Nghiên cứu khả năng ứng dụng GPS để kiểm tra độ thẳng đứng công trình trong quá trình thi công

Bài viết Nghiên cứu khả năng ứng dụng GPS để kiểm tra độ thẳng đứng công trình trong quá trình thi công nghiên cứu biện pháp kiểm tra độ thẳng đứng của các công trình xây dựng có chiều cao lớn bằng công nghệ GPS với việc sử dụng hệ toạ độ vuông góc không gian địa diện chân trời. Trên cơ sở đó, đánh giá khả năng ứng dụng GPS để kiểm tra độ thẳng đứng của công trình trong quá trình thi công.

Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 38, 4/2012, tr.53-58 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG GPS ĐỂ KIỂM TRA ĐỘ THẲNG ĐỨNG CƠNG TRÌNH TRONG Q TRÌNH THI CƠNG NGUYỄN QUANG PHÚC, HỒNG THI MINH HƯƠNG, TRẦN THUỲ LINH, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Trong thi công xây dựng, thường sử dụng phương pháp phương tiện truyền thống để kiểm tra độ thẳng đứng cơng trình Tuy nhiên, với cơng trình có chiều cao lớn, giải pháp truyền thống tỏ hiệu quả, nhiều trường hợp không đáp ứng yêu cầu thi công Nội dung báo nghiên cứu biện pháp kiểm tra độ thẳng đứng cơng trình xây dựng có chiều cao lớn công nghệ GPS với việc sử dụng hệ toạ độ vng góc khơng gian địa diện chân trời Trên sở đó, đánh giá khả ứng dụng GPS để kiểm tra độ thẳng đứng cơng trình q trình thi cơng cơng trình với trục đứng lý tưởng tức phương Đặt vấn đề Khi thi cơng cơng trình xây dựng có dây dọi Như vậy, để xác định độ thẳng đứng chiều cao lớn nhà cao tầng, tháp truyền hình, ống khói nhà máy, silo, bồn chứa nhiên cơng trình, cần phải xác lập hệ quy liệu v.v…, cần phải tuân thủ chặt chẽ yêu cầu chiếu cục với gốc toạ độ hệ trục toạ độ độ xác kích thước hình học cách hợp lý cho cơng trình Theo chúng tơi, cơng trình u cầu nhằm bảo đảm tính bền hệ toạ độ vng góc khơng gian địa diện chân vững ổn định kết cấu, đồng thời trời đáp ứng yêu cầu xác định độ thẳng để bảo đảm trắc địa cho việc lắp đặt cấu đứng cơng trình theo nghĩa nói kiện thiết bị kỹ thuật q trình thi cơng kiểm tra độ thẳng đứng cơng trình có vận hành, khai thác sử dụng chiều cao lớn công nghệ GPS Trước hết, xem xét hệ toạ độ vuông góc khơng cơng trình u cầu chủ yếu dạng hình học gian địa diện chân trời địa phương (gọi tắt hệ cơng trình có chiều cao lớn phải đảm bảo toạ độ địa diện chân trời) mối quan hệ với độ thẳng đứng - thông số đặc trưng hệ toạ độ vng góc khơng gian địa tâm quốc tế quan trọng cho độ bền vững tính thẩm mỹ WGS-84, hệ toạ độ thường sử dụng cơng trình Khi cơng trình khơng thẳng đo đạc vệ tinh đứng, có nghĩa bị nghiêng Theo [2], z Z cơng trình có trục đứng x M rõ ràng ống khói nhà máy, tháp truyền y hình, silo, bồn chứa nhiên liệu độ nghiêng cơng trình sai lệch trục đứng thực G P0 Mặt phẳng P tế điểm xét so với phương thẳng chân trời đứng xác định đường dây dọi Đối O với cơng trình khơng có trục đứng Y B L rõ ràng tồ nhà cao tầng độ nghiêng đánh giá qua độ nghiêng XÍCH ĐẠO tường cột chịu lực X Độ nghiêng biểu diễn đơn vị độ dài - hình chiếu độ lệch tâm tâm cơng trình mặt phẳng chân đế góc nghiêng - góc hợp trục đứng thực tế Hình Hệ toạ độ địa diện chân trời P0-xyz 53 Hệ toạ độ địa diện chân trời Trên Hình 1, O tâm ellipsoid Trái đất O-XYZ hệ toạ độ vng góc khơng gian địa tâm quốc tế P0 điểm Mặt đất điểm lưới khống chế Lấy điểm P0 làm gốc, pháp tuyến với mặt ellipsoid qua điểm P0 làm trục z, hướng thiên đỉnh hướng dương; lấy hướng kinh tuyến làm trục x, hướng Bắc hướng dương; trục y vng góc với trục x z, hướng Đông hướng dương P0-xyz gọi hệ toạ độ vng góc khơng gian địa diện chân trời Quan hệ toạ độ vng góc khơng gian địa tâm toạ độ địa diện chân trời biểu diễn theo công thức [1]: x i   sin B0 cos L0  sin B0 sin L0 cos B0    y     sin L cos L0 0   i  zi  cos B0 cos L0 cos B0 sin L0 sin B0  (1) X i  X  Yi  Y0  Zi  Z0  đó: Xi,Yi, Zi xi, yi, zi - tọa độ không gian toạ độ địa diện điểm i X0, Y0, Z0 B0, L0 - tọa độ không gian toạ độ trắc địa điểm P0 Một số kết nghiên cứu cho thấy, độ xác xác định thành phần toạ độ địa diện chân trời sau tính chuyển phụ thuộc vào sai số trung phương xác định toạ độ vng góc khơng gian điểm [3] Bên cạnh đó, máy thu tín hiệu vệ tinh đảm bảo xác định toạ độ với sai số trung phương cỡ ~3mm [4] Xem xét hệ toạ độ vng góc khơng gian địa diện chân trời, rút số nhận xét sau: - Phương trục z phương pháp tuyến với mặt ellipsoid qua gốc hệ toạ độ, gần với phương dây dọi Đây điều kiện thuận lợi để nghiên cứu độ thẳng đứng công trình Một số kết nghiên cứu cho thấy rằng, phần lớn lãnh thổ Cộng hoà liên bang Nga, độ lệch dây dọi không 4”[3] Ở Việt Nam, giá trị khoảng 10” khu vực Hà Nội khoảng 20” vùng núi phía Bắc tính theo ellipsoid WGS-84 quốc tế - Các cơng trình thường xây dựng bề mặt đất tự nhiên Nếu sử dụng giá trị toạ độ phẳng phép chiếu hình trụ ngang đồng góc để nghiên cứu độ thẳng đứng cơng trình khơng thuận lợi, mặt chiếu toạ độ phẳng trường hợp mặt ellipsoid quy chiếu toạ độ Trong đó, độ cao điểm gốc P0 hệ toạ độ địa diện lựa chọn Và chọn độ cao điểm gốc P0 độ cao bề mặt móng cơng trình đó, mặt phẳng toạ độ xP0y mặt phẳng chân trời P0 (Hình 1), tức bề mặt đất thực, thuận lợi cho việc nghiên cứu độ thẳng đứng biến cố cơng trình q trình thi cơng khai thác sử dụng chúng Theo [2], sai số giới hạn xác định độ nghiêng số loại cơng trình cho cột Bảng 1, với H chiều cao cơng trình Nếu coi sai số giới hạn lớn gấp lần sai số trung phương độ xác xác định độ nghiêng đối tượng (xem cột bảng 1): Bảng Độ xác xác định độ nghiêng số loại cơng trình Sai số trung phương Sai số Loại cơng trình giới hạn [2] Theo độ dài Theo góc (1) (2) (3) (4) Nhà cao tầng 0,0001H 0,00005H 10,3” Ơng khói nhà máy 0,0005H 0,00025H 51,5” Các silơ chứa vật liệu rời, bồn chứa dầu, 0,001H 0,0005H 1’ 43,0” khí hố lỏng Tháp truyền hình, ăng ten vơ tuyến 0,0001H 0,00005H 10,3” 54 Kết cột (bảng 1) cho thấy: phần lớn trường hợp, độ lệch dây dọi khơng vượt q độ xác cần thiết xác định độ nghiêng Vì vậy, hồn tồn sử dụng hệ toạ độ địa diện chân trời để nghiên cứu, xác định độ nghiêng cơng trình Ngun lý xác định độ thẳng đứng cơng trình cơng nghệ GPS Trên hình 2, điểm lưới khống chế, có toạ độ hệ toạ độ không gian địa tâm X0, Y0 Z0 Để tìm giao điểm phương pháp tuyến với mặt ellipsoid qua điểm mức 1, 2, 3,…, n sàn thi công, cần đặt máy thu tín hiệu vệ tinh điểm 0, máy thu thứ đặt điểm 1, sau lân cận điểm 2, 3,…, n theo tiến độ thi công Kết xử lý số liệu cho phép xác định số  gia toạ độ X 0i , Y0i , Z0i vector Oi (i=1, 2,…, n), từ xác định toạ độ điểm thứ i hệ toạ độ không gian địa tâm theo công thức: X i  X  X 0i Yi  Y0  Y0i Z i  Z  Z 0i (2) n Hình 2- Xác định độ thẳng đứng cơng trình Chọn điểm làm gốc hệ toạ độ địa diện chân trời Theo (1), tính toạ độ địa diện chân trời điểm sau (viết dạng đầy đủ): x i  (X i  X1 ) sin B1 cos L1  (Yi  Y1 ) sin B1 sin L1  (Z i  Z1 ) cos B1 y i  (X i  X1 ) sin L1  (Yi  Y1 ) cos L1 , (3) z i  (X i  X1 ) cos B1 cos L1  (Yi  Y1 ) cos B1 sin L1  (Z i  Z1 ) sin B1 với i=2, 3,…, n Nếu lưu ý đến (2) (3) viết lại sau: x i  (X 0i  X 01 ) sin B1 cos L1  (Y0i  Y01 ) sin B1 sin L1  (Z 0i  Z 01 ) cos B1 y i  (X 0i  X 01 ) sin L1  (Y0i  Y01 ) cos L1 , (4) z i  (X 0i  X 01 ) cos B1 cos L1  (Y0i  Y01 ) cos B1 sin L1  (Z 0i  Z 01 ) sin B1  tức phải tính thơng qua số gia toạ độ không gian vector đường đáy Oi , mà khơng liên quan đến toạ độ điểm khống chế Tuy nhiên, vị trí điểm khơng ổn định q trình thi cơng gây thay đổi chiều dài vector đường đáy Đây điểm cần lưu ý lựa chọn vị trí bố trí điểm khống chế, cho chúng có độ ổn định cao suốt q trình thi cơng Trong công thức trên, B1 L1 toạ độ trắc địa điểm Nếu điểm 2, 3, , n nằm phương pháp tuyến phải thoả mãn điều kiện: xi=yi=0 (5) 55 Khi điểm khơng q xa cơng trình (