Инженерная геодезия 9 страница

3) Ось цилиндрического уровня должна быть параллельна визирной оси зрительной трубы. Эта поверка считается основной поверкой нивелира. Один из способов ее выполнения – нивелирование «вперед» двух точек (рис. 67).

х

х

а

в i₂

i₁ в₀ а₀

А В А В

Рис. 67. Схема выполнения основной поверки нивелира способом

нивелирования «вперед» двух точек

h = i₁ – в₀ = i₁ – (в – х) х = ≤ 4мм

h = а₀ – i₂ = (а – х) – i₂

h_ср. = - безошибочно. То же получается при нивелировании «из середины» при равных плечах.

Если х > 4мм, необходимо произвести юстировку:

1. Вычисляют верный отсчет по рейке а₀ = а – х

2. Элевационным винтом наклоняют зрительную трубу и устанавливают на рейке отсчет а₀. При этом пузырек цилиндрического уровня сместится из середины.

3. Исправительными винтами цилиндрического уровня пузырек уровня возвращают на середину.

4. Повторяют поверку.

10. Продольное нивелирование трассы

Трасса – это ось линейного сооружения типа: дороги, трубопроводы, линейные ускорители частиц, ЛЭП и другие (рис. 68).

Трассирование – комплекс работ для получения оптимального варианта трассы по отношению к ландшафту местности, рельефу, в экономическом отношении. Разделяют камеральное и полевое трассирование. Камеральное трассирование заключается в предварительном выборе оптимального варианта трассы с использованием карт мелкого, а затем более крупного масштабов. Выполняется оно способами: попыток, построения линии заданного уклона, по стереомоделям местности и автоматизированным методом.

Полевое трассирование выполняют или без предварительного выбора трассы на карте или выносят в натуру выбранный на карте вариант трассы. Все работы при этом разделяются на полевые и камеральные.

10.1. Полевые работы.

1) Рекогносцировка – осмотр местности и закрепление главных точек трассы начала трассы (НТ), конца трассы (КТ), створных точек (СТ), вершин углов поворота трассы (ВУ) (рис. 68) деревянными или бетонными столбами высотой около одного метра.

На столбах масляной краской подписывают названия и номера точек.

2) Измерение углов поворота трассы – угла между предыдущим и последующим направлением трассы. Теодолитом измеряют правые по ходу горизонтальные углы и вычисляют углы поворота трассы. Если трасса поворачивает вправо, то φ₁ = 180º- β₁, угол поворота трассы влево вычисляют следующим образом φ₂ = β₂ – 180º.

3) Разбивка трассы: расчистка и закрепление главных точек кривых, пикетов, плюсовых точек, поперечников. После вычисления углов поворота трассы выбирают из «Таблиц для разбивки круговых кривых» или вычисляют по формулам элементы кривых: тангенс (касательная к кривой, Т), биссектрису (Б), длину кривой (К), домер (Д) (рис. 69).

ВУ № 1

φ₁ КТ

СТ β₁ СТ

НТ ВУ № 2 φ₂

β₂

Рис. 68. Главные точки трассы

Х

ВУ+48,65

φ

ПК2'

Т у_ПК2 Д

ПК2

х_ПК2 СК

КК

НК

ПК1 R

R β

R

НТ КТ

О

Рис. 69. Главные элементы и точки горизонтальной круговой кривой,

вынесение пикета с тангенса на кривую

R – радиус кривой; Т = R·tg(φ/2); К = ;

Б= ; Д = 2Т – К.

β = ; НК – ПК2 = НК – ПК2', где ρ=206265"≈57,3º.

Вычисляют пикетажное значение, то есть расстояние от предыдущего пикета, главных точек кривых по формулам:

ВУ Контроль: ВУ

-Т +Т

НК ……

+К -Д

КК КК

По пикетажным значениям находят на местности главные точки кривых и закрепляют их деревянными колышками.

Пикеты разбивают по прямым участкам трассы при помощи ленты или рулетки через каждые 100 метров по направлению, заданному визирным лучом теодолита. Если пикет попал на тангенс, по новому направлению откладывают домер первой кривой и, считая пикетаж полученной точки равным пикетажу вершины угла, дальнейшую разбивку трассы продолжают от нее. Кроме того, этот пикет нужно вынести на кривую (рис. 69). С этой целью вычисляют центральный угол β и прямоугольные координаты выносимого пикета. Так, для пикета 2 на рисунке 69 х_ПК2 = R∙sinβ; у_ПК2 = R – R∙cosβ = 2R∙sin²β/2.

Пикеты закрепляют деревянными колышками, которые забивают вровень с землей, окапывают канавкой в радиусе одного метра и забивают сторожок (деревянный колышек длиной 60см), на котором подписывают номер пикета.

На трассе закрепляют плюсовые точки – точки пересечения с характерными элементами ситуации и рельефа, определяют их пикетаж от предыдущего пикета. На косогорах или в местах неравномерного уклона трассы разбивают поперечники: закрепляют на трассе осевую точку поперечника, строят при помощи теодолита прямой угол к трассе вправо и влево от нее, то есть левое и правое плечи поперечника, на которых закрепляют плюсовые точки в местах изменения рельефа. Пикетаж этих точек определяют от осевой точки поперечника.

4) Горизонтальная съемка полосы местности вдоль трассы (от 20 метров и больше) способами прямоугольных координат и линейных засечек. При необходимости съемки рельефа выполняют тахеометрическую съемку, используя в качестве точек съемочного обоснования главные точки трассы, которые должны быть привязаны к пунктам государственной или местной геодезических сетей.

Параллельно с разбивкой трассы и съемкой местности ведут пикетажный журнал, куда заносят результаты разбивки и ведут абрис съемки.

5) Нивелирование трассы. Выполняют методом геометрического нивелирования способом «из середины». Нивелирование технической точности, при котором применяются технические нивелиры, допустимая максимальная длина плеч при хорошей видимости 150 метров, при плохой 100 метров. Километровые пикеты, реперы нивелируют как связующие точки, а плюсовые точки и точки поперечников – как промежуточные, только по черной стороне рейки.

По окончании полевых работ получают следующие документы: пикетажный журнал и журналы нивелирования трассы.

10.2. Камеральные работы

1) Ежедневный контроль разбивки пикетов и вычисления углов поворота трассы.

2) Математическая обработка результатов измерений заключается в вычислении допустимых и полученных невязок в теодолитных и нивелирных ходах и уравнивании этих ходов. Допустимая невязка в теодолитных ходах f_β = 3'√n, где n – количество сторон в ходе, для хода нивелирования f_h = ±50 мм √L, где L – длина хода в километрах или f_h = ± 10мм√n,

где n – число станций в ходе.

Кроме того, вычисляют ведомость прямых и кривых участков трассы, в которой записывают значения углов поворота трассы, пикетажные значения главных точек кривых, значения прямых и кривых участков трассы, домеров. Контроль вычислений выполняют по следующим формулам: ∑2Т - ∑К = ∑Д; ∑Р + ∑К = S =; φ _прав. - φ_лев. = α_кон. – α_нач., где Р – прямые вставки, К – длины кривых участков трассы, S – длина трассы, φ – угол поворота трассы вправо и влево, α – дирекционный угол.

3) Графические работы заключаются в составлении плана трассы в масштабах 1:5000 и высотой сечения рельефа 2м в горной местности и 1:10000 и высотой сечения рельефа 5метров в равнинной. Кроме плана, вычерчивают продольный профиль трассы и профили поперечников. Продольный профиль составляют в масштабе: 1:5000, 1:10000 по горизонтали, по вертикали масштаб выбирают в 100 раз крупнее горизонтального для наглядности профиля. На продольном профиле проводят проектную линию, вычисляют проектные и рабочие отметки пикетов и плюсовых точек и объемы земляных работ. В графе «кривые» строят кривые по пикетажным значениям их главных точек, на прямых участках трассы над прямой записывают название и значение румба, под прямой – длину прямого участка.

Профили поперечников строят в одинаковом масштабе по горизонтали и вертикали.

11. Опорные геодезические сети

Служат исходными данными (координаты и высоты) для выполнения геодезических работ. В зависимости от наличия координат или высот бывают плановые и высотные.

а). Государственная геодезическая сеть. Плановые сети строятся способами триангуляции, трилатерации и полигонометрии 1, 2, 3, 4 классов. Триангуляция строится в виде треугольников (рис. 70), в которых измеряют горизонтальные углы, уравнивают их (считают и распределяют полученную угловую невязку), от базисных сторон (измеренных с большой точностью) по теореме синусов вычисляют горизонтальные проложения сторон треугольников, дирекционные углы, приращения координат и координаты пунктов. В качестве исходных координат для построения сетей 1-го класса берут координаты пунктов, полученных с высокой точностью из астрономических измерений. Эти пункты называют пунктами Лапласа. Второй класс развивают от первого, третий от пунктов первого и второго и так далее, то есть сгущают сети высокого класса точности сетями более низких классов. Для текущих геодезических работ чаще всего не нужны исходные данные, полученные с высокой точностью, кроме того, требуется большая густота пунктов, поэтому требуется развивать сети низких классов.

Полигонометрию строят в виде замкнутых или разомкнутых ходов, образующих полигоны. В них измеряют при помощи высокоточных и точных теодолитов горизонтальные и вертикальные углы и длины сторон инварными проволоками или дифференциальными светодальномерами. По полученным измерениям считают координаты пунктов. Закрепляют пункты государственной геодезической сети геодезическими центрами, грунтовыми и стенными реперами. Они несут координаты геодезического пункта. Грунтовый репер представляет собой металлическую трубу, с бетонным якорем, которая закладывается в пробуренную скважину и заливается бетоном. Реперы закладывают ниже глубины сезонного промерзания грунта. Верх репера находится на расстоянии 30 – 50 см ниже поверхности земли. После закладки репер окапывается в радиусе 1 метра или оформляется в виде люка и привязывается не менее чем к двум постоянным предметам местности с составлением абриса привязки. Координаты и высоту репера можно определять не раньше чем через неделю со дня закладки. Над грунтовыми реперами устанавливают наружные знаки в виде сигналов и пирамид для обеспечения видимости. Их высота зависит от высоты препятствия и бывает до 50 метров. Ось визирных цилиндров наружных знаков проходит через центр репера, над которым он установлен. Каталог координат и высот реперов и абрисы привязки сдают в геодезические отделы областного или городского управления архитектуры и градостроительства или Госгеонадзор.

Стенные реперы закладывают путем бетонирования металлических стержней или уголков в стены и фундаменты капитальных сооружений, водонапорных башен, в устои мостов и т.д., обычно на высоте 0,7 – 1 м над поверхностью земли.

Таблица 2 – Характеристика сетей триангуляции и полигонометрии

Класс сети	Длина стороны, км	Ср. квадратическая ошибка измерения
угла	Базиса или стороны
	> 20 (20 – 25)	0,7"(0,4")	1:400000 (1:300000)
	7 – 20 (7 – 20)	1,0 (1,0)	1:300000 (1:250000)
	5 – 8 (3 – 8)	1,5 (1,5)	1:200000 (1:200000)
	2 – 5 (0,25 – 2)	2,0 (2,0)	1:200000 (1:150000, относительная невязка 1:25000)

В скобках указаны данные о полигонометрии.

Высотная государственная геодезическая сеть представляет собой нивелирные сети 1, 2, 3, 4 классов. Пункты плановой геодезической сети могут использоваться как пункты нивелирования. Методика выполнения работ изложена в Инструкции по нивелированию 1, 2, 3, 4 классов. Требования к построению сетей нивелирования представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Характеристика сетей нивелирования

Класс нивелирования	Периметр полигона, км	Невязки в полигонах
	–	наивысш. точность
	500 – 600	±5мм √L
	150 – 300	±10мм √L
		±20мм √L

Пункты высотной государственной сети закрепляют на местности капитальными грунтовыми реперами, стенными реперами или марками.

б). Геодезические сети сгущения – это триангуляция и полигонометрия 1, 2 разрядов, развиваемые от пунктов государственной геодезической сети. Основные параметры сетей представлены в таблице 4. В скобках данные для полигонометрии 1-го, 2-го разрядов.

Рис. 70. Схема триангуляции «цепочка треугольников»

Таблица 4 – Основные параметры сетей сгущения 1-го и 2-го разрядов

Разряд	Ср. квадратическая ошибка измерения	Длина сторон, км	Число треугольников в цепи (сторон в ходе)
угол	выходная сторона (длина)
	5"	1:50000 (1:10000)	(0,12 – 0,8)	(15)
	10"	1:20000 (1:5000)	(0,08 – 0,35)	(15)

Высотное положение пунктов определяют методом нивелирования 4 класса и техническим нивелированием (допустимая невязка ± 50 мм √L).

в). Съемочная геодезическая сеть (съемочное обоснование) создается с целью сгущения геодезической сети для производства топографических съемок. Способы развития – микротриангуляция, теодолитно-нивелирные ходы, тахеометрические и мензульные ходы, прямые, обратные и комбинированные засечки. Высоты пунктов получают методами геометрического нивелирования (микротриангуляция, теодолитно-нивелирные ходы), тригонометрического нивелирования (тахеометрические ходы). Длины сторон в ходах в первых двух случаях измеряют при помощи светодальномеров, мерных лент или рулеток, во втором – нитяным дальномером. Камеральные работы заключаются в следующем: контроль полевых документов – проверка графического материала, повторение всех вычислений, проведенных в полевых условиях; вычисление углов наклона и горизонтальных проложений длин сторон полигона; вычисление ведомости координат точек теодолитного хода (см. методические указания по выполнению расчетно-графических работ, часть 1).

г). Разбивочная геодезическая сеть служит для переноса в натуру и возведения сооружений – высокоточной и технической точности разбивки.

В настоящее время для создания геодезических сетей используют методы космической геодезии.

Российская спутниковая система ГЛОНАСС (ГЛОбальная Навигационная Спутниковая Система) включает 24 спутника (создана в период 1982-1995 г.г.). Спутники находятся в 3-х орбитальных плоскостях: 1-я – 1-8 спутники, 2-я – 9-16, 3-я – 17-24. Расстояния между ними по широте 45°.

Американская система NAVSTAR GPS (глобальная система позиционирования) содержит по четыре спутника в 6-ти орбитальных плоскостях.

Высота орбиты навигационных спутников относительно центра масс ГЛОНАСС – 25 500 км, NAVSTAR –26 600 км. Спутники характеризуются радиосигналом высокой точности ВТ и стандартной точности СТ. Способ разделения сигналов NAVSTAR – кодовый, ГЛОНАСС – частотный.

Несущая частота L-1, мгц - 1602,6-1615,5 (ГЛОНАСС) и 1246,4-1256,5 (NAVSTAR); L-2, мгц – 1575,4 и 1227,6 соответственно. Система пространственных координат ПЗ-90 (ГЛОНАСС), WGS-84 (МГС-84) (NAVSTAR).

Систему определения местоположения делят на три сегмента (подсистемы):

А – подсистема орбитального комплекса (созвездие ИСЗ – космический сегмент), Б – наземная подсистема контроля и управления (группа станций слежения, станции загрузки на ИСЗ, главные станции). В – подсистема пользователей – комплекс аппаратно-программных средств, реализующих основное назначение глобальной позиционирующей системы (GPS) – определение координат точек местности для геодезического применения.

Приемники GPS делятся на две группы. Первая – поочередное отслеживание спутников, спутники бывают одноканальные и двухканальные (второй канал административный). Вторая группа – многоканальные, измерение расстояния до четырех и более спутников одновременно (4, 6, 8, 10 и 24 канала слежения). Определяются координаты в режиме реального времени, скорость и траектория движения, одновременно обрабатываются сигналы всех спутников рабочего созвездия.

По точности спутниковые приемники делятся на три класса: навигационный класс – точность определения координат 150-200 м, класс картографии и ГИС – 1-5 м, геодезический класс – до 1 см (1-3 см в кинематическом режиме, до 1 см при статических измерениях).

Таблица 4' – Типы и группы геодезических спутниковых приемников

Тип приемника	Группа	Число каналов не менее	Частоты	Точность
Двухсистемные двухчастотные и более			L1/L2(GPS)+ 3 мм+ L1/L2(ГЛОНАСС)	1*10-6 D
Односистемные двухчастотные			L1/L2(GPS) или L1/L2(ГЛОНАСС)	(3-5) мм +1*10-6 D
Односистемные одночастотные			L1(GPS) или L1(ГЛОНАСС)	10 мм+ 2*10-6 D

Рис. 71. Схема измерения координат точек земной поверхности

спутниковыми приемниками

Спутниковые методы создания геодезических сетей делят на геометрические и динамические. В геометрическом методе искусственные спутники Земли (ИСЗ) используют как высокую визирную цель, в динамическом - ИСЗ является носителем координат. В геометрическом методе спутники фотографируют на фоне опорных звезд, что позволяет определить направления со станции слежения на спутники. Фотографирование нескольких положений ИСЗ позволяет получить координаты определяемых пунктов. Эту же задачу в динамическом методе решают путем измерения расстояния до спутников радиотехническими средствами. Создание навигационных систем в России и в США (ГЛОНАСС, GPS) позволяет в любой момент времени в любой части Земли определять координаты точек с высокой точностью.

Современная концепция геодезического обеспечения страны

В настоящее время единые системы координат на территории России задаются соответственно государственной геодезической сетью (ГГС) и государственной нивелирной сетью (ГНС). Государственная геодезическая сеть имеет среднюю плотность 1 пункт на 38 кв. км, а государственная нивелирная сеть – 1 репер на 34 кв.км. Завершенная к середине 90-х годов прошлого столетия государственная геодезическая сеть страны (ГГС) построена методами триангуляции и полигонометрии. Она содержит более 464 тыс. геодезических пунктов. Точность этой сети позволяет использовать ее для обоснования топографических съемок до масштаба 1:2000 и крупнее.

В результате математической обработки (заключительного уравнивания) в 1996 году получена новая высокоточная система геодезических координат СК-95, распространенная на всю территорию страны. Точность взаимного положения пунктов в этой системе координат составляет: 2-4 см - при расстояниях между пунктами 10-15 км; 10-20 см – при расстояниях 100-200 км; 0,5-0,8 м - при расстояниях около 1000 км. Заключительное уравнивание ГГС завершило этап истории развития геодезии в России, в котором система геодезического обеспечения основывалась на традиционных методах линейно-угловых геодезических измерений. Спутниковые методы по сравнению с традиционными методами обладают рядом преимуществ. В структуре государственной геодезической сети, основанной на использовании современных спутниковых технологий, предусматривается построение геодезических сетей высшего класса точности, связанных между собой по традиционному геодезическому принципу «перехода от общего к частному». Высшим звеном всей структуры должна стать фундаментальная астрономо-геодезическая сеть (ФАГС). Она реализует общеземную геоцентрическую систему координат при решении задачи координатно-временного обеспечения страны, стабильность системы координат во