Công tác trắc địa trong quá trình thi công, xây dựng công trình cầu

Chương 2 TỔNG QUAN CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA TRONG KHẢO SÁT,

2.2 Công tác trắc địa trong quá trình thi công, xây dựng công trình cầu

2.2.1. Công tác trắc địa thành lập lưới khống chế mặt bằng công trình cầu Lưới khống chế tọa độ công trình cầu là cơ sở để triển khai bố trí các hạng mục tiếp theo. Do đó công tác xây dựng lưới khống chế tọa độ đặc biệt được chú trọng để đảm bảo độ chính xác cần thiết. Thông thường lưới khống chế tọa độ được xác định thông qua các bước chính sau:

2.2.1.1. Thiết kế lưới

Bằng các phương pháp truyền thống người ta xây dựng lưới khống chế tọa độ cầu thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Đo nối các điểm thuộc mạng lưới thi công cầu với các điểm khống chế đã thành lập trước đây khi khảo sát địa hình khu vực xây dựng cầu.Như vậy ta sẽ có 2 loại điểm khống chế là điểm loại 1 (các điểm đã biết tọa độ) và điểm loại 2 (những điểm lưới thi công cần xác định tọa độ). Cần đo nối điểm loại 2 với các điểm loại 1 để đảm bảo tính thống nhất giữa hệ tọa độ thi công công trình cầu và hệ tọa độ khảo sát công trình cầu đã thành lập từ giai đoạn trước.

- Hình dạng lưới tam giác cầu có thể khác nhau tuỳ thuộc dáng đất và địa vật xung quanh khu xây dựng nhưng hình dáng thường được sử dụng nhiều nhất là tứ giác trắc địa đơn hay kép.

Hình 2.3: Một dạng đồ hình lưới tam giác cầu

A

C B D KC1

KC2

Trong hình 2.3 các điểm KC1, KC2 là các điểm loại 1, các điểm A, B, C, D là các điểm loại 2. Điểm A, B được chọn trùng với trục tim cầu.

- Hai trong số các điểm của mạng lưới được chọn nằm trên đường tim cầu, thường là trùng với các điểm đánh dấu chiều dài chỗ vượt.

- Các điểm còn lại được chọn không quá xa trục cầu, thường cách xa trục cầu bằng một nửa chiều dài chỗ vượt để thuận tiện cho việc bố trí các tâm trụ.

- Độ chính xác của lưới tam giác cầu phải đảm bảo cho sai số trung phương bố trí tâm trụ và sai số trung phương độ dài các nhịp cầu không quá 1.52cm

từ đó ta có thể thấy sai số trung phương vị trí điểm khống chế phải nhỏ hơn

cm 2 5 . 1 

 tức là khoảng1cm. Lưới tam giác cầu được thiết kế dựa trên sự nghiên cứu kĩ lưỡng bản thiết kế công trình cầu và các tài liệu khác như bản đồ địa hình, địa vật….

- Do lưới thi công có độ chính xác cao như vậy nên ta cần phải ước tính độ chính xác trước khi thi công lưới. Việc ước tính được thực hiện theo phương pháp chặt chẽ dựa trên mô hình bài toán bình sai gián tiếp kèm điều kiện để thiết lập mối quan hệ giữa các trị đo bằng cách lập hệ phương trình sai số và hệ phương trình chuẩn sau khi nghịch đảo hệ phương trình chuẩn sẽ tính được trong số đảo của hàm cần đánh giá theo công thức:

f Qf

p

T f

1 

(2.8)

Trong đó:

Q là ma trận hệ số trọng số

F là vector hệ số của hàm cần đánh giá Lúc đó ta có được công thức tính sai số trung phương là:

mF fTQf (2.9)

Với  là sai số trung phương trọng số đơn vị.

- Thông thường giữa các điểm của lưới tam giác cầu cần đảm bảo thông suốt tầm nhìn từ mặt đất. Trong trường hợp cần thiết có thể xây dựng các cột tiêu dưới dạng hình tháp nhỏ có độ cao từ 4-6m, mốc được xây bằng bê tông cốt sắt chôn sâu 2m. Khi xây dựng cầu vượt qua sông lớn, hồ hoặc vịnh cần phải xây dựng các điểm lưới tam giác ở cả trên bờ và cả trên dòng nước nhằm tạo ra một cơ sở khống chế thuận lợi cho việc bố trí trụ cầu.

- Trong quá trình khảo sát trên thực địa người ta chính xác hoá các điều kiện địa chất của khu vực thi công và cần đảm bảo độ cao tia ngắm vượt lên trên chướng ngại vật ít nhất là 3m. Đặc biệt là trong quá trình thi công lưới ta cần thường xuyên kiểm tra khả năng thông hướng tia ngắm của các điểm lưới tam giác nhằm đảm bảo cho qua trình thi công đươc thuận lợi. Cạnh đáy của lưới tam giác phải được đo bằng thước dây invar hoặc băng máy đo xa điện quang trên những công trình cầu lớn sai số cho phép đo cạnh đáy được phép là 1/200000 ÷ 1/300000, trong quá trình đo ta cần thường xuyên lưu ý đến và tính các số hiệu chỉnh về nhiệt độ, đo kiểm nghiệm thước, đo chênh cao các đầu đoạn đo… để đề phòng trong trường hợp chênh cao giữa các đầu cạnh đáy hoặc cạnh đo trực tiếp lớn quá so với mặt cầu thi có thể đưa vào để hiệu chỉnh.

Các góc được đo bằng máy kinh vĩ quang học với sai số cho phép khoảng

2''

1 các góc đo phải được tiến hành trong điều kiện định tâm chính xác đối với máy kinh vĩ và bảng ngắm. Ngày nay khi công nghệ đo dài phát triển mạnh với những thế hệ máy đo có độ chính xác cao thì việc lập lưới tam giác cầu được thực hiện chủ yếu theo phương pháp góc cạnh vì khi thành lập lưới theo phương pháp này có thể giúp giảm nhẹ được công tác đo trực tiếp các cạnh đáy mặt khác việc lập lưới theo phương pháp đo góc cạnh kết hợp sẽ giúp tăng thêm độ chính xác cho mạng lưới.

2.2.1.2. Một số phương án thành lập lưới khống chế cơ sở thi công

Do các hạn chế về mặt đo ngắm và thông hướng nên lưới khống chế cơ sở thi công thường có các dạng đồ hình truyền thống và được đo góc và đo cạnh.Dựa vào hình thức đo đạc ta có thể chia ra một số dạng chính như sau : 1. Lưới tam giác đo góc

Khi các máy đo xa chưa phát triển nhiều thi việc lập lưới khống chế cơ sở được thành lập chủ yếu bằng phương pháp đo góc dưới dạng tứ giác trắc địa đơn hay kép lưới được đo tất cả các góc với độ chính xác 1:50.000 đến 1:300.000.

B A

E b2 C

b1

7 1

2 3

4

5 6 8

Hình 2.4: Lưới tam giác đo góc

Trước năm 1980, xây dựng chủ yếu theo phương pháp truyền thống tức là đo góc kết hợp đo các cạnh đáy (như lưới tam giác cầu Thăng Long), nhưng hiện nay với việc phát triển các máy đo dài điện quang nên trong thực tế phương pháp này không còn được sử dụng nữa.

2. Lưới tam giác đo cạnh

Khi công nghệ đo dài phát triển thì việc thành lập lưới khống chế đo cạnh được chú trọng hơn do nhiều ưu điểm trong việc đo đạc. Tuy nhiên đồ hình xây dựng vẫn sử dụng các đồ hình khuôn mẫu như lưới đo góc.

Lưới tam giác đo cạnh thì các cạnh được đo với độ chính xác cao nhờ thiết bị đo xa ngày càng hiện đại. Tuy nhiên lưới đo cạnh có hạn chế ít trị đo thừa để

kiểm tra tính chính xác của lưới. Sau đây là một số đồ hình lưới đo cạnh thường dùng trong trắc địa công trình cầu.

3. Lưới tam giác đo góc cạnh.

Để tăng độ chính xác người ta thường sử dụng lưới tam giác đo góc cạnh để phát huy các ưu điểm của cả hai loại lưới trên.

B A

E C

1

2 3

4

5 7 6

8

b1

b5 b6

b4

b3

b2

D C

B F

A E

2

1

3 4

8 7

5

6

S1

S2

S3

S4

S5

S7

S6

Hình 2.6: Lưới tam giác đo góc cạnh B C F

E

D D A

E

C B

A F

(a) (b)

(c)

Hình 2.5: Lưới tam giác đo cạnh

2.2.1.3. Đo đạc lưới

Lưới được đo góc cạnh bằng các máy toàn đạc điện tử độ chính xác cao.

Khi tiến hành đo đạc thì độ chính xác của mạng lưới khống chế trắc địa phụ thuộc vào chất lượng và độ chính xác của máy móc thiết bị, khả năng kỹ thuật của người đo, ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài. Do đó khi đo đạc cần đảm bảo các yếu tố đo đạc như định tâm máy, thông hướng, bắt mục tiêu, các yếu tố về khí tượng, v.v... được quy định trong các quy phạm về đo đạc thực địa.

Một số máy toàn đạc và độ chính xác có thể sử dụng để thành lập lưới khống chế tọa độ thi công công trình cầu.

Bảng 2.1: Thông tin một số máy toàn đạc điện tử STT Tên máy Xuất sứ Độ chính xác đo cạnh

a+b.ppm (mm)

Độ chính xác đo góc (giây)

1 Leica TC2003 Thụy Sỹ 1 + 1 ppm 0.5”

2 Leica TC1800 Thụy Sỹ 2 + 2 ppm 1”

3 Nikon 302 Nhật Bản 3 + 2 ppm 3”

4 Topcon

GPT-3002 Nhật Bản 1 + 2 ppm 2”

5 Sokkia Set 30R Nhật Bản 1 + 2 ppm 2”

2.2.1.4. Bình sai lưới

- Trước khi bình sai lưới cần thiết phải cải chính số cải chính cho các trị đo và kiểm tra các điều kiện hình học của lưới.

- Tính chuyển tọa độ các điểm loại 1 nếu các điểm đó chưa thuộc hệ tọa độ công trình cầu.

- Việc bình sai được thực hiện theo mô hình bài toán bình sai gián tiếp kèm điều kiện như sau:

+ Chọn ẩn số là tọa độ bình sai các điểm.

+ Lập ma trận trọng số cho các trị đo.

+ Tính tọa độ gần đúng.

+ Lập hệ phương trình số hiệu chỉnh của các trị đo V A.X  L

+ Lập hệ phương trình chuẩn thường RX b0

+ Lập ma trận điều kiện bổ sung CTX 0

+ Tính ma trận giả nghịch đảo R~(RCCT)1TTT + Tính nghiệm X R~.b

+ Bình sai và đánh giá độ chính xác.

- Dựa vào kết quả bình sai so sánh với các yêu cầu độ chính xác thi công để có biện pháp điều chỉnh phương án đo đạc nếu không đạt [6].

2.2.2. Công tác trắc địa thành lập lưới khống chế độ cao công trình cầu Trong các công trình cầu lớn cần thành lập hệ thống độ cao trên các bờ, các điểm độ cao đó cần nằm trong cùng một hệ thống độ cao thống nhất. Hệ thống độ cao này phải có giá trị độ cao nhà nước và được chêm dày bởi các mạng lưới cấp thấp hơn sao cho đảm bảo mật độ, độ chính xác.Theo quy phạm quy định đối với các cầu có độ dài trên 300m thì tại mỗi bờ sông cần phải đặt ít nhất 2 mốc thuỷ chuẩn lâu dài trong đó sai số giới hạn xác định độ cao của chúng so với điểm gốc không quá10mm. Như vậy để bảo đảm tính thống nhất của lưới độ cao thì cần phải đo nối chúng với nhau bằng đo thuỷ chuẩn, hay là công tác chuyền độ cao qua sông.

Có 3 phương pháp truyền thống chuyền độ cao qua sông là:

- Thuỷ chuẩn hình học kép - Thuỷ chuẩn lượng giác - Thuỷ chuẩn thuỷ tĩnh

2.2.2.1. Phương pháp thuỷ chuẩn hình học kép

Trước khi tiến hành đo theo phương pháp này chúng ta cần chon 2 mốc

2 1,Rp

Rp tại những vị trí mà độ cao tia ngắm cao hơn mặt đất từ 2-3m, sau đó ta tiến hành chọn các điểm đặt máy thuỷ chuẩn J1,J2 cách 2 mốc Rp1,Rp2 khoảng từ 10-30m [4].

Hình 2.7: Phương pháp thuỷ chuẩn hình học kép Trong đó ta có:

1 2 2 1

2 2 1 1

Rp J Rp J

Rp J Rp J



 (2.10)

Sau khi đặt máy tại điểm J1ta đọc số S1 trên mia đặt tại mốc thuỷ chuẩn

Rp1và sau khi điều chỉnh tiêu cự ta đọc số T1 trên mia Rp2

Sau đó giữ cho tiêu cự ống kính không thay đổi rồi chuyển máy qua trạm

J2 tiếp tục không thay đổi ống kính đọc số S2trên mia Rp1

Và sau đó quay may lại đọc số T2trên mia Rp2 kết thúc 1 vòng đo.Ta tiến hành đo lại nhiều lần tuỳ theo độ rộng của sông.

Chênh cao từ nửa vòng đo thứ nhất:

h1S1T1 (2.11) Các số đọc trên mia S1 và T1 đươc biêu diễn như sau:

1 1 ' 1 1

1 ' 1 1

f tgi d b T

tgi d a S

T s









 (2.12)

Trong đó:

a1 và b1 : số đọc trên mia không chịu ảnh hưởng của sai lệch dtgi1 : thành phần ảnh hưởng do góc i của máy gây ra

fi : ảnh hưởng độ cong trái đất và chiết quang trong số đọc đến mia gần ảnh hưởng này có thể bỏ qua.

Thay thế các giá trị của số đọc S1 và T1 của (2.12) vào (2.11) Ta được:

1 1 ' ' 1 1

1 a b (d d )tgi f

h    S  T  (2.13) Chênh cao từ nửa vòng đo thứ 2 khi máy đã chuyển qua sông là:

2 2

2 S T

h   (2.14) Kí hiệu tương như trên ta có được:

2 '' 2 2

2 2 '' 2 2

tgi d b T

f tgi d a S

T S









 (2.15)

Từ đó ta có chênh cao h2 là:

2 2 '' '' 2 2

2 a b (d d )tgi f

h    S  T  (2.16)

Chênh cao trung bình giữa các mốcRp1,Rp2 là:

2 / ) (h1 h2

h  (2.17)

Thay các giá trị của h1 và h2 vào (2.17) ta được:

( ) ( )/2  ( ) ( 2 1) ( 2 1)/2

' 2 1 ' 2

2 1

1 b a b d tgi tgi d tgi tgi f f

a

h     S   T    (2.18)

Từ công thức (2.17) ta thấy nếu như trong quá trình đo đạc ở cả 2 trạm mà chúng ta giữ nguyên giá trị góc i không thay đổi và ảnh hưởng chiết quang vẫn giữ nguyên thì chênh cao trung bình của cả vòng đo sẽ không chịu ảnh hưởng của các yếu tố đó.

Khi đó giá trị chênh cao trung bình h là:

(a1 b1) (a2 b2)/2

h    (2.19)

Từ công thức (2.13) ta có thể thấy nếu góc i có một sự thay đổi nhỏ cũng có ảnh hưởng đáng kể đến chênh cao. Giả sử trong quá trình đo giá trị góc i thay đổi là 2'' và tương ứng với độ rộng của sông là 1000m thì sai số đó sẽ là:

mm p

i i d tgi

tgi

hi 0,5( 2 1)0,5. (2 1)/ '' 5

 (2.20)

2.2.2.2. Phương pháp thuỷ chuẩn lượng giác

Để chuyền độ cao qua sông bằng phương pháp này người ta tiến hành đo góc thiên đỉnh bằng các máy kinh vĩ quang học chính xác trong thời gian hình ảnh yên tĩnh. Việc quan trắc được tiến hành theo 2 hướng thuận nghịch đồng thời bằng cả 2 máy. Các máy kinh vĩ và các tiêu ngắm được đặt tại các đỉnh của hình bình hành mà các khoảng AD và BC là bằng nhau. Tại các điểm A và B mia được đặt thẳng đứng có các cọc gỗ chông hoặc được chăng dây giữ cẩn thận. Sau khi xác định vị trí thiên đỉnh(Mz) của máy kinh vĩ và tiến hành đặt các số đọc 900+Mz trên bàn độ đứng và đồng thời tại cả hai bên bờ sông ta hướng ống kính ngắm tới mia gần nhất rồi đọc số trên mia đó. Số đọc vừa có được tương ứng với độ cao của máy so với mốc thuỷ chuẩn, muốn có số đọc của góc thiên đỉnh ta hướng ống kính về các vạch khắc lớn của mia ở xa bằng thuận đảo ống kính ta thực hiện như vậy khoảng 2 đến 3 vòng đo. Sau khi kết thúc đo ta chuyển đổi vị trí máy cho nhau rồi lại tiến hành quan trắc quá trình này được bắt đầu bằng đo góc thiên đỉnh và kết thúc bằng xác định độ cao máy [4].

Chênh cao được xác định bằng công thức:

2 / ) ( 2 / ) ( 2 / )

(z2 z1 l1 i1 l2 i2 Stg

h      (2.21)

Trong đó:

z1 và z2là các góc thiên đỉnh tới các bảng ngắm cùng tên đươc đo đồng thời bằng các máy kinh vĩ khác nhau

l1và l2 là độ cao của các bảng ngắm cùng tên so với chân mia i1và i2 là độ cao của máy so với các mốc thuỷ chuẩn A và B

Và S là khoảng cách giữa các mốc thuỷ chuẩn đó được xác định từ việc tính toán lưới tam giác cầu

2.2.2.3. Phương pháp thuỷ chuẩn thuỷ tĩnh

Để chuyền độ cao chính xác qua sông chúng ta có thể sử dụng phương pháp thuỷ chuẩn thuỷ tĩnh. Để chuyền độ cao theo phương pháp này ta cần bố trí một ống mềm chắc chắn chứa đầy nước áp xuất cao dưới lòng sông trong ống không còn bọt nước. Ở hai đầu của ống đặt các ống thuỷ tinh có khắc vạch và được gắn chặt trên các cây cọc ở 2 bờ. Các mốc thuỷ chuẩn Ap1,Ap2 cần được chôn ở vị trí ổn định và cách các cột đó một khoảng bằng nhau giữa các trạm máy khi đo thuỷ chuẩn. Khi tiến hành quan sát thì chúng ta được phép coi mặt thoáng của chất lỏng trong ống M1,M2 nằm trên cùng 1 mặt phẳng rổi dùng 2 máy thuỷ chuẩn để nối mặt phẳng đó với các mốc thuỷ chuẩnM1,M2.

Việc đo được tiến hành trong những khoảng thời gian nhất định, tuy nhiên trong khoảng thời gian đo chúng ta luôn phải kiểm tra áp suất và nhiệt độ không khí của nước để có thể hiệu chỉnh cho phù hợp với yêu cầu. Ta tiến hành đo nhiều lần và lấy kết quả trung bình trong nhưng điều kiên thuận lợi thì phương pháp có thể cho độ chính xác tới vài mm [4].

2.2.3. Công tác trắc địa trong bố trí tâm trụ cầu

Khi khảo sát địa hình để vẽ bình đồ thiết kế và lập lưới khống chế xây dựng cầu cần phải xác định và đánh dấu trên thực địa vị trí tâm của từng trụ cầu và trục của các thiết bị đầu tiên cũng như các đường lên cầu, kể cả tiến hành bố trí mặt bằng và độ cao của những công trình đó khi thi công và lắp giáp nhịp cầu. Một trong những công tác phức tạp và quan trọng là bố trí tâm trụ cầu [6].

Trước khi bố trí tâm trụ cầu phải bố trí các tuyến đường qua cầu, cụ thể là phải chính xác hoá cọc lộ trình trên đoạn vượt, kiểm tra sự liên kết của cầu với đường lên cầu, kiểm tra vị trí của các điểm lưới tam giác cầu và độ cao lưới thủy chuẩn, kiểm tra lại việc truyền độ cao qua sông.

Vị trí tâm trụ cầu trên thực địa được kiểm tra bằng cách đo nối với các điểm khởi đầu A, B và với cọc lộ trình chung của tuyến đường.

Tâm trụ cầu được bố trí bằng nhiều phương pháp khác nhau.

2.2.3.1. Bố trí trực tiếp các tâm trụ cầu

Khi bố trí cầu trên cạn thì vị trí mặt bằng của tâm trụ cầu có thể được xác định bằng cách đặt trực tiếp các khoảng cách thiết kế từ các điểm khởi đầu theo trục dọc của cầu. Để nâng cao độ chính xác đo chiều dài ta dùng các thước thép khắc vạch hoặc các thước cuộn đo trên độ sâu công tác, được xây dựng dùng cho việc đo. Căng các thước đo bằng lực kế. Các số hiệu chỉnh nhiệt độ và kiểm tra thước được đưa vào trị số đo được của mỗi nhịp cầu. Các tâm trụ cầu được chuyển xuống mặt đất và được cố định bằng những mặt phẳng dóng hàng.

Phương pháp này có thể sử dụng để bố trí các trụ của cầu nhiều nhịp trên những sông cạn, không có tầu bè qua lại. Trong trường hợp này các cầu nhỏ được xây dựng song song và cách trục cầu thiết kế một đoạn nào đó, để chúng không rơi vào khu vực thi công.

Các điểm khởi đầu A và B (Hình 2.9) được chuyển sang trục cầu nhỏ (trục song song) theo các đường thẳng vuông góc với trục

21 22 23 24 B

A

Hình 2.8: Xác định vị trí tâm trụ trên thực địa