高精度预埋件定位方法研究

高精度预埋件定位方法研究

殷建全，焦石，龙和杰

（中建八局第三建设有限公司，江苏 南京 210046）

摘要：大型设备需要以高精度的安装基准点作为安装和调试的依据，对精密工程测量提出较高的要求，需要采取稳定可靠的定位安装措施来保证预埋件高精度的要求。本文结合浙江省肿瘤医院重离子医学中心大楼项目的高精度预埋件放样方法的研究，对预埋件安装及浇筑混凝土过程中的误差来源进行了分析与相关公式的推导, 针对各种误差源的削弱提出了解决方案，探讨消除或减弱定位及施工对预埋件安装精度影响的方法,并用实例进行了说明和验证。为类似高精度的大型设备生产线放样提供借鉴与依据。

中图分类号：TU990                   文献标识码：A                 文章编号：

关键词：高精度测量；误差分析

1 绪论

随着科技的发展，国内引进了或自主研发了一大批大型精密的智能化生产线和生产设备。这些生产线和生产设备的安装和调试均需要进行精密的三维测量，其特点是范围大、精度高，对精密工程测量也不断提出了新的要求。

浙江省肿瘤医院重离子加速器，把肉眼无法看见的碳离子以每秒21万公里的速度，打入病患体内，精准猎杀癌细胞，又能将射线对病灶周围健康组织的损伤控制到极小的范围。重离子加速器在安装时需要在混凝土基础中安置预埋件，这些预埋件的安置精度要求很高，这对施工定位提出了极高的要求。预埋件是大型精密设备安装的基础环节，若预埋件定位精度达不到要求，则会给建设工程造成重大损失。本文结合工程实践，分析预埋件安装定位的误差来源，探讨保证预埋件精确安置的措施、方法。

2 预埋件定位误差来源分析

预埋件相对定位误差主要来源于测量仪器本身的误差、仪器设备安置误差、测量照准误差及浇筑混凝土产生的位移等[2]。下面分别对不同的误差来源进行探讨。

2.1 测距固定误差分析

测距固定误差主要来自于仪器加常数误差和棱镜常数误差，由于施工测量测程较短，高精度全站仪测距比例误差很小，因此固定误差是测距的主要误差。笔者通过对拓普康GTS-1002全站仪加常数和棱镜常数的测定，发现固定误差常数一般小于1mm。这对于精密测量的影响是不可忽略的，需要施测者了解其对精度的影响规律。下面以重离子加速器高精度预埋件为例，分析固定误差常数对预埋件相对精度的影响和变化规律。

式2.1

式2.2

式2.3

假设埋件组对称中心为坐标系原点，θ表示埋件组对称 中心与测站点连线的方位角，i、j分别表示埋件组任意两监测点， R表示设站点到两监测点连线中心距离，表示任意点i、j横纵坐标， 表示测站点O至i点的方位角，表示测站点O至j点的方位角，表示埋件组任意两监测点连线的方位角，表示测距固定误差，表示测距固定误差对监测点连线边长影响增量。

根据公式2.1可以求出测距固定误差对任意两预埋件点边长影响值，最终通过比较各边增量大小求出最大影响值。

现在讨论设站点方位改变对任意边长的影响规律，假设测站点与任意边长中心点距离R不变，为了计算方便, 现以边为讨论对象, 其平行于x轴，A、C点坐标分别为 (0，-a) , (0，a) ，从图2-1可知 ，代入公式2.2可以改写成：

                     式2.4

首先对式2.4求导整理后获得下式：

              式2.5

从式2.5中可以看出当时，取得最小值, 将其带入式2.4得 = 0；当时， 取得最大值，将其带入式2.4得

再研究设站点与埋件中心距离变化对精度的影响，假设不变，，可以由公式得：当时，；当时，= 0；当增长n倍时，缩小倍。

综上所述可以总结以下两点：1、测距常数误差对边长的影响与设站点到边长中点远近以及所成方位角有关，当边长中心点和测站点所成角度不变，距离越远边长增量越小，边长整体平移量越大；当边长中心点和测站点距离保持不变，测站点方位垂直于边长时增量最大、整体平移量最小，平行于边长时边长增量为零，平移量等于测距常数；2、当测站点可以在埋件区域内选择时，设站点选择在几何分布长轴方向。

2.2 圆水准器轴和竖轴不平行产生的误差

棱镜杆圆水准器轴校正残留误差以及棱镜杆加工质量本身问题造成了测向偏心系统误差，其偏移位置与监测点、设站点共同组成固定夹角, 其角度用μ表示，偏移量用δ表示。对公式2.1进行调整，获得计算棱镜杆测向偏差造成的任意两点边长变化增量的公式：

式2.6

2.3 偶然误差影响分析

（1）测设站引起，具体参照文献[2]中论述；

（2）照准误差可以通过公式来计算，其中v为望远镜放大率，文献[3]中提到采用合理的方法像精度级别的仪器，照准精度可以达到，同时文献[4]中规定了不同类型仪器两次读数限差。如果照准误差可以控制在1″内，以测站点距离取20m计算，照准偏差可以控制以内；

（3）人眼分辨能力大约为0.1mm，可以推测人眼将棱镜杆底部对准目标点的精度大约在0.1mm左右

[2]。但在实际操作中，可以在监测点处加工一个圆形的小孔，棱镜杆底部和圆孔吻合，其对点精度大大提高；

（4）圆水准气泡不居中误差，以圆水准器精度8′/2mm 来估算,气泡居中精度可以控制在，当棱镜高度保持在200mm内时，理论精度可以控制在0.05mm以内[5]。

2.4 施工对安装精度影响原因分析

施工对高精度预埋件安装精度影响主要分为两种情况，一种是埋件组整体偏移，另一种是同组预埋件之间相对几何尺寸偏位。两种情况产生的原因各不相同，以下分别对不同的偏移情况进行分析。

（1）埋件组整体偏移原因施工造成埋件组整体向某一方向偏移的原因常见的有：1、埋件组位置检查合格后，没有很好地加固，现场施工人员踩踏埋件组周围钢筋或机械振动如振捣等导致位置偏移；2、浇注混凝土过程中，埋件组支架一测受到重压或撞击导致埋件组的偏位；3、混凝土收缩变形导致埋件组的偏位；

（2）预埋件相对几何尺寸偏位原因埋件组中各预埋件之间相对几何尺寸误差超过限差范围，其产生的原因主要有：1、预埋件加固不到位或加固在本身不牢固的构件上；2、固定预埋件的支架，没有连成整体或刚度不够，施工过程中碰撞、振捣使预埋件发生变形。

3 调整区间确定方法

在预埋件调整过程中需要一个界限判断含有误差的观测数据是否满足设计值允许偏差的范围，笔者通过确定调整区间来解决该问题。预埋件调整范围区间和观测精度有直接关系，观测精度越高预埋件调整允许范围就越大，调整的难度越小。以限差1mm的预埋件为例，当观测相对精度为0.5mm时，取相对精度两倍为限差，从理论上说预埋件调整区间为(-1mm，+1mm)，当观测精度为1mm时，调整区间为(-2mm,+2mm)。根据不同的仪器估算观测精度，从而确定最终的调整区间。根据第二部分精度分析和实际观测应用情况，拓普康GTS-1002仪器观测相对精度可以达到0.2mm，所以调整区间可以取(-0.4mm，+0.4mm)内比较合适, 即保证精度又保证效率。

5 总结

预埋件偏位对设备安装有着直接影响。预埋件的整体偏移易造成主体设备安装后无法与配套的设备正常衔接；个别预埋件几何尺寸偏位会造成设备无法安装。为了避免此情况的发生，要做好预埋件安装的各个环节确保安装精度,同时需要对预埋件做好加固措施，浇注混凝土时对施工人员进行技术交底，在混凝土振捣、人员走动和重物吊运时注意不要对埋件组产生影响，有必要时浇注混凝土过程中对预埋件进行检查。

参考文献

[1] 孔祥元,郭际明.控制测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2007.

[2] 华锡生,黄腾.精密工程测量技术及应用[M].南京:河海大学出版社,2002.

[3] 姬恒炼,孔祥元.精密工程测量规范[S].GB/T15314-94.