NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỂ CHUYỂN TRỤC CÔNG TRÌNH LÊN CAO

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPSĐỂ CHUYỂN TRỤC CÔNG TRÌNH LÊN CAO Khảo sát nội dung của công tác trắc địa trong thi công xây dựng nhà caotầng và tiềm năng của hệ thống định vị

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS

ĐỂ CHUYỂN TRỤC CÔNG TRÌNH LÊN CAO

Khảo sát nội dung của công tác trắc địa trong thi công xây dựng nhà caotầng và tiềm năng của hệ thống định vị toàn cầu GPS, chúng tôi nhận thấycông nghệ GPS có thể được ứng dụng trong một số dạng công tác trắc địa sauđây khi thi công nhà cao tầng:

- Ứng dụng GPS để thành lập các mạng lưới khống chế cơ sở trên mặtbằng xây dựng

- Ứng dụng GPS để chuyền độ cao lên các sàn thi công

- Ứng dụng GPS để kiểm tra độ thẳng đứng công trình trong thi công

- Ứng dụng GPS để chuyển trục công trình lên cao

Trong phạm vi của đồ án tốt nghiệp, đề tài tập trung nghiên cứu khảnăng ứng dụng công nghệ GPS để chuyển trục công trình lên cao Trước hếtchúng ta xem xét nội dung công tác chuyển trục công trình lên cao bằng cácphương pháp đo truyền thống và độ chính xác của nó

3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG CHUYỂN TRỤC CÔNG TRÌNH LÊN CAO

3.1.1 Phương pháp dọi cơ học

3.1.1.1 Nội dung phương pháp

Giả sử có điểm A đã được thành lập ở mặt sàn tầng 1 như hình 3-1.Thông qua ô chiếu điểm trên trần ngăn, tiến hành thả một quả dọi có đủ độchính xác được treo trên giá và chỉnh cho đỉnh quả dọi trùng với điểm A.Dùng một thanh thước cố định vào hố chiếu và tiếp xúc vào dây dọi sẽ đánhdấu được các vị trí a và b trên mặt hố chiếu Xoay thước đi 90o, lại cho thướctiếp xúc với dây dọi tương tự ta sẽ đánh dấu được điểm c và d Giao của cácđường ab và cd chính là hình chiếu điểm trục A lên trần ngăn

Hình 3-1 Chuyển trục công trình theo phương pháp dây dọi

3.1.1.2 Độ chính xác

Độ chính xác của công tác chuyển trục công trình theo phương thẳngđứng nhờ dây dọi vào khoảng 1/1.000 chiều cao chuyển trục

3.1.1.3 Ưu - nhược điểm

Phương pháp này hiện nay rất ít được áp dụng mặc dù dễ thực hiện Mặtkhác khi chiều cao lớn và có gió mạnh thì việc ứng dụng phương pháp này sẽgặp nhiều khó khăn Để nâng cao độ chính xác có thể sử dụng quả dọi nặng

và chọn thời điểm thao tác vào lúc lặng gió Thông thường người ta chỉ sửdụng phương pháp này để kiểm tra độ thẳng đứng của các kết xây dựng trongphạm vi từng tầng

3.1.2 Phương pháp sử dụng máy kinh vĩ

3.1.2.1 Nội dung phương pháp

Phương pháp này thường được gọi là phương pháp chiếu thẳng đứngbằng tia ngắm nghiêng của máy kinh vĩ Để truyền toạ độ bằng máy kinh vĩlên các tầng, việc đầu tiên là phải gửi các điểm đầu trục ra ngoài Khoảngcách từ điểm gửi đến chân công trình tốt nhất nên chọn xấp xỉ bằng chiều caocủa nó, để góc đứng < 45o Quá trình gửi điểm được tiến hành bằng máy kinh

vĩ và thước thép dựa vào các điểm lưới khống chế bên trong Các điểm gửi

Quả dọi

Ô chiếu a

b d c

A

Mốc trục trên sàn gốc

được đánh dấu cẩn thận đổ bê tông và gắn dấu mốc để bảo quản cho quá trình

sử dụng sau này Thông thường các điểm trục được gửi lệch so với trục mộtkhoảng từ 50cm ÷ 80cm sang trái hoặc phải để tiện cho quá trình thi công.Sau khi đã gửi các điểm đầu trục ra ngoài ta tiến hành truyền toạ độ.Máy kinh vĩ được đặt tại các điểm gửi và được định tâm, cân bằng cẩn thận.Sau đó dùng chỉ đứng giữa ngắm vào điểm dấu trục ở tường bao rồi cố địnhtrục quay máy, nâng ống kính lên đánh dấu trục vào chân tường tầng 1 Tiếptục nâng ống kính lên đánh dấu trục lên tường ở mặt sàn cần chuyển lưới ởphía trên bằng hai vị trí bàn độ Sau khi thực hiện việc chiếu điểm theo haiphương vuông góc với nhau ở mặt bằng tầng 1 đi qua điểm đã có là sẽ chuyểnđược điểm trục lên tầng theo phương thẳng đứng như hình 3-2

Hình 3-2 Chuyển trục công trình bằng máy kinh vĩ

Sau khi đã đánh dấu các điểm trục chính trên mặt sàn tầng cần bố trí, cầnphải đo kiểm tra trước khi sử dụng các điểm này để bố trí các điểm trục chitiết bên trong của mặt sàn Công việc này bao gồm các công đoạn như sau:

- Kiểm tra các góc: Đặt máy tại các điểm trục đã đánh dấu, định tâm vàcân bằng máy cẩn thận, sau đó đo kiểm tra các góc có đúng bằng 90o haykhông Sai lệch cho phép không vượt quá ± 20".

- Kiểm tra các cạnh có đúng với thiết kế hay không, quá trình này đượcthực hiện bằng thước thép, theo hướng ngắm của máy kinh vĩ Sai lệch chophép không vượt quá ± 7mm

Trường hợp bị sai lệch quá phạm vi cho phép cần phải hoàn nguyên cácđiểm này về đúng vị trí thiết kế

- Sai số do máy kinh vĩ không nằm đúng trên hướng trục (ml)

- Sai số đánh dấu điểm trục (mđd)

- Sai số do chiết quang của không khí (mr)

Sai số tổng hợp của việc chuyển trục công trình theo phương thẳng đứngbằng tia ngắm nghiêng của máy kinh vĩ sẽ là:

Trong các nguồn sai số trên, sai số do độ nghiêng trục quay máy kinh vĩ

là một trong những sai số chủ yếu và độ lớn của nó tăng lên khi độ nghiêngcủa tia ngắm tăng Trong thực tế, nếu các máy móc được kiểm nghiệm cẩnthận thì độ chính xác chuyển trục có thể đạt 1-2mm

3.1.2.3 Ưu - nhược điểm

Phương pháp này được ứng dụng khá rộng rãi để thi công các công trìnhnhà cao tầng Tuy nhiên, nếu địa bàn xây dựng chật hẹp và toà nhà có nhiềutầng thì khả năng ứng dụng của phương pháp này là rất hạn chế

3.1.3 Phương pháp sử dụng máy toàn đạc điện tử

3.1.3.1 Nội dung phương pháp

Để thực hiện chuyển trục công trình lên cao bằng máy toàn đạc điện tửcần phải đảm bảo điều kiện thông hướng giữa các điểm khống chế trên mặtđất và các điểm trên mặt sàn của công trình

Việc chuyển trục công trình lên cao bằng máy toàn đạc điện tử được tiếnhành theo phương pháp giao hội nghịch từ 3 điểm khống chế toạ độ trên mặtđất (Free Station) Máy toàn đạc điện tử lần lượt đặt tại G1, G2 là hai điểmnằm gần vị trí của trục công trình trên sàn thi công và được định tâm, cânbằng cẩn thận Gương có bộ phận định tâm, cân bằng chính xác được đặt tạicác điểm khống chế A, B, C trên mặt đất (Hình 3-3)

Hình 3-3 Chuyển trục công trình bằng máy toàn đạc điện tử

Trước khi tiến hành giao hội cần phải thiết lập trạm Công việc này baogồm nhập tên trạm máy (Stn) và nhập chiều cao máy (hi) (Hình 3-4)

Sau khi thiết lập trạm sẽ tiến hành giao hội Đầu tiên ta phải nhập toạ độđiểm khống chế thứ nhất (PtID) Nếu điểm đó không tìm thấy trong bộ nhớ,

B

2

C A

hệ thống sẽ tự mở màn hình đối thoại cho phép nhập toạ độ bằng tay Sau đó,nhập chiều cao gương đặt tại điểm này (hr) rồi bắt đầu đo khoảng cách (SD),góc bằng (Hz), góc đứng (V) tới điểm khống chế thứ nhất (Hình 3-5) Cácđiểm tiếp theo làm tương tự như trên.

Hình 3-4 Thiết lập trạm Hình 3-5 Quá trình đo

Khi quá trình giao hội kết thúc, màn hình máy toàn đạc điện tử sẽ hiển thị kết quả cuối cùng của toạ độ và độ cao trạm máy (Hình 3-6)

Hình 3-6 Kết quả giao hội

Sau khi có được toạ độ thực tế của điểm G1, G2, ta tiến hành tính toán đểhoàn nguyên các điểm này về vị trí điểm thuộc trục công trình

2 đd 2

m

Trong đó: - mgh là sai số xác định vị trí điểm bằng phương pháp giao hội

- mhng là sai số hoàn nguyên các điểm về vị trí trục công trình

- mđd là sai số đánh dấu vị trí điểm hoàn nguyên

Độ chính xác của phương pháp chuyển trục công trình lên cao bằng máytoàn đạc điện tử phụ thuộc chủ yếu vào khả năng của máy toàn đạc điện tử tức

là độ chính xác xác định toạ độ của máy Tuy nhiên độ chính xác xác định toạ

độ của máy lại giảm khi độ nghiêng của tia ngắm tăng Thông thường sai sốxác định điểm G1, G2 có thể đạt được giá trị ≤ ±5mm

3.1.3.3 Ưu - nhược điểm

Phương pháp chuyển trục công trình bằng máy toàn đạc điện tử có ưuđiểm là thực hiện khá đơn giản, thường được áp dụng đối với các công trìnhnhà cao tầng xây dựng trên mặt bằng rộng rãi, chiều cao công trình khôngvượt quá 10 tầng Tuy nhiên phương pháp này cần có không gian tương đốirộng, do đó nhiều khi không phù hợp với các nhà xây chen tại các thành phố.Mặt khác, độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào độ nghiêng củatia ngắm nên khi toà nhà có số tầng lớn thì rất khó để thực hiện phương phápnày với độ chính xác thoả mãn yêu cầu trong quy phạm

Máy chiếu thông dụng PZL có độ chính xác đặt đường thẳng đứngquang học khi chiều cao đến 100m theo lý lịch máy là ±1.2mm (Hình 3-7a)

3.1.4.1 Nội dung phương pháp

Việc chuyển trục công trình lên cao theo phương pháp chiếu đứng chính

là chiếu hai điểm thuộc trục công trình lên cao bằng máy chiếu đứng Trướckhi tiến hành chiếu điểm ta phải đặt lỗ chiếu trên mặt sàn tầng thi công Côngviệc này được tiến hành ngay sau khi đơn vị thi công ghép ván khuôn đổ bêtông sàn Quá trình thực hiện tuần tự theo các bước sau:

Hình 3-7 Máy chiếu đứng quang học PZL 100 (a) và laze DZJ3 (b)

- Đầu tiên phải đánh dấu tương đối chính xác các vị trí lỗ hổng trên mặtsàn tầng thi công, để theo đó người ta sẽ cắt ván khuôn sàn và lắp đặt vào đócác hộp khuôn bằng gỗ có kích thước (20x20)cm Mục đích chừa các lỗ hổng

là để sử dụng cho việc chiếu các điểm sau khi đổ bê tông sàn

- Đặt máy chiếu đứng tại hai điểm cần chiếu trên mặt bằng cơ sở chiếukiểm tra vị trí đặt lỗ chiếu Đồng thời đánh dấu vị trí hai điểm chiếu được lêntrên lưới chiếu Điểm này sẽ được dùng để định tâm máy kinh vĩ phục vụ choviệc bố trí sơ bộ các trục, đo khoảng cách thiết kế để định dạng mép trong củaván khuôn, đường biên của mặt sàn tầng thi công và đường biên của các vị tríkhác

Khi quá trình đặt lỗ chiếu và đổ bê tông mặt sàn hoàn thiện ta tiến hànhchiếu điểm Định tâm dụng cụ chiếu đứng trên điểm gốc, cân bằng dụng cụ đểđưa đường ngắm về vị trí thẳng đứng Trên mặt bằng cần chuyển toạ độ lên,người ta đặt vào các lỗ hổng chừa ra trên mặt sàn một tấm lưới chiếu (tấmpaletka) Tấm lưới này được làm bằng mêca có kích thước (150x150x3)mm,trên đó có kẻ một lưới ô vuông khắc vạch đến mm Dựa theo mạng lưới ôvuông này có thể xác định vị trí chính xác của đường thẳng đứng được chiếulên Để kiểm tra và nâng cao độ chính xác việc đọc số trên lưới ô vuông cầnphải chiếu điểm ở 4 vị trí của thị kính (0o, 90o, 180o, 270o) và đánh dấu vị trítrung bình của các điểm trên.

Sau khi chiếu các trục của lưới cơ sở trên mặt bằng móng lên các tầngxây dựng, tiến hành đo kiểm tra các yếu tố của lưới tạo bởi các điểm chiếu(lưới trục công trình) Rồi tiến hành tính toán và bình sai, nếu sai lệch vượtgiá trị cho phép thì tiến hành chiếu điểm lại

Hình 3-8 Chuyển trục lên cao bằng máy chiếu đứng

3.1.4.2 Độ chính xác

Các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp chuyểntrục công trình lên tầng bằng máy chiếu đứng bao gồm:

- Sai số định tâm dụng cụ tại điểm gốc (mđt)

- Sai số cân bằng dụng cụ (mcb)

- Sai số tiêu ngắm (mv)

- Ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh (mngc)

- Sai số đánh dấu điểm (mđd)

Ảnh hưởng tổng hợp của các nguồn sai số trên đến độ chính xác chuyểntrục công trình là:

m2 = m2

đt + m2

cb + m2

v + m2 ngc + m2

Thực nghiệm cho thấy với h < 100m (h là chiều cao công trình) thì:

mđt  mcb  mv  mngc  mđd  1,0mm Khi đó: m 1 , 0 5   2 , 2mm

3.1.4.3 Ưu - nhược điểm

Ưu điểm cơ bản của phương pháp này là thao tác đơn giản, nhanh gọn,

độ chính xác cao, phù hợp với thực tiễn xây dựng Tuy nhiên, khi số tầng lớnthì phương pháp này trở nên hạn chế Trong thực tế, do tia ngắm phải đi quacác lỗ chiếu, độ phóng đại của ống kính lại có hạn, nên thao tác chiếu chỉthuận lợi và đạt độ chính xác cao khi công trình khoảng 15-20 tầng Đây làmột trong những nhược điểm của phương pháp Để khắc phục, người ta ápdụng phương pháp chiếu phân đoạn, nghĩa là chia toàn bộ toà nhà ra làm từngđoạn 15-20 tầng Tầng cuối cùng của đoạn này sẽ là tầng khởi đầu của đoạntiếp theo Nhược điểm của phương pháp phân đoạn là sự tích luỹ sai số chiếuqua từng đoạn và ảnh hưởng của ngoại cảnh ngày càng tăng theo thời gianlàm vị trí trục ở tầng cao có sai số càng lớn

Vì vậy, giải pháp khắc phục nhược điểm của phương pháp phân đoạn khichiếu trục lên cao trong xây dựng những ngôi nhà có số tầng lớn là tiến hànhchính xác hoá lưới trục trên các tầng vị trí khởi đầu của mỗi đoạn

Một nhược điểm nữa của phương pháp này là phải để lại các lỗ thủngtrên sàn theo phương thẳng đứng, ảnh hưởng đến kết cấu xây dựng Hơn nữakhi chiếu cần phải có nhiều người trông coi vị trí lỗ thủng, đề phòng các vậtrơi xuống gây tai nạn cho người và máy chiếu.

3.2 CHUYỂN TRỤC CÔNG TRÌNH LÊN CAO BẰNG GPS

Phương pháp truyền thống chuyển trục công trình lên cao chỉ phù hợpvới các công trình có chiều cao <15 tầng Với những công trình có chiều caolớn hơn và điều kiện địa hình mặt đất chật hẹp thì phương pháp truyền thống

sẽ kém hiệu quả, nhiều trường hợp không khả thi

Với nhiều ưu điểm vượt trội như độ chính xác xác định vị trí mặt bằngcao trong đo GPS cạnh ngắn, không phụ thuộc vào độ cao địa hình, khả năngứng dụng rộng ở mọi nơi, mọi lúc, giải pháp chuyển trục lên cao bằng côngnghệ GPS là rất khả thi và khắc phục được các nhược điểm của các phươngpháp truyền thống

3.2.1 Nội dung phương pháp

Khi chuyển trục công trình lên cao bằng công nghệ GPS cần lập mộtlưới GPS cạnh ngắn với chiều dài cạnh không quá 500m Mạng lưới bao gồm

từ 2 đến 3 điểm cố định và từ 2 đến 3 điểm thuộc trục công trình Các điểm cốđịnh nằm trên mặt đất thường là các điểm lưới khống chế bên ngoài và đượcđịnh tâm bắt buộc Các điểm trục được đánh dấu bằng cách sử dụng máy kinh

vĩ hoặc máy chiếu đứng chiếu lên biên của tầng cần chuyển trục Sau đó dùngphương pháp căng dây hoặc bật mực để xác định hướng của trục cần đặt máyGPS Tiếp theo là dùng thước thép để xác định vị trí đặt máy thu GPS, vị trínày sẽ được xác định gần với vị trí điểm trục cần chuyển lên mặt bằng thicông theo hướng thẳng đứng Đánh dấu vị trí này lại bằng cách khoan vàđóng đinh trực tiếp xuống sàn bê tông

Khi cần chuyển trục công trình lên cao dựa vào hai điểm cố định A, B,

có thể sử dụng các đồ hình lưới như trong hình 3-9 Thời gian cho một ca đo

có thể chọn 45 phút, 30 phút hoặc nhỏ hơn tuỳ thuộc vào độ chính xác củamáy và đồ hình của vệ tinh tại thời điểm đo Một ca đo nên sử dụng ít nhất là

3 máy, nếu có thể thì sử dụng từ 4 máy trở lên để mỗi ca đo ta sẽ xác định

Hình 3-9 Các dạng đồ hình chuyển trục bằng công nghệ GPS

a) Lưới chuyển 2 điểm trục b) Lưới chuyển 3 điểm trục

Hình 3-10 Chuyển trục lên cao bằng công nghệ GPS

Trục công trình

Trục công trình a)

Trục công trình

G1

G2B

Đặt hai máy tại 2 điểm cố định trên mặt đất, tốt nhất là định tâm bắtbuộc với hai máy này Máy còn lại đặt tại các điểm trục đã được đánh dấutrên mặt sàn thi công (Hình 3-10) Sau khi định tâm chính xác, cân bằng máycẩn thận, ta đo chiều cao ăng ten, nếu cần đo cả nhiệt độ và áp suất tại thờiđiểm đo Các số liệu này được nạp ngay vào máy đồng thời phải ghi chép lại

để phục vụ quá trình xử lý sau khi đo

Dựa vào toạ độ sau bình sai của các điểm đã đánh dấu để tiến hành hoànnguyên các điểm này về vị trí các điểm thuộc trục công trình

3.2.2 Độ chính xác

Sai số của phương pháp này:

2 đd 2

m

Trong đó:

mP là sai số của điểm trục sau khi được chiếu lên sàn thi công

mGPS là sai số xác định vị trí các điểm gần đúng bằng máy đo GPS

mhng là sai số hoàn nguyên các điểm gần đúng về vị trí trục công trình

2 2

2 2

" hng

hng dhng

hng m m d m







mdhng là sai số đặt khoảng cách khi hoàn nguyên

mhng là sai số đo góc khi hoàn nguyên

dhng là khoảng cách hoàn nguyên

mđd là sai số đánh dấu vị trí điểm hoàn nguyên

3.2.3 Ưu - nhược điểm

Công nghệ GPS có ưu điểm là cho phép đo mà không cần thông hướnggiữa các điểm đo với nhau, thuận tiện cho việc đo đạc, phục vụ thi công nhàcao tầng do điều kiện đo đạc chật hẹp và bị che khuất tầm nhìn bởi chiều caocủa chính toà nhà đang xây và các công trình lân cận