Chương 3 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH CẦU Ở VIỆT NAM
3.1 Ứng dụng GPS trong thành lập lưới khống chế mặt bằng thi công cầu
Bằng các phương pháp truyền thống người ta có thể đo đạc các lưới cầu khi khoảng cách chỗ vượt cầu không quá lớn và các điểm được chọn thông hướng với nhau. Tuy nhiên trong thực tế thì các công việc đo đạc này thường gặp khó khăn, nhất là hiện tại khi các công trình cầu đều có chiều dài chỗ vượt lớn và hình dạng cầu không còn theo trục thẳng hàng nữa. Công nghệ GPS với những ưu điểm vượt trội đã được ứng dụng vào công trình mang lại hiệu quả rõ rệt trong tất cả các bước khi tiến hành thi công xây dựng công trình cầu.
Hình 3.1: Cầu Coronado ở San Diego, Mỹ 3.1.1. Thiết kế lưới
Lưới cầu thiết kế bằng công nghệ GPS vẫn giữ nguyên các yêu cầu như với lưới khống chế thành lập bằng công nghệ truyền thống nhưng vì những đặc điểm đặc biệt của công nghệ GPS nên có những điểm khác biệt sau:
- Các điểm của mạng lưới được chọn không cần thiết phải thông hướng nhau, tuy nhiên 2 trong số các điểm của mạng lưới nên chọn trùng với tim trục cầu, và cần thiết phải có 2 điểm trong lưới là các điểm đã biết tọa độ nhà nước (điểm loại 1).
- Thiết kế đồ hình lưới GPS chủ yếu tuỳ thuộc yêu cầu độ chính xác, kinh phí, thời gian, nhân lực, loại hình và số lượng máy thu.
- Để nâng cao chất lượng lưới GPS trong trắc địa công trình, cần phải áp dụng một số biện pháp cần thiết như thiết kế và ước tính độ chính xác lưới GPS.
Đối với lưới khống chế thi công có yêu cầu độ chính xác cao và lưới quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình, cần phải ước tính độ chính xác của yếu tố cần xét của lưới GPS thiết kế theo phương pháp chặt chẽ trên cơ sở bình sai gián tiếp và phải đảm bảo độ chính xác yêu cầu.
- Phương thức liên kết lưới GPS trong công trình cầu thường là phương thức liờn kế hỗn hợp cạnh điểm. Liên kết hỗn hợp cạnh - điểm là dạng kết hợp ph-ơng thức liên kết cạnh và ph-ơng thức liên kết điểm. Ph-ơng thức này có thể bảo đảm c-ờng độ đồ hình, nâng cao độ tin cậy của l-ới vừa có thể giảm khối l-ợng công tác ngoại nghiệp, hạ giá thành.
Hình 3.2: Liên kết cạnh - điểm
- Lưới GPS công trình cầu cần phải được tạo thành một số vòng khép không đồng bộ hoặc một số tuyến phù hợp từ các cạnh đo độc lập. Số cạnh trong mỗi vòng khép hoặc trong mỗi tuyến phù hợp của các cấp lưới GPS được quy định ở bảng 3.1 [8].
Bảng 3.1: Quy định về số lượng cạnh trong vòng đo độc lập hoặc tuyến phù hợp đối với các cấp lưới GPS
Hạng, cấp lưới II III IV Cấp 1 Cấp 2
Số cạnh trong mỗi vòng khép hoặc tuyến phù hợp
6 8 10 10 10
3.1.2. Đo đạc lưới
Sau khi thiết kế lưới khống chế GPS công trình cầu ta tiến hành đo đạc với các yêu cầu về đo đạc ngoại nghiệp đã được quy định trong TCVN
9401:2012 – Kỹ thuật đo đạc và xử lý số liệu GPS trong trắc địa công trình.
Một số chú ý khi chọn điểm đo và đo đạc lưới GPS:
- Vấn đề chọn điểm GPS
Chọn điểm đo GPS liên quan đến vấn đề thiết kế lưới GPS, ngoài một số yêu cầu về mật độ điểm, về kết cấu hình học của mạng lưới, các điểm GPS cần phải đảm bảo một số yêu cầu riêng mang tính đặc thù của công nghệ GPS. Để thiết kế lưới GPS và chọn điểm cần phải có các bản đồ địa hình tỷ lệ lớn nhất đã có trong khu vực xây dựng công trình [8]. Ngoài ra cũng có thể sử dụng các bản đồ giao thông để phục vụ cho mục đích này. Tất cả các điểm đo dự kiến cần được triển vị trí lên bản đồ cùng với các điểm gốc đã biết.
Khác với việc chọn điểm trong công nghệ truyền thống đó là yêu cầu thông hướng giữa các điểm. Đối với lưới GPS vấn đề là phải lưu ý đến điều kiện thông thoáng trên bầu trời, có như vậy các máy thu tín hiệu từ vệ tinh không bị ảnh hưởng. Tốt nhất lên bố trí điểm đo sao cho góc mở lên bầu trời (dạng hình nón) không nhỏ hơn 1500 hoặc 1400.
Hình 3.3: Góc mở tại điểm đo GPS
Khi thiết kế và chọn điểm GPS cần lưu ý những vấn đề sau đây:
+ Các vật cản xung quanh điểm đo có góc cao không quá 150 để tránh cản đường tín hiệu GPS;
150o
Máy thu GPS
+ Chọn điểm không quá gần các bề mặt phản xạ như các vật bằng kim loại, các hàng rào, mặt nước vì chúng có thể gây lên hiện tượng đa đường dẫn;
+ Không quá gần các thiết bị điện: như trạm phát sóng, đường dây cao áp, có thể gây nhiễu tín hiệu.
Những điều nêu trên đây là những điều quan trọng nhất, ngoài ra còn lưu ý bố trí gần các đường giao thông dễ đi lại, rút ngắn thời gian đo đạc lưới, cần lưu ý bố trí điểm GPS ở những vị trí đất riêng biệt tránh khả năng nhầm lẫn mốc nơi thông thoáng lên thiên đỉnh. Một mạng lưới trong hệ toạ độ nhà nước cần đo nối ít nhất 3 điểm của lưới nhà nước.
- Vấn đề chôn mốc
Mốc GPS phải chôn vĩnh cửu, khi chôn đáy mốc phải có gạch và đổ bê tông lót, mốc có thể đúc sẵn hoặc đúc tại hiện trường. Có thể lợi dụng nền bê tông, nền đá khoan gắn thêm dấu mốc tại hiện trường.[8]
- Vấn đề đo đạc
Cần phải đo đạc và ghi chép các yếu tố như độ cao anten, thời gian đo, các thông số khí tượng tại khu đo, tâm pha anten đặt theo hướng bắc.
Các máy thu GPS cần kiểm định thường xuyên và trước khi đi đo cần chuẩn bị trước pin dự phòng để có thể hoàn thành ca đo không bị gián đoạn.
3.1.3. Tính toán bình sai lưới GPS 3.1.3.1. Tính vectơ cạnh
Kết quả đo GPS có thể xử lý bằng phần mềm Trimble Business Center hoặc các phần mềm khác cùng tính năng. Khi giải cạnh, chỉ chấp nhận các cạnh đạt lời giải FIX, với RATIO không nhỏ hơn 2. Trong trường hợp không đạt lời giải FIX cần lưu ý tới sai số đa đường dẫn tín hiệu (Multipath). Nếu tính cạnh ở chế độ tự động không đạt thì phải xử lý cạnh theo phương pháp can thiệp, khi xử lý can thiệp có thể cắt bỏ bớt vệ tinh có tình trạng xấu hoặc cắt bỏ bớt thời gian đo nhưng không được quá 20% thời gian thu tín hiệu. Tọa độ gốc dùng để
tính vectơ cạnh nên chọn là trị bình sai của tọa độ trong hệ WGS-84 của các điểm định vị theo phương pháp định vị điểm đơn (tuyết đối) trong khoảng thời gian thu tín hiệu lớn hơn 30 phút.
Để tính các vectơ cạnh có thể dùng các trị đo sai phân bậc hai. Trong một ca đo đồng bộ với nhiều máy thu, có thể tính riêng từng vectơ cạnh, cũng có thể chọn các vectơ cạnh độc lập và cùng tính theo cách xử lý nhiều vectơ cạnh.
Trong lưới GPS chọn các cạnh sao cho tạo thành các vòng đo độc lập. Sai số khép tương đối toạ độ thành phần và sai số khép tương đối chiều dài của các vòng đo độc lập phải đảm bảo quy định:
S
X nm
f 2 . (3.1)
fY 2 n.mS (3.2)
S
XYZ nm
f 2 3 . (3.3) fXYZ fX2 fY2 fZ2 (3.4) Trong đó:
n: số cạnh trong vòng đo độc lập.
mS: sai số đo cạnh GPS.
Sai số khép tương đối giới hạn được tính theo công thức:
(3.5) Với [D] - là chu vi vòng khép.
3.1.3.2. Bình sai lưới
Khi lưới đã đạt các yêu cầu kiểm tra chất lượng, tiến hành bình sai lưới.
Chương trình bình sai lưới phổ biến hiện nay là các phần mềm xử lý số liệu GPS của hãng Trimble. Khi bình sai lưới khống chế thi công, cần chọn Elipxoid và chọn hệ toạ độ phẳng với phép chiếu thích hợp. Đối với Trắc địa công trình cầu, có thể sử dụng Elipxoid Krasovski hoặc WGS-84. Để lập hệ toạ độ phẳng,
Dnm
T
S gh
. 3 2 1
có thể sử dụng phép chiếu Gauss-Kruger hoặc UTM với kinh tuyến trục được lựa chọn để biến dạng tỷ lệ chiều dài là nhỏ nhất.
3.1.3.3. Tính chuyển tọa độ về hệ tọa độ thi công công trình
Khi xử lý số liệu lưới khống chế thi công thành lập bằng công nghệ GPS gặp một số vấn đề sau:
- Đa số các hạng mục công trình được thiết kế trong hệ toạ độ giả định, trong khi đó toạ độ các điểm của lưới khống chế thi công lại được xác định trong hệ toạ độ địa tâm WGS-84;
- Có sự khác biệt về chiều dài cạnh của lưới khống chế thi công thành lập bằng công nghệ GPS so với chiều dài cạnh đo được trên bề mặt tự nhiên của Trái đất.
Để có thể sử dụng lưới khống chế thi công thành lập bằng công nghệ GPS cần phải tính chuyển toạ độ các điểm đo GPS về hệ toạ độ thi công công trình.
Từ tọa độ GPS vuông góc không gian quốc tế (ZYZ)qt ta tính chuyển về hệ tọa độ vuông góc không gian địa phương (XYZ)đp , tiếp đo ta tính chuyển sang hệ tọa độ trắc địa địa phương (BLH)đp , tiếp tục tính chuyển sang hệ tọa độ phẳng múi chiếu công trình trên bề mặt Elipsoid (x,y)L0,H0, sau đó tính về hệ tọa độ mặt chiếu công trình x y L,Hm
) 0
,
( . Các bước tính chuyển và các nguyên lý tính chuyển từ hệ tọa độ vuông góc không gian quốc tế đến hệ tọa độ phẳng múi chiếu công trình đã được làm rõ trong tài liệu tham khảo [2].
Cần liên kết các điểm cố định của lưới GPS với hệ toạ độ thi công công trình bằng các trị đo GPS. Số lượng điểm tối thiểu có toạ độ trong cả hai hệ toạ độ (điểm song trùng) là 2 điểm, nếu số lượng điểm song trùng lớn hơn 2 điểm thì việc tính chuyển được thực hiện theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất.
Khi tính chuyển toạ độ có thể sử dụng thuật toán Helmert hoặc Aphin.