 已 知 點(diǎn)，K1－K3為零方向建立坐標(biāo)基準(zhǔn)，采用高精度全站儀聯(lián)測(cè)，求出K2～K4坐標(biāo)，作為本次變形監(jiān)測(cè)搶險(xiǎn)工程的基準(zhǔn)網(wǎng)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)使用TCA2003智能型全站儀（0．5″，1 mm＋1 pp m）自動(dòng)觀測(cè)，水平角及垂直角均觀測(cè)4測(cè)回，距離測(cè)量8測(cè)回。全站儀與PDA建立實(shí)時(shí)通訊，數(shù)據(jù)傳入PDA后立即進(jìn)行近似坐標(biāo)計(jì)算，并將數(shù)據(jù)初步對(duì)比，全部觀測(cè)完成后需要進(jìn)行嚴(yán)密平差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2．3 數(shù)據(jù)處理及變形分析

本工程數(shù)據(jù)處理采用自由網(wǎng)平差結(jié)合坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完成。首先把監(jiān)測(cè)網(wǎng)中各網(wǎng)點(diǎn)Z1～Z20同與其聯(lián)測(cè)的K1～K4一起進(jìn)行自由網(wǎng)平差，這樣K1～K4點(diǎn)就有了兩套坐標(biāo)：一套是自由網(wǎng)平差的坐標(biāo)，另一套是它們?cè)谧冃伪O(jiān)測(cè)網(wǎng)坐標(biāo)基準(zhǔn)下的坐標(biāo)。利用4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，按最小二乘原理，可以求得兩套坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)實(shí)現(xiàn)將監(jiān)測(cè)網(wǎng)網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到假定的坐標(biāo)基準(zhǔn)下。

本搶險(xiǎn)工程于8月2日開始，至8月24日加固工程完成后結(jié)束，轉(zhuǎn)入常規(guī)變形觀測(cè)，共觀測(cè)23期。其中8月2日至8月6日暴雨期間每天觀測(cè)2期；8月7日至8月14日L型構(gòu)筑物支護(hù)工程已完成，每天觀測(cè)1期；8月15日～24日護(hù)坡加固期間每?jī)商煊^測(cè)1期。由于數(shù)據(jù)量較大，本文僅列出裂縫最大處的Z1、Z2監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見表4。

表4 Z1、Z2點(diǎn)平面位移及沉降觀測(cè)統(tǒng)計(jì)

表4結(jié)果表明：

1）Z1、Z2點(diǎn)變化趨勢(shì)基本一致，這是因?yàn)閆1、Z2兩點(diǎn)分別位于同一橋墩的兩側(cè)。

2）Z1、Z2點(diǎn)在第8期（8月5日，19：00）發(fā)生突變，其中沿Y負(fù)方向變化尤其明顯，平均變化量為22．1 mm。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，8月5日中午完成了L型構(gòu)筑物及橋墩的支護(hù)工作，對(duì)L型構(gòu)筑物和橋墩有頂推施工。

3）Z1、Z2點(diǎn)在第8期至第32期之間無明顯變化。8月5日至8月24日間，主要支護(hù)工作完成，降雨結(jié)束，各點(diǎn)位趨于穩(wěn)定。

其余各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)與Z1、Z2基本一致，除第8期出現(xiàn)突變外，其余各期處于緩慢變化狀態(tài)；其中Z11～Z20共10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)整體變化相對(duì)較小，這是因?yàn)閆11～Z20布設(shè)在第2排橋墩上，距離L型構(gòu)筑物較遠(yuǎn)。

將應(yīng)用CPⅢ技術(shù)得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與裂縫觀測(cè)（使用游標(biāo)卡尺測(cè)量）、L型擋墻沉降觀測(cè)（直接水準(zhǔn)測(cè)量）對(duì)比，分析結(jié)果完全一致。

3 結(jié)束語

本文敘述了采用CPⅢ技術(shù)進(jìn)行橋墩平面位移及沉降監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位布設(shè)、數(shù)據(jù)采集、變形分析等過程，通過對(duì)比布設(shè)在橋墩兩側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)各期觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析橋墩的變形趨勢(shì)。經(jīng)過綜合對(duì)比，應(yīng)用CPⅢ技術(shù)得到的橋墩變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與裂縫觀測(cè)、L型擋墻沉降觀測(cè)的分析結(jié)果完全一致，并且觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況與現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)程相符合，說明觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠性強(qiáng)，能夠準(zhǔn)確反映監(jiān)測(cè)對(duì)象的形變。

在監(jiān)測(cè)點(diǎn)呈帶狀有規(guī)律分布的情況下，使用CPⅢ技術(shù)具有操作方便、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。隨著數(shù)據(jù)采集方式的多元化和數(shù)據(jù)處理軟件的日益完善，CPⅢ技術(shù)必然能夠在變形監(jiān)測(cè)工程，尤其是搶險(xiǎn)工程中發(fā)揮更大的作用。

［1］ 中華人民共和國(guó)鐵道部．鐵建設(shè)［2006］189號(hào)客運(yùn)專線鐵路無碴軌道工程測(cè)量技術(shù)暫行規(guī)定［S］．北京：中國(guó)鐵道出版社，2006：5－16．

［2］ 李毛毛．無砟軌道CPⅢ控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方法研究及其軟件的集成［D］．成都：西南交通大學(xué)，2005：6－20．

［3］ 周?。瓹PⅢ自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理［D］．武漢：武漢大學(xué)，2009：7－9．

［4］ 王鵬，劉成龍，楊希．無碴軌道CPⅢ自由設(shè)站邊角交會(huì)網(wǎng)平差概略坐標(biāo)計(jì)算方法研究［J］．鐵道勘察，2008（3）：26－28．

［5］ 張海鈴．基于TCA2003全站儀的自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制［D］．青島：山東科技大學(xué)，2005．

［6］ 賴祖龍，程新文，陳性義，等．CPⅢ測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)開發(fā)若干關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．測(cè)繪科學(xué)，2008，33（S1）：115－117．

［7］ 姚宜斌．平面坐標(biāo)系統(tǒng)相互轉(zhuǎn)換的一種簡(jiǎn)便算法［J］．測(cè)繪信息與工程，2001（1）：1－3．

［8］ 王旭華，趙德深，吳寅．邊角控制網(wǎng)兩類觀測(cè)值權(quán)的確定研究［J］．測(cè)繪通報(bào)，2004（6）：19－21．

［9］ 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院測(cè)量平差學(xué)科組．誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)［M］．武漢：武漢大學(xué)出版社，2003．

［10］閆廣峰，高山．高速鐵路CPⅢ網(wǎng)平差起算點(diǎn)兼容性研究［J］．測(cè)繪工程，2014，23（8）：50－53．

［11］劉浩，劉國(guó)建．三角高程測(cè)量在高速公路控制測(cè)量中的應(yīng)用研究［J］．地理空間信息，2008，6（1）：111－113．

［12］王知章，潘正風(fēng)，劉冠蘭．三角高程測(cè)量在高鐵特大橋無碴軌道施工測(cè)量中的應(yīng)用［J］．工程勘察，2009（6）：69－71．