陳里

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司第四工程有限公司，天津 300222）

淺談全站儀在工程施工測量中的應(yīng)用

陳里

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司第四工程有限公司，天津 300222）

全站儀是目前工程施工中最為高效率的測量儀器，可以在同一測站中實(shí)現(xiàn)對施工對象角度、距離、坐標(biāo)、高程等的測量，同時(shí)，還可以進(jìn)行坐標(biāo)放樣，使用方便、支持大量信息存儲(chǔ)且測量精確度高，為施工工作量大幅減負(fù)。本文以X長江大橋施工項(xiàng)目為實(shí)例，介紹了該大橋利用全站儀實(shí)施工程施工測量的全過程，證明了全站儀的高精度與高穩(wěn)定性。

全站儀；施工測量；X長江大橋；坐標(biāo)放樣；高程測量

全站儀（Electronic Total Station）是集合了光、電、機(jī)三位為一體的新型角度測量儀器，目前，被廣泛應(yīng)用于各種大型工程的高精密測量項(xiàng)目中，而且，也具有變形監(jiān)測測繪功能。全站儀可以實(shí)現(xiàn)測量與處理過程的電子一體化，特別是在測量要求較高的橋梁工程中最為常用。

一、X長江大橋概況

X長江大橋是目前我國國內(nèi)已建成的跨度較大的雙塔雙索面斜拉橋。它的全長達(dá)到3851.23m，主橋長度1022m，主跨達(dá)到600m，雙塔高均在178m。橋的主梁是由鋼箱梁配合混凝土箱梁所組合而成的復(fù)合型結(jié)構(gòu)，梁寬29.5m。如此復(fù)雜的橋梁設(shè)計(jì)在測量方面相當(dāng)繁瑣，而且，出于安全考慮，要求測量精度較高，例如，對其平面點(diǎn)位的高程精度測量都要求精確在±10mm之內(nèi)。因此，為了確保X長江大橋的整體建設(shè)質(zhì)量，在施工階段就為大橋采用了NIKON全站儀，該全站儀是目前世界上操作最為便捷的全站儀，它所具備的一鍵操作功能可以大大提升施工測量效率。另外，NIKON全站儀所提供的ED超低離散透鏡能在赤目陽光的晴天或者雨霧較多的陰天為操作人員提供最為清晰的測量影像，而且，它具備20～30小時(shí)超長電池續(xù)航能力和不大于2小時(shí)的快速充電能力，這些都滿足了橋梁工程的高強(qiáng)度作業(yè)要求。

二、NIKON全站儀的主要技術(shù)參數(shù)及特性介紹

（一）技術(shù)參數(shù)

NIKON全站儀在測距精度方面，其標(biāo)準(zhǔn)測量模式下可以達(dá)到±（2mm+2×10-6·D）；而在跟蹤測量模式下，可以達(dá)到±10mm～-25mm。它在測回水平方向中，誤差為0.5"；測回豎直角中，誤差為0.5"。測程方面，其單棱鏡能夠達(dá)到2.5km，而11棱鏡可以達(dá)到5.5km。

（二）性能特點(diǎn)

NIKON全站儀具有整體式測量功能，它的視準(zhǔn)軸、測距儀的發(fā)射軸與接收軸是能夠形成三軸共線效果的，作用就在于能夠一次找準(zhǔn)反射棱鏡，并測出所測量對象的垂直角、水平角與斜距。最后，依據(jù)測量結(jié)果，通過儀器即刻計(jì)算并顯示出所測量點(diǎn)的高程及坐標(biāo)。

在角度傾斜補(bǔ)償功能方面，NIKON全站儀可以實(shí)現(xiàn)對垂直軸與水平軸的自動(dòng)測量，表示出水平軸的傾斜誤差，對角度測量結(jié)果施加適量改正，并將補(bǔ)償范圍規(guī)范到±10以內(nèi)，且它的補(bǔ)償精度非常高，可以達(dá)到0.3"。再者，它還具備了數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄與數(shù)據(jù)內(nèi)外一體化的處理功能。當(dāng)全站儀主體與通訊結(jié)構(gòu)相連接時(shí)，其外界數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)主機(jī)相連，進(jìn)而通過輔助功能完成對測量數(shù)據(jù)的獲取、傳輸、計(jì)算、繪圖和管理，并借助計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能形成一套完整的自動(dòng)化測量體系。

三、全站儀在X長江大橋工程施工測量中的應(yīng)用

（一）控制測量分析

X長江大橋的主副控制網(wǎng)處于長江的南北兩岸，其中，共有13個(gè)控制點(diǎn)，點(diǎn)距為2.5km。如果直接在控制點(diǎn)上放樣測量，會(huì)由于點(diǎn)距之間距離過大而為施工帶來不便。同時(shí)，隨著大橋施工進(jìn)度的逐漸推進(jìn)，由于過多臨時(shí)建筑的出現(xiàn)和橋墩的升高，會(huì)讓控制點(diǎn)的通視效果下降。所以，考慮上述因素并盡量滿足施工測量放樣工作的實(shí)際需求，在X長江大橋的施工初期就結(jié)合場地實(shí)情，在主副控制網(wǎng)上為13個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行加密，將加密點(diǎn)距設(shè)置為300m。

如圖1所示，加密點(diǎn)所采取的是邊角同側(cè)的觀測方案，它能夠保證對所有通視控制點(diǎn)及其加密點(diǎn)的水平距離與方向值進(jìn)行全方位觀測，確保為測量準(zhǔn)備足夠的余量觀測值。該工程利用NIKON全站儀，通過全圓觀測法與水平距離觀測法，分別觀測4測回與2測回，并按照間接平差法進(jìn)行平差計(jì)算。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其平差的最弱點(diǎn)點(diǎn)位誤差在±5mm，最大距離的修正數(shù)在6.2mm。

圖1X長江大橋主副控制網(wǎng)的控制點(diǎn)及加密點(diǎn)設(shè)置示意圖

（二）橋墩中心點(diǎn)的確定

在X長江大橋完成橋墩工程之后，就要進(jìn)行橋墩中心點(diǎn)的準(zhǔn)確位置恢復(fù)。所選用的方法是邊角聯(lián)合后方交會(huì)法，又叫做自由設(shè)站法。它綜合了傳統(tǒng)中方向交會(huì)法與距離交會(huì)法中的優(yōu)點(diǎn)，其效果省時(shí)、省力、省時(shí)間，可以在2小時(shí)內(nèi)完成橋墩中心點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。

本文將X長江大橋的主橋墩中心點(diǎn)設(shè)置為S1，當(dāng)恢復(fù)S1點(diǎn)后，就可以利用大橋控制網(wǎng)中的已知點(diǎn)位（共3點(diǎn)）確立后視觀測點(diǎn)。作業(yè)前，通過自由設(shè)站法結(jié)合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為三個(gè)已知點(diǎn)位設(shè)置點(diǎn)位坐標(biāo)號，并在作業(yè)過程中利用放樣方法，在主橋墩中心點(diǎn)的周圍設(shè)置近似點(diǎn)，在近似點(diǎn)上設(shè)置觀測站，通過觀測站觀測三個(gè)已知點(diǎn)的方向值以及水平距離，在作業(yè)最后，實(shí)施對方向值的4測回與水平距離的2測回。測算之后將結(jié)果傳輸回計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過計(jì)算分析，馬上就可以得到所測量坐標(biāo)點(diǎn)位的精度，再通過測量數(shù)據(jù)精度對比主橋墩中心點(diǎn)所設(shè)計(jì)的坐標(biāo)后就能進(jìn)行正量改正，近似點(diǎn)改正后就可以加入到設(shè)計(jì)位置中參與放樣測量。

（三）放樣測量

由于NIKON全站儀中有專門的極坐標(biāo)放樣點(diǎn)位程序，所以，采用該全站儀的橋梁測量放樣是可以選擇這種方法進(jìn)行放樣點(diǎn)位設(shè)置的。在放樣前，首先將所要放樣的距離輸入到全站儀中，并確定所要放樣的方向，以便于將棱鏡桿移動(dòng)到該方向。當(dāng)全站儀測量完畢后就會(huì)自動(dòng)顯示放樣距離的改正值，全過程智能自動(dòng)化，無需人為操作計(jì)算。考慮到某些橋梁工程在基礎(chǔ)施工階段沒有供全站儀放樣點(diǎn)位參考的周邊參照物，所以，才采用極坐標(biāo)放樣法。

本文的X長江大橋工程施工所采用的是坐標(biāo)歸化法。它以X大橋的橋軸線作為縱軸，其垂直方向作為橫軸，這樣就可以基本確立放樣的點(diǎn)坐標(biāo)為X、Y，也直觀明確地反應(yīng)了所有放樣點(diǎn)位相對于橋梁軸線的具體位置。在X大橋的施工測量中，先實(shí)施初步放樣，然后，再通過精確測定來明確放樣點(diǎn)的具體坐標(biāo)。在明確具體坐標(biāo)位置后，將它與初期設(shè)計(jì)圖紙中的坐標(biāo)進(jìn)行對比，得出改正量為△X與△Y，此時(shí)，再將初步放樣的點(diǎn)位改正后結(jié)合到設(shè)計(jì)位置之中，這里要注意最終點(diǎn)位的精度要取決于實(shí)際所測的精度。所以，可得到全站儀的計(jì)算測量點(diǎn)位坐標(biāo)公式應(yīng)該為：

X測點(diǎn)坐標(biāo)=X測站坐標(biāo)+S0·cosα

Y測點(diǎn)坐標(biāo)=Y測站坐標(biāo)+S0·sinα（S0為平距，α為方位角）

在測量之前，要把測站坐標(biāo)與后視方位角全部輸入到儀器中；測量完成后，全站儀就會(huì)根據(jù)以上的坐標(biāo)軸測點(diǎn)坐標(biāo)公式來推導(dǎo)出改正量的計(jì)算公式。應(yīng)該為：

△X=X測點(diǎn)坐標(biāo)-X設(shè)計(jì)坐標(biāo)=（X測站坐標(biāo)+S0·cosα）-X設(shè)計(jì)坐標(biāo)=（X測站坐標(biāo)-X設(shè)計(jì)坐標(biāo)）+S0·cosα

△Y=Y測點(diǎn)坐標(biāo)-Y設(shè)計(jì)坐標(biāo)=（Y測站坐標(biāo)+S0·cosα）-Y設(shè)計(jì)坐標(biāo)=（Y測站坐標(biāo)-Y設(shè)計(jì)坐標(biāo)）+S0·cosα

依據(jù)上述兩公式，如果將（X測站坐標(biāo)-X設(shè)計(jì)坐標(biāo)）、（Y測站坐標(biāo)-Y設(shè)計(jì)坐標(biāo)）作為此次工程的測站點(diǎn)坐標(biāo)，就要將它們首先輸入全站儀，但測量后，全站儀所顯示的不會(huì)是測點(diǎn)的坐標(biāo)值，而是改正量的坐標(biāo)值△X與△Y。如上述操作之后，可以省去人工計(jì)算環(huán)節(jié)，而且，測量失誤率也較低，它體現(xiàn)了全站儀坐標(biāo)放樣計(jì)算功能的靈活性。

（四）高程測量

X長江大橋所采用的是三角高程測量，主要測量了大橋斜拉塔的主塔位置放樣點(diǎn)高程。在測量過程中，如果三角高程的測量結(jié)果可以達(dá)到全站儀所要求的± 10mm精度要求，就可以省略掉傳統(tǒng)高程測量中的吊鋼尺程序，為施工節(jié)約成本。所以，首先要計(jì)算三角高程中單向測量高差h為：

在公式中s0代表平距，α代表傾角，c代表球氣差的系數(shù)，而i和v則代表了全站儀的高度與目標(biāo)高度。在全站儀內(nèi)部設(shè)置中，球氣差系數(shù)c為6.8422×10-8，而在一般放樣范圍中，s的值取500，且α＜20℃。對X長江大橋的主塔測量，其高程應(yīng)該為119m，并且，在連續(xù)10次的反復(fù)測量后，發(fā)現(xiàn)高程的最大值h1與最小值h2之間的差值△h為10mm。如果將△h視為是全站儀單向觀測的高差極差R，則按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的極差理論，就可以按照以下公式來計(jì)算觀測限差mh為：

如果n=10時(shí)，αn就應(yīng)該取值為4，那么mh=±4.5，這里按照觀測誤差為2倍觀測限差的原理可知，△限差≈9mm＜10mm，它滿足了精度要求。按照上述計(jì)算可以看出，單向三角高程測量的精度是相當(dāng)高的，這是因?yàn)槿緝x在測距與測角精度方面具有很高的水準(zhǔn)，另外，也是因?yàn)榭赡艽舜喂こ趟鶞y量的橋梁距離地面約15m高，所以，導(dǎo)致視線距離地面較高。如此一來，受到大氣折射陽光的折線影響就會(huì)相對更小，因此，在此次測量實(shí)踐中就可以證明，利用全站儀進(jìn)行三角高程測量方法是具有一定可行性的。

另一方面，關(guān)于X長江大橋斜拉塔主塔由于平常受到風(fēng)力與日照等外界因素的影響，其斜拉索的張拉效果會(huì)變化較大，甚至?xí)Υ髽虍a(chǎn)生順橋向與橫橋向的偏移，所以，為了確保主塔安全，也要對其主塔撓度變形進(jìn)行監(jiān)測。此次工程要求對主塔撓度的變形點(diǎn)點(diǎn)位精度要求小于±8.0mm。

利用全站儀中的極坐標(biāo)法對斜拉塔的點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行測量，設(shè)置點(diǎn)位誤差為m，該誤差主要來源于測距與測角誤差，所以根據(jù)傳播定律可知：

因?yàn)樽冃吸c(diǎn)和工作基點(diǎn)之間的距離為500m，為206225，為0.3"，α=3，b=2，s=0.4，所以，將數(shù)值帶入上述公式可以測得點(diǎn)位中的誤差m=±4.23mm。這一結(jié)果說明，可以利用全站儀通過極坐標(biāo)法對X長江大橋?qū)嵤┲魉隙鹊淖冃斡^測，可以達(dá)到預(yù)期的測量精度。

［1］劉新燕，趙國強(qiáng).尼康全站儀在橋梁測量工程中的應(yīng)用［J］.科技信息，2012（21）:446.

［2］賀洪雷.全站儀在橋梁測量工程施工放線中的應(yīng)用［J］.黑龍江科技信息，2014（1）:251-251.

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1673-0046（2016）5-0185-03