Công tác trắc địa trong giai đoạn thi công cầu

Công tác Trắc địa trong quá trình xây dựng cầu được chia ra thành các bước sau

1. Lưới khống chế mặt bằng thi công cầu
2. Lưới khống chế độ cao
3. Bố trí công trình cầu

1. Lưới khống chế mặt bằng thi công cầu

a. Đặc điểm chung và yêu cầu độ chính xác

Lưới thi công công trình cầu được thành lập trên khu vực xây dựng cầu trong giai đoạn thi công, là cơ sở để chuyển các yếu tố hình học của công trình cầu đã thiết kế ra thực địa. Ngoài ra, lưới thi công còn là cơ sở để kiểm tra, kiểm định, đo hoàn công và đo biến dạng công trình cầu trong quá trình khai thác. Lưới thi công cầu có một số đặc điểm sau:

– Các điểm lưới khống chế được sử dụng trong thời gian dài (nhiều năm), tần suất sử dụng cao, vì thế yêu cầu hệ thống mốc có độ ổn định tốt, kết cấu mốc phải sử dụng định tâm bắt buộc để cho độ chính xác cao.

– Tất cả các bậc của lưới cần phải tính tọa độ trong một hệ tọa độ thống nhất được lựa chọn trong giai đoạn khảo sát công trình.

– Sự thông hướng giữa điểm lưới và điểm bố trí thường bị thay đổi trong quá trình thi công, khi thiết kế lưới phải chú ý để chọn mật độ và vị trí điểm lưới cho phù hợp.

– Vị trí các hạng mục của công trình cầu được tính trong hệ tọa độ thi công (hệ tọa độ cục bộ) lấy trục chính của công trình làm trục tọa độ (thường là trục tim cầu làm trục X) nên để việc tính toán bố trí được thuận lợi và dễ dàng kiểm tra,  chọn 2 điểm trên trục cầu làm 2 điểm của lưới khống chế.

– Đồ hình của lưới khống chế thi công cầu đo bằng máy kinh vĩ hoặc máy toàn đạc điện tử có dạng cơ bản sau:

Hình (4.3a) được sử dụng khi thi công cầu nhỏ, hình (4.3b) dùng khi thi công cầu lớn.

 Trong xây dựng cầu, độ chính xác của lưới thi công cầu cần phải đảm bảo sao cho sai số trung phương bố trí tâm mố trụ cầu và sai số trung phương bố trí độ dài các nhịp không vượt quá ± (1,5¸2) cm [3]. Vì vậy, sai số trung phương các điểm lưới khống chế thi công mặt bằng cần phải nhỏ hơn độ chính xác bố trí tâm mố trụ một bậc, nghĩa là khoảng  ±1cm [23].

b. Các phương pháp thành lập lưới thi công cầu

1. Phương pháp đo góc

Trong lưới đo góc, đo tất cả các góc bằng trong lưới bằng phương pháp đo toàn vòng, số vòng đo phụ thuộc vào độ chính xác yêu cầu của lưới và độ chính xác của máy đo, đo chiều dài của 1 cạnh, hoặc 2 cạnh trên 2 bờ sông với độ chính xác cao,ví dụ cạnh 1-2 hoặc 3-4 (hình 4.3), sau đó sử dụng quan hệ hàm sin trong tam giác để tính chiều dài các cạnh còn lại.

Phương pháp lưới tam giác đo góc được thành lập trong trường hợp không có máy toàn đạc điện tử. Khi áp dụng phương pháp này để thành lập lưới thi công cầu có những ưu nhược điểm sau:

Ưu điểm: Có nhiều trị đo thừa nên có thể loại trừ được sai số thô  và nâng cao độ chính xác các yếu tố được xác định trong lưới, độ chính xác các yếu tố tương đối đồng đều, độ chính xác phương vị cạnh của lưới tam giác không phụ thuộc vào hình  dạng của tam giác, phù hợp với công nghệ đo đạc trước đây.

Nhược điểm: Lưới thi công cầu được xây dựng trên khu vực có điều kiện địa hình phức tạp, vì vậy sẽ tạo nên những vùng tiểu khí hậu, trường chiết quang cục bộ sẽ ảnh hưởng tới tia ngắm. Ngoài ra kết cấu đồ hình vẫn phải đảm bảo hình dạng cho phép của các tam giác vì thế việc chọn điểm tương đối khó khăn, tốn nhiều thời gian.

2. Phương pháp đo cạnh

          Lưới tam giác đo cạnh là mạng lưới được đo tất cả các cạnh đối hướng bằng máy toàn đạc điện tử, các góc được tính ra từ các cạnh. Trước đây, việc đo cạnh khó khăn, nên lưới tam giác đo cạnh chỉ phát triển về mặt lý thuyết, từ khi có máy toàn đạc điện tử, lưới tam giác đo cạnh đã được ứng dụng nhiều trong thực tế.

          Ưu điểm: Phù hợp với các thiết bị đo cạnh có độ chính xác cao đã phổ biến; ít chịu ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết hơn đo góc; thời gian thi công ngoại nghiệp nhanh (nhanh hơn nhiều lần so với đo góc); sai số chuyển vị dọc các chuỗi nhỏ hơn so với chuỗi tam giác đo góc cùng cấp.

          Nhược điểm: Trong một tam giác không có trị đo thừa nên không kiểm tra được ngay tại thực địa; giá trị các góc tính ra trong cùng một tam giác không cùng độ chính xác nên ảnh hưởng đến việc chuyền phương vị trong mạng lưới.

3. Phương pháp đo góc – cạnh

Trong lưới đo tất cả các góc bằng phương pháp toàn vòng với nhiều vòng đo và tất cả các cạnh bằng máy TĐĐT (hình 4.3), số đại lượng đo thừa nhiều hơn so với lưới tam giác đo góc và lưới tam giác đo cạnh vì vậy lưới có độ chính xác cao.

Trong quá trình thiết kế lưới đo góc cạnh, cần xác định tương quan hợp lý giữa sai số đo chiều dài và sai số đo góc trong lưới nhằm xây dựng được mạng lưới với sai số đồng đều và đạt hiệu quả về kinh tế.

Nếu không đáp ứng điều kiện (4.3) thì khi đó chỉ nên áp dụng phương pháp đo góc hay đo cạnh sẽ có hiệu quả hơn.

         Công nghệ đo chiều dài độ chính xác cao của máy toàn đạc điện tử được ứng dụng trong việc thành lập lưới nói chung và lưới thi công cầu nói riêng vì vậy phương pháp đo cạnh và phương pháp đo góc – cạnh kết hợp được sử dụng rộng rãi hơn phương pháp đo góc truyền thống. Đối với tất cả các phương pháp kết quả đo đều được bình sai chặt chẽ bằng phần mềm đã được kiểm nghiệm, công nhận.

2. Lưới khống chế độ cao

a. Đặc điểm chung và yêu cầu độ chính xác

Lưới độ cao được thành lập để phục vụ cho công tác thiết kế, thi công công trình cầu. Lưới độ cao được thành lập trên toàn bộ khu vực xây dựng cầu. công tác chuyền độ cao qua sông với mục đích thống nhất độ cao trên cả 2 bên bờ sông, các mốc độ cao này còn sử dụng để quan trắc lúc cầu trong quá trình sử dụng.

            Lưới khống chế độ cao được thành lập phải thỏa mãn các yêu cầu sau []:

• Sông rộng nhỏ hơn 0,5km thành lập lưới độ cao hạng IV.
• Sông rộng từ (0,5 ÷2) km thành lập lưới độ cao hạng III.
• Sông lớn hơn 2km thành lập lưới độ cao hạng II.

  Lưới độ cao được thành lập trong giai đoạn khảo sát xây dựng cầu, trên mỗi bờ sông có ít nhất 3 điểm độ cao. Trong đó có 2 điểm nằm ngoài khu vực xây dựng cầu còn một điểm nằm trong khu vực xây dựng cầu.

Tùy theo phạm vi xây dựng, trên mỗi bờ sông người ta còn thành lập một lưới khống chế độ cao thi công trên cơ sở tăng dày lưới độ cao đã có. Công tác kiểm tra mốc độ cao và tăng dày lưới độ cao phụ thuộc vào từng giai đoạn thi công.

b. Các phương pháp chuyền độ cao qua sông

Các mốc của lưới đo cao được bố trí ở 2 bờ sông vì vậy việc chuyền độ cao qua sông được tiến hành bằng đo cao hình học kép, đo cao lượng giác hay đo cao thủy tĩnh.

Phương pháp thủy chuẩn hình học kép

Trước khi đo trên cả hai bờ ta chôn mốc R_P1 và R_P2 và cách mốc đó 10 -30m ta chọn các trạm đặt máy thủy chuẩn J₁ và J₂ (Hình 4.4).

đồng thời tiến hành kiểm nghiệm máy móc dụng cụ, đặc biệt là kiểm nghiệm góc i của máy thủy bình.

Đầu tiên đặt máy tại J₁ cân bằng chính xác, quay máy ngắm mia tai RP₁ đọc trị số S₁, ngắm RP₂ đọc trị số T₁. Sau đó chuyển máy sang J₂ làm tương tự được S₂ và T₂, chú ý khi chuyển trạm không thay đổi tiêu cự ống kính.

Hiệu độ cao nửa lần đo thứ nhất    h₁ = S₁ – T₁                                        (4.5)

Hiệu độ cao nửa lần đo thứ hai:     h₂ = S₂ – T₂                                        (4.6)

Hiệu độ cao trung bình giữa các mốc R_P1 và R_P2 từ lần đo thứ nhất:

h=(1/2)*(h1+h2)                                                                                                   (4.7)

Tiến hành đo nhiều lần tùy theo độ rộng của sông và độ chính xác yêu cầu đối với việc chuyền độ cao.

Ta đã biết, một thay đổi rất nhỏ của góc i giữa hai nửa lần đo cũng sẽ gây ra sai số đáng kể trong các hiệu độ cao, chẳng hạn như khi góc i thay đổi 2″ và chiều rộng của sông là 1000m thì

Trong đó: i là góc nghiêng của tia ngắm máy thủy bình so với phương ngang; d là khoảng cách từ máy đến mia.

Vì vậy phải có biện pháp ngăn ngừa để cho dưới ảnh hưởng nhiệt độ hoặc chấn động khi di chuyển máy thì giá trị góc i vẫn không thay đổi.

Theo các số liệu thử nghiệm, nếu như nhiệt độ thay đổi đi 1⁰C thì giá trị góc i sẽ thay đổi trung bình vào khoảng 0,5″. Trong thời gian chuyển độ cao, cần phải xác định góc i cẩn thận và cố gắng đưa nó về giá trị không đáng kể.

Mỗi lần đo cần tiến hành trong thời gian ngắn nhất, trong những điều kiện ngoại cảnh như nhau, để cho ảnh hướng do chiết quang tại các bờ khác nhau tương tự như nhau. Ngoài ra để giảm ảnh hưởng chiết quang thì nên chuyền độ cao đồng thời bằng hai máy thủy chuẩn từ hai bên bờ khác nhau, và sau đó thay đổi vị trí máy cho nhau.

Phương pháp thủy chuẩn lượng giác

Ngoài phương pháp thủy chuẩn hình học kép, phương pháp đo cao lượng giác bằng máy toàn đạc điện tử cũng có thể sử dụng để chuyền độ cao qua sông, trong một số tài liệu nghiên cứu cho rằng, phương pháp đo cao lượng giác từ giữa bằng máy toàn đạc điện tử tia ngắm ngắn trong một số điều kiện có thể xác định độ cao với độ chính xác tương đương hạng IV.

Phương pháp thủy chuẩn thủy tĩnh

Để chuyền độ cao chính xác qua các sông rộng, có thể dùng phương pháp thủy chuẩn thủy tĩnh. Trên đáy sông, đặt một ống mềm chắc chắn chứa đầy nước dưới áp suất cao để trong ống không có bọt khí. Ở các đầu ống dẫn ta cắm những ống thủy tinh có các vạch khắc và được gắn chặt vào các cột trên 2 bờ (hình 4.5)

Đo thuỷ chuẩn thuỷ tĩnh

Các mốc thủy chuẩn R_P1 và R_P2 cần được chôn ở vị trí ổn định và cách các cột đó một khoảng bằng khoảng cách của trạm máy khi đo thủy chuẩn. Trong trường hợp này coi mặt thoáng của chất lỏng trong các ống N₁ và N₂ nằm trên cùng một mặt phẳng và dùng hai máy thủy chuẩn để nối mặt phẳng đó với các mốc thủy chuẩn R_P1 và R_P2.

Việc đo đạc được tiến hành trong những khoảng thời gian nhất định. Đồng thời tại mỗi bờ cần đo áp suất nhiệt độ không khí và nước để khi cần thiết có thể hiệu chỉnh vào kết quả đo. Từ nhiều lần đo, lấy kết quả trung bình. Trong các điều kiện thuận lợi, phương pháp này bảo đảm chuyền độ cao qua sông rộng với sai số khoảng ±2 mm.

3  Bố trí công trình cầu

a. Đặc điểm công tác bố trí công trình cầu

Công tác trắc địa đóng vai trò rất quan trọng trong các giai đoạn thiết kế, thi công và sử dụng công trình cầu. Đây là công tác rất khó khăn phức tạp, phụ thuộc vào đặc điểm của vị trí xây dựng cầu cũng như kết cấu, kiến trúc của công trình cầu, công tác trắc địa trong thi công cầu có một số đặc điểm sau:

– Do đặc điểm chịu lực của cầu, nên độ chính xác của trục chính cũng như độ chính xác cục bộ yêu cầu cao, sai số bố trí từ 1cm đến 2cm [3], [23].

– Địa hình thi công phức tạp, chiều dài cầu, chiều cao trụ, tháp lớn nên yêu cầu thiết bị và phương pháp đo phù hợp.

– Kiến trúc cầu phong phú, công nghệ thi công đa dạng, vật liệu xây dựng khác nhau vì thế nên khi đo đạc, ngoài phương pháp và dụng cụ đo phù hợp cần phải chú ý đến dung sai cho phép có tính đến sự co ngót vật liệu, trạng thái có tải, không tải, công nghệ thi công, mùa, thời tiết và thời điểm đo…

– Khối lượng thi công cầu lớn, thời gian thi công thường kéo dài, công tác thi công được tiến hành theo đoạn, đốt. Để đảm bảo độ chính xác tổng thể, thì độ chính xác cục bộ cũng như các mốc thi công phải đảm bảo và ổn định.

– Để tránh sai sót, sau khi thi công từng phần và thi công cục bộ phải kiểm tra độ chính xác bố trí và kiểm tra kích thước hình học để có phương án điều chỉnh phù hợp.

b. Bố trí tâm mố trụ cầu bằng máy toàn đạc điện tử

Ưu điểm của phương pháp này so với máy kinh vĩ thông thường là cạnh có thể bố trí với khoảng cách lớn và độ chính xác bố trí cao, thực hiện được trong điều kiện địa hình phức tạp, và các yếu tố bố trí được tính tự động sau khi nhập tọa độ. Vì thế nên khả năng thực hiện ngoài thực tế lớn hơn.

Là phương pháp tìm điểm nên nhược điểm của phương pháp là chỉ xác định góc b ở một vị trí bàn độ, muốn nâng cao độ chính xác phải đo lại tọa độ điểm bố trí và tính các yếu tố hoàn nguyên, nếu chỉ bố trí ở một vị trí bàn độ thì trong xây dựng cầu chương trình setting out thích hợp cho việc bố trí các cọc, bệ cọc và xác định sơ bộ vị trí tâm mố, trụ.

Sai số trung phương của phương pháp tính theo công thức:

c. Phương pháp giao hội nghịch góc – cạnh (chương trình free station)

          Phương pháp giao hội nghịch góc – cạnh là một trong những phương pháp xác định điểm giao hội cho độ chính xác tương đối cao. Tuy nhiên trước đây ít được sử dụng vì việc tính toán khá phức tạp. Khi sử dụng máy toàn đạc điện tử để đo thì vấn đề tính toán của phương pháp được đơn giản đi rất nhiều, nên phạm vi ứng dụng của phương pháp được mở rộng.

          – Đặt máy TĐĐT tại điểm P (điểm bố trí gần đúng) ngắm đến điểm của lưới khống chế 1, 2 (tối thiểu 2 điểm, tối đa 5 điểm), đo góc b và cạnh S₁, S₂. Sau khi nhập vào đủ các dữ liệu yêu cầu (chiều cao máy, chiều cao gương, tọa độ điểm 1, 2) máy sẽ tính ra tọa độ điểm P (x_p và y_p).

+ Độ chênh lệch giữa tọa độ thực tế và tọa độ thiết kế của điểm P.

Phương pháp giao hội nghịch góc – cạnh thích hợp khi các điểm bố trí đặt được máy và đã được xác định sơ bộ bằng các phương pháp khác. Phương pháp rất thuận tiện để nghiệm thu từng phần tâm mố, trụ cầu trong quá trình thi công.