关于工程测量新设备应用技术分析

1、关于工程测量新设备应用技术分析摘要：工程测量的方法和设备与传统的测量不同。其中重要的测量设备除深层沉降仪与测斜仪外，还有振弦式钢筋应力计、土压力盒、孔隙水压力计等，分别适用于不同的专门需求。当前，基坑支护设计尚无成熟的方法用以计算基坑周围的土体变形，施工中通过准确及时的监测，可以指导基坑开挖和支护，有利于及时采取应急措施，避免或减轻破坏性的后果。关键字：工程测量；设备；技术；研究一、工程监测的特点分析1、时效性普通工程测量一般没有明显的时间效应。基坑监测通常是配合降水和开挖过程，有鲜明的时间性。测量结果是动态变化的，一天以前（甚至几小时以前）的测量结果都会失去直接的意义，因此深基坑施工中监测需

2、随时进行，通常是1次/d，在测量对象变化快的关键时期，可能每天需进行数次。基坑监测的时效性要求对应的方法和设备具有采集数据快、全天候工作的能力，甚至适应夜晚或大雾天气等严酷的环境条件。2、高精度普通工程测量中误差限值通常在数毫米，例如60m以下建筑物在测站上测定的高差中误差限值为2.5mm，而正常情况下基坑施工中的环境变形速率可能在0.1mm/d以下，要测到这样的变形精度，普通测量方法和仪器部不能胜任，因此基坑施工中的测量通常采用一些特殊的高精度仪器。3、等精度基坑施工中的监测通常只要求测得相对变化值，而不要求测量绝对值。例如，普通测量要求将建筑物在地面定位，这是一个绝对量坐标及高程的测量，而

3、在基坑边壁变形测量中，只要求测定边壁相对于原来基准位置的位移即可，而边壁原来的位置（坐标及高程）可能完全不需要知道。由于这个鲜明的特点，使得深基坑施工监测有其自身规律。例如，普通水准测量要求前后视距相等，以清除地球曲率、大气折光、水准仪视准轴与水准管轴不平行等项误差，但在基坑监测中，受环境条件的限制，前后视距可能根本无法相等。这样的测量结果在普通测量中是不允许的，而在基坑监测中，只要每次测量位置保持一致，即使前后视距相差悬殊，结果仍然是完全可用的。因此，基坑监测要求尽可能做到等精度。使用相同的仪器，在相同的位置上，由同一观测者按同一方案施测。二、工程测量新设备和技术适应基坑监测的上述内容和特点

4、，具体测量中采用了很多新型的测量仪器，本文结合作者在河南参与的工程实例，介绍磁性深层沉降仪和测斜仪等设备。这些新的设备及其技术特点是传统的工程测量不能涵盖的。1、深层沉降仪深层沉降仪是用来精确测量基坑范围内不同深度处各土层在施工过程中沉降或隆起数据的仪器。它由对磁性材料敏感的探头和带刻度标尺的导线组成。当探头遇到预埋在预定深度钻孔中的磁性材料圆环时，沉降仪上的蜂鸣器就会发出叫声。此时测量导线上标尺在孔口的刻度以及孔口的标高，即可获得磁性环所在位置的标高。通过对不同时期测量结果的对比与分析，可以确定各土层的沉降（或隆起）结果。深层沉降观测过程分为井口标高观测和场地土深层沉降观测两大部分。井口标高

5、观测按常规光学水准观测方法进行。以下介绍作者在工程实际中使用的加拿大rocktest公司产r-4型磁性沉降仪，其刻度划分为1mm，读数分辨精度为0.5mm。1）磁性沉降标的安装（1）用钻机在场地中预定位置钻孔（实际布设孔位时要注意避开墙柱轴线）。根据各个测点的不同观测目的，考虑到上部结构的重量分布及结构形式以及实际土压力影响深度，综合取定各孔深尺寸及沉降标在孔中的埋设位置。 （2）用pvc塑料管作为磁性探头的通道（称为导管），导管两端设有底盖和顶封。将第一个磁性圆环安装在塑料管的端部，放入钻孔中。待端部抵达孔底时，将磁性圆环上的卡爪弹开；由于卡爪打开后无法收回，故这种磁性环是一次性的，不能重复

6、使用，安装时必须格外小心。（3）将需安装的磁性圆环套在塑料管上，依次放大孔中预定深度。确认磁性环位置正确后，弹开卡爪。测量点位要综合考虑基底压力影响深度曲线和地质勘探报告中有关土层的分布情况。（4）固定探头导管，将导管与钻孔之间的空隙用砂填实。（5）固定孔口，制作钢筋混凝土孔口保护圈。（6）测量孔口标高3次，以平均值作为孔口稳定标高。测量各磁性圆环的初始位置（标高）3次，以平均值作为各环所在位置的稳定标高。2）磁性沉降标的测量（1）在深层沉降标孔口做出醒目标志，严密保护孔口。将孔位统一编号，以与测量结果对应。（2）根据基坑施工进度，随时调整孔口标高。每次调整孔口标高前后，均须分别测量孔口标高和

7、各磁性环的位置。（3）每次基坑有较大的荷载变化前后，亦须测量磁性环位置。2、测斜仪测斜仪是一种可以精确地测量沿铅垂方向土层或围护结构内部水平位移的工程测量仪器，可以用来测量单向位移，也可以测量双向位移，再由两个方向的位移求出其矢量和，得到位移的最大值和方向。本文介绍加拿大rocktest公司产rt-20mu型测斜仪，其仪器标称精度为±6mm/25m，探头精度为±0.1mm/0.5m。1）测斜管的埋设（1）在预定的测斜管埋设位置钻孔。根据基坑的开挖总深度，确定测斜管孔深，即假定基底标高以下某一位置处支护结构后的土体侧向位移为零，并以此作为侧向位移的基准。（2）将测斜管底部装上

8、底盖，逐节组装，并放大钻孔内。安装测斜管时，随时检查其内部的一对导槽，使其始终分别与坑壁走向垂直或平行。管内注入清水，沉管到孔底时，即向测斜管与孔壁之间的空隙内由下而上逐段用砂填实，固定测斜管。（3）测斜管固定完毕后，用清水将测斜管内冲洗干净，将探头模型放入测斜管内，沿导槽上下滑行一遍，以检查导槽是否畅通无阻，滚轮是否有滑出导槽的现象。由于测斜仪的探头十分昂贵，在未确认测斜管导槽畅通时，不允许放入探头。（4）测量测斜管管口坐标及高程，做出醒目标志，以利保护管口。现场测量前务必按孔位布置图编制完整的钻孔列表，以与测量结果对应。2）土体水平位移测量（1）连接探头和测读仪。当连接测读仪的电缆和探头时

9、，要使用原装扳手将螺母接上。检查密封装置、电池充电情况（电压）及仪器是否能正常读数。当测斜仪电压不足时必须立即充电，以免损伤仪器。（2）将探头插入测斜管，使滚轮卡在导槽上，缓慢下至孔底以上0.5m处。注意不要把探头降到套管的底部，以免损伤探头。测量自下而上地沿导槽全长每隔0.5m测读一次。为提高测量结果的可靠度，每一测量步骤中均需一定的时间延迟，以确保读数系统与环境温度及其他条件平稳（稳定的特征是读数不再变化）。若对测量结果有怀疑可重测，重测的结果将覆盖相应的数据。< /p> （3）测量完毕后，将探头旋转180°，插入同一对导槽，按以上方法重复测量，前后两次测量时的各测点

10、应在同一位置上；在这种情况下，两次测量同一测点的读数绝对值之差应小于10%，且符号相反，否则应重测本组数据。（4）用同样的方法和程序，可以测量另一对导槽的水平位移。（5）侧向位移的初始值应取基坑降水之前，连续3次测量无明显差异之读数的平均值。（6）观测间隔时间通常取定为3d。当侧向位移的绝对值或水平位移速率有明显加大时，必须加密观测次数。 1 GPS测量技术GPS定位技术的高度自动化及其所达到的高精度和具有的潜力,也引起了广大测量工作者的极大兴趣。当时GPS定位基本上只有一个作业模式静态相对定位,两台或若干台GPS接收机安置在待定点上,连续同步观测同一组卫星12 h或更长一些时间,通过观测数据

11、的后处理,给出各待定点间的基线向量,在采用广播星历的条件下,静态定位可取得5 mm + 1 ×10 - 6D (双频)或10 mm + 2 ×10 - 6D (单频)基线解精度。随着技术的发展,快速静态定位为短基线测量作业闯出了一条新路,大大提高了GPS测量的劳动生产率。一对GPS测量系统(双频)在10 km以内的短边上,正常接收45颗卫星5min左右,即可获取510 mm + 1 ×10 - 6D 的基线精度,与12 h甚至更长时间静态定位的结果不相上下。各个GPS测量厂商看好这个大趋势,纷纷推出各自的GPS测量新产品。有的把这种新型产品称之为GPS全站仪,有的

12、称之为RTK(实时动态测量) ,有的称之为RTK GPS。总之, GPS测量理论与设备的不断发展,使得GPS测量技术日趋成熟, GPS测量功能更加完善, GPS测量应用面更广,并且GPS测量设备价格变得低廉,操作更加简便,使GPS测量更加实用化和自动化。20世纪80年代以来,随着GPS定位技术的出现和不断发展完善,使测绘定位技术发生了革命性的变革,为工程测量提供了崭新的技术手段和方法。长期以来用测角、测距、测水准为主体的常规地面定位技术,正在逐步被以一次性确定三维坐标的、高速度、高效率、高精度的GPS技术所代替;定位方法已从静态扩展到动态;定位服务领域已从导航和测绘领域扩展到国民经济建设的广阔

13、领域。下面主要介绍GPS系统的组成、工作原理以及其在测量领域的应用特点。·111 GPS系统的组成GPS全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成,除此之外,测量用户还应有卫星接收设备。空间卫星群, GPS的空间卫星群由24颗高约20万公里的GPS卫星群组成,并均匀分布在6个轨道面上,各平面之间交角为60°,轨道和地球赤道的倾角为55°,卫星的轨道运行周期为11小时58分,这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以同时接收411颗GPS卫星发送出的信号。GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成,其作用是接收G

14、PS卫星发出的信号,利用信号进行导航定位等。在测量领域,随着现代的科学技术的发展,体积小、重量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。112 GPS的工作原理GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。就是在需要定位的位置p点架设GPS接收机,在某一时刻同时接收了3颗( a、b、c)以上的GPS卫星所发出的导航电文,通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离sap、sbp、scp ,同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(三维坐标) 。从而用距离交会的方法求得p点的三维坐标( xp , yp , zp ) ,其数学式为

15、:sap2 = ( xp - xa ) 2 + ( yp - ya ) 2 + ( zp + za ) 2 sbp2 = ( xp - xb ) 2 + ( yp - yb ) 2 + ( zp + zb ) 2 scp2 = ( xp - xc ) 2 + ( yp - yc ) 2 + ( zp + zc ) 2 (1)式(1)中( xa , ya , za ) , ( xb , yb , zb ) , ( xc , yc , zc )分别为卫星a, b, c在ti时刻的空间直角坐标。在GPS测量中通常采用两类坐标系统,一类是在空间固定的坐标系统,另一类是与地球体相固联的坐标系统,称地固坐

16、标系统,在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。(如: WGS - 84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系。)在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换,来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果,因此在测量中被得到了广泛的应用。113 GPS测量的技术特点相对于常规的测量方法来讲, GPS测量有以下特点:1)测站之间无需通视。GPS这一特点,使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔,以使接收GPS卫星信号不受干扰。2)定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5 mm+ 1 ×10 - 6D,而红外仪标称精度为5 mm

17、+ 5 ×10 - 6D, GPS测量精度与红外仪相当,但随着距离的增长, GPS测量优越性愈加突出。3)观测时间短。采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在3040 min左右,采用快速静态定位方法,观测时间更短。4)提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时,可以精确测定观测站的大地高程。5)操作简便。GPS测量的自动化程度较高。目前GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化,观测人员只需将天线对中、整平,量取天线高打开电源即可进行自动观测,利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获,跟踪观测等均由仪器自动完成。6)全天候作业。GPS

18、观测可在任何地点,任何时间连续地进行,一般不受天气状况的影响。在中国GPS定位技术的应用已深入各个领域,国家大地网、城市控制网、工程控制网的建立与改造已普遍地应用GPS技术。在石油勘探、高速公路、通信线路、地下铁路、隧道贯通、建筑变形、大坝监测、山体滑坡、地震的形变监测、海岛或海域测量等也已广泛的使用GPS技术。随着DGPS差分定位技术和RTK实时差分定位系统的发展和美国AS技术的解除,单点定位精度不断提高, GPS技术在导航、运载工具实时监控、石油物探点定位、地质勘查剖面测量、碎部点的测绘与放样等领域将有广泛的应用前景。2 GPS全球定位系统在工程测量中的应用GPS全球定位系统(Global

19、 Positioning System)在工程测量中的应用,在最近的两年得到了迅速推广,这主要依赖于GPS系统可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数。工程测量主要应用了GPS的两大功能:静态功能和动态功能。静态功能是通过接收到的卫星信息,确定地面某点的三维坐标;动态功能是通过卫星系统,把已知的三维坐标点位,实地放样地面上。利用GPS静态定位技术和动态定位技术相结合的方法可以高效、高精度地完成公路平面控制测量。例如在公路控制测量中使用静态功能这一技术进行定线测量的精度可以完全满足公路勘察设计和公路建设的精度要求。下面以GPS测量技术在公路测量中的应用为例

20、介绍GPS系统在实际工程测量工作中的应用。随着国民经济的快速增长,国内高等级公路建设迎来前所末有的发展机遇,这就对勘测设计提出了更高的要求,随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发展,公路设计已实现CAD化,有些软件本身还要求提供地面数字化测绘产品的支持;建立勘测、设计、施工、后期管理一体化的数据链,减少数据转抄、输入等中间环节,是公路勘测设计“内外业一体化”的要求,也是影响高等级公路设计技术发展的“瓶颈”所在。目前公路勘测中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备,但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制,作业强度大,且效率低,大大延长了设计周期。勘测技术的进步在于设备引进和技术改造,在目前的技术条件

21、下引入GPS技术应当是首选。当前,用GPS静态或快速静态方法建立沿线总体控制测量,为勘测阶段测绘带状地形图、路线平面、纵横断面测量提供依据;在施工阶段为桥梁,隧道建立施工控制网,这仅仅是GPS在公路测量中应用的初级阶段,公路测量的技术潜力蕴于RTK(实时动态定位)技术的应用之中, RTK技术在公路工程测量中的应用,有着非常广阔的前景。下面就RTK技术在公路勘测中的应用作简单的介绍。211 实时动态( RTK)定位技术简介实时动态(RTK)定位技术是GPS测量技术发展的一个新突破,在公路工程中有广阔的应用前景。众所周知,无论静态定位,还是准动态定位等定位模式,由于数据处理滞后,所以无法实时解算出

22、定位结果,而且也无法对观测数据进行检核,这就难以保证观测数据的质量,在实际工作中经常需要返工来重测由于粗差造成的不合格观测成果。解决这一问题的主要方法就是延长观测时间来保证测量数据的可靠性,这样一来就降低了GPS测量的工作效率。实时动态定位(RTK)系统由基准站和流动站组成,建立无线数据通讯是实时动态测量的保证,其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点,安置1台接收机作为参考站,对卫星进行连续观测,流动站上的接收机在接收卫星信号的同时,通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据,随·12· 地矿测绘 机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样

23、用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况,根据待测点的精度指标,确定观测时间,从而减少冗余观测,提高工作效率。实时动态(RTK)定位有快速静态定位和动态定位两种测量模式,两种定位模式相结合,在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样、监理和GIS(地理信息系统)前端数据采集。21111 快速静态定位模式要求GPS接收机在每一流动站上,静止的进行观测。在观测过程中,同时接收基准站和卫星的同步观测数据,实时解算整周未知数和用户站的三维坐标,如果解算结果的变化趋于稳定,且其精度已满足设计要求,便可以结束实时观测。一般应用在控制测量中,如控制网加密;若采用常规测量方法(如全站仪

24、测量) ,受客观因素影响较大,在自然条件比较恶劣的地区实施比较困难,而采用RTK快速静态测量,可起到事半功倍的效果。单点定位只需要5 10 min不及静态测量所需时间的五分之一,在公路测量中可以代替全站仪完成导线测量等控制点加密工作。21112 动态定位测量前需要在一控制点上静止观测数分钟(有的仪器只需210 s)进行初始化工作,之后流动站就可以按预定的采样间隔自动进行观测,并连同基准站的同步观测数据,实时确定采样点的空间位置。其定位精度可以达到厘米级。动态定位模式在公路勘测阶段有着广阔的应用前景,可以完成地形图测绘、中桩测量、横断面测量、纵断面测量等工作。且整个测量过程不需通视,有着常规测量

25、仪器(如全站仪)不可比拟的优点。21113 RTK技术的优点RTK技术主要具有以下优点:1)实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果(包括高程) ;2)彻底摆脱了由于粗差造成的返工,提高了GPS作业效率;3)作业效率高,每个放样点只需要停留24 s,其精度和效率是常规测量所无法比拟的;4)应用范围广,可以涵盖公路测量(包括平、纵、横) ,施工放样,监理,竣工测量,养护测量, GIS前端数据采集诸多方面;5)如辅助相应的软件, RTK可与全站仪联合作业,充分发挥RTK与全站仪各自的优势。3 结论综上所述,虽然GPS测量技术在公路工程测量中的应用使传统的公路工程测量技术有了突飞猛进的发展,但二者相比,常规测量方法还存在以下的缺陷:1)规范对附合导线长、闭合导线长及结点导线间长度等有严格规定。由于公路测量的作业面是一狭长带状,这样,导线长度很难达到规范要求,往往会出现超规范作业。2)搜集到的用于路线测量控制的起算点间一般很难保证为同一测量系统,往往国测、军测、城市控制点混杂一起,这就存在系统间的兼容性问题,如果用不兼容的起算点,势必影响测量质量。3)国家大地点破坏严重影响测量作业。由于国家基础控制点,大多为20世纪50、60年代完成,有些点由于经济建设的需要已被破坏,有些点则由于人们缺乏知识遭人为破坏。因此往往不