Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả thành lập lưới khống chế mặt bằng thi công bằng công nghệ gps
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (12.81 MB, 82 trang )
Bộ giáo dục và đào tạo
TRƯờNG đại học mỏ - địa chất
------------
NGUYễN VĂN TIếN
Nghiên cứu GIảI PHáP NÂNG CAO HIệU QUả
THàNH LậP LƯớI khống chế mặt bằng thi công
bằng công nghƯ gps
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Hµ néi - 2018
Bộ giáo dục và đào tạo
TRƯờNG đại học mỏ - địa chất
------------
NGUYễN VĂN TIếN
Nghiên cứu GIảI PHáP NÂNG CAO HIệU QUả
THàNH LậP LƯớI khống chế mặt bằng thi công
bằng công nghÖ gps
Ngành: Kỹ thuật trắc địa-bản đồ
Mã số: 8520503
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Ng-êi h-íng dÉn khoa häc
PGS.TS. Ngun Quang Phóc
Hµ néi - 2018
-1-
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2018
Người cam đoan:
Nguyễn Văn Tiến
-2-
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan ..................................................................................................................................................
1
Mục lục
2
.............................................................................................................................................................
Danh mục các bảng
.................................................................................................................................
4
Danh mục các hình vẽ ............................................................................................................................
5
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................................................
6
Chương 1 – KIẾN THỨC CHUNG VỀ LƯỚI KHỐNG CHẾ TRẮC ĐỊA
CƠNG TRÌNH .................................................................................................................................
9
1.1. Mục đích và đặc điểm của lưới khống chế thi cơng .........................................
9
1.2. Yêu cầu và độ chính xác của lưới thi cơng cơng trình
......................
15
1.3. Phương pháp thành lập lưới khống chế thi cơng ..................................... 18
Chương 2 – TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ GPS .......................................................... 25
2.1. Hệ thống định vị toàn cầu GPS và hoạt động của nó........................... 25
2.2. Các trị đo GPS .................................................................................................................... 29
2.3. Các phương pháp định vị GPS .............................................................................. 30
2.4. Các loại sai số trong kết quả đo GPS ................................................................ 35
2.5. Một số hệ tọa độ dùng trong trắc địa vệ tinh ................................................ 38
Chương 3 – MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG GPS
TRONG THÀNH LẬP LUỚI THI CÔNG .................................................... 43
3.1. Giải pháp kỹ thuật thiết kế và thành lập lưới GPS
...............................
43
3.2. Giải pháp ước tính độ chính xác lưới GPS ................................................... 52
3.3. Giải pháp tính chuyển tọa độ lưới GPS về hệ tọa độ công trình . 58
Chương 4 – THỰC NGHIỆM ........................................................................................................ 64
4.1. Thực nghiệm ước tính độ chính xác lưới GPS
..........................................
64
4.2. Thực nghiệm tính chuyển tọa độ lưới GPS.................................................... 67
-3-
KẾT LUẬN
...................................................................................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
71
.................................................................................................................
72
.......................................................................................................................................................
73
-4-
DANH MỤC CÁC BẢNG
T.T Tên bảng
Nội dung
Trang
1
Bảng 1.1
Một số máy tồn đạc điện tử chính xác
19
2
Bảng 1.2
u cầu kỹ thuật cơ bản khi đo GPS các cấp
23
3
Bảng 2.1
Các thành phần của tín hiệu vệ tinh
26
4
Bảng 3.1
Quy định về số lượng cạnh trong vòng đo độc
lập hoặc tuyến phù hợp đối với các cấp lưới GPS
43
5
Bảng 3.2
Lựa chọn máy thu GPS
46
6
Bảng 3.3
Thơng số kỹ thuật của một số máy GPS chính
xác cao
47
7
Bảng 4.1
Tọa độ phẳng gần đúng các điểm
65
8
Bảng 4.2
Tọa độ không gian gần đúng các điểm
65
9
Bảng 4.3
So sánh kết quả thực nghiệm
66
10
Bảng 4.4
Tọa độ các điểm trên mặt phẳng chiếu hình bản
đồ
68
11
Bảng 4.5
So sánh chiều dài cạnh trước khi tính chuyển
69
12
Bảng 4.5
So sánh chiều dài cạnh sau khi tính chuyển
70
-5-
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
T.T Tên hình vẽ
Nội dung
Trang
1
Hình 1.1
Sơ đồ xác lập yêu cầu độ chính xác bố trí cơng trình
16
2
Hình 2.1
Sự phân bố các vệ tinh trên q đạo và vệ tinh GPS
25
3
Hình 2.2
Vị trí các trạm trong đoạn điều khiển của hệ thống
GPS
27
4
Hình 2.3
Một số kiểu máy thu GPS
29
5
Hình 2.4
Phương pháp định vị tuyệt đối
31
6
Hình 2.5
Phương pháp định vị tương đối
35
7
Hình 2.6
Hệ tọa độ vng góc khơng gian WGS -84
38
8
Hình 2.7
Hệ tọa độ trắc địa
40
9
Hình 2.8
Hệ tọa độ địa diện xích đạo
41
10
Hình 2.9
Hệ tọa độ địa diện chân trời
42
11
Hình 3.1a
Liên kết điểm
44
12
Hình 3.1b
Liên kết cạnh
44
13
Hình 3.1c
Liên kết cạnh-điểm
45
14
Hình 3.1d
Liên kết chuỗi tam giác
45
15
Hình 3.1e
Liên kết đường chuyền
46
16
Hình 3.1f
Liên kết hình sao
46
17
Hình 3.2
Góc mở tại điểm đo GPS
48
18
Hình 3.3
Cấu tạo của dấu mốc có định tâm bắt buộc
49
19
Hình 3.4
Quan hệ giữa hai tọa độ vng góc khơng gian
60
20
Hình 3.5
Thuật toán biến đổi đồng dạng theo độ cao mặt chiếu
63
21
Hình 4.1
Sơ đồ lưới và địa hình khu vực nhìn trên Google Earth
64
22
Hình 4.2
Sơ đồ lưới thực nghiệm 1
66
23
Hình 4.3
Sơ đồ lưới thực nghiệm 2
67
24
Hình 4.4
Tồn đạc điện tử Geomax ZTS600
68
-6-
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Các mạng lưới tọa độ trong Trắc địa cơng trình là những mạng lưới trắc địa
chuyên dùng. Ngoài những yêu cầu chung về lập lưới khống chế tọa độ, các
mạng lưới này còn địi hỏi phải có những u cầu kỹ thuật riêng trong thiết
kế, đo đạc và xử lý số liệu, sao cho phù hợp với mục đích sử dụng của chuyên
ngành Trắc địa cơng trình.
Hiện nay, cơng nghệ GPS (Global Positioning System) đã được ứng dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của Trắc địa, trong đó có trắc địa cơng trình.
Một trong những ứng dụng quan trọng của nó là xây dựng các mạng lưới
khống chế tọa độ nhờ kỹ thuật đo tương đối-tĩnh.
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong lập lưới tọa độ cơng trình nhằm
nâng cao hơn nữa hiệu quả của GPS trong các lĩnh vực của trắc địa chuyên
ngành là một yêu cầu thực tế, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu đặc điểm thành lập lưới khống chế mặt bằng thi cơng cơng trình
khi đo bằng cơng nghệ GPS.
- Nghiên cứu khả năng ứng dụng thực tế của công nghệ GPS trong thành lập
lưới khống chế mặt bằng thi công.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đối tượng: Nghiên cứu các giải pháp thiết kế và thành lập mạng lưới
khống chế thi công, khả năng ứng dụng công nghệ GPS và một số vấn đề về
thiết kế và thành lập mạng lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS.
Phạm vi: Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả thành lập lưới khống
chế thi công bằng công nghệ GPS.
-7-
4. Nội dung nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu mục đích, đặc điểm thành lập và yêu cầu độ chính xác
các mạng lưới khống chế mặt bằng trong trắc địa cơng trình.
- Nghiên cứu phương pháp đo đạc, xử lý số liệu và giải pháp nâng
cao hiệu quả của công nghệ GPS trong thành lập các mạng lưới khống chế
mặt bằng của trắc địa cơng trình.
- Tính tốn thực nghiệm.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thống kê: Tìm kiếm, thu thập tài liệu và cập nhật các
thông tin trên mạng Internet và các thư viện.
- Phương pháp phân tích: Nghiên cứu lý thuyết quan trắc biến dạng
cơng trình, phân tích và so sánh các phương pháp được áp dụng trong thực tế.
- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành các thực nghiệm để kiểm chứng
lý thuyết và khẳng định các kết luận của đề tài.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học: Góp phần làm sáng tỏ một số vấn đề lý luận về
thành lập lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS.
- Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu của đề tài có thể làm tài
liệu tham khảo cho các tổ chức và cá nhân có quan tâm đến công tác thành lập
lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS ở nước ta.
7. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Tài liệu tham khảo, Luận văn bao
gồm 4 chương:
Chương 1 - Kiến thức chung về lưới khống chế trắc địa cơng trình.
Chương 2 – Tổng quan về công nghệ GPS.
-8-
Chương 3 - Một số giải pháp nâng cao hiệu quả ứng dụng GPS trong
thành lập lưới thi công.
Chương 4 - Thực nghiệm.
Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Quang
Phúc, bộ môn Trắc địa công trình, khoa Trắc địa-Bản đồ và QLĐĐ, trường
Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Người hướng dẫn khoa học đã
tận tình hướng dẫn, xin cảm ơn các thầy, cơ trong Bộ mơn Trắc địa cơng trình
khoa Trắc địa-Bản đồ và QLĐĐ đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ để tơi hồn thành
luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn !
-9-
Chương 1
KIẾN THỨC CHUNG VỀ LƯỚI KHỐNG CHẾ TRẮC ĐỊA
CÔNG TRÌNH
1.1 MỤC ĐÍCH VÀ ĐẶC ĐIỂM LƯỚI CỦA KHỐNG CHẾ THI CƠNG
1.1.1 Mục đích thành lập
Lưới khống chế thi cơng cơng trình được thành lập với hai mục đích
chủ yếu: chuyển bản thiết kế ra thực địa và đo vẽ hồn cơng cơng trình.
Những mục đích này là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác, mật
độ điểm, số bậc, đồ hình và phương pháp xây dựng lưới. Thành lập lưới
khống chế thi công là một trong những nội dung cơ bản, quan trọng của công
tác trắc địa trong xây dựng cơng trình.
Lưới khống chế mặt bằng được thành lập ở khu vực thành phố, khu
công nghiệp, khu năng lượng, sân bay, bến cảng, Nhà máy thuỷ điện, cầu
cống, đường hầm... là cơ sở trắc địa phục vụ cho việc khảo sát, thiết kế và thi
công xây dựng các cơng trình.
Trong trắc địa cơng trình, tuỳ thuộc vào quy mơ, u cầu độ chính xác
và đặc điểm riêng của mỗi loại cơng trình mà người ta lập các dạng lưới
khống chế khác nhau cho phù hợp với yêu cầu riêng đó.Tuy nhiên đối với
lưới khống chế TĐCT thì chúng đều có những mục đích chung. Việc thành
lập lưới khống chế trắc địa nhằm đảm bảo sự thống nhất về tọa độ trên tồn
bộ cơng trình và nhằm đảm bảo những yêu cầu đặt ra theo từng giai đoạn của
cơng trình như sau [3]:
- Trong giai đoạn khảo sát thiết kế, lưới TĐCT là cơ sở trắc địa mặt
bằng để đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn phục vụ cho công tác khảo sát và thiết
kế công trình.
- Trong giai đoạn thi cơng xây dựng cơng trình, lưới khống chế là cơ sở
- 10 -
để thành lập lưới thi công phục vụ thi cơng xây dựng, bố trí và đo vẽ hồn
cơng cơng trình.
- Trong giai đoạn sử dụng cơng trình thì lưới khống chế là cơ sở để tiến
hành quan trắc chuyển dịch và đánh giá mức độ ổn định của cơng trình.
1.1.2 Đặc điểm chung của lưới khống chế thi cơng
Lưới thi cơng cơng trình được thành lập trong thời kỳ thi công, là cơ sở
trắc địa để chuyển bản thiết kế ra thực địa, để bố trí chi tiết cơng trình và cũng
là cơ sở để đo vẽ hồn cơng cơng trình. Nó có một số đặc diểm sau:
a. Lưới khống chế thi công được xây dựng theo một số bậc
Lưới thi cơng cơng trình được xây dựng một số bậc, bậc sau có độ
chính xác cao hơn bậc trước (ngược lại với lưới Khảo sát địa hình) nhưng tất
cả các điểm trong lưới phải được định vị trong hệ tọa độ thống nhất đã chọn
trong thời kì khảo sát địa hình. Tuy nhiên, số bậc của lưới được tính sao cho
càng ít càng tốt và phổ biến ở hai bậc lưới [3]:
- Lưới khống chế cơ sở: bao gồm các điểm đặt ở ngồi cơng trình và là
các điểm có độ ổn định cao.
- Lưới bố trí: bao gồm những điểm ở gần và chạy bám theo công trình
để phục vụ trực tiếp cơng tác bố trí cơng trình. Những điểm này dễ bị phá huỷ
trong thời gian thi cơng cơng trình nên cần có kế hoạch bảo quản trong thời
gian dài.
Với những cơng trình có độ phức tạp thì mới phát triển đến bậc lưới thứ
ba, riêng đối với lưới thi cơng cầu thì chỉ có một bậc lưới.
b. Lưới khống chế thi cơng cơng trình có phạm vi khống chế hẹp, mật
độ điểm dày, yêu cầu độ chính xác cao
Các cơng trình xây dựng thường có diện tích khơng lớn lại phải bố trí
- 11 -
nhiều hạng mục cơng trình nên các điểm khống chế phải đảm bảo yêu cầu về
mật độ điểm và độ chính xác cần thiết (vị trí và mật độ các điểm của lưới tuỳ
thuộc vào đặc điểm kĩ thuật của từng loại cơng trình) thì mới có thể bố trí
được các hạng mục cơng trình có u cầu độ chính xác từ thấp đến cao.
c. Lưới khống chế thi cơng cơng trình được sử dụng nhiều lần
Một đặc điểm là các cơng trình được xây dựng trong thời gian dài và
việc thi cơng các cơng trình xây dựng được tiến hành theo một trình tự xây
dựng nhất định, theo từng giai đoạn thi cơng cơng trình. Cơng trình xây dựng
phải được định vị trong một hệ thống tọa độ, đó là hệ tọa độ cơng trình.Chính
vì vậy các điểm của lưới khống chế thi công sẽ được sử dụng nhiều lần nhằm
đảm bảo tính thống nhất của số liệu bố trí cũng như đảm bảo tính chính xác
của các hạng mục cơng trình.
Q trình thi cơng cơng trình diễn ra trong thời gian dài sẽ làm lưới thi
công trình dễ bị phá huỷ.Vì vậy, phải đảm bảo tính ổn định của các điểm
trong lưới và có kế hoạch bảo quản chúng trong thời gian dài.
Độ chính xác của lưới thi cơng cơng trình tuỳ thuộc vào từng loại cơng
trình, từng giai đoạn thi cơng cơng trình. Việc ước tính độ chính xác của lưới
được tiến hành theo phương pháp lưới trắc địa tự do do bản chất của lưới thi
cơng có độ chính xác bậc sau cao hơn bậc trước.
d. Chịu ảnh hưởng của q trình thi cơng
Trong thi cơng các cơng trình hiện đại (như cơng trình thủy điện, cơng
trình siêu cao tầng…), độ cao thi cơng của các vật kiến trúc trên cơng trường
có thể chênh lệch rất lớn. Điều đó làm cản trở tầm nhìn thơng giữa các điểm
khống chế. Các máy móc thi cơng như cần cẩu, xe vận chuyển vật liệu xây
dựng, máy trộn bê tông rải rác trên công trường đâu cũng có, lại thêm người
thi cơng đi lại càng ảnh hưởng nghiêm trọng đến tầm nhìn thơng. Do đó vị trí
- 12 -
các điểm khống chế cần được phân bố thích hợp, mật độ điểm cũng phải dày
để có khả năng lựa chọn trong khi bố trí thi cơng.
Căn cứ vào đặc điểm đã nêu trên, việc thiết lập lưới khống chế thi
cơng phải là một bộ phận trong tồn bộ thiết kế thi cơng cơng trình. Khi thành
lập lưới phải xét đến trình tự, phương pháp thi cơng và tình trạng phân bố trên
cơng trường. Để tránh cho các mốc khống chế khỏi bị phá hoại, vị trí của tất
cả các điểm khống chế cần phải được vẽ trên tổng bình đồ thiết kế cơng trình
và giáo dục ý thức trách nhiệm bảo vệ cho tất cả mọi người trên cơng trường.
Trên tổng bình đồ thiết kế, vị trí mặt phẳng của các vật kiến trúc được
biểu thị trong hệ toạ độ thi công. Hệ toạ độ thi công là hệ toạ độ cục bộ lấy
trục chính của cơng trình làm trục toạ độ. Ví dụ như đối với cơng trình đầu
mối thuỷ lợi - thuỷ điện thường lấy trục đập làm trục toạ độ, đối với cầu vượt
thì lấy trục cầu, đối với đường hầm cong thì lấy tiếp tuyến, đối với cơng trình
cơng nghiệp thì lấy trục của xưởng chính hoặc là trục của thiết bị sản xuất chủ
yếu làm trục toạ độ. Do đó, khi thiết lập lưới khống chế thi công cố gắng đưa
các trục chính đó vào một cạnh của lưới khống chế.
Trong trường hợp cần liên kết giữa lưới khống chế thi công và lưới
khống chế đo vẽ bản đồ thì phải tính chuyển toạ độ để đưa chúng về một hệ
toạ độ thống nhất.
1.1.3 Đặc điểm thành lập lưới trong thi công một số loại cơng trình
a. Khu vực thành phố
Ở khu vực thành phố, chúng ta không thành lập lưới trắc địa chuyên
dùng mà sử dụng lưới khống chế Nhà nước làm cơ sở, nhưng chiều dài cạnh
thường rút ngắn xuống 1,5–2 lần để đảm bảo mật độ 5 – 15 km2/1điểm. Lưới
được tăng dày để bảo đảm cho việc đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1:500, 1:200.
Loại và hình dạng của lưới phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của
- 13 -
thành phố. Lưới cấp đầu tiên của thành phố có thể là lưới hạng II hoặc III của
Nhà nước và được tăng dày bằng lưới hoặc điểm hạng IV và lưới đường
chuyền cấp 1, 2. Trên khu vực thành phố, có thể sử dụng rộng rãi lưới đường
chuyền (đa giác) hạng IV và lưới đường chuyền cấp 1,2.
Ở khu vực thành phố, lưới tam giác đo góc-cạnh kết hợp được xem là
tốt nhất, loại lưới này có độ chính xác cao, đồ hình của lưới có thể vượt ra
ngồi những quy định thơng thường mà vẫn bảo đảm độ chính xác.
b. Khu cơng nghiệp
Lưới khống chế trên khu vực được thành lập trong giai đoạn khảo sát là
cơ sở để đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn, đồng thời cũng dựa vào đó để thành lập lưới
bố trí cơng trình.
Đối với khu cơng nghiệp có diện tích trên 30 km2, cơ sở khống chế là
các điểm của lưới Nhà nước.
Đối với khu vực có diện tích nhỏ hơn thì thành lập lưới cục bộ có độ
chính xác như lưới hạng IV Nhà nước.
Để bố trí cơng trình trên khu vực công nghiệp, trước đây lưới khống
chế thường được thành lập dưới dạng lưới ô vuông xây dựng. Hiện nay, với
điều kiện thiết bị và máy móc đo đạc hiện đại, người ta không cần thiết phải
thành lập lưới ô vuông xây dựng nữa
c. Công trình cầu vượt
Cơ sở để ước tính độ chính xác cần thiết của lưới là yêu cầu độ chính
xác xác định chiều dài cầu và độ chính xác bố trí tâm trụ cầu, thường từ 1– 3
cm. Đồ hình cơ bản của lưới thường là lưới tứ giác trắc địa đơn hoặc kép.
Trong lưới có đo hai cạnh đáy ở hai bờ với độ chính xác 1:200.000 đến
1:300.000, góc được đo với độ chính xác m= 1÷2”. Ngày nay, máy tồn đạc
điện tử đang được sử dụng khá rộng rãi, do vậy lưới trắc địa trong xây dựng
- 14 -
cầu thường đo góc – cạnh kết hợp. Trong trường hợp này đồ hình lưới có thể
đơn giản hơn mà độ chính xác vẫn đảm bảo yêu cầu.
d. Khu đầu mối thuỷ lợi – thuỷ điện
Trong giai đoạn khảo sát, thiết kế, lưới khống chế trắc địa công trình
phục vụ cho đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn, đo nối các điểm khảo sát địa chất, thuỷ
văn và bố trí các trục cơ bản của cơng trình. Vì vậy có thể sử dụng lưới khống
chế Nhà nước và phát triển theo phương pháp thơng thường với độ chính xác
và mật độ điểm cần thiết.
Trong giai đoạn thi công xây dựng cơng trình, cần phải thành lập lưới
chun dùng nhằm bảo đảm độ chính xác bố trí cơng trình. Đặc điểm của lưới
tam giác khu vực đầu mối thuỷ lợi –thuỷ điện là cạnh ngắn (từ 0,5÷1,5km), đo
góc và đo cạnh với độ chính xác cao: m = 11,5”;mS =1:200.000÷1: 250.000;
Sai số vị trí điểm mP = 5mm.Hình dạng của lướiphụ thuộc vào chiều dài, hình
dạng của đập, chiều rộng của sơng và địa hình hai bên bờ sơng.
e. Cơng trình đường hầm
Cơ sở để ước tính độ chính xác cần thiết của lưới là sai số hướng ngang
của trục đường hầm đào đối hướng.Hình dạng lưới khống chế trắc địa đường
hầm phụ thuộc vào hình dạng của tuyến hoặc hệ thống đường hầm.
Đối với một tuyến đường hầm, thường thành lập chuỗi tam giác đo
cạnh đáy ở hai đầu chuỗi hoặc chuỗi tam giác đo góc – cạnh kết hợp. Để
chuyền tọa độ và phương vị xuống hầm, cần phải có điểm của lưới khống chế
ở gần miệng giếng đứng và cửa hầm.
f. Cơng trình địi hỏi có độ chính xác đặc biệt
Đối với cơng trình địi hỏi có độ chính xác cao như Nhà máy gia tốc
hạt, cơng trình cao, tháp vơ tuyến ... nhưng phạm vi nhỏ thì thành lập lưới tam
giác nhỏ đo cạnh (25÷50m) với độ chính xác rất cao (0,1÷0,5mm).
- 15 -
Nhận xét
Nghiên cứu đặc điểm, mục đích thành lập và yêu cầu độ chính xác của
lưới trắc địa cơng trình, có thể rút ra nhận xét sau đây:
- Ngoại trừ lưới quan trắc biến dạng cơng trình được xây dựng độc lập
theo những yêu cầu kỹ thuật riêng biệt, lưới thi cơng cơng trình cần phải được
thành lập trong cùng một hệ thống tọa độ đã chọn khi khảo sát cơng trình
nhằm bảo đảm tính thống nhất giữa các số liệu thiết kế và số liệu khi bố trí
cơng trình.
- Lưới khảo sát cơng trình cần phải được thiết lập trong hệ tọa độ đã
chọn của công trình.
1.2. U CẦU ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA LƯỚI THI CƠNG CƠNG TRÌNH
Trong giai đoạn thi cơng, nhiệm vụ của trắc địa là trực tiếp phục vụ thi
cơng, độ chính xác của trắc địa thể hiện chủ yếu ở sai số vị trí tương hỗ giữa
các điểm gần nhau. Trong giai đoạn khảo sát, nhiệm vụ chủ yếu của trắc địa là
cung cấp bản đồ địa hình cơng trình các loại tỷ lệ. Lúc đó, lưới khống chế
được thành lập chỉ để đo vẽ bản đồ ở tỷ lệ đã chọn, khơng đáp ứng được u
cầu bố trí cơng trình trên các phương diện như mật độ, số lượng và đặc biệt là
độ chính xác vị trí điểm. Vì vậy, cần phải lập lưới khống chế thi công.
Đối với các loại cơng trình khác nhau hoặc đối với từng phần khác nhau
trong cùng một cơng trình, u cầu độ chính xác bố trí cũng có thể khác nhau
và có khi khác biệt rất lớn. Để xác định độ chính xác của lưới khống chế thi
công phải dựa trên cơ sở bảo đảm độ chính xác cần thiết bố trí các loại và các
hạng mục cơng trình.
Xác định đúng u cầu độ chính xác bố trí cơng trình là một việc rất
quan trọng. Nếu yêu cầu thấp quá có thể gây ra sự cố về chất lượng, nếu yêu
cầu cao quá sẽ gây nên khó khăn cho cơng tác bố trí, tăng khối lượng, kéo dài
- 16 -
thời gian bố trí, khơng thoả mãn u cầu hiện đại hố thi cơng với tốc độ cao.
u cầu độ chính xác bố trí cơng trình được xác định trên cơ sở sai lệch
cho phép của kích thước cơng trình khi xây dựng xong so với kích thước thiết
kế (tức hạn sai xây dựng Δ) và được mô tả như hình 1.1. Sai số thực tế của
cơng trình tức sai số trung phương tổng hợp là do sai số thi công (bao gồm sai
số chế tạo cấu kiện, sai số lắp đặt...) và sai số đo đạc bố trí gây nên, sai số đo
lưới khống chế chỉ một phần trong đó. Để có thể dựa vào hạn sai xây dựng
đưa ra qui định đúng đắn yêu cầu về độ chính xác bố trí cơng trình thì ngồi
kiến thức trắc địa cần phải có kiến thức nhất định về xây dựng cơng trình.
Hạn sai cho phép
Độ lệch giới hạn
SSTP tổng hợp m0
Sai do Trắc địa mTĐ
Do lập lưới khống chế mKC
Sai do Xây dựng mXD
Do bố trí chi tiết mbt
Hình 1.1- Sơ đồ xác lập u cầu độ chính xác bố trí cơng trình
Do u cầu độ chính xác khác nhau của cơng tác bố trí đối với các phần
khác nhau của cùng một cơng trình nên vấn đề đầu tiên được đặt ra là căn cứ
vào yêu cầu độ chính xác nào để xác định độ chính xác của lưới khống chế thi
công. Khi lựa chọn phải xem xét đến điều kiện thi cơng, phương pháp và trình
tự thi cơng, phân tích xem có cần phải bố trí trực tiếp từ các điểm khống chế
hay không. Đối với một số yếu tố nào đó của cơng trình, tuy yêu cầu độ chính
xác rất cao về vị trí tương hỗ nhưng khi bố trí có thể lợi dụng quan hệ hình
- 17 -
học giữa chúng mà trực tiếp tiến hành, do đó khi xác định độ chính xác của
lưới khống chế có thể khơng cần tính đến các yếu tố đó. Ví dụ như trong cơng
trình thuỷ lợi, u cầu bố trí khe của cửa đập với độ chính xác rất cao
(0,5mm) nhưng khơng phải bố trí trực tiếp từ điểm khống chế mà bố trí từ
trục của cửa đập. Do đó khi xét yêu cầu của lưới khống chế khơng xét đến độ
chính xác 0,5mm đó.
Sau khi đã xác định u cầu độ chính xác của cơng tác bố trí, có thể
dựa trên cơ sở đó để xác định độ chính xác của lưới khống chế thi cơng. Lúc
này, cần xem xét tỷ lệ giữa sai số của lưới khống chế và sai số bố trí chi tiết
để xác định hợp lý độ chính xác của lưới khống chế thi cơng.
Đối với cơng trình cầu, điểm cần bố trí thường ở xa điểm khống chế,
không thật thuận tiện cho việc bố trí nên sai số bố trí tương đối lớn. Cơng tác
bố trí cần phải phối hợp chặt chẽ với thi công xây dựng, chịu ảnh hưởng của
thi công, lại phải tiến hành bố trí nhanh để đáp ứng yêu cầu của thi công nên
không thể dùng phương pháp đo nhiều lần để nâng cao độ chính xác. Khi
thành lập lưới khống chế thi công, cần thực hiện nguyên tắc ảnh hưởng sai số
của điểm khống chế đến vị trí điểm bố trí so với ảnh hưởng của sai số bố trí là
nhỏ, có thể bỏ qua để tạo điều kiện thuận lợi cho cơng tác bố trí.
Theo ngun tắc đó, u cầu độ chính xác của lưới khống chế thi cơng
được phân tích như sau:
Giả thiết: M là sai số tổng hợp vị trí điểm bố trí
m1 là sai số do điểm khống chế
m2 là sai số do q trình bố trí
thì:
𝑀 = ±√𝑚12 + 𝑚22 = ±𝑚2 √1 +
Vì m1 < m2 nên m1/m2 < 1
𝑚12
𝑚22
(1.1)
- 18 -
Khai triển (1.1) và bỏ đi các số hạng bậc cao, ta có:
𝑀 = 𝑚2 (1 +
Nếu
𝑚12
2𝑚22
𝑚12
2𝑚22
)
(1.2)
= 0,1 tức ảnh hưởng sai số của điểm khống chế chỉ chiếm
10%, ta được: m12 = 0,2m22.
Kết hợp đẳng thức trên và (1.2) để giải, ta có:
m1 0,4M
(1.3)
Từ đó có thể thấy khi m1=0,4M thì m1 làm cho sai số tổng hợp vị trí điểm
bố trí tăng lên 10%, tức ảnh hưởng sai số của điểm khống chế không lớn.
Do lưới khống chế thi công thường thành lập với hai cấp, phương pháp
tăng dày lưới cấp 2 cũng khác nhau (chêm điểm, chêm lưới, giao hội điểm...),
ngoài ra phương pháp và đồ hình bố trí cũng khác nhau nên ảnh hưởng sai số
của điểm khống chế cũng khác nhau. Do đó sau khi đã xác định được sai số
tổng hợp vị trí điểm bố trí M, sử dụng cơng thức (1.3) để xác định độ chính
xác của lưới khống chế thi cơng thì vẫn cần phải dựa vào trường hợp cụ thể
để phân tích. Đối với cơng trình cơng nghiệp, do mật độ điểm khống chế
tương đối dày, khoảng cách bố trí tương đối ngắn, thao tác dễ dàng nên sai số
bố trí tương đối nhỏ. Trong trường hợp này không cần thiết phải sử dụng
nguyên tắc "Ảnh hưởng sai số điểm khống chế đối với vị trí điểm bố trí là
nhỏ, có thể bỏ qua" mà chọn tỷ lệ hợp lý giữa ảnh hưởng sai số của điểm
khống chế và sai số bố trí để xác định yêu cầu độ chính xác cần thiết của lưới
khống chế thi cơng.
1.3 PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG
Lưới khống chế thi cơng có thể thành lập theo phương pháp đo mặt đất
truyền thống, phương pháp định vị vệ tinh GPS hoặc là phương pháp kết hợp
đo mặt đất-vệ tinh.
- 19 -
1.3.1. Phương pháp đo truyền thống
Đây là phương pháp sử dụng các thiết bị đo ngắm trực tiếp trên mặt đất
tự nhiên, lưới được thành lập chủ yếu dưới dạng: lưới tam giác (đo góc, đo
cạnh, hoặc đo góc-cạnh). Đơi khi gặp địa hình khó khăn thì có thể áp dụng đồ
hình lưới đa giác. Một số máy tồn đạc điện tử chính xác được sử dụng trong
phương pháp đo truyền thống được cho trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1–Một số máy tồn đạc điện tử chính xác
Tên
máy
(dùng để đo các lưới khống chế mặt bằng)
Đo góc
Đo cạnh
Hãng và
Độ
Tầm
nước chế
phân SSTP đo góc
hoạt
SSTP đo cạnh
tạo
giải
ngang/đứng
động xa
bàn độ
nhất
1
2
3
4
5
6
TC 303
Leica
Thụy Sỹ
1"
3"/3"
(2mm 2ppm)
3000 m
SET2B
SOKKIA
Nhật Bản
1"
2"/2"
(2mm 2ppm)
4200 m
DTM
750
NIKON
Nhật Bản
1"
2"/2"
(2mm 2ppm)
3500 m
GTS-4
TOPCON
Nhật Bản
1"
2"/2"
(2mm 2ppm)
3700 m
Độ chính xác cũng như đồ hình lưới phụ thuộc vào các đặc điểm tự
nhiên và yêu cầu độ chính xác của từng hạng mục cơng trình.
1.3.1.1. Lưới tam giác
Đây là một phương pháp phổ biến để thành lập lưới khống chế tọa độ mặt
bằng. Đồ hình của lưới khá đa dạng, tùy thuộc vào địa hình và đặc điểm của
cơng trình.
a. Lưới tam giác đo góc: Dạng lưới này thường được thành lập trong những
trước đây, khi điều kiện đo dài cịn hạn chế. Trong lưới đo tồn bộ các góc, đo
một số cạnh với độ chính xác cao để làm cạnh gốc. Ưu điểm của phương pháp
- 20 -
này là sử dụng thiết bị máy móc có giá thành rẻ, dễ đo ngắm, dễ tính tốn và
có nhiều trị đo thừa trong lưới. Nhược điểm của phương pháp là phải chọn đồ
hình tương đối đều nên khó bố trí điểm khi phải đảm bảo thơng hướng giữa
các đỉnh tam giác.
b. Lưới tam giác đo cạnh: Sự ra đời và phát triển của nhiều thế hệ máy toàn
đạc điện tử đã cho phép lập lưới theo phương pháp tam giác đo cạnh. Trong
phương pháp này, người ta đo chiều dài tất cả các cạnh trong lưới. Từ đó, có
thể tính được giá trị của tất cả các góc trong tam giác và toạ độ của tất cả các
điểm lưới. Ưu điểm của phương pháp là phù hợp với các thiết bị đo cạnh có
độ chính xác cao, ít chịu ảnh hưởng do điều kiện thời tiết như phương pháp
đo góc và thời gian đo đạc ngồi thực địa nhanh hơn. Nhược điểm của dạng
lưới này là trong một tam giác khơng có trị đo thừa nên khơng có điều kiện
kiểm tra ngay tại thực địa, khi đo ở những khu vực có trạm phát sóng, đường
điện cao thế… có thể ảnh hưởng đến độ chính xác đo dài do nhiễu tín hiệu, độ
chính xác định hướng kém nên gây ra dịch vị ngang của lưới lớn.
c. Lưới tam giác đo góc- cạnh: Dạng lưới này là sự kết là sự kết hợp của 2
đồ hình đo góc và đo cạnh. Hiện nay trong trắc địa cơng trình sử dụng rộng
rãi các máy toàn đạc điện tử, do vậy lưới tam giác đo góc-cạnh được áp dụng
phổ biến. Trong lưới đo góc cạnh có thể đo tất cả hoặc một phần các góc và
cạnh của lưới. So với các lưới tam giác đo góc và đo cạnh thì lưới tam giác đo
góc-cạnh ít phụ thuộc hơn vào kết cấu đồ hình, giảm đáng kể sự phụ thuộc
giữa dịch vị dọc và dịch vị ngang, đảm bảo kiểm tra chặt chẽ các trị đo góc và
cạnh. Lưới đo góc-cạnh cho phép tính tọa độ các điểm chính xác hơn (khoảng
1,5 lần) so với lưới tam giác đo góc hoặc tam giác đo cạnh cùng kết cấu.
1.3.1.2. Lưới đa giác
Là hệ thống các điểm được liên kết với nhau tạo thành đường gấp khúc
dưới dạng tuyến đường chuyền đơn hoặc lưới có các điểm nút. Do chỉ cần
- 21 -
liên kết trị đo giữa 2 điểm kề nhau nên có thể bố trí chọn điểm lưới một cách
linh hoạt, phù hợp với những khu vực có độ che phủ lớn, địa hình phức tạp,
cơng trình có dạng tuyến (cơng trình giao thơng, đường hầm…). Tuy nhiên,
đồ hình lưới thường khơng vững do có số lượng ít các trị đo thừa. Vì vậy, để
có thể đảm bảo u cầu cao về sai số vị trí điểm lưới, thường phải đo góc và
đo dài với độ chính xác rất cao.
1.3.2. Phương pháp đo bằng công nghệ GPS
Từ những năm 90 của thế kỉ trước, công nghệ GPS bắt đầu có mặt tại nước ta.
Với những ưu điểm nổi bật, công nghệ GPS đã được nghiên cứu và ứng dụng
rộng rãi để thành lập các mạng lưới khống chế toạ độ. Hiện tại và trong tương
lai, GPS sẽ là công cụ chủ yếu để thành lập lưới khống chế cơ sở trong thi
cơng các cơng trình xây dựng.
1.3.2.1. Thiết kế lưới GPS
a. Thiết kế gốc của lưới GPS:
Kết quả nhận được khi đo GPS là vector đường đáy (số gia toạ độ
không gian 3 chiều trong hệ toạ độ WGS-84). Còn thực tế cần thiết là toạ độ
trong hệ toạ độ Nhà nước hoặc trong hệ toạ độ độc lập, địa phương. Do đó khi
thiết kế lưới GPS cần phải xác định rõ kết quả đo GPS đã dùng hệ toạ độ và
số liệu gốc nào, tức phải thiết kế gốc của lưới GPS.
Gốc của lưới GPS bao gồm vị trí gốc, phương vị gốc và kích thước
(chiều dài) gốc. Phương vị gốc thường lấy là phương vị khởi tính đã cho hoặc
cũng có thể là phương vị của vector đường đáy GPS. Kích thước gốc thường
được lấy là cạnh đo bằng máy đo dài ở mặt đất hoặc khoảng cách giữa các
điểm khởi tính hoặc có thể lấy ln chiều dài vector đường đáy GPS. Vị trí
gốc của lưới GPS thường được xác định từ toạ độ của điểm khởi tính đã cho.
Do đó, thiết kế gốc của lưới GPS chủ yếu là xác định vị trí gốc của lưới GPS.
- 22 -
Khi thiết kế gốc của lưới GPS cần phải xem xét các vấn đề sau đây [5]:
- Để xác định toạ độ điểm GPS trong hệ toạ độ mặt đất thì cần chọn số liệu
khởi tính trong hệ toạ độ mặt đất và đo nối với một số điểm khống chế mặt
đất đã có để chuyển đổi toạ độ. Khi chọn điểm đo nối cần sử dụng tư liệu cũ
nhưng khơng để lưới GPS mới thành lập có độ chính xác cao phải chịu ảnh
hưởng của tư liệu cũ có độ chính xác thấp. Do đó lưới GPS ở thành phố lớn
cần được đo nối với ít nhất 3 điểm của lưới Nhà nước; lưới GPS ở thành phố
nhỏ hoặc khu vực xây dựng cơng trình có thể đo nối với 2 - 3 điểm.
- Để đảm bảo đồng đều về độ chính xác của toạ độ lưới GPS sau bình sai ràng
buộc và giảm ảnh hưởng sai số tỷ lệ kích thước, các điểm cấp cao trùng hợp
trong lưới GPS cũng cần phải tạo thành từ hình có cạnh dài.
- Sau tính tốn bình sai lưới GPS, nhận được độ cao trắc địa của các điểm
GPS. Để có độ cao thường của các điểm GPS, có thể đo nối điểm độ cao. Các
điểm độ cao đo nối cần được phân bố đều trong lưới. Đối với khu vực đồi núi,
điểm độ cao đo nối cần được phân bố phù hợp độ cao mặt cong địa hình. Để
đo nối phải dùng thuỷ chuẩn có độ chính xác khơng thấp hơn hạng IV.
- Hệ toạ độ của lưới GPS mới thành lập cần cố gắng thống nhất với hệ toạ độ
đã được sử dụng trước đó của khu đo. Nếu đã sử dụng hệ toạ độ độc lập địa
phương hoặc của cơng trình thì cần tìm hiểu các tham số sau đây:
+ Elipsoid tham khảo đã sử dụng;
+ Độ kinh của kinh tuyến trục của hệ toạ độ;
+ Hằng số cộng vào toạ độ;
+ Độ cao mặt chiếu hệ toạ độ và trị trung bình của dị thường độ cao khu đo;
+ Toạ độ của điểm khởi tính.
b. Thiết kế đồ hình lưới GPS:
Dựa vào điều kiện cụ thể của khu đo và các yêu cầu đã xác định, tiến hành
thiết kế lưới GPS trên tổng bình đồ cơng trình. Trong lưới GPS khơng u cầu
- 23 -
nhìn thơng hướng giữa các điểm, nhưng xét đến việc tăng dày lưới thì nên
thiết kế để mỗi điểm của lưới phải nhìn thơng đến ít nhất một điểm khác. Căn
cứ vào mục đích sử dụng, có thể có một số phương thức cơ bản để thành lập
lưới như: liên kết điểm, liên kết cạnh, liên kết cạnh-điểm, liên kết lưới...
1.3.2.2. Đo đạc lưới
Yêu cầu kĩ thuật cơ bản khi đo GPS đối với lưới khống chế thi cơng
cơng trình cần phải phù hợp với những quy định nêu trong Bảng 1.2 [6].
Khi đo GPS ở các cấp, hệ số suy giảm độ chính xác khơng gian 3 chiều
PDOP của các cấp hạng lưới GPS phải < 6 (quy định số lượng vệ tinh 6).
Khi đo lưới khống chế thi cơng nên sử dụng ít nhất 3 máy thu GPS loại
1 tần số có tham số độ chính xác a 5mm, b 2ppm và có định tâm quang
học. Định tâm quang học của máy thu GPS cần được kiểm nghiệm trước khi
sử dụng, bảo đảm sai số định tâm 1mm.
Bảng 1.2- Yêu cầu kĩ thuật cơ bản khi đo GPS các cấp
Cấp hạng
Hạng mục
Góc cao
của vệ tinh (0)
Số lượng vệ tinh
quan trắc dùng
được
Số lần đo lặp
trung bình tại trạm
Thời gian quan
trắc: Độ dài thời
gian thu tín hiệu
ngắn nhất (phút)
Tần suất thu
tín hiệu (s)
Phương
pháp đo
Đo tĩnh
tĩnh nhanh
Đo tĩnh
tĩnh nhanh
Đo tĩnh
tĩnh nhanh
Đo tĩnh
tĩnh nhanh
Đo tĩnh
tĩnh nhanh
Hạng
Hạng
Hạng
Cấp
Cấp
II
III
IV
1
2
15
15
15
15
15
4
4
5
4
5
4
5
4
5
2
2
2
60
20
1.6
1.6
45
15
1.6
1.6
45
15
1.6
1.6
45
15
10
60
10
60
10
60
10 60
90
10
60
