Nghiên cứu khả năng ứng dụng GPS để kiểm tra độ thẳng đứng công trình trong quá trình thi công - Nguyễn Quang Phúc

Nội dung text: Nghiên cứu khả năng ứng dụng GPS để kiểm tra độ thẳng đứng công trình trong quá trình thi công - Nguyễn Quang Phúc

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 38, 4/2012, tr.53-58 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG GPS ĐỂ KIỂM TRA ĐỘ THẲNG ĐỨNG CÔNG TRÌNH TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG NGUYỄN QUANG PHÚC, HOÀNG THI MINH HƯƠNG, TRẦN THUỲ LINH, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Trong thi công xây dựng, thường sử dụng các phương pháp và phương tiện truyền thống để kiểm tra độ thẳng đứng của công trình. Tuy nhiên, với các công trình có chiều cao lớn, các giải pháp truyền thống tỏ ra kém hiệu quả, trong nhiều trường hợp không đáp ứng được yêu cầu của thi công. Nội dung bài báo nghiên cứu biện pháp kiểm tra độ thẳng đứng của các công trình xây dựng có chiều cao lớn bằng công nghệ GPS với việc sử dụng hệ toạ độ vuông góc không gian địa diện chân trời. Trên cơ sở đó, đánh giá khả năng ứng dụng GPS để kiểm tra độ thẳng đứng của công trình trong quá trình thi công. 1. Đặt vấn đề công trình với trục đứng lý tưởng tức là phương Khi thi công các công trình xây dựng có của dây dọi. chiều cao lớn như nhà cao tầng, tháp truyền Như vậy, để xác định được độ thẳng đứng hình, ống khói nhà máy, silo, bồn chứa nhiên của công trình, cần phải xác lập một hệ quy liệu v.v , cần phải tuân thủ chặt chẽ yêu cầu chiếu cục bộ với gốc toạ độ và hệ trục toạ độ về độ chính xác và các kích thước hình học của một cách hợp lý cho công trình. Theo chúng tôi, công trình. Yêu cầu này nhằm bảo đảm tính bền hệ toạ độ vuông góc không gian địa diện chân vững và ổn định của các kết cấu, đồng thời cũng trời đáp ứng được yêu cầu xác định độ thẳng là để bảo đảm trắc địa cho việc lắp đặt các cấu đứng của công trình theo nghĩa nói trên khi kiện và thiết bị kỹ thuật trong quá trình thi công kiểm tra độ thẳng đứng của các công trình có cũng như trong vận hành, khai thác sử dụng chiều cao lớn bằng công nghệ GPS. Trước hết, công trình. chúng ta xem xét hệ toạ độ vuông góc không Yêu cầu chủ yếu về dạng hình học đối với gian địa diện chân trời địa phương (gọi tắt là hệ các công trình có chiều cao lớn là phải đảm bảo toạ độ địa diện chân trời) trong mối quan hệ với được độ thẳng đứng - một thông số đặc trưng hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm quốc tế quan trọng cho độ bền vững và tính thẩm mỹ WGS-84, là hệ toạ độ thường được sử dụng của công trình. Khi công trình không còn thẳng trong đo đạc vệ tinh. đứng, có nghĩa là nó đã bị nghiêng. Theo [2], z Z đối với các công trình có trục đứng duy nhất và x M rõ ràng như ống khói nhà máy, tháp truyền hình, silo, bồn chứa nhiên liệu thì độ nghiêng y của công trình là sự sai lệch của trục đứng thực G P0 Mặt phẳng tế của nó tại điểm đang xét so với phương thẳng P chân trời đứng được xác định bằng đường dây dọi. Đối với các công trình không có trục đứng duy nhất O B Y và rõ ràng như các toà nhà cao tầng thì độ L nghiêng của nó được đánh giá qua độ nghiêng XÍCH ĐẠO của các bức tường và của các cột chịu lực X chính. Độ nghiêng được biểu diễn bằng đơn vị độ dài - hình chiếu của độ lệch tâm trên và tâm dưới công trình trên mặt phẳng chân đế hoặc góc nghiêng - góc hợp bởi trục đứng thực tế của Hình 1. Hệ toạ độ địa diện chân trời P0-xyz 53
2. 2. Hệ toạ độ địa diện chân trời Xem xét hệ toạ độ vuông góc không gian Trên Hình 1, O là tâm của ellipsoid Trái địa diện chân trời, có thể rút ra một số nhận xét đất. O-XYZ là hệ toạ độ vuông góc không gian sau: địa tâm quốc tế. P0 là điểm trên Mặt đất hoặc - Phương của trục z là phương của pháp cũng có thể là một điểm của lưới khống chế. tuyến với mặt ellipsoid đi qua gốc của hệ toạ Lấy điểm P0 làm gốc, pháp tuyến với mặt độ, rất gần với phương của dây dọi. Đây là điều ellipsoid đi qua điểm P0 làm trục z, hướng thiên kiện rất thuận lợi để nghiên cứu độ thẳng đứng đỉnh là hướng dương; lấy hướng kinh tuyến làm của công trình. Một số kết quả nghiên cứu cũng trục x, hướng Bắc là hướng dương; trục y đã cho thấy rằng, trên phần lớn lãnh thổ của vuông góc với trục x và z, hướng Đông là Cộng hoà liên bang Nga, độ lệch dây dọi không hướng dương. P0-xyz được gọi là hệ toạ độ quá 4”[3]. Ở Việt Nam, giá trị này là khoảng vuông góc không gian địa diện chân trời. 10” ở khu vực Hà Nội và khoảng 20” ở vùng Quan hệ giữa toạ độ vuông góc không gian núi phía Bắc tính theo ellipsoid WGS-84 quốc địa tâm và toạ độ địa diện chân trời được biểu tế. diễn theo công thức [1]: - Các công trình thường được xây dựng trên bề mặt đất tự nhiên. Nếu sử dụng các giá trị toạ x sin B cosL sin B sin L cosB i 0 0 0 0 0 độ phẳng trong phép chiếu hình trụ ngang đồng y sin L cosL 0 . i 0 0 góc để nghiên cứu độ thẳng đứng của công trình sẽ không thuận lợi, vì mặt chiếu toạ độ phẳng zi cosB0 cosL0 cosB0 sin L0 sin B0 (1) trong trường hợp này là mặt của ellipsoid quy X X i 0 chiếu toạ độ. Trong khi đó, độ cao của điểm gốc . Y Y i 0 P0 của hệ toạ độ địa diện có thể được lựa chọn. Và nếu chọn độ cao của điểm gốc P0 là độ cao Zi Z0 của bề mặt móng công trình thì khi đó, mặt trong đó: Xi,Yi, Zi và xi, yi, zi - là tọa độ không phẳng toạ độ xP0y chính là mặt phẳng chân trời gian và toạ độ địa diện của điểm i. tại P0 (Hình 1), tức là bề mặt đất thực, rất thuận X0, Y0, Z0 và B0, L0 - là tọa độ không lợi cho việc nghiên cứu độ thẳng đứng cũng gian và toạ độ trắc địa của điểm P0. như các biến cố của công trình trong quá trình Một số kết quả nghiên cứu cho thấy, độ thi công và khai thác sử dụng chúng. chính xác xác định các thành phần toạ độ địa Theo [2], sai số giới hạn xác định độ diện chân trời sau tính chuyển chỉ phụ thuộc nghiêng một số loại công trình cho như ở cột 2 vào sai số trung phương xác định toạ độ vuông của Bảng 1, với H là chiều cao của công trình. góc không gian của các điểm [3]. Bên cạnh đó, Nếu coi sai số giới hạn lớn gấp 2 lần sai số các máy thu tín hiệu vệ tinh hiện nay có thể trung phương thì độ chính xác xác định độ đảm bảo xác định toạ độ với sai số trung nghiêng của các đối tượng trên sẽ là (xem cột 3 phương cỡ ~3mm [4]. và 4 của bảng 1): Bảng 1. Độ chính xác xác định độ nghiêng một số loại công trình Sai số Sai số trung phương Loại công trình giới hạn [2] Theo độ dài Theo góc (1) (2) (3) (4) Nhà ở cao tầng 0,0001H 0,00005H 10,3” Ông khói nhà máy 0,0005H 0,00025H 51,5” Các silô chứa vật liệu rời, bồn chứa dầu, 0,001H 0,0005H 1’ 43,0” khí hoá lỏng Tháp truyền hình, ăng ten vô tuyến 0,0001H 0,00005H 10,3” 54
3. Kết quả ở cột 4 (bảng 1) cho thấy: trong đặt một máy thu tín hiệu vệ tinh tại điểm 0, máy phần lớn trường hợp, độ lệch dây dọi không thu thứ 2 lần lượt đặt tại điểm 1, sau đó tại lân vượt quá độ chính xác cần thiết xác định độ cận các điểm 2, 3, , n theo tiến độ thi công. nghiêng. Vì vậy, hoàn toàn có thể sử dụng hệ Kết quả xử lý số liệu cho phép xác định các số toạ độ địa diện chân trời để nghiên cứu, xác gia toạ độ X0i , Y0i , Z0i của vector Oi (i=1, định độ nghiêng công trình. 2, , n), từ đó xác định được toạ độ của điểm 3. Nguyên lý xác định độ thẳng đứng công thứ i trong hệ toạ độ không gian địa tâm theo trình bằng công nghệ GPS công thức: Trên hình 2, 0 là điểm của lưới khống chế, X X X đã có toạ độ trong hệ toạ độ không gian địa tâm i 0 0i là X0, Y0 và Z0. Để tìm giao điểm của phương Yi Y0 Y0i . (2) pháp tuyến với mặt ellipsoid đi qua điểm 1 ở Zi Z0 Z0i các mức 1, 2, 3, , n trên các sàn thi công, cần n 2 1 0 Hình 2- Xác định độ thẳng đứng công trình Chọn điểm 1 làm gốc của hệ toạ độ địa diện chân trời. Theo (1), sẽ tính được toạ độ địa diện chân trời của các điểm như sau (viết dưới dạng đầy đủ): x i (Xi X1 )sin B1 cosL1 (Yi Y1 )sin B1 sin L1 (Zi Z1 )cosB1 yi (Xi X1 )sin L1 (Yi Y1 )cosL1 , (3) zi (Xi X1 )cosB1 cosL1 (Yi Y1 )cosB1 sin L1 (Zi Z1 )sin B1 với i=2, 3, , n. Nếu lưu ý đến (2) thì (3) còn có thể viết lại như sau: x i ( X0i X01)sin B1 cosL1 ( Y0i Y01)sin B1 sin L1 ( Z0i Z01)cosB1 yi ( X0i X01)sin L1 ( Y0i Y01)cosL1 , (4) z ( X X )cosB cosL ( Y Y )cosB sin L ( Z Z )sin B i 0i 01 1 1 0i 01 1 1 0i 01 1 tức là chỉ phải tính thông qua các số gia toạ độ không gian của các vector đường đáy Oi , mà không liên quan gì đến toạ độ của điểm khống chế 0. Tuy nhiên, nếu vị trí của điểm 0 không ổn định trong quá trình thi công thì cũng sẽ gây ra sự thay đổi chiều dài của các vector đường đáy. Đây là điểm cần lưu ý khi lựa chọn vị trí cũng như bố trí các điểm khống chế, sao cho chúng có độ ổn định cao trong suốt quá trình thi công. Trong các công thức trên, B1 và L1 là toạ độ trắc địa của điểm 1. Nếu các điểm 2, 3, , n cùng nằm trên phương pháp tuyến sẽ phải thoả mãn điều kiện: xi=yi=0. (5) 55
4. Khi điểm 0 không quá xa công trình mặt đất bao gồm 4 điểm từ M1 đến M4 (hình 3). (<200m), có thể xem phương pháp tuyến với Các điểm X3Y18, X3Y21 và X5Y21- giao điểm ellipsoid đi qua điểm 0 và điểm 1 là song song của các trục cùng tên của công trình- là các điểm với nhau. Khi đó, có thể chọn điểm 0 làm gốc được chiếu lên từ sàn tầng 1 bằng máy chiếu của hệ toạ độ địa diện và công thức (4) được đứng lazer và cũng là điểm dùng cho việc kiểm viết lại là: tra. Trong từng chu kỳ, sử dụng 4 máy thu tín xi X0i sin B0 cosL0 Y0i sin B0 sin L0 Z0i cosB0 hiệu Trimble R3 tiến hành đo tại các điểm của yi X0i sin L0 Y0i cosL0 , lưới khống chế và tại các điểm kiểm tra, tạo zi X0i cosB0 cosL0 Y0i cosB0 sin L0 Z0i sin B0 thành đồ hình lưới như ở Hình 3. Sau khi đo (6) từng chu kỳ, lưới được xử lý bằng phần mềm với i=1, 2, , n; B0, L0 là toạ độ trắc địa đã biết GPSurvey 2.35. Để phục vụ cho việc xác định của điểm 0. độ thẳng đứng công trình theo các thuật toán nêu Trong trường hợp này, nếu các điểm 2, trên, chúng tôi liệt kê dưới đây kết quả toạ độ 3, , n cùng nằm trên phương pháp tuyến đi vuông góc không gian của các điểm kiểm tra qua điểm 1 thì sẽ phải thoả mãn điều kiện: theo từng chu kỳ (bảng 2) [5]. x x x x 2 3 n 1 . (7) M1 y 2 y3 y n y1 Điều kiện (5) hoặc (7) cho phép kiểm tra độ thẳng đứng của công trình trong hệ toạ độ vuông góc không gian địa diện chân trời khi sử X3Y21 dụng công nghệ định vị vệ tinh GPS. X3Y18 4. Thực nghiệm xác định độ thẳng đứng công trình cao tầng bằng GPS X5Y21 Chúng tôi đã thực nghiệm xác định độ thẳng M4 đứng của công trình tháp A thuộc tổ hợp toà M2 tháp Keangnam Hà Nội trong quá trình thi công tại các chu kỳ 13, 14 và 15, tương ứng với các tầng 40, 43 và 46. Để xác định độ thẳng đứng M3 của công trình này bằng công nghệ GPS, đơn vị Hình 3. Sơ đồ lưới thực nghịêm thi công đã xây dựng hệ thống lưới khống chế Bảng 2. Toạ độ vuông góc không gian của các điểm kiểm tra === | TT. | TEN DIEM | X (m) | Y (m) | Z (m) | | | | | | | | | X3Y18 | -1620192.8789 | 5731855.5127 | 2273345.8485 | | CK1 | X3Y21 | -1620210.7024 | 5731844.8009 | 2273360.0831 | | | X5Y21 | -1620224.5473 | 5731847.0963 | 2273344.4577 | | | | | | | | | X3Y18 | -1620227.1281 | 5731976.7115 | 2273394.2322 | | CK13| X3Y21 | -1620244.9573 | 5731965.9369 | 2273408.4499 | | | X5Y21 | -1620258.8129 | 5731968.2988 | 2273392.8402 | | | | | | | | | X3Y18 | -1620229.8591 | 5731986.3842 | 2273398.0823 | | CK14| X3Y21 | -1620247.7014 | 5731975.6742 | 2273412.3157 | | | X5Y21 | -1620261.5477 | 5731977.9884 | 2273396.6981 | | | | | | | | | X3Y18 | -1620233.7196 | 5732000.0011 | 2273403.5334 | | CK15| X3Y21 | -1620251.5474 | 5731989.2839 | 2273417.7477 | | | X5Y21 | -1620265.4083 | 5731991.5982 | 2273402.1391 | === Để xác định độ nghiêng của công trình trong các chu kỳ, chúng tôi xác lập một hệ toạ độ địa diện chân trời cho công trình, nhận điểm X3Y18 làm gốc toạ độ. Thực hiện việc tính chuyển tọa độ từ hệ tọa độ không gian địa tâm về hệ tọa độ địa diện chân trời theo thuật toán (3), thu được kết quả như ở bảng 3. 56
5. Bảng 3. Thành quả tọa độ địa diện chân trời === | T. | TEN | T O A D O | | | | | | T | DIEM | x (m) | y (m) | z (m) | | | | | | | | | X3Y18 | .0000 | .0000 | .0000 | | CK1 | X3Y21 | 15.2458 | 20.0652 | .0090 | | | X5Y21 | -1.4830 | 32.7637 | -.0181 | | | | | | | | | X3Y18 | -.0080 | -.0091 | 134.9190 | | CK13| X3Y21 | 15.2431 | 20.0787 | 134.8670 | | | X5Y21 | -1.4950 | 32.7694 | 134.9079 | | | | | | | | | X3Y18 | -.0190 | -.0121 | 145.6820 | | CK14| X3Y21 | 15.2231 | 20.0707 | 145.6970 | | | X5Y21 | -1.5049 | 32.7654 | 145.6899 | | | | | | | | | X3Y18 | -.0071 | -.0010 | 160.8490 | | CK15| X3Y21 | 15.2212 | 20.0697 | 160.8470 | | | X5Y21 | -1.4999 | 32.7785 | 160.8469 | === Từ đây, áp dụng điều kiện (5) đối với điểm X3Y18, điều kiện (7) đối với điểm X3Y21 và X5Y21 để kiểm tra độ thẳng đứng công trình. Kết quả thu được như ở Bảng 4. Bảng 4. Kết quả xác định độ nghiêng tại các điểm kiểm tra === | T. | TEN | L E C H T O A D O | LECH | | | | | | | T | DIEM | HUONG x (m) | HUONG y (m) |TOAN PHAN(m)| | | | | | | | | X3Y18 | -.008 | -.009 | .012 | | CK13| X3Y21 | -.003 | .014 | .014 | | | X5Y21 | -.012 | .006 | .013 | | | | | | | | | X3Y18 | -.019 | -.012 | .023 | | CK14| X3Y21 | -.023 | .005 | .023 | | | X5Y21 | -.022 | .002 | .022 | | | | | | | | | X3Y18 | -.007 | -.001 | .007 | | CK15| X3Y21 | -.025 | .005 | .025 | | | X5Y21 | -.017 | .015 | .022 | === Các kết quả tính toán trên đây hoàn toàn phù hợp với các kết luận của [5]. 5. Kết luận và kiến nghị thẳng đứng của công trình trong quá trình thi Từ các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực công, đặc biệt là đối với các công trình có chiều nghiệm trình bày trong bài báo, có thể rút ra các cao lớn. kết luận và kiến nghị sau đây: 5.3. Các đơn vị và tổ chức có tiến hành các 5.1. Hệ toạ độ vuông góc không gian địa công tác trắc địa trong xây dựng cần áp dụng hệ diện chân trời có những đặc điểm rất thuận tiện tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời cho việc nghiên cứu độ thẳng đứng công trình để xác định độ thẳng đứng công trình trong quá khi đo bằng công nghệ GPS. Với thủ tục tính trình thi công khi đo bằng công nghệ GPS. chuyển đơn giản, có thể sử dụng ngay các thành phần toạ độ địa diện chân trời để xác định độ TÀI LIỆU THAM KHẢO nghiêng (theo độ dài và góc) của công trình mà không cần tính chuyển về hệ toạ độ trắc địa và [1]. Nguyễn Quang Phúc, Hoàng Thị Minh về hệ toạ độ phẳng của công trình. Hương, Khuất Minh Hằng, 2011. Nghiên cứu 5.2. Với những tính năng vượt trội, công phương pháp tính chuyển toạ độ lưới GPS về hệ nghệ GPS khắc phục được các nhược điểm của toạ độ thi công công trình. Tạp chí KHKT Mỏ- các phương pháp truyền thống khi xác định độ Địa chất, số 35, tr. 38-42. 57
6. [2]. TCXDVN 357:2005- Nhà và công trình [4]. Трехо Сото Мануэль. Применение dạng tháp - Quy trình quan trắc độ nghiêng топоцентрических прямоугольных коор- bằng phương pháp trắc địa. динат при изучении деформаций крупных [3]. Ямбаев Х.К., Крылов В.И. О инженерных сооружений спут-никовыми возможности исползования спутниковых методами. Изв. ВУЗов, “Геодезия и GPS/ГЛОНАСС измерений для контроля аэрофотосъёмка”, No 5-2006, с. 53-60. вертикальности при возведении высотных [5]. Vietnam Institute of Building Science and сооружений. Изв. ВУЗов, “Геодезия и Technology- Report of tilt monitoring for block aэрофотосьёмка”, No. 4-2009, c. 36-40. residence A of the Keangnam landmark tower project. Hanoi, April-2010. SUMMARY Applicability of GPS-technology to check the vertical of the projects during construction Nguyen Quang Phuc, Hoang Thi Minh Huong, Tran Thuy Linh University of Mining and Geology During construction, often using methods and traditional means to check the vertical of the project. However, with the big tall building, the traditional solutions proved ineffective, in many cases do not meet the requirements of construction. Content of the paper is to study methods of checking the vertical of the building is as tall in the construction process by GPS technology. 58