Thiết kế lưới khống chế thi công mặt bằng phục vụ công tác thi công tuyến đường bằng công nghệ GPS

MỤC LỤC MỤC LỤC .............................................................................................................................1 MỞ ĐẦU ...............................................................................................................................3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS........................5 1.1. CẤU TRÚC CHUNG VỀ HỆ THỐNG GPS .........................................................6 1.1.1. Đoạn không gian..............................................................................................6 1.1.2. Đoạn điều khiển ...............................................................................................8 1.1.3. Đoạn sử dụng( User Segment).........................................................................9 1.2. NGUYÊN TẮC ĐỊNH VỊ VÀ CÁC TRỊ ĐO GPS ..............................................10 1.2.1. Nguyên tắc định vị GPS.................................................................................10 1.2.2. Các trị đo GPS ...............................................................................................10 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ GPS.................................................................12 1.3.1. Đo GPS tuyệt đối ...........................................................................................12 1.3.2. Đo GPS tương đối..........................................................................................14 1.4. CÁC PHƯƠNG THỨC LIÊN KẾT GPS .............................................................20 1.5. CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG ĐO GPS............................................................21 1.5.1. Sai số đoạn không gian ..................................................................................22 1.5.2. Sai số đoạn sử dụng .......................................................................................23 1.5.3. Sai số do người đo .........................................................................................24 CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM ĐỐI VỚI LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG ....................................................................................................................25 2.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ BỐ TRÍ CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG .....................25 2.1.1. Khái niệm chung................................................................................................25 2.2. MỘT SỐ YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI MẠNG LƯỚI THI CÔNG TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG.................................................................................................27 2.2.1. Đặc điểm cấu trúc chung của tuyến đường giao thông.....................................27 2.2.2. Các dạng tuyến đường .......................................................................................28 2.2.3. Một số đặc điểm lưới thi công ...........................................................................30 2.2.4. Các dạng lưới khống chế thi công .....................................................................33 2.2.5. Yêu cầu độ chính xác công tác trong khảo sát và thiết kế công trình................35 2.3 PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP LƯỚI.....................................39 2.3.1. Phương pháp thành lập lưới thi công truyền thống............................................39 2.3.2. Phương pháp thành lập lưới thi công bằng công nghệ GPS ..............................40 2.4. ƯỚC TÍNH LƯỚI THI CÔNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG DẠNG TUYẾN..44 2.4.1. Đối với lưới GPS hạng IV .................................................................................46 2.4.2. Đối với đường chuyền đa giác và kinh vĩ..........................................................47 2.4.3. Đảm bảo độ chính xác khi bố trí........................................................................48 2.4.4. Phương pháp ước tính độ chính xác lưới GPS thi công tuyến đường ...............49 2.5. LỰA CHỌN HỆ QUY CHIẾU ĐỐI VỚI CÁC MẠNG LƯỚI THI CÔNG ...........58 2.5.1. Chọn mặt chiếu ..............................................................................................58 2.5.2.Chọn múi chiếu...................................................................................................58 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM ............................................................60 3.1. ĐẶC ĐIỂM KHU ĐO ..............................................................................................60 3.2. CÁC PHƯƠNG ÁN THÀNH LẬP LƯỚI ...............................................................61 3.2.1. Phương án đo đạc mặt đất..................................................................................61 3.2.2. Phương án sử dụng công nghệ GPS...................................................................62 3.3. THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ LƯỚI GPS THI CÔNG TUYẾN ĐƯỜNG ..............63 3.3.1. Thiết kế đồ hình lưới GPS .................................................................................63 3.3.2. Đánh giá độ chính xác của phương án thiết kế..................................................64 3.4. PHƯƠNG ÁN THI CÔNG.......................................................................................66 Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp SV: Vũ Đức Thịnh 2 Lớp: Trắc Địa C – K57 3.4.1. Chọn điểm lưới GPS......................................................................................66 3.4.2. Chôn mốc lưới GPS ...........................................................................................67 3.4.3. Tổ chức đo đạc...................................................................................................68 KẾT LUẬN..........................................................................................................................73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................74

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 5

1.1 CẤU TRÚC CHUNG VỀ HỆ THỐNG GPS 6

1.1.1 Đoạn không gian 6

1.1.2 Đoạn điều khiển 8

1.1.3 Đoạn sử dụng( User Segment) 9

1.2 NGUYÊN TẮC ĐỊNH VỊ VÀ CÁC TRỊ ĐO GPS 10

1.2.1 Nguyên tắc định vị GPS 10

1.2.2 Các trị đo GPS 10

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ GPS 12

1.3.1 Đo GPS tuyệt đối 12

1.3.2 Đo GPS tương đối 14

1.4 CÁC PHƯƠNG THỨC LIÊN KẾT GPS 20

1.5 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG ĐO GPS 21

1.5.1 Sai số đoạn không gian 22

1.5.2 Sai số đoạn sử dụng 23

1.5.3 Sai số do người đo 24

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM ĐỐI VỚI LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG 25

2.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ BỐ TRÍ CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG 25

2.1.1 Khái niệm chung 25

2.2 MỘT SỐ YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI MẠNG LƯỚI THI CÔNG TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG 27

2.2.1 Đặc điểm cấu trúc chung của tuyến đường giao thông 27

2.2.2 Các dạng tuyến đường 28

2.2.3 Một số đặc điểm lưới thi công 30

2.2.4 Các dạng lưới khống chế thi công 33

2.2.5 Yêu cầu độ chính xác công tác trong khảo sát và thiết kế công trình 35

2.3 PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP LƯỚI 39

2.3.1 Phương pháp thành lập lưới thi công truyền thống 39

2.3.2 Phương pháp thành lập lưới thi công bằng công nghệ GPS 40

2.4 ƯỚC TÍNH LƯỚI THI CÔNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG DẠNG TUYẾN 44

2.4.1 Đối với lưới GPS hạng IV 46

2.4.2 Đối với đường chuyền đa giác và kinh vĩ 47

2.4.3 Đảm bảo độ chính xác khi bố trí 48

2.4.4 Phương pháp ước tính độ chính xác lưới GPS thi công tuyến đường 49

2.5 LỰA CHỌN HỆ QUY CHIẾU ĐỐI VỚI CÁC MẠNG LƯỚI THI CÔNG 58

2.5.1 Chọn mặt chiếu 58

2.5.2.Chọn múi chiếu 58

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM 60

3.1 ĐẶC ĐIỂM KHU ĐO 60

3.2 CÁC PHƯƠNG ÁN THÀNH LẬP LƯỚI 61

3.2.1 Phương án đo đạc mặt đất 61

3.2.2 Phương án sử dụng công nghệ GPS 62

3.3 THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ LƯỚI GPS THI CÔNG TUYẾN ĐƯỜNG 63

3.3.1 Thiết kế đồ hình lưới GPS 63

3.3.2 Đánh giá độ chính xác của phương án thiết kế 64

3.4 PHƯƠNG ÁN THI CÔNG 66

3.4.1 Chọn điểm lưới GPS 66

3.4.2 Chôn mốc lưới GPS 67

3.4.3 Tổ chức đo đạc 68

KẾT LUẬN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

MỞ ĐẦU

Việt Nam là một trong những quốc gia đang trên con đường phát triển mạnh

mẽ đi lên hoà nhập với cộng đồng thế giới Nhà nước và nhân dân ta đã và

đang không ngừng xây dựng cơ sở hạ tầng, nâng cấp và cải tạo các tuyến đường giao thông nhằm đáp ứng nhu cầu vận tải và lưu thông hàng hoá cho

phù hợp là nhiệm vụ hàng đầu trong chiến lược chung của Đảng và nhà nước

ta

Giao thông và hệ thống các công trình giao thông có thể xem là “mạch máu” của mỗi quốc gia Hệ thống giao thông có vai trò quan trọng và có ý nghĩa

quyết định đến sự phát triển của nền kinh tế đất nước đồng thời là nhịp cầu

giao lưu kinh tế, văn hóa, chính trị giữa các vùng, các quốc gia trên toàn thế

giới Giao thông còn đảm bảo sự ổn định về công tác an ninh, quốc phòng của mỗi quốc gia Do đó vấn đề xây dựng và mở rộng hệ thống đường giao thông

để đáp ứng kịp thời nhu cầu pháp triển đất nước là nhiệm vụ hàng đầu

Khi xây dựng các công trình giao thông, công nghệ GPS được ứng dụng rất

nhiều nhằm đảm bảo cho việc thi công các tuyến đường đạt độ chính xác cao nhất, đồng thời đảm bảo cho việc nâng cấp,sửa chữa,quản lý được dễ dàng và thuận tiện

Xuất phát từ yêu cầu thực tế nói trên trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp em

đã nhận đề án tốt nghiệp là:” Thiết kế lưới khống chế thi công mặt bằng

phục vụ công tác thi công tuyến đường bằng công nghệ GPS”

Nội dung chính của đề tài được thể hiện trong 3 chương:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU

Với tInh thần làm việc nghiêm túc và nổ lực phấn đấu của bản thân dưới sự

hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Nguyễn Việt Hà và các thầy cô giáo trong

bộ môn Trắc Địa Công Trình thuộc khoa Trắc Địa Bản Đồ & Quản Lý Đất

Đai, nay bản đồ án đã được hoàn thành đúng thời hạn Nhưng do hạn chế về

thời gian và trình độ nên bản đồ án tốt nghiệp này không thể tránh khỏi những thiếu sót Em mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy giáo, cô giáo trong khoa trắc địa

Em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội tháng 6 năm 2017

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

Từ những năm 60 của thế kỷ 20, Cơ quan Hàng Không và Vũ Trụ

(NASA) cùng với Quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chương trình nghiên cứu,

phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo Hệ thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT

Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler Hệ TRANSIT được sử dụng trong thương mại vào năm 1967 Một thời gian ngắn sau đó TRANSIT bắt đầu ứng dụng trong trắc địa Việc thiết lập mạng lưới điểm định vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất và giá trị nhất của hệ

TRANSIT

Định vị bằng hệ TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà độ chính xác chỉ đạt cỡ 1m Do vậy trong trắc địa hệ TRANSIT chỉ phù hợp với công tác xây dựng các mạng lưới khống chế cạnh dài Nó không thoả mãn

được các ứng dụng đo đạc thông dụng như đo đạc bản đồ, các công trình dân dụng

Tiếp sau thành công của hệ TRANSIT, hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra đời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigation Satellite Timing And Ranging - Global Positioning System) gọi tắt là GPS Hệ thống này bao gồm

24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh trái đất theo những quỹ đạo xác định Độ chính xác định vị bằng hệ thống này được nâng cao về chất so với hệ TRANSIT Nhược điểm về thời gian quan trắc đã được khắc phục.Một năm

sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS-2 (Navigation Technology Sattellite 2 ), giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt đầu với việc phóng vệ

tinh GPS mẫu " Block I " Từ năm 1978 ữ 1985 có 11 vệ tinh Block I đã được phóng lên quỹ đạo Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc Block I đã hết thời hạn

sử dụng Việc phóng vệ tinh thế hệ thứ II (BlockII) bắt đầu vào năm 1989

Sau giai đoạn này 24 vệ tinh đã triển khai trên 6 quĩ đạo nghiêng 55 0 so với mặt phẳng xích đạo trái đất với chu kỳ gần 12 giờ ở độ cao xấp xỉ 12.600 dặm (20.200 km) Loại vệ tinh Block IIR được thiết kế thay thế những vệ tinh

Block II đầu tiên bắt đầu phóng vào năm 1995 Cho đến nay đã có 32 vệ tinh của hệ thống GPS đang hoạt động trên quĩ đạo Với chương trình hiện đại hóa

hệ thống GPS, ngày 25/9/2005 Nasa đã bắt đầu phóng vệ tinh thế hệ mới M1 - vệ tinh có khả năng truyền tín hiệu nhiều dải tần số nâng cao khả năng

2R-cạnh tranh của hệ thống GPS [trang web www.trimble.com]

Mặc dù GPS thiết kế ban đầu nhằm sử dụng cho mục đích quân sự, nhưng ngày nay đã được ứng dụng rất rộng rãi trong các hoạt động kinh tế, xã hội và đặc biệt đối với ngành trắc địa bản đồ thì đây là cuộc cách mạng thực

sự về kỹ thuật, chất lượng và hiệu quả kinh tế trên toàn thế giới

Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS đang hoạt động còn có hệ thống GLONASS của Nga (nhưng không thương mại hoá rộng rãi) và một hệ thống tương lai sẽ cạnh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống GALIEO của Cộng Đồng Châu Âu

1.1 CẤU TRÚC CHUNG VỀ HỆ THỐNG GPS

1.1.1 Đoạn không gian

Đoạn không gian gồm 24 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ

đạo (mỗi mặt phẳng có 4 vệ tinh), nghiêng với mặt phẳng xích đạo Trái đất

một góc khoảng 550 Vệ tinh có độ cao cỡ 20200km so với bề mặt Trái đất

chuyển động trên quỹ đạo gần tròn với chu kỳ 718 phút Do sự phân bố vệ

tinh như vậy mà bất kỳ thời điểm nào, ở bất cứ vị trí nào trên Trái đất cũng có thể quan trắc được ít nhất 4 vệ tinh

Hình 1.1 Chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo

Chương trình đưa các vệ tinh lên quỹ đạo được chia làm các khối (Block) Các vệ tinh của khối sau có trọng lượng và tuổi thọ lớn hơn Năng

lượng cung cấp cho hoạt động của các thiết bị vệ trên vệ tinh là năng lượng

pin mặt trời Mỗi vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử độ chính xác

rất cao (cỡ 10-12) Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần

C/A code chỉ điều biến sóng tải L1 Chu kỳ của C/A code là 1 miligiây, trong

đó chứa 1023 bite, mỗi một vệ tinh phát đi một C/A code khác nhau

+ P - code (Precision code) là code chính xác được sử dụng cho các mục đích quân sự của Mỹ và chỉ dùng cho mục đích khác khi được phía Mỹ cho

phép P - code điều biến cả hai sóng tải L1 và L2, có độ dài cỡ 10 14 bite và là code tựa ngẫu nhiên Tín hiệu của P – code có tần số đúng bằng tần số chuẩn f0

(10,23 MHz), tương ứng với bước sóng 29,3m Mỗi vệ tinh chỉ được gán một đoạn code này, do vậy rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không được phép

+ Y - code là code bí mật được phủ lên P – code nhằm chống bắt chước, gọi là kỹ thuật AS (Anti Spoosing) Chỉ có các vệ tinh thuộc các khối

từ sau năm 1989 (khối 2) mới có khả năng này.Ngoài các tần số trên, các vệ tinh GPS còn có thể trao đổi với các trạm điều khiển mặt đất qua các tần số

1783,74 MHz và 2227,5 MHz để truyền thông tin đạo hàng và lệnh điều khiển tới vệ tinh

Tất cả các code được khởi tạo lại sau mỗi tuần lễ GPS vào đúng nửa

đêm thứ 7 chủ nhật, như vậy tuần lễ GPS là đơn vị thời gian lớn nhất sử dụng trong công nghệ GPS

1.1.2 Đoạn điều khiển

Hình 1.2 Sơ đồ bố trí các trạm điều khiển

Đoạn điều khiển được thiết lập để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống định vị GPS Đoạn này gồm 1 trạm điều khiển trung tâm (MCS) được đặt tại căn cứ không quân Mỹ gần Colorado spings và 4 trạm theo dõi đặt trên mặt đất là: Hawaii (Thái Bình Dương), Assension island (Đại Tây Dương),

Diego garcia (Ấn Độ Dương), Kwajalein (Thái Bình Dương) Vai trò của đoạn điều khiển là rất quan trọng vì nó không chỉ theo dõi các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật chính xác các thông tin đạo hàng, đảm bảo độ chính xác cho công tác định vị bằng GPS

1.1.3 Đoạn sử dụng( User Segment)

Đoạn sử dụng bao gồm tất cả máy móc, thiết bị để thu tín hiệu vệ tinh GPS phục vụ cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của người sử dụng như dẫn đường trên biển, trên bầu trời, trên đất liền và cho công tác Trắc địa

Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng Nhờ những tiến bộ của khoa học kỹ thuật mà máy GPS ngày càng được hoàn thiện Cùng với các loại máy thu người ta còn sản xuất các phần mềm phục vụ xử lý thông tin mà máy thu nhận được từ vệ tinh

Hình 1.3: Máy Trimble 4600 LS

1.2 NGUYÊN TẮC ĐỊNH VỊ VÀ CÁC TRỊ ĐO GPS

1.2.1 Nguyên tắc định vị GPS

Việc định vị GPS được thực hiện trên cơ sở phương pháp giao hội cạnh trong không gian Từ những vệ tinh trong không gian (đã có tọa độ) và khoảng cách từ máy thu đến các vệ tinh này ta có thể xác định được vị trí

không gian của máy thu Trong đó các thông số vệ tinh đã được cung cấp còn khoảng cách từ máy thu đến các vệ tinh sẽ được xác định dựa trên cơ sở hai đại lượng đo, đó là đo khoảng cách giả theo các code tự ngẫu nhiên (C/A- code và P-code) và đo pha sóng tải (L1và L2)

1.2.2 Các trị đo GPS

1.2.2.1 Đo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code

Đo khoảng cách giả tức là xác định khoảng cách từ máy thu đến các vệ tinh, nhưng khoảng cách đo được không phải là khoảng cách thực, chính xác

Do sự không đồng bộ của đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu, và do ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu (máy thu đến các vệ tinh)

Hình: 1.4 sơ đồ đo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code

Khoảng cách giả được xác định bằng cách: Máy thu GPS thu code tự ngẫu nhiên được phát từ vệ tinh cùng với sóng tải và đem so sánh với code

Máy thu

GPS

Vệ tinh

Do sai số của đồng hồ trên vệ tinh

Do sai số đồng hồ trong máy thu

và sai số lan truyền sóng

Tín hiệu máy thu Tín hiệu vệ tinh Thời gian lan truyền sóng

cộng sai số đồng hồ

tựa ngẫu nhiên do chính máy thu GPS tạo ra có thể xác định được khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code, và từ đây tính được khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu (đúng hơn là đến ăngten máy thu)

Khoảng cách giả (R) được tính theo công thức:

RC(t t) X S  X2 Y S  Y2 Z S  Z2 C t (1.1) Trong đó: C_tốc độ lan truyền tín hiệu;

T_thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến điểm xét;

t_sai số không đồng bộ giữa đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu

XS, YS, ZS _tọa độ không gian vệ tinh S;

X, Y, Z _tọa độ không gian điểm quan sát

Độ chính xác đạt được trong trường hợp sử dụng C/A- code theo dự

tính của các nhà thiết kế hệ thống GPS, kỹ thuật đo khoảng thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể bảo đảm độ chính xác đo khoảng cách tương ứng cỡ 30m Nếu tính đến ảnh hưởng của điều kiện lan truyền tín hiệu sai số đo khoảng cách theo C/A- code ở mức 100 m Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này đã phát triển đến mức có thể bảo đảm độ chính xác đo khoảng cách tới cỡ 3m , tức là không thua kém trường hợp sử dụng P-code vốn không dành cho khách hàng đại trà Chính lý do này phía Mỹ đã phải đưa ra giải pháp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A- code.2

1.2.2.2 Đo pha sóng tải

Người ta tiến hành đo hiệu số pha của sóng tải do máy thu nhận được

từ vệ tinh với pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra Hiệu số pha do máy

thu đo  (0<<2) được tính

R_khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu;

_bước sóng của sóng tải;

N_số nguyên lần bước sóng  chứa trong R;

t_sai số không đồng bộ giữa đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu

N còn gọi là số nguyên đa trị, chính là số nguyên lần bước sóng lan truyền từ vệ tinh đến máy thu Số nguyên đa trị thường không được biết trước

mà chúng ta cần phải xác định trong quá trình đo

Độ chính xác đạt được của phương pháp này thường rất cao Trường hợp đo pha sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác cỡ xentimét thậm chí tới milimét Đo pha sóng tải L2 thường cho độ chính xác thấp hơn ít nhiều nhưng tác dụng chủ yếu của nó là cùng với sóng tải L1 làm giảm khả năng đáng kể của tầng điện ly, và thêm vào đó làm cho việc xác định số nguyên đa trị được đơn giản hơn

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ GPS

1.3.1 Đo GPS tuyệt đối

1.3.1.1 Nguyên lý đo GPS tuyệt đối

Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay ra toạ độ của điểm quan sát trong hệ thống WGS-84 Đó có thể là các thành phần toạ độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần toạ độ mặt cầu (B,L,H)

Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đó

là khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian từ các điểm có toạ độ đã biết là các vệ tinh Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code tựa ngẫu nhiên từ vệ tinh đến máy thu, ta sẽ tính được khoảng cách chính xác giữa vệ tinh mà máy thu Khi đó 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh đến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian đơn trị của máy thu Xong trên thực tế cả đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu đều có sai số, nên các khoảng cách đo được không phải là khoảng

cách chính xác Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một điểm, nghĩa là

không thể xác định được vị trí của máy thu Để khắc phục tình trạng này cần

sử dụng thêm một đại lượng đo nữa đó là khoảng cách từ một vệ tinh thứ tư

Để thấy rõ điều này ta viết thêm một hệ gồm 4 phương trình dạng:

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

) ( ) (

) (

)

(

) ( ) (

) (

)

(

) ( ) (

) (

)

(

) ( ) (

) (

)

(

4 4

4

3 3

3

2 2

2

1 1

1

t C R Z

Z Y Y X

X

t C R Z

Z Y Y X

X

t C R Z

Z Y Y X

X

t C R Z

Z Y Y X

X

s S

S

s S

S

s S

S

s S

S

(1.3)

Tại một trạm máy, công tác quan trắc được tiến hành đồng thời nên thành phần ∆t chỉ còn là ảnh hưởng của sai số đồng hồ máy thu Do đó, bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời tới 4 vệ tinh, ta sẽ xác định được 4 ẩn số

(X, Y, Z) là các thành phần toạ độ của máy thi (điểm xét) theo toạ độ

WGS-84 và sai số đồng hồ máy thu ∆t

Vậy là, bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy

thu ta có thể xác định được toạ độ tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn xác

định thêm được số hiệu chỉnh do đồng hồ (thạch anh) của máy thu nữa

Quan sát đồng thời 4 vệ tinh là yêu cầu tối thiểu cần thiết để xác định

toạ độ không gian tuyệt đối của điểm quan sát Tuy nhiên, nếu máy thu được trạng bị đồng hồ chính xác cao thì khi đó chỉ còn 3 ẩn số là 3 thành phần toạ

độ điểm quan sát Để xác định chúng ta chỉ cần quan sát đồng thời 3 vệ tinh

máy thu GPS đã đưa ra một phương pháp đo được gọi là đo GPS vi phân

Theo phương pháp này chỉ cần có một máy thu GPS có khả năng phát tín hiệu vô tuyến được đặt tại điểm có toạ độ đã biết (gọi là máy cố định),

đồng thời có máy khác (gọi là máy di động) đặt ở vị trí cần xác định toạ độ,

đó có thể là điểm cố định hoặc điểm di động Cả máy cố định và di động cần tiến hành đồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh như nhau Nếu thông tin từ vệ

tinh bị nhiễu, thì kết quả xác định toạ độ của cả máy cố định và máy di động

cũng đều bị sai lệch Độ sai lệch này, được xác định trên cơ sở so sánh toạ độ tính ra theo tín hiệu thu được và toạ độ biết trước của máy cố định và được

xem là như nhau cho cả máy cố định và di động Nó được máy cố định phát đi qua sóng vô tuyến để máy di động thu nhận mà hiệu chỉnh cho kết quả xác

định toạ độ của mình

Ngoài cách hiệu chỉnh cho toạ đôh, người ta còn tiến hành hiệu chỉnh

cho khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu Cách hiệu chỉnh thứ hai này đòi hỏi máy thu cố định có cấu tạo phức tạp và tốn kém hơn, nhưng lại cho phép người sử dụng xử lý chủ động, linh hoạt hơn

Phương pháp đo GPS vi phân có thể có hai cách xử lý số hiệu chỉnh tại điểm di động:

- Phương pháp xử lý đồng thời (Real time)

- Phương pháp hậu xử lý (Post-procesing)

Để đảm bảo độ chính xác, các máy di động không nên đặt quá xa máy

cố định, để đảm bảo giá trị nhiễu là như nhau Đồng thời, số liệu cải chính vi phân cần phải xác định và chuyển phát nhanh với tần suất cao Độ chính xác

của phương pháp này đạt tới mét thậm chí vài đêximet

1.3.2 Đo GPS tương đối

1.3.2.1 Nguyên lý đo GPS tương đối

Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai

điểm quan sát khác nhau để xác định ra hiệu toạ độ vuông góc không gian

(∆X, ∆Y, ∆Z) hay hiệu toạ độ mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng trong hệ toạ

độ WGS-84

Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại

lượng đo pha là pha của sóng tải Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác định hiệu toạ độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét, người ta

đã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau như: sai số của đồng hồ trên vệ

tinh cũng như trong máy thu, sai số của toạ độ vệ tinh, số nguyên đa trị…

Ta ký hiệu pha (chính xác hơn là hiệu pha) của sóng tải từ vệ tinh J được đo tại trạm quan sát r vào thời điểm ti, ta sẽ có sai phân bậc một được lập như sau:

∆ J(ti)= J

2(ti) - J

i(ti)

Hình 1.6.Sai phân bậc nhất Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên

vệ tinh

Nếu xét 2 trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh J, k vào thời

điểm ti, ta sẽ có sai phân bậc 2:

2

Trong sai phân này, hầu như không có ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên vệ tinh cũng như sai số của đồng hồ trong máy thu

Nếu xét hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh J, k vào các thời điểm ti, ti+1, ta sẽ có sai phân bậc 3:

∆3J,k= ∆2k(ti+1) -∆J.k(ti)

Hình 1.8 Sai phân bậc ba

Sai phân này cho phép loại trừ các số nguyên đa trị Bằng cách tổ

hợp theo từng cặp vệ tinh (số vệ tinh thường xuất hiện nhiều hơn 4) ta sẽ

có rất nhiều trị đo Lời giải đơn trị sẽ được xử lý theo nguyên lý số bình

phương nhỏ nhất

1.3.2.2 Đo tĩnh

Phương pháp đo tĩnh được sử dụng để xác định hiệu toạ độ (vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, thường là nhằm đáp ứng các yêu cầu của công tác trắc địa - địa hình Trong trường hợp này cần có 2 máy thu, một máy đặt ở điểm đã biết toạ độ, còn máy kia đặt ở điểm cần xác định Cả hai máy phải đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung liên tục trong một khoảng thời gian nhất định, thường là từ một đến vài ba tiếng đồng hồ Số vệ tinh chung tối thiểu cho cả hai trạm quan sát là 3, nhưng thường được lấy là 4

để đề phòng trường hợp thu tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn Khoảng thời gian

quan sát phải kéo dài là đủ để cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi mà từ đó

ta có thể xác định được số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời là để có nhiều trị đo nhằm đạt độ chính xác cao và ổn định cho kết quả quan sát.Trong

đo tĩnh, cần lưu ý đến công tác bố trí các ca đo Khoảng thời gian quan trắc của các máy thu được gọi là độ dài ca đo.Khoảng quan trắc đầu tiên trong ngày được kí hiệu là DDD0 và tiếp theo là DDD1

Số hiệu ngày DDD được ký hiệu từ 001 đến 365 ngày (ngày Julian), và như vậy ca đo 1052 chỉ ca đo thứ 3 trong ngày thứ 105

Khi quyết định độ dài thời gian quan trắc trong các ca đo cần căn cứ vào:

- Độ dài của cạnh đo

- Số lượng vệ tinh có thể quan trắc

- Cấu hình vệ tinh

- Độ ổn định của tín hiệu vệ tinh thu được

Thông thường khi vệ tinh càng nhiều thì cấu hình càng tốt và thời gian quan trắc có thể rút ngắn hơn Thời gian quan trắc cũng có thể rút ngắn đối với cạnh đo có chiều dài ngắn hơn Bảng 1.1 sau đây kiến nghị khoảng thời gian

đo hợp lý cho trường hợp quan trắc từ 4 vệ tinh trở lên với điều kiện khí tượng bình thường

Bảng 1.1 Chiều dài cạnh đo và thời gian đo tương ứng

Chiều dài cạnh (km)

Độ dài ca đo (phút)

Thời gian phải kéo dài tới mức nhất định để có thể xác định được số nguyên đa trị Đối với cạnh ngắn ( nhỏ hơn 1km ), số nguyên đa trị có thể

được giải ra trong khoảng thời gian 5 - 10 phút khi sử dụng pha của tần số L1 Bằng máy thu 2 tần số, khi sử dụng kỹ thuật cổng rộng ( Wide lane ), ở khoảng cách đo là 15km có thể nhận đựơc kết quả chính xác với chỉ 2 phút số liệu đo

Đây là phương pháp cho phép đạt độ chính xác cao nhất trong việc định vị

tương đối bằng GPS có thể cỡ centimet, thậm chí milimet ở khoảng cách giữa hai điểm xét tới hàng chục và hàng trăm km Nhược điểm chủ yếu của phương pháp là thời gian đo phải kéo dài hàng giờ đồng hồ, do vậy năng suất đo

thường không cao

1.3.2.3 Đo động

Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết, trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong vòng một phút Phương pháp này cần có ít nhất hai máy thu Để xác định số nguyên đa trị của vệ tinh, cần phải có một cạnh đã biết được gối nên điểm đã biết toạ độ Sau khi xác định, số nguyên đa trị được giữa nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp theo trong cả chu kỳ

đo

Nhờ tín hiệu thu được ở các máy thu (máy cố định và máy di động) mà người ta tính được hiệu toạ độ không gian ( X, Y, Z) hoặc (B, L, H) trong hệ toạ độ WGS – 84 Trên cơ sở các số gia toạ độ này và toạ độ điểm cố định đã biết ta dễ dàng xác định được toạ độ điểm di động theo công thức:

XK = XJ + XJK

YK = YJ + YJK (1.4)

ZK = ZJ + ZJK

- Trong đó:

XJ, YJ, ZJ là toạ độ không gian của điểm J đã biết;

XK, YK, ZK là toạ độ không gian của điểm K cần xác định;

XJK, YJK, ZJK là hiệu toạ độ không gian của điểm J và K;

Quá trình đo được bắt đầu, máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy và

tiến hành thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo ở điểm cuối cạnh

đáy ta đặt máy thu thứ 2, cho thu tín hiệu vệ tinh đồng thời với máy cố định

trong một vài phút Việc này gọi là khởi đo (initallization) Tiếp đó cho máy

thứ 2 di động lần lượt tại điểm đo cần xác định, mỗi điểm dừng lại thu tín

hiệu một hay vài phút, và cuối cùng quay lại điểm xuất phát để khép tuyến đo

Điều kiện của phương pháp là máy cố định và máy di động phải đồng

thời thu tín hiệu liên tục từ ít nhất 4 vệ tinh chung trong cả chu kỳ đo Các

điểm cần đo phải được bố trí ở khu vực thoáng đãng để tránh tình trạng tín

hiệu thu bị gián đoạn

Phương pháp đo cho phép đạt độ chính xác vị trí tương đối không thua kém phương pháp đo tĩnh Nhưng phương pháp này yêu cầu về thiết bị và tổ

chức đo khá ngặt nghèo

1.3.2.4 Đo giả động

Phương pháp đo giả động cho phép xác định vị trí tương hỗ của hàng

loạt điểm so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh Trong

phương pháp không cần làm thủ tục

khởi đo Máy cố định phải tiến hành thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt

chu kì đo, còn máy di động được chuyển đến các điểm đo, tại mỗi điểm máy

Quá trình đo được bắt đầu: đặt máy cố định tại điểm đã có toạ độvà cho tiến hành thu tín hiệu liên tục trong suốt chu kỳ đo máy di động lần lượt chuyển đến các điểm cần xác định, tại mỗi điểm dừng lại thu tín hiệu

tất cả các điểm theo trình tự đo trước đó Nhưng phải chú ý bảo đảm thời gian

đo dãn cách giữa hai lần đo tại một điểm không ít hơn 1 giờ

Điều kiện đo: phải có ít nhất 3 vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại một điểm quan sát, thời gian dãn cách không ít hơn một giờ đồng hồ giữa hai lần

đo tại mỗi điểm quan sát

Độ chính xác của phương pháp đo giả động không cao bằng phương pháp đo động Nhưng phương pháp đo giả động tiện lợi hơn và cho phép áp dụng ở cả khu vực bị che khuất Về mặt thiết kế và tổ chức đo chỉ tiện bố trí ở khu vực

đo nhỏ với số lượng điểm vừa phải để bảo đảm kịp thời đo lặp tại mỗi điểm

và bảo đảm số lượng vệ tinh chung cho cả hai lần đặt máy

1.4 CÁC PHƯƠNG THỨC LIÊN KẾT GPS

Khi thiết kế đồ hình lưới, căn cứ vào mục đích sử dụng, thông thường

có 4 phương thức cơ bản thành lập lưới.: liên kết điểm, liên kết cạnh, liên kết lưới, liên kết hỗ trợ cạnh điểm Ngoài ra còn có liên kết hình sao, liên kết đường chuyền phù hợp, liên kết chuỗi tam giác Lựa chọn phương thức nào là tùy thuộc độ chính xác yêu cầu của công trình, điều kiện bên ngoài thực địa

và số lượng máy

Một số đồ hình liên kết:

1.9a Đồ hình liên kết dạng điểm 1.9b Đồ hình liên kết dạng cạnh Máy thu GPS

1.9c Đồ hình dạng liên kết chuỗi tam giác

1.9d: Đồ hình liên kết cạnh - điểm

1.9e: Đồ hình liên kết lưới đường chuyền 1.9f: Đồ hình dạng hình

sao

1.5 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG ĐO GPS

Như chúng ta đã biết hệ thống định vị GPS được thực hiên theo nguyên tắc giao hội không gian từ các điểm có tọa độ đã biết là các vệ tinh Việc xác

định khoảng cách từ các vệ tinh đến các điểm , và xác định tọa độ các vệ tinh cũng chịu ảnh hưởng của nhiều nguồn sai số đến độ chính xác của kết quả như: sai số đồng hồ trên vệ tinh cũng như sai số đồng hồ trong máy thu, sai số

do môi trường lan truyền,sai số do quỹ đạo vệ tinh… Các sai số này được phân làm 2 loại cơ bản sai số không gian,sai số đoạn sử dụng

1.5.1 Sai số đoạn không gian

1.5.1.1 Sai số do đồng hồ

Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, trong máy thu và sự không đồng bộ giữa chúng Để giảm ảnh hưởng sai số do đồng hồ trên vệ tinh và đồng hồ trong máy thu, người ta sử dụng hiệu trị đo giữa các vệ tinh cũng như các trạm quan sát Trong đo GPS tuyệt đối, giảm được sai số đồng hồ của máy thu do coi nó là ẩn

Trong đo GPS tương đối, nhờ sử dụng các sai số phân bậc 1, 2, 3 đã

khử được hầu như hết sai số đồng hồ trên vệ tinh cũng như trong máy thu

1.5.1.2 Sai số do quỹ đạo của vệ tinh

Chuyển động của vệ tinh trên quĩ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt định luật Kepler do có nhiễu tác động nhiễu như: tính không đồng nhất của trọng trường Trái đất, ảnh hưởng của sức hút Mặt trăng, Mặt trời và các thiên thể khác, sức cản của khí quyển, áp lực bức xạ mặt trời ….vị trí tức thời của vệ tinh được xác định dựa trên cơ sở các số liệu quan sát từ các trạm có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc đoạn điều khiển của hệ thống GPS, và đương nhiên

có chứa sai số

Có hai loại ephemrit của vệ tinh:

- Ephemerit đựơc xác định từ kết quả hậu xử lý số liệu quan sát cho chính xác các thời điểm nằm trong khoảng thời gian quan sát Độ chính xác của ephemerit này ở mức 10 50 m, và chỉ được cung cấp khi chính phủ Mỹ cho phép

- Ephemerit được ngoại suy từ các ephemerit nêu trên ngay cho các máy ngay tiếp theo Độ chính xác của ephemerit này ở mức 20 100 m và cho khách hàng sử dụng đại trà

Trong đo GPS tuyệt đối thì sai số quỹ đạo ảnh hưởng gần như trọn vẹn đến kết quả xác định tọa độ điểm quan sát

Trong đo GPS tương đối thì đã loại trừ được đáng kể sai số do quỹ đạo đến kết quả định vị tương đối

1.5.2 Sai số đoạn sử dụng

1.5.2.1 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu

Tín hiệu vô tuyến điện được phát đi từ vệ tinh xuống máy thu trên mặt đất, các tín hiệu phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu Khi đó, tốc độ lan truyền tín hiệu sẽ bị ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu

Một số phương pháp hạn chế ảnh hưởng của sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu:Sử dụng máy thu GPS hai tần số Song khi hai điểm quan sát ở gần nhau thì ảnh hưởng nhiễu xạ do hai tần kết hợp sẽ lớn hơn so với một tần

số Do vậy, trường hợp định vị khoảng cách ngắn chúng ta sử dụng máy thu một tần số

Tiến hành định vị GPS vào ban đêm Định vị GPS lúc này đạt được độ chính xác cao hơn, ảnh hưởng của tầng điện ly sẽ giảm 5 6 lần so với ban ngày

Quan sát các vệ tinh ở độ cao 150 trở lên so với mặt phăng chân trời

1.5.2.2 Sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh

Ăng ten máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới, mà còn nhận cả tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh Sai số do hiện tượng này gây ra gọi là sai số do

nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh

Sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh cố ý:

Nhiễu S/A (chính phủ Mỹ gây ra) Hạn chế ảnh hưởng này bằng cách đo GPS vi phân,…… Từ ngày 1/5/2000 chính phủ Mỹ đã bỏ chế độ gây nhiễu S/A, đây là điều kiện tốt cho những nhà sử dụng GPS

Nhiễu AS do chính phủ Mỹ dùng mã Yphủ lên P-code nhằm hạn chế

sử dụng P-code Để khắc phục chế độ nhiễu AS các nhà sản xuất tiến hành

nghiên cứu và đã đưa ra loại máy thu mới 2Tracking Technique Máy 2Tracking Technique đã hạn chế được khá nhiều ảnh hưởng nhiễu AS, tuy nhiên giá thành máy khá đắt

Sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh do nhiễu khác:

Do tín hiệu phản xạ của các vật liệu như: sắt thép, bê tông…

Do các tín hiệu khác như: Sóng vô tuyến của đài phát thanh, đài truyền hình, các trạm thông tin…

Để hạn chế được sự ảnh hưởng nhiễu này đến tín hiệu vệ tinh người ta đưa ra quy định khi đo GPS như:

Không đặt máy thu dưới cột cao thế, gần trạm điện…

Không thu tín hiệu khi trời mưa

1.5.3 Sai số do người đo

Việc định vị chủ yếu được thực hiện bởi máy thu nhưng có một số thao tác do người thực hiện Do đó có thể gây ra sai số như: sai số định tâm, đo

chiều cao anten chưa chính xác…

Độ cao anten của máy thu cũng là một đại lượng tham gia vào các thành phần của vector cạnh (Base line) trong định vị tương đối Cho nên khi

đo cao anten cần thận trọng đọc số một cách chính xác trên thước đo Có thể đọc số trên cả thang “met” và thang đơn vị “inch”.Khi máy đang thu tín hiệu, không nên đứng vây xung quanh máy hoặc che ô cho máy

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM ĐỐI VỚI LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG

TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG 2.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ BỐ TRÍ CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG 2.1.1 Khái niệm chung

Bố trí công trình là công tác trắc địa được tiến hành ngoài thực địa để

xác định vị trí mặt bằng và độ cao các điểm, độ cao thẳng đứng của các kết

cấu, các mặt phẳng đặc trưng của công trình để xây dựng theo đúng thiết kế Lưới khống chế thi công thường được thành lập dưới dạng lưới tự do vì:

- Độ chính xác yêu cầu trong giai đoạn bố trí thi công công trình cao hơn độ chính xác lưới cơ sở được thành lập trong giai đoạn khảo sat thiết kế

- Hệ tọa độ trong giai đoạn khảo sát là hệ tọa độ nhà nước còn trong giai đoạn

bố trí công trình thường sử dụng hệ tọa độ quy ước riêng

- Lưới khống chế thi công thường được quy chiếu lên mặt phẳng có độ cao

trung bình của khu vực thi công

- Công trình tuyến đường giao thông là công trình có trục thiết kéo dài qua

nhiều vùng đi theo dải hẹp được đánh dấu ngoài thực địa, được đo vẽ chuyển lên bản đồ hoặc bình đồ ảnh

- Cơ sở hình học để chuyển bản thiết kế ra ngoài thực địa là trục bố trí vị trí

của chúng chỉ rõ trên bản thiết kế, người ta phân biệt một số trục bố trí như

trục chính, trục cơ bản,trục chi tiết

- Trục chính là các trục đối xứng của công trình, đối với công trình dạng tuyến đó là trục dọc công trình

- Trục cơ bản là trục tạo nên hình dạng và kích thước theo chu vi công trình

- Trục chi tiết, trung gian là những trục để bố trí các phần chi tiết của công

trình

Để tiến hành bố trí công trình, cần bố trí trên thực địa một hệ thống các điểm mặt bằng và độ cao gọi là lưới khống chế thi công, tọa độ và độ cao của chúng được xác định với độ chính xác cần thiết Sau đó tiến hành tính toán và

lập bản vẽ bố trí dựa trên tọa độ và độ cao các điểm trong lưới và các số liệu thiết kế

2.1.2 Trình tự thực hiện công tác bố trí công trình

Công tác bố trí trục công trình được tiến hành theo 3 giai đoạn:

- Bố trí cơ bản:Từ điểm khống chế trắc địa bố trí trục chính công trình.Từ trục chính bố trí trục cơ bản

- Bố trí trục chi tiết : Từ trục chính và trục cơ bản bố trí trục dọc, trục ngang của các bộ phận công trình đồng thời bố trí các điểm và mặt bằng theo độ cao thiết kế

- Bố trí công nghệ : công tác trong giai đoạn này nhằm đảm bảo lắp đặt và điều chỉnh các kết cấu xây dưng và thiết kế kĩ thuật

Bảng 2.1 Sai số trung phương khi lập lưới bố trí công trình

Cấp

chính

xác

Đặc điểm của các toà nhà, các

công trình và kết cấu xây dựng

Sai số trung phương khi thành lập các lưới bố trí trục và sai số của các công tác bố trí khác

Đo cạnh

Đo góc (“)

Xác định chênh cao tại trạm máy (mm)

1

Các kết cấu kim loại, các kết cấu

bê tông cốt thép được lắp ghép

1

2

Các toà nhà cao hơn 15 tầng, các

công trình có chiều cao từ 60m

đến 100m hoặc có khẩu độ từ

18m đến 30m

000 10 1

4

Các toà nhà cao dưới 5 tầng, các

công trình có chiều cao <15m

hoặc có khẩu độ < 6m

000 3

1

6 Các công trình bằng đất

000 1

1

2.2 MỘT SỐ YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI MẠNG LƯỚI THI CÔNG TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG

2.2.1 Đặc điểm cấu trúc chung của tuyến đường giao thông

- Công trình tuyến đường giao thông là công trình có trục thiết kéo dài qua nhiều vùng đi theo dải hẹp được đánh dấu ngoài thực địa, được đo vẽ chuyển lên bản đồ hoặc bình đồ ảnh hay được ghi trước bởi tọa độ vẽ lên bản đồ trên

mô hình số của bề mặt thực địa

- Nhìn chung tuyến đường là một đường cong không gian bất kỳ và rất phức tạp Trong mặt phẳng nó bao gồm các đoạn thẳng có hướng khác nhau

và chèn giữa chúng là những đường cong phẳng có bán kính cong thay đổi hoặc cố định Bình đồ dọc tuyến là hình chiếu của bề mặt địa hình trên bề mặt nằm ngang, còn bề mặt cắt dọc tuyến là hình chiếu trên mặt phẳng thẳng đứng

- Xét trên mặt bằng tuyến gồm những đoạn thẳng có phương hướng khác nhau gồm những đường cong nằm trong mặt phẳng nằm ngang có bán kính cong và thay đổi Bán kính cong càng lớn càng thuận lợi cho an toàn giao

thông Trên mặt cắt dọc gồm những đoạn thẳng có độ dốc khác nhau,khi cần thiết được nối nhau bằng những đường cong tròn nằm trong mặt phẳng thẳng đứng Độ dốc của tuyến đường thông thường không lớn lắm cho nên để hiển thị rõ tỉ lệ của mặt cắt dọc thường được chọn lớn gấp 10 lần tỉ lệ ngang

- Tuyến đường phân thủy: Được bố trí chạy dọc theo các điểm cao nhất của

địa hình Đây là tuyến đường tương đối phức tạp nhưng khối lượng xây dựng công trình nhân tạo ít, các điều kiện địa chất đảm bảo Tuy nhiên ở các vùng đồi núi thường các đường phân thủy hẹp ngoằn ngèo nên tuyến sẽ phức tạp

-Tuyến đường chạy bám sườn núi: Nằm ở các sườn núi, tuyến có thể thiết kế

độ dốc đều đặn và bằng phẳng nhưng về phương diện mặt bằng rất phức tạp

Vì tuyến đường cắt ngang hầu hết các con suối nên đòi hỏi phải xây dựng

nhiều cầu cống và do tuyến nằm ở sườn núi nên thường bị sụt lở

- Tuyến cắt qua thung lũng và đường phân thủy: Tuyến này chạy qua các thung lũng và các đường phân thủy về phương diện mặt bằng nó gần như một đường thẳng,còn về phương diện mặt cắt thường gặp những độ dốc kéo dài do

đố phương án khả thi

Nhưng khi định tuyến ở vùng núi và đồng bằng cần tuân thủ những nguyên tắc sau:

Định tuyến ở đồng bằng:

+ Giữa cácđịa vật có đường bao nên đặt tuyến thẳng Độ lệch tuyến so với

đường thẳng (tức là độ dài thêm tương dốc) và độ lớn của góc chuyển hướng cần phải được khống chế trước

+ Đỉnh các góc ngoặt chọn đối diện với khoảng giữa các địa vật để cho tuyến đường vòng qua địa vật đó

+ Các góc chuyển hướng của tuyến cố gắng không vượt quá 20 0  30 0

Định tuyến ở vùng núi:

+ Định tuyến theo một độ dốc giới hạn có khối lượng công tác bằng không chỉ lằm giảm độ dốc ( hoặc cho độ dốc bằng không ) ở những vùng riêng biệt, những khu vực đòi hỏi phải tuân theo những quy định nào đó Các yếu tố của tuyến và độ cao mặt đất được chọn lưu ý đến mặt thiết kế được lập trước đó

và những yêu cầu khi chèn đoạn thẳng và đường cong

+ Phải căn cứ vào độ dốc định tuyến và độ kéo dài của tuyến đường mà quyết định vị trí các đỉnh góc ngoặt và độ lớn của chúng Cần phải loại bỏ

những đường cong có bán kính nhỏ vì ở nơi đó buộc phải làm giảm độ dốc

cho phép một cách đáng kể

Lưới khống chế thi công được thành lập trong giai đoạn thi công xây dựng công trình,được thành lập với mục đích là cơ sở về mặt bằng,độ cao để chuyển bản thiết kế ra thực địa và phục vụ cho các giai đoạn khác nhau của

quá trình thi công xây dựng công trình Lưới phải được thống nhất thành lập

trong hệ tọa độ công trình,phải được đo nối với mốc trắc địa Nhà Nước, mốc trắc địa địa phương hoặc các mốc đã có trong giai đoạn trước đây Sự sai lệch

về tọa độ, sự biến dạng về chiều dài các cạnh cửa lưới thi công phải nằm trong giới hạn cho phép của quá trình thiết kế và thi công công trình

- Một số dự án công trình đường giao thông :

Hình 2.1: Dự án tuyến đường cao tốc Hà Nội – Lào Cai

Hình 2.2 :Dự án tuyến cao tốc TP.Hồ Chí Minh – Nhơn Trạch – Long Thành

2.2.3 Một số đặc điểm lưới thi công

Quy trình thiết kế và xây dựng một số công trình bất kỳ đều phải trải qua

các

các giai đoạn sau đây:

- Khảo sát và thiết kế công trình

- Thi công xây dựng công trình

- Đưa công trình đi vào sử dụng

Công tác trắc địa phục vụ cho xây dựng công trình cũng chia thành các nội dung sau:

+ Công tác trắc địa trong giai đoạn khảo sát thiết kế công trình bao gồm: Việc thành lập lưới khống chế cho đo vẽ bản đồ địa hình công trình các loại tỉ

lệ nhằm cung cấp các loại tài liệu cho việc thiết kế công trình

+ Công tác trắc địa trong giai đoạn thi công công trình bao gồm: Việc lập lưới trắc địa phục vụ thi công và bố trí công trình ngoài thực địa cả về mặt bằng và

độ cao nhằm đảm bảo công trình được chính xác cao và theo đúng thiết kế + Công tác trắc địa trong thời kỳ công trình đưa vào sử dụng:

Trong thời kỳ này công tác trắc địa là thành lập mạng lưới quan trắc biến dạng để theo dõi và đánh giá tính ổn định của công trình Như vậy ta thấy rằng lưới khống chế thi công trong trắc địa công trình là một loại lưới trắc địa chuyên dụng Được thành lập với mục đích làm cơ sở mặt bằng và độ cao để chuyển bản thiết kế ra ngoài thực địa phục vụ cho các giai đoạn thi công khác nhau của quá trình xây dựng công trình Trong giai đoạn đầu mạng lưới trắc địa được dùng để khảo sát thiết kế, sau đó cũng trên cơ sở này là mạng lưới khống chế mặt bằng và độ cao sẽ đượcdùng làm cơ sở để chuyển bản thiết kế

ra ngoài thực địa và thực hiện công tác đo vẽ hoàn công cũng như kiểm tra kết quả hoàn công và thiết kế công trình Từ đó ta có thể thấy rằng so với các

mạng lưới trắc địa dùng cho đo vẽ bản đồ thì mạng lưới trắc địa dùng cho thi công công trình có một số đặc điểm nổi bật sau:

+ Lưới khống chế thi công là một hệ thống lưới bao gồm nhiều bậc, được thành lập theo nguyên tắc từ tổng thể đến cục bộ, mỗi bậc lưới phục vụ cho từng giai đoạn khác nhau trong quá trình thi công một nhóm hạng mục công trình

+ Do đặc điểm yêu cầu độ chính xác cần bố trí công trình tăng dần theo tiến trình xây dựng nên yêu cầu độ chính xác đối với các bậc lưới cũng tăng dần từ bậc trước tới bậc sau

+ Đồ hình và phương pháp thành lập lưới phù hợp với đặc điểm kỹ thuật công trình và thuận lợi cho công tác bố trí đo vẽ hoàn công ở các giai đoạn tiếp

theo

+ Lưới khống chế thi công công trình thường có phạm vi khống chế nhỏ, mật

độ khống chế dày đặc, yêu cầu độ chính xác cao thường không thuận lợi cho công tác đo ngắm và bảo quản lâu dài các điểm mốc khống chế, điều kiện thi công chật hẹp sẽ tạo ra những khó khăn trong quá trình thành lập lưới,đo đạc công trình Do ảnh hưởng của điều kiện xây dựng nên các cạnh của lưới khống chế thi công thường ngắn rất khó đạt được một dạng đồ hình lý tưởng theo lý thuyết đề ra Ngoài ra môi trường xây dựng và sự hoạt động của các phương tiện tham gia thi công cũng làm ảnh hưởng rất nhiều tới độ chính xác thành lập lưới thi công xây dựng hay độ chính xác bố trí công trình Trong

điều kiện như vậy ta phải lựa chọn số bậc lưới và phương pháp phát triển lưới hợp lý để đảm bảo số liệu trắc địa trong quá trình thi công

Từ những đặc điểm của lưới ta thấy rằng do tính chất đa dạng của các công trình xây dựng mà lưới khống chế thi công cũng rất da dạng Tùy thuộc vào tính chất quan trọng của từng công trình,điều kiện địa hình,điều kiện thi công

mà dạng lưới trắc địa thi công phải được xây dựng một cách linh hoạt nhằm đáp ứng được những yêu cầu trong quá trình thi công các công trình Vì vậy lưới thi công phải được xây dựng và xử lý theo nguyên tắc sau:

+ Lưới thi công là mạng lưới độc lập, cục bộ ( để tránh ảnh hưởng của sai số

số liệu gốc )

+ Tất cả các bậc luới thi công phải được tính tọa độ (độ cao) trong hệ thống nhất đã được chọn lựa trong giai đoạn khảo sát công trình Những nguyên tắc nêu trên đảm bảo cho lưới thi công không bị biến dạng do ảnh hưởng của sai

số số liệu gốc,đồng thời lưới được định vị trong một hệ tọa độ chung

2.2.4 Các dạng lưới khống chế thi công

Các dạng lưới khống chế mặt bằng trong thi công công trình được thành lập trong giai đoạn xây dựng công trình và là cơ sở trắc địa cho công tác bố trí tổng thể, bố trí chi tiết và đo vẽ hoàn công công trình

Lưới khống chế thi công có thể thành lập dưới dạng:

là phải căn cứ vào độ chính xác nào để xác định độ chính xác của lưới khống chế thi công, khi lựa chọn phải xem xét tới điều kiện thực tế hiện trường thi công trình tự thi công và khả năng ứng dụng các điểm khống chế trong công tác bố trí

Đối với một số yếu tố nào đó của công trình tuy yêu cầu về độ chính xác rất cao về vị trí tương hỗ nhưng khi bố trí có thể lợi dụng quan hệ hình học giữa chúng để xác định độ chính xác cần thiết Sau khi đã xác định yêu cầu độ chính xác của công tác bố trí,dựa trên cơ sở đó để xác dịnh độ chính xác của lưới khống chế thi công

Ví dụ: Đối với công trình giao thông thủy lợi Các điểm bố trí thi công cách xa điểm khống chế không thuận tiện cho việc bố trí nên sai số bố trí khá lớn Khi bố trí cần phối hợp chặt chẽ với thi công xây dựng,công tác bố trí phải được tiến hành đảm bảo đáp ứng yêu cầu của thi công nên không dùng phương pháp đo nhiều lần để nâng cao độ chính xác

Bảng 2.3 Sai số trung phương khi lập lưới khống chế thi công

Cấp

chính

xác

Đặc điểm của đối tượng xây lắp

Sai số trung phương khi lập lưới

Đo góc (“)

Đo cạnh (tỷ lệ)

Đo chênh cao trên 1km thuỷ chuẩn (mm)

1

Xí nghiệp, các cụm nhà và công trình

xây dựng trên phạm vi >100ha, từng

ngôi nhà và công trình riêng biệt trên

diện tích>100ha

2

Xí nghiệp, các cụm nhà và công trình

xây dựng trên phạm vi <100 ha, từng

ngôi nhà và công trình riêng biệt trên

diện tích từ 1ha đến 10ha

3

Nhà và công trình xây dựng trên diện

tích <1 ha Đường trên mặt đất và các

đường ống ngầm trong phạm vi xây

dựng

4 Đường trên mặt đất và các đường ống

2.2.5 Yêu cầu độ chính xác công tác trong khảo sát và thiết kế công trình

2.2.5.1 Độ chính xác về mặt bằng

1 Lưới khống chế mặt bằng trên khu vực xây dựng công trình thường thành

lập đến tỷ lệ 1:500

Lưới được phân cấp thành nhiều bậc có thể tóm tắt như sau:

Lưới mặt bằng và độ cao nhà nước

(Lưới tam giác, lưới đa giác hạng II IV; lưới thủy chuẩn hạng II IV)

Lưới chêm dày khu vực

(Lưới giải tích hoặc đa giác cấp 1,2; thủy chuẩn kỹ thuật)

Lưới khống chế đo vẽ

(Đường chuyền kinh vĩ, lưới tam giác nhỏ, lưới giao hội…)

2 Mật độ điểm khống chế

Theo quy phạm, mật độ điểm trung bình các điểm khống chế nhà nước

từ hạng I IV được quy định như sau:

- Trên khu vực đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1:5000 thì cứ 20 30 km2 cần có một điểm khống chế mặt bằng và 10 20 km2 cần có một điểm khống chế độ cao

- Trên khu vực cần đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1:2000; 1:1000; 1:500 thì cứ 5

15 km2 cần một điểm khống chế mặt bằng và 5 7 km2 cần có một điểm khống chế độ cao Đặc biệt trên các khu vực hẹp có dạng kéo dài thì cứ 5 km2

cần có một điểm khống chế mặt bằng

3 Độ chính xác lưới khống chế

Tiêu chuẩn độ chính xác của lưới khống chế mặt bằng được xem xét trong hai trường hợp sau:

- Trường hợp 1: Nếu lưới khống chế mặt bằng chỉ thành lập với mục đích đo vẽ địa hình nói chung thì tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác là “sai số trung phương vị trí điểm cấp khống chế cuối cùng so với điểm khống chế cơ sở” hay còn gọi là “sai số tuyệt đối vị trí điểm”

Quy phạm quy định: Sai số vị trí điểm của lưới khống chế đo vẽ so với điểm khống chế nhà nước không được vượt quá 0.2mm trên bản đồ, tức là Mp

0.2mm.M Đối với vùng cây rậm rạp thì yêu cầu độ chính xác này giảm đi 1.5 lần, tức là Mp  0.3mm.M ( ở đây M là mẫu số tỷ lệ bản đồ cần thành lập)

- Trường hợp 2: nếu lưới khống chế mặt bằng được thành lập để phục

vụ cho thi công các công trình thì tiêu chuẩn để đánh giá độ chính xác là “sai

số trung phương tương hỗ của hai điểm lân cận nhau thuộc cấp khống chế cuối cùng hoặc sai số trung phương vị trí tương hỗ

giữa hai điểm trên khoảng cách nào đó”

4 Công thức tính một số dạng lưới

+ Lưới tam giác đo góc: Đối với lưới tam giác đo góc cần cố gắng thiết

kế các tam giác gần với tam giác đều Trong trường hợp đặc biệt mới thiết kế các tam giác có góc nhọn đến 200, còn các góc 1400

Chẳng hạn dịch vị dọc của chuỗi tam giác gần đều, sau khi bình sai lưới theo các điều kiện hình được tính theo công thức:

mL = L

n

n n m

b

m b

9

5 3 4 ) ( ) (

2 2

của chuỗi

b

m b - sai số trung phương tương đối cạnh đáy

m - sai số trung phương đo góc, dấu “ +” trước 3n được lấy khi số lượng

tam giác là chẵn, còn dấu “ –” khi số lượng tam giác lẻ

Dịch vị ngang trong chuỗi tam giác như trên được tính theo công thức:

- Khi số lượng tam giác trong chuỗi là chẵn

m .2 5 515

2 2

 



(2.3)Trong đó m sai số trung phương góc định hướng của cạnh gốc

+ Lưới tam giác đo cạnh: Các chỉ tiêu cơ bản của lưới này được nêu trong bảng sau:

3 Sai số tương đối giới hạn xác định

chiều dài cạnh

+ Lưới đường chuyền:

Tùy thuộc vào diện tích và hình dạng kích thước đo, vào vị trí các điểm

mà thiết kế lưới đường chuyền dưới dạng đường chuyền phù hợp, lưới đường chuyền với các điểm nút hoặc vòng khép

Việc đánh giá bản thiết kế lưới đường chuyền bao gồm: xác định sai số tọa độ các điểm nút, sai số khép tương đối của đường chuyền, sau đó so sánh chúng với các hạn sai tương ứng Công thức ước tính gần đúng tuyến đường chuyền đơn phù hợp dạng bất kỳ tính theo công thức