工程測量員-AutoCAD、全站儀和編程計算器在工程測量中的應(yīng)用

一、引言
在工程測量中,內(nèi)業(yè)資料計算占有很重要的比重,內(nèi)業(yè)資料計算的準(zhǔn)確無誤與速度直接決定了測量工作是否能夠快速、順利地完成。而內(nèi)業(yè)資料的計算方法及其所需達(dá)到的精度,則又直接取決于外業(yè)所用儀器及具體的放樣目標(biāo)和內(nèi)業(yè)計算所用到的辦公軟件和計算方法。計算機(jī)輔助設(shè)計(Computer Aid Design 簡寫CAD,常稱AutoCAD)是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的一門新興技術(shù)型應(yīng)用軟件。如今在各個領(lǐng)域均得到了普遍的應(yīng)用。它大大提高了工程技術(shù)人員的工作效率。AutoCAD配合AutoLisp語言,還可以編制一些常用的計算程序,得到計算結(jié)果。AutoCAD的特性提供了測量內(nèi)業(yè)資料計算的另外一種全新直觀明了的圖形計算方法。

結(jié)合我們現(xiàn)正使用的徠卡全站儀的情況,其可以很方便地進(jìn)行三維坐標(biāo)的測量,通過AutoCAD的內(nèi)業(yè)計算,①、在放樣的過程中,可以用編程計算器結(jié)合全站儀,非常方便地、快速地進(jìn)行作業(yè);②、運(yùn)用AutoCAD進(jìn)行計算結(jié)果的驗(yàn)證;③、隨著全站儀的推廣和普及,極坐標(biāo)的放樣越來越成為眾多放樣方法中備受測量人員青睞的一種,而坐標(biāo)計算又是極坐標(biāo)放樣中的重點(diǎn)和難點(diǎn),由于一般的紅線放樣,工程放樣中的元素多為點(diǎn)、直線(段)、圓(弧)等,故可以充分利用AutoCAD的設(shè)定坐標(biāo)系、繪圖和取點(diǎn)的功能,以及結(jié)合我們外業(yè)所用計算器的功能,從而大大減輕我們外業(yè)的工作強(qiáng)度及內(nèi)業(yè)的工作量。以下以冶勒電站廠區(qū)樞紐工程的一些實(shí)例來說明三者在工程測量中的應(yīng)用。

二、測區(qū)概況

冶勒電站廠址位于石棉縣李子坪鄉(xiāng)南椏村,距壩址11KM,距石棉縣城40KM。廠區(qū)樞紐工程主要包括通風(fēng)洞、交通洞、出線洞、尾水洞及尾水明渠、主廠房、副廠房、安裝間及壓力管道、母線道、變電站等分部工程,地下洞長近1600米,涉及到兩臺(單機(jī)為12萬kw)機(jī)組的安裝定位。測量區(qū)域高程在海拔1990~2200米之間,高差起伏大,夜晚及洞內(nèi)外作業(yè)溫差較大,給測量作業(yè)帶來了一定的困難。

三、AutoCAD的典型內(nèi)業(yè)資料計算及管理

在測區(qū)內(nèi)加密控制點(diǎn),經(jīng)常使用測角交會或測距交會或兩者相結(jié)合的方法,如果我們運(yùn)用數(shù)學(xué)公式來計算,則非常繁瑣,而且不易檢查錯誤,例如在后方交會中的危險圓上。相反,如果我們利用AutoCAD來繪圖計算,就簡單多了。現(xiàn)針對測角和測距兩種方法分別作如下說明:

1、前方測角交會:

如圖一所示,A、B為坐標(biāo)已知的控制點(diǎn),P為待求點(diǎn),在A、B兩點(diǎn)已觀測了角度a和b。

我們就可以利用AutoCAD系統(tǒng)軟件,根據(jù)A、B兩點(diǎn)坐標(biāo)在桌面繪制出A、B兩個點(diǎn),連接AB點(diǎn)得到AB線段,然后分別以A點(diǎn)和B點(diǎn)為基點(diǎn)旋轉(zhuǎn)AB線段a,b角(從圖上可直觀地分辯方向)。使用ID命令選擇交點(diǎn)P,就可以得出P點(diǎn)坐標(biāo)了。如果圖形有檢校條件,仍然可以進(jìn)行坐標(biāo)差的計算。如果在近似平差的情況下能滿足需要,則可以在圖形上進(jìn)行平均計算并作出標(biāo)記。

2、前方距離交會:

如圖二所示,A、B為坐標(biāo)已知的控制點(diǎn),P為待求點(diǎn),在A、B兩點(diǎn)已分別利用全站儀測了距離Sa和Sb。

我們就同樣可以利用AutoCAD系統(tǒng)軟件,根據(jù)A、B兩點(diǎn)坐標(biāo)繪制出A、B兩個點(diǎn),連接AB點(diǎn)得到AB線段,然后分別以A點(diǎn)和B點(diǎn)為圓心,以Sa和Sb為半徑作圓,則得到P點(diǎn)和P’點(diǎn)(對照現(xiàn)場的方位情況,從圖上可直觀地分辯出其中一點(diǎn)P為所求,而另一點(diǎn)P’則是虛點(diǎn),是我們不需要的)。使用ID命令選擇交點(diǎn)P,就可以得出P點(diǎn)坐標(biāo)了。在實(shí)際工作過程中,我們通常會將前方測角交會與前方距離交會進(jìn)行組合應(yīng)用,當(dāng)然那就不一定要將所有條件都完成測量了。另外對于以上幾項(xiàng)對坐標(biāo)的應(yīng)用,應(yīng)該注意的就是AutoCAD中的坐標(biāo)順序與我們測量中的大地坐標(biāo)系是有區(qū)別的,也就是要注意X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系。

3、對作業(yè)資料的管理:

AutoCAD在工程中除對測量內(nèi)業(yè)資料計算有其優(yōu)勢一面,在外業(yè)資料的管理方面,同樣有著非常廣泛的應(yīng)用。AutoCAD作為有名的工程系列應(yīng)用軟件平臺,已經(jīng)為廣大工程技術(shù)人員所熟悉并掌握。在測量外業(yè)資料中,主要是控制點(diǎn)網(wǎng)略圖及其計算資料的管理,另一方面是各種開挖橫斷面、縱斷面圖的繪制,以及橫斷面面積的計算,以及其它一些需要的圖紙的繪制。由于AutoCAD已經(jīng)有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)計算功能和很高的數(shù)學(xué)精度,其有效位數(shù)已完全能夠滿足我們在工程測量中的需要了。在冶勒電站工作期間,我們就將所有圖紙、所有工程量表格及文檔進(jìn)行分類,其重點(diǎn)是對圖紙文件利用AutoCAD進(jìn)行總圖的繪制,在以后的工作中,就可以在總圖上進(jìn)行查找了。

4、應(yīng)用實(shí)例:

現(xiàn)結(jié)合我們工作實(shí)際,作一些實(shí)際應(yīng)用上的說明:我們承擔(dān)了冶勒水電站廠區(qū)樞紐工程的施工測量工作,進(jìn)場之際我們就建立了一級導(dǎo)線閉合環(huán),觀測資料經(jīng)平差后,將坐標(biāo)點(diǎn)的大地坐標(biāo)輸入AutoCAD平臺,得到圖三所示,以后隨著工程的進(jìn)行,我們陸續(xù)加密了一些支導(dǎo)線點(diǎn),同樣將坐標(biāo)成果錄入,這樣從真正意義上,實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)資料的數(shù)字化管理,這也方便了以后的坐標(biāo)管理,同時也方便了以后在一些特殊情況下的圖形應(yīng)用。具體地講就是,依據(jù)設(shè)計提供的結(jié)構(gòu)關(guān)系,在圖中設(shè)立足夠的施工坐標(biāo)系(以我們在外業(yè)放樣中設(shè)站所需為準(zhǔn))并保存之。在以后的工程應(yīng)用中,我們只需打開對應(yīng)坐標(biāo)系,利用ID命令點(diǎn)取我們需要的點(diǎn),其對應(yīng)坐標(biāo)也就出來了。

下面舉例給予說明:在尾水洞、尾閘室交叉段工程中,存在一個三直段夾兩弧段的情形,如圖四所示:

當(dāng)時設(shè)計代表提供了如圖示的圖形尺寸關(guān)系,以及C點(diǎn)大地坐標(biāo)和其以外段的大地方位角,尾閘室以內(nèi)段的一些結(jié)構(gòu)關(guān)系。如果單憑以往的經(jīng)驗(yàn)和儀器條件,需要建立圓的方程,求解二元二次方程,才能求出圓弧對應(yīng)圓心的大地坐標(biāo),之后才可進(jìn)行下面的計算并結(jié)合儀器考慮放樣方法。但是,我們將這個問題放到AutoCAD軟件平臺上來看,就變得非常簡單了。具體操作如下:

先在AutoCAD軟件平臺上,依據(jù)C點(diǎn)大地坐標(biāo)將C點(diǎn)錄入,并依據(jù)過C點(diǎn)的直段洞軸線方位角及其長度繪出過C點(diǎn)的洞軸線,依據(jù)設(shè)代提供的尺寸關(guān)系,得到P1、P2點(diǎn),然后利用AutoCAD繪制圓弧,使其分別過P1、C點(diǎn)和P2、C點(diǎn),使之滿足R=28.00米,并符合圖形方向。再利用AutoCAD的標(biāo)注功能,分別進(jìn)行兩段圓弧的圓心的標(biāo)注O1、O2點(diǎn),利用AutoCAD的ID命令就可以得到O1、O2點(diǎn)的大地坐標(biāo)了。將之分別與P1、P2用直線段連接?？紤]洞室的方向,再分別過P1、P2點(diǎn)作P1O1、P2O2的垂線P1X1、P2X2,利用AutoCAD方便的坐標(biāo)系設(shè)置功能,分別建立以P1點(diǎn)、P2點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn),P1X1、P2X2為X軸的測量施工坐標(biāo)系然后再將其坐標(biāo)系移到(0,-N)處并分別命名保存。到此,則我們的兩個輔助施工坐標(biāo)系建立完成,這兩個坐標(biāo)系保證了X軸與過P1(或P2)的圓弧相切(這一點(diǎn)將非常有利于我們下一步的全站儀與編程計算器的應(yīng)用)。將我們測得的控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)輸入圖形中,直接就可以得到該控制點(diǎn)的相應(yīng)的施工坐標(biāo)和施工坐標(biāo)方位角了。

四、全站儀和編程計算器在外業(yè)中的應(yīng)用

我們目前使用的全站儀為瑞士產(chǎn)徠卡605L型全站儀,其本身已具備利用坐標(biāo)進(jìn)行工作的能力。對我們實(shí)際工作中的一些三維坐標(biāo)的放樣,就可以利用AutoCAD建立數(shù)字化模型,先用編程計算器在計算機(jī)AutoCAD平臺上進(jìn)行模擬檢驗(yàn),經(jīng)檢驗(yàn)程序正確后,再將之用于外業(yè)放樣。對于露天點(diǎn)線,我們就可以盡量直接利用全站儀的坐標(biāo)放樣功能,將所需放樣點(diǎn)的施工坐標(biāo)輸入全站儀,正確操作就可以得到正確的所需點(diǎn)位了?，F(xiàn)在討論的重點(diǎn)是針對地下工程中一些特殊情況下的點(diǎn)位放樣。例如:地下廠房的開挖紅線放樣和有關(guān)結(jié)構(gòu)點(diǎn)的放樣,地下洞室的開挖紅線放樣,又特別是地下轉(zhuǎn)彎段的開挖紅線及其相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)點(diǎn)的放樣。對地下廠房而言,其頂拱跨度大,主廠房達(dá)24.36m,其頂拱半徑也有17m。在施工過程中,業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)代及施工四方均提出明確要求,要嚴(yán)格控制超挖,禁止欠挖,這就從放樣方法上對我們測量人員提出了更高的要求。經(jīng)過我們的反復(fù)比較,最后決定利用全站儀結(jié)合編程計算器,在現(xiàn)場進(jìn)行三維的施工坐標(biāo)的測量,再進(jìn)行相關(guān)的計算,從而放出所需的紅線點(diǎn),事實(shí)證明,我們的方法是得當(dāng)?shù)?、合理?取得的效果也是較為理想的。下面分分兩個方面來說明。

1、 無平面轉(zhuǎn)彎情況下的計算:

如圖五所示,其具體的編程思路如下:

首先,我們建立以B1B2機(jī)組中心線為E方向,垂直B1B2方向向下游的方向?yàn)镹方向,以B1點(diǎn)坐標(biāo)原點(diǎn)建立施工坐標(biāo)系。

現(xiàn)假定我們要放頂拱的開挖紅線,實(shí)測點(diǎn)P坐標(biāo)為(E,N,H),則利用幾何關(guān)系,可以計算其對應(yīng)N坐標(biāo)下的設(shè)計H坐標(biāo)或?qū)?yīng)H坐標(biāo)下的設(shè)計N坐標(biāo),這就與我們實(shí)測坐標(biāo)產(chǎn)生了H坐標(biāo)差ΔH或N坐標(biāo)差ΔN。則

ΔH1 =2036.368-17.00+√(17.00^2-(N+1.55)^2)-H

ΔL2=17.00-√((N+1.55)^2+(H-2019.368)^2)

ΔH3=2035.368-(15.36-√(15.36^2+(N+1.55)^2))-H

ΔL4=15.36-√((N+1.55)^2+(H-2020.008)^2)

ΔN=T×(N+1.55-T×√(17.00^2-(17.0-(2036.68-H))^2))

上述諸式中,ΔH1 、ΔL2分別為開挖紅線的高程差值和徑向方向上的差值,ΔH3、ΔL4分別為頂拱混凝土結(jié)構(gòu)表面的高程差值和徑向方向上的差值。

在ΔN式中:T=1,代表N≥-1.55,即廠房的下游側(cè);T=-1,代表N<-1.55 ,即廠房的上游側(cè)(如圖示,廠房中心線與機(jī)組中心線的平行距為1.55m。

ΔH為正,測點(diǎn)應(yīng)上移ΔH距離即為紅線,反之ΔH為負(fù),測點(diǎn)應(yīng)下移ΔH距離即為紅線;

ΔN為正,測點(diǎn)應(yīng)向靠近廠房中心線的方向移ΔN距離即為紅線,反之ΔN為負(fù),測點(diǎn)應(yīng)向遠(yuǎn)離廠房中心線的方向移ΔN距離即為紅線。同樣,在廠房頂拱的混凝土襯砌的過程中,我們需要對頂拱的立模線進(jìn)行放樣和模板檢查,其混凝土結(jié)構(gòu)下邊沿線半徑為R=15.36米,有跨度大和難度大的重要特點(diǎn)。在模板的放樣過程中,其情況與開挖紅線放樣又有一些不同點(diǎn),我們沒有將其作出相對廠房軸線的上下游之分,根據(jù)施工現(xiàn)場的實(shí)際情況看來,其只有鉛垂方向的調(diào)整。在做模板檢查時,相對來說,我們的作業(yè)環(huán)境將更加不利(有時可能無法通視),針對實(shí)際情況,我們一般采用將反光三棱鏡高度保持某一定值或者者使用微棱鏡,將其沿頂拱模板圓弧徑向方向上放置,然后在計算時針對模板只有徑向上的上下移動調(diào)整。在模板的放樣及檢查中,我們同樣要利用編程計算器進(jìn)行現(xiàn)場的計算,其計算原理類似于開挖紅線放樣的計算,只不過進(jìn)行模板檢查的計算時,其計算程序中的高程基準(zhǔn)應(yīng)以其混凝土結(jié)構(gòu)面圓弧對應(yīng)的圓心高程為基點(diǎn),再結(jié)合其半徑求其差值作調(diào)整。在AutoCAD軟件平臺上,可以非常方便地進(jìn)行放樣點(diǎn)坐標(biāo)和模板點(diǎn)坐標(biāo)的有效驗(yàn)證。即通過在AutoCAD應(yīng)用平臺上建立地下廠房的三維模型,在這個三維坐標(biāo)系中,我們直接任意輸入一個在廠房平面范圍內(nèi)的三維點(diǎn)坐標(biāo),從應(yīng)用平臺上可以直觀地看到該點(diǎn)是否為紅線或與紅線或是否為模板點(diǎn)線的關(guān)系,同時我們用編程計算器對該輸入三維點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計算,得出一個結(jié)論,就可以作為互相驗(yàn)證的依據(jù)了。

針對冶勒電站的情況及其在地下洞室設(shè)計上的要求,一般都有一定的坡度以利排水等,傳統(tǒng)的洞室開挖放樣是在洞外或已開挖段布設(shè)基本導(dǎo)線,然后運(yùn)用經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀、鋼尺的配合,在掌子面上尋出開挖斷面圓心、中心線、腰線等。這種傳統(tǒng)的作業(yè)方法在實(shí)際操作過程中很不易操作,而且誤差較大,也易出錯。一般情況下,掌子面不會是一個標(biāo)準(zhǔn)的鉛垂面,而通常隧洞都具有一定的坡度,有時甚至坡度很大,這時應(yīng)該先考慮將非鉛垂面的設(shè)計開挖(結(jié)構(gòu))線進(jìn)行相關(guān)的轉(zhuǎn)換,具體操作可在AutoCAD軟件平臺上進(jìn)行,也可直接在編程計算器上進(jìn)行。如通風(fēng)聯(lián)系洞,坡度達(dá)0.3039。其設(shè)計開挖頂拱為圓弧,而在鉛垂面則為橢圓弧了,則我們可以利用AutoCAD軟件平臺建立其縱橫斷面的空間模型,求出該橢圓弧的長、短半軸,從而得到其對應(yīng)的橢圓方程,再利用編程計算器編寫相應(yīng)的程序,之后在AutoCAD軟件平臺進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果符合良好。這樣就可以充分避免一些特殊情況下易造成的欠挖(如,掌子面不平整等)。

2、有平面轉(zhuǎn)彎情況下的計算:

而對稍復(fù)雜一點(diǎn)的情況,如通風(fēng)洞轉(zhuǎn)彎段、尾水洞三叉口段,在開挖過程中,掌子面根本沒法保證是同樁號,及砼襯砌過程中為保證各倉號端面均為同樁號,則必須利用編程計算器在現(xiàn)場施工坐標(biāo)系間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的計算。對于地下洞室的轉(zhuǎn)彎段,則主要應(yīng)考慮其施工坐標(biāo)的平面轉(zhuǎn)換,假如要采用一些傳統(tǒng)的放曲線的方法,眾所周知,由于地下通視不好,則很可能是沒辦法放樣的,而利用全站儀結(jié)合編程計算器,進(jìn)行一些優(yōu)化后的施工坐標(biāo)的測量,則變得容易多了。從冶勒水電站廠區(qū)樞紐工程的施工情況來看,運(yùn)用上述組合方法,能夠較好地控制超挖和保證開挖效果。

參見圖四,以尾水洞轉(zhuǎn)彎段為例:通過前述的坐標(biāo)設(shè)站,待測得坐標(biāo)點(diǎn),應(yīng)用編程計算器將之轉(zhuǎn)化成洞軸線(曲線)上的坐標(biāo),再以之進(jìn)行相關(guān)對應(yīng)斷面的高程和平面坐標(biāo)的計算。其具體的編程思路如下(以P1C段為例):

利用解析幾何的關(guān)系,求出O1P點(diǎn)的平面距離SO1P,則E’=28.00-SO1P。計算出O1P1,O1P的夾角,則可以得到N’,再以E’、N’代入洞挖空間模型計算程序中,計算出高程位移ΔH和平面位移ΔE就可以了。其程序關(guān)鍵式如下:

Q=atan((L-37.35)÷(28-D))

N=37.35+Q×π÷180×28

E=28-√((28-D)^2+(L-37.35)^2)

I=2002.86+(343.947-N) ×.003-(3.2-√(3.2^2-E^2))-H

J=1999.66+(343.947-N) ×.003+√(2.8^2-E^2)-H

上述諸式中,直接的數(shù)據(jù)為設(shè)計提供的圖形尺寸,L、D為我們對縱、橫坐標(biāo)的觀測值,N、E為我們根據(jù)曲線關(guān)系計算而得的縱、橫坐標(biāo)值,I、J為我們以所測點(diǎn)高程對應(yīng)根據(jù)設(shè)計斷面圖形計算的頂拱開挖和頂拱結(jié)構(gòu)混凝土表面高程的差值,即ΔH。而ΔE就應(yīng)以所計算的E與設(shè)計值進(jìn)行比較而得,這里就不再贅述了。

五、結(jié)束語

針對地下洞室的施工環(huán)境,如果能夠運(yùn)用更先進(jìn)的,具有無標(biāo)志測距,紅外線導(dǎo)向功能的全站儀,如TCRA1100系列全站儀配合TMS斷面測量系統(tǒng)后處理軟件。目前較為先進(jìn)的多功能全站儀斷面測量系統(tǒng)是專為地下工程施工測量中斷面測量及炮孔測設(shè)而研制開發(fā)的軟硬件結(jié)合的自動化系統(tǒng),它就充分利用了徠卡TCRA型全站儀的激光無棱鏡測距和馬達(dá)驅(qū)動等功能,實(shí)現(xiàn)了斷面測量野外數(shù)據(jù)采集軟件控制和自動采集,從而達(dá)到在地下洞室斷面測量的自動化、數(shù)據(jù)化及計算機(jī)化。這套系統(tǒng)組合的優(yōu)點(diǎn)是:采用最新無反射棱鏡技術(shù)和伺服馬達(dá)技術(shù),全自動完成斷面測量、圍巖變形測量、炮孔定位、容積測量等多項(xiàng)工作,真正做到一機(jī)多用、功能強(qiáng)大、品質(zhì)卓越、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。它們將可以更好地減輕測量人員的外業(yè)勞動強(qiáng)度,更好地提高測量作業(yè)效率和作業(yè)精度,但是隨著更先進(jìn)儀器的投入,必然存在成本的增加,對我們測量人員的能力要求必然也將更高。有理由相信,隨著全站儀開發(fā)技術(shù)的提高和工程技術(shù)人員素質(zhì)的提高,作為施工測量必將擁有更加廣闊的發(fā)展空間。