Продольное инженерно-техническое нивелирование

С целью обеспечения строительства сооружения линейного типа производится продольное инженерно-техническое нивелирование вдоль оси будущего сооружения, называемой трассой. Весь цикл работ состоит из составления проекта, полевых и камеральных работ.

Проект трассы составляется по топографической карте по заданному направлению при спокойном рельефе или по заданному уклону в условиях гористой местности, где уклоны значительно превышают допустимые значения. По возможности трасса прокладывается на топографической карте по кратчайшему расстоянию между заданными пунктами, учитывая требование, чтобы при строительстве был минимум земляных работ.

Полевые работы включают в себя рекогносцировку местности, трассирование, нивелирование трассы и поперечников. Трассирование или разбивка пикетажа выполняется теодолитом типа 2Т30П, 4Т30П, 4Т15П, 3Т5КП или электронным тахеометром. Теодолитом, установленным в начальной точке трассы, задают направление трассы по характерным ориентирам на местности или с помощью буссоли по магнитному азимуту. Обычно всю трассу разбивают на отрезки по 100 м, используя землемерную стальную ленту. Концы отрезков закрепляются колышками и называются пикетами. Начало трассы обозначается пикетом с номером 0 (ПК0). Номер любого пикета выражает расстояние от начала трассы до данного пикета в сотнях метров. Поворотные пункты трассы, места перегибов рельефа или места пересечения трассы различными препятствиями (инженерными сооружениями, оврагами, речками и т. п.) рассматриваются как «плюсовые» точки. Их положение определяется номером предыдущего пикета плюс расстояние от этого пикета до «плюсовой» точки. Например, ПК6+30 - это значит, что «плюсовая» точка находится на расстоянии 30 м от пикета 6. При трассировании в характерных местах рельефа одновременно выполняют закрепление поперечников перпендикулярно оси трассы влево (Л) и вправо (П) от неё (например, Л10 или П25, где цифры обозначают расстояние от оси трассы).

Одновременно с разбивкой пикетажа и съемкой полосы местности шириной 50 м в каждую сторону от оси трассы ведется абрис и пикетажный журнал. В пикетажном журнале из миллиметровой бумаги проводится ось трассы, на которой обозначаются пикетные и «плюсовые» точки, а также углы поворота и поперечники (рис. 68).

                                                            Лес          ПК7

     

   +30          

      ПК6

                                                                Л25 Л10      П25

                                                                                  +70  

        

                                                                    

      ПК5

                                                                              φ           

           УП+46   

                                                             Луг

        ПК4

 

Рис. 68. Пикетажный журнал

 

Углы поворота в пикетажном журнале показываются стрелками с указанием значения угла отклонения (φ) предыдущего направления трассы от последующего, т. е. φ = 180° - β_лев или φ = β_пр - 180°.

После выноса трассы в натуру осуществляют её привязку к ближайшим пунктам государственной нивелирной сети, прокладывая привязочные ходы.

При нивелировании трасс дорог возникает необходимость разбивки в углах поворота трассы кривых, т. е. закруглений. Такая разбивка на местности заключается в определении места положения главных точек: начала кривой (НК), середину кривой (СК) и конец кривой (КК). Положение этих точек определяют по основным элементам кривой, к которым относятся: угол поворота трассы φ, радиус кривой R, тангенс Т, кривая К, домер Д и биссектриса Б (рис. 69).

 

                                                                  КК             Т     φ

                                                                                К                 УП

                                                                                         СК     Б

                                                        R               R                   Т

                                                                                                     

                                                           φ/2 φ/2          R         НК

 

Рис. 69. Разбивка кривой

 

Радиус кривой назначается, исходя из условий местности и технических параметров и нормативов. Тангенс – это длина касательной от угла поворота до точек КК и НК, рассчитывается по формуле:

Т = R ∙ tg φ/2.

Длина кривой определяется из пропорции

К: 2 π ∙ R = φ:360 °,

откуда

К = (π ∙ R ∙ φ): 180 °.

Биссектриса определяется по формуле:

Б = (R: cos φ/2) – R или Б = .

Домер

Д = 2 ∙ Т – К.

При разбивке главных точек производят расчет положения начала и конца кривой. Счет расстояний ведется по кривой, а не по ломаной линии. Поэтому расстояние от начала трассы до конца кривой по закруглению оказывается меньше, чем по ломаной линии, на величину домера.

При строительстве дорог возникает необходимость в детальной разбивке кривых, т. е. в получении точек кривой так часто, чтобы дугу между ними можно было принимать за прямую линию. Наиболее распространенными способами детальной разбивки кривой являются: способ прямоугольных координат и способ продолженных хорд.

Способ прямоугольных координат. Начало координат условно принимают в точках НК и КК. При этом осью абсцисс считают тангенсы, а осью ординат – направление по радиусам от точек НК и КК к центру кривой (рис. 70).

                        

               х

                УП                                               

                          Т           СК                                  

 

                                            2

                        у ₂          l

                                      1

                                      l                                            2 φ

                       у ₁                                                          φ                                             у

                        КК   х ₁                                                                           R

                    х ₂

 

          Рис. 70. Способ прямоугольных координат

 

Пусть требуется закрепить на местности точки 1, 2 и т. д. через интервал l. Для определения координат этих точек найдем величину угла φ, соответствующего заданной дуге. Из соотношения

l:2 π · R = φ:360 °

получим

φ = l · 180°: R · π.

Прямоугольные координаты вычисляют по формулам:

х ₁ = R · sin φ,                     х ₂ = R · sin 2 φ,

у ₁ = R (1 - cos φ),       у ₂ = R (1 – cos 2 φ).

Способ продолженных хорд. Этот способ применяется в условиях, когда нет возможности отходить в стороны от оси будущего сооружения (рис. 71).

                х                           

                                 2′ d

                          s          2

                                1

      у ₁

                       s

                                                                                                      у

              КК    х ₁                                                                       

                  

          Рис. 71. Способ продолженных хорд

 

Первая точка (1) строится на кривой способом прямоугольных координат (х ₁, у ₁) по формулам:

х ₁ = R · sin φ,  у ₁ = R (1 - cos φ).

Соединим точку (КК) с точкой 1 прямой линией и получим хорду (s). Хорду продолжим и на ее продолжении отложим отрезок равный хорде (s) и закрепим точку (2′). Методом линейной засечки из точек (1) и (2′) определим точку (2). При этом линия из точки (1) должна быть равна (S), а линия из точки (2′) должна быть равна (d), вычисляемая по формуле:

                                    d = S ²: R

Нивелирование трассы выполняют способом из середины. В качестве связующих точек на каждой станции используют пикеты, а промежуточными точками считаются «плюсовые» и точки поперечников. При больших продольных уклонах в качестве связующих точек могут выступать также иксовые точки. Они служат для передачи отметки с одного пикета на другой, поэтому расстояние до них не измеряется. На станции нивелир устанавливают примерно на равном расстоянии между пикетами.

Нивелирование может выполняться с двухсторонними рейками при одном горизонте инструмента. Контролем измерения на станции является вычисление превышений по черной и красной сторонам реек:

h _ч = а_ч – в_ч; h _кр = а_кр – в_кр

и сравнивают их между собой; расхождение в превышениях не должно превышать 10 мм. При соблюдении данного условия за окончательное значение превышения принимают среднее; в противном случае наблюдения на станции повторяют.

При камеральных работах ведется обработка полевых журналов нивелирования, составление продольного профиля трассы и профилей поперечников. В полевых журналах нивелирования выполняется постраничный контроль с целью выявления погрешностей в вычислениях на каждой станции. Для этого суммируются все отсчеты на связующих точках по задней и передней рейкам, а также суммируются средние превышения на станциях. Должно соблюдаться равенство

Расхождение в 1 – 2 мм допустимы, т. к. могут возникнуть в результате округления значений средних превышений. Далее вычисляют высотную невязку, учитывая следующие случаи.

1.  Нивелирный ход проложен между реперами, высотная невязка хода вычисляется по формуле

(Н _кон - Н_нач),

где Н _кон, Н_нач – соответственно отметки конечного и начального реперов.

2. Нивелирный ход замкнутый, тогда

.

3. Нивелирный ход висячий, опирающийся на одну твердую точку. В данном случае нивелирование выполняется в прямом направлении и обратном направлении с противоположным знаком, тогда

.

Фактическая высотная невязка не должна превышать допустимую, вычисляемую по формуле

 50 мм ,

где L – длина хода в км.

Если < , то фактическую невязку с обратным знаком распределяют поправками на все превышения хода. После увязки нивелирного хода вычисляют отметки связующих точек, а через горизонт инструмента – отметки промежуточных точек.

Профиль трассы составляют на миллиметровой бумаге по данным журналов нивелирования и пикетажного (рис. 72). С целью придания продольному профилю большей наглядности вертикальный масштаб обычно принимается в 10 раз крупнее горизонтального. Фактические и проектные данные на продольном профиле размещают в отдельных графах, в совокупности называемых сеткой профиля. Первую горизонтальную линию сетки, называемую условным горизонтом (УГ), выбирают таким образом, чтобы профиль трассы в самой низкой точке располагался на 6 - 8 см выше этой линии; при этом отметка УГ должна быть кратной 10 м. Ниже линии условного горизонта строят сетку профиля, в отдельных графах которой размещают фактические данные по профилю, руководствуясь пикетажным и нивелирным журналом, а также проектные данные.

 

На линии УГ откладывают пикеты и плюсовые точки в горизонтальном масштабе. Затем из всех этих точек восстанавливают перпендикуляры, на которых в вертикальном масштабе вверх откладывают вычисленные фактические (черные) отметки. Соединив концы перпендикуляров прямыми линиями, получим фактический (черный) профиль трассы. Далее выполняем проектные работы, вычерчивая проектную (красную) линию. При этом руководствуемся заданным предельным уклоном, который не должен превышать величины согласно техническим требованиям и учетом минимума земляных работ по выемке и насыпе грунта. Проектный уклон рассчитываем по формуле:

где

 - превышение концов проектной линии;

 - горизонтальная длина этой линии;

,  - проектные отметки конца и начала проектной линии, которые графически берутся с профиля.

Тогда проектные (красные) отметки всех точек трассы вычисляем по формуле:

где  – горизонтальное расстояние от начальной до п- й точки трассы.

Для определения количества земляных работ вычисляют разности между черными и красными отметками, которые выражают высоты насыпей и глубины выемок. Они называются рабочими отметками (а)

а = Н^пр - Н^ф.

Точки пресечения проектной линии с фактическим профилем называются точками нулевых работ. Для выноса этих точек в натуру вычисляют расстояния до них от ближайших точек пикетажа (рис. 73).

 

фактический

профиль                                                     проектная

                                                                                    линия

 

                                 а ₁                                                                                а ₂

 

                                                   x                y

                                                        d

                                                                   

Рис. 73. Схема определения расстояний до точек нулевых работ

 

Расстояния x и y рассчитываются по формулам:

Отметки точек нулевых работ рассчитываются так же, как и проектные отметки.

Поперечные профили строятся над теми точками, от которых они разбиты на местности.

Нивелирование поверхности

Нивелирование поверхности выполняют для детального изображения рельефа участка местности, на котором предполагается создание каких-либо сооружений. В зависимости от характера рельефа и ситуации местности, а также от величины площади нивелируемой поверхности применяются различные способы нивелирования: способ квадратов, способ параллельных линий, способ полигонов, способ створов, полярный способ.

Способ квадратов применяется на открытых участках со спокойным рельефом при топографической съемке. В зависимости от рельефа местности, заданной высоты его сечения, площади участка, назначения и сложности строящегося сооружения размеры разбиваемых квадратов могут быть от 10×10 м до 100×100 м. Вершины квадратов закрепляются колышками.

Нивелирование вершин квадратов может быть выполнено либо с одной станции, либо с нескольких. Когда нивелирование осуществляется с нескольких станций, то из числа имеющихся вершин выбираются вершины в качестве связующих, образующих замкнутый опорный полигон. На одну из связующих точек передается отметка от ближайшего репера. Все остальные вершины квадратов нивелируются как промежуточные точки. Выполняется полевой контроль, и вычисляются отметки всех вершин квадратов. Все отметки точек наносятся на план участка и интерполируются для проведения горизонталей, соответствующих принятому сечению рельефа.

Способ параллельных линий (поперечных нивелирных ходов) используется при съемке равнинной местности. Основой для этого способа служит теодолитно-нивелирная магистраль, прокладываемая посередине снимаемого участка или по одной из границ участка. Магистраль закрепляется реперами через каждые 5 км и нивелируется по программе IV или III класса с привязкой к государственной геодезической сети и контролем. Длины поперечных ходов не должны превышать 500 м при съемке в масштабе 1: 500 – 1: 2000 и 1,0 - 1,5 км при съемке в масштабе        1: 5000. Расстояния между ходами – 50 – 100 м.

Способ полигонов применяется для участков с четко выраженными формами рельефа. По характерным линиям рельефа (водоразделам и осям лощин) прокладываются нивелирно-теодолитные ходы, по которым разбивается пикетаж и ведется продольное и поперечное нивелирование. По мере необходимости могут быть проложены дополнительные ходы вдоль дорог, ручьев и канав. Расстояние между ходами не должно превышать 30 -400 м, а длина ходов – 2 км.

Способ створов применяется при съемке участка местности, бедной контурами. Сначала равномерно по всему участку устанавливают несколько вех. Плановое и высотное положение закрепленных точек определяют нивелирно-теодолитными ходами с разбивкой пикетажа. Нивелирование выполняют по створам между пикетами смежных ходовых линий с разбивкой пикетажа и с поперечниками, если в этом будет необходимость. Длины всех ходов назначаются в зависимости от площади участка и принятой высотой сечения, в среднем длиной в 1 км.

Полярный способ может быть рекомендован для полузакрытой местности при наличии нивелира с горизонтальным кругом (Н10Л, НТ, НТС и др.) и дальномерной сеткой. Также можно воспользоваться теодолитом с уровнем при трубе или пользоваться одновременно теодолитом и нивелиром, установленными рядом. Этот способ геометрического нивелирования может рассматриваться как разновидность тахеометрической и мензульной съемок.

При съемке поверхности любым из указанных способов должны соблюдаться допуски и требования, предъявляемые при создании съемочного обоснования и выполнении технического нивелирования. Графическое оформление результатов во всех случаях выражается в составлении плана участка в горизонталях, на нем же осуществляется проектирование планировки земной поверхности, если такое предусматривается. 

Тахеометрическая съемка

Тахеометрическая съемка – это одна из топографических съемок, в результате которой получают план местности с изображением ситуации и рельефа. Слово «тахеометрия» в переводе с греческого означает «быстрое измерение». Съемка производится в крупных масштабах 1: 500 – 1: 5000 на основе теодолитно-нивелирных или теодолитно-тахеометрических ходов. Её результаты используют при ведении земельного или городского кадастра, для планировки населенных пунктов, проектирования отводов земель при инженерных изысканиях объектов строительства и т. д.

Тахеометрическая съемка выполняется при помощи технических теодолитов или тахеометров. При этом положение снимаемой точки местности в плане определяют измерением полярных координат: измеряют горизонтальный угол между направлениями на одну из соседних точек съемочного обоснования и снимаемую точку и измеряют расстояние до точек нитяным дальномером или лазерным дальномером электронного тахеометра.

Важным достоинством тахеометрической съемки является то, что при высокой производительности полевых работ, существенную долю объема работ по подготовке топографического плана местности удается перенести в камеральные условия, где есть возможность широкого применения средств автоматизации и вычислительной техники. Кроме того, съемка может выполняться при неблагоприятных погодных условиях.

Основным недостатком тахеометрической съемки является то, что составление местности выполняется в камеральных условиях по результатам полевых измерений и зарисовок; при этом нельзя своевременно выявить допущенные ошибки путем сличения плана с местностью.