余国元

一、引言

免棱镜全站仪相对普通型全站仪而言，是指不照准反射棱镜、反射片等专用反射工具，直接照准测量目标即可测距的全站仪。测绘行业很多厂家也称为无协作目标全站仪、无棱镜全站仪、免棱镜激光全站仪等。免棱镜全站仪的主要优点： 可免棱镜测距，适宜无法或不宜放置反射棱镜或者反射片的目标测量。免棱镜测距再配以全站仪的其他固有功能，可以在工程测量中得到广泛的应用，如：测量危险及危害点、不可及目标、岩石表面、建筑物内部的顶部和墙面等对象。

广深沿江高速公路机场特大桥主线桥位于海中公沙水道，距机场三期防波堤600～750m，其中一段栈桥钢管桩的测量定位，使用的测量仪器是徕卡TCR1201+R1000型全站仪。仪器标称的角度测量精度为1″，全站仪免棱镜测距主要参数见表1。

表1 徕卡TCR1201+R1000型全站仪免棱镜测距参数表

在现场测量中发现，此型号全站仪对钢管桩定位测量能免棱镜测距的最远距离仅为400米左右。如果放样距离超出这个范围，钢管桩放射回来的信号较弱，那么无法形成测量结果；所以要注意测站距离目标点不要超出最远测距距离。

二、免棱镜全站仪测量定位栈桥钢管桩的施工方法

栈桥作为建设运输材料、设备、人员而修建的临时桥梁设施，是海上主桥施工物资供应及交通出入的主要通道，也是整座跨海大桥施工的基础性工程和控制性工程。栈桥一般由桥墩、桥台、钢梁及桥面板等组成，上部结构主要由贝雷梁片结构及桥面板等组成，其下部结构基础桥墩一般采用钢管桩支承。栈桥钢管桩施工主要有两种方法：⑴采用打桩船和浮吊配合作业的水上施工方法；⑵采用吊机与打桩锤配合作业，采用“钓鱼法”由岸边开始逐孔向前推进施工。其中，用打桩船定位钢管桩相对容易、效率高，但成本较大。钢管桩作为栈桥重要的承重部分，施工中对其测量定位有比较严格的要求。对钢管桩测量定位的精度及效率，直接影响到栈桥的施工质量和施工进度。

(一)测量定位

对栈桥钢管桩测量定位的方法主要有：⑴使用经纬仪或全站仪进行交会法定位；⑵采用安装在打桩船上的GPS及配套系统进行定位。第一种方法较为常用的测量方法。第二种仅适用于采用打桩船作业的水上施工方法，其优点是可自动化程度高、速度快、可远离海岸线工作，缺点是软硬件配置多、成本投入大。

结合工程实际情况，充分利用免棱镜全站仪的优点，采用单台免棱镜全站仪进行栈桥钢管定位测量。其具体原理如下：

1． 栈桥钢管桩平面位置的测量定位

图1 栈桥钢管桩测量定位示意图

采用极坐标法进行放样，先通过切边法放样钢管桩的方向，然后通过无棱镜激光测距直接测量钢管桩中来控制距离，或先测距再控制方向，直至调整到位为止，放样示意见图1。

因为钢管桩一般为圆柱形，而实际计算为桩中心坐标，所以放样时要考虑计算切边角及距离偏心。

距离偏心公式：                                      （1）

公式中d——钢管桩半径；

                                        （2）

切边放样方位角如下计算公式：

左切边方位角：                         （3）

右切边方位角：                         （4）

公式中S——测站点与钢管桩距离；

        n的取值如下：

                      （5）

实际上，使用全站仪放样很方便，只需要输入坐标，即可自动计算出方位角和距离；更有一些全站仪还可以直接设置偏心测量。

2.栈桥钢管桩垂直度的测量控制

钢管桩定位后垂直度偏差的大小将直接影响栈桥钢管桩设计单桩承载力，因为倾斜过大，会大大削弱桩基承载力数值进而直接威胁到栈桥的使用安全，所以钢管桩垂直度控制在海域栈桥施工质量控制中甚为重要。钢管桩垂直度可以通过两个方向来控制：正面垂直度通过测量钢管桩上、下端桩中平距来控制，侧向垂直度通过观测钢管桩上、下端水平角差来控制。钢管桩垂直度通过测量其上、下端桩中三维坐标来计算垂直度，计算公式如下：

                                  （6）

式中——钢管桩上端的三维坐标；

——钢管桩下端的三维坐标。

3． 栈桥钢管桩的高程测量

如果条件永许，可使用普通水准仪来放样或测量钢管桩高程。如果因故无法使用水准仪测量，可使用免棱镜全站仪免棱镜模式直接测量即可，其测量精度是符合施工要求的。

(二)栈桥钢管桩定位偏差来源分析

栈桥钢管桩定位的偏差，主要有以下几个方面：

1.机械设备施工对位造成的偏差

栈桥钢管桩定位主要偏差一般是由于施工中，人为操作打桩船或吊机对位钢管桩的位置偏差造成的；其中采用打桩船定位钢管桩相对精确，吊机定位钢管桩难度大，由于其不易精确调整，定位过程相对时间长些，最后定位精度相对低。

2.测量定位偏差

测量定位的偏差有两个方面的影响：①切边测角定位造成的偏差；②测量钢管桩距离时，偏离钢管桩正中造成的测距偏差。

切边测角定位造成的偏差，如图2所示。

图2 测量钢管桩切边测角偏差示意图

一般放样距离S要远大于钢管桩半径d，因测角放样偏差角α非常小，故切边测角定位造成的偏差值公式为：                                  （7）

根据公式（7），选取外径为600mm的钢管桩，计算由不同角度偏差及距离远近所产生的偏差值见表2。

表2  测角定位偏差值

S

S2

由表1计算数据可以发现，距离越远及偏差角越大，偏差值就越大。所以，切线方向定位因偏角引起偏差值不容忽视。

测量钢管桩正中偏向所造成的测距偏差，如图3。

图3 测量钢管桩测距偏向示意图

实测测量距离： 

 （8）

距离偏差值：                                               （9）

公式中——理论计算距离；

根据公式（8），选取外径为600mm的钢管桩，计算由照准钢管桩偏向引起的测距的偏差值见表2。

表2  测距定位的偏差值

        S0+D

S2

由表2计算数据可以发现，在测站距离钢管桩500m及以内，只要测距照准桩中偏角小于30″，其测距差值小于10mm。

3.仪器误差及放样误差

在实际测量中，由于外在环境、仪器硬件及人为操作等因素影响，总有测量误差的存在；如有操作不慎，便会造成偏差甚至错误。通过定期对测量仪器进行维护、检验和校准，以及建立严格的测量制度、严谨的作业方式使工程测量规范化、制度化，提高测量质量。

(三)使用免棱镜全站仪测距时的注意事项

1． 使用免棱镜全站仪测距时，测量结果可能会受到仪器和观测点之间物体的影响，因为测量目标是测量路径上第一个反射回信号的目标面；所以，在测距时一定要避免观测路径上出现障碍物，从而影响测量结果。

2． 在恶劣气象条件下，例如暴雨、浓雾或下雪等，可能测量到障碍物而影响测量结果。

3． 不要使用多台仪器同时测量同一目标，以防接收到混合返回信号。

4． 免棱镜测距激光一般属于3R级激光产品，在测距时，直视激光束是有危害的，要避免直视激光束。

三、结束语

通过广深沿江高速（深圳段）近3公里栈桥施工实际运用，用免棱镜全站仪定位栈桥钢管桩是切实可行的，其定位精度完全满足施工要求，在同类栈桥施工中其效率高、速度快，为企业赢得了良好的社会效益和经济效益，也为以后同类栈桥施工积累了宝贵的经验。

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