Đề tài Chuyển trục công trình lên cao bằng công nghệ GPS

mốc đo lún vào vị trí chịu lực của công trình theo đúng thiết kế. Mốc chuẩn là hệ thống các mốc cố định, có độ cao không thay đổi theo thời gian. Thông thường các mốc chuẩn được đặt vào lớp đất ổn định bằng cách khoan sâu vào lòng đất đến tầng đá gốc và cách chân móng của tòa nhà một khoảng > 1.5 lần chiều cao tòa nhà. Xây dựng mốc chuẩn thành từng cụm mỗi cụm 3 mốc, số lượng cụm mốc tùy theo diện tích của tòa nhà mà xây dựng một cách hợp lý. Các mốc đo lún được xây dựng với số lượng mốc tùy theo kết cấu của tòa nhà. Với nhà kết cấu không có khung chịu lực chịu lực bởi tường gạch và móng băng, các mốc được chôn cách nhau 10m đến 15m. Với nhà khung chịu lực mốc đo lún được đặt tại các vị trí cột chịu lực của công trình, phân bố theo trục ngang, dọc của công trình. Với các nhà vách cứng được đặt theo chu vi công trình với khoảng cách từ 15m đến 20m có một mốc. 2. Quá trình đo lún, chu kỳ đo và xử lý số liệu đo lún Tiến hành đo lún chu kỳ đầu tiên bằng phương pháp thủy chuẩn hình học sử dụng các máy có độ chính xác trên bộ đo cực nhỏ từ 0.05mm đến 0.1mm, độ phóng đại từ 35X đến 40X, ống thủy dài có giá trị vạch khắc nhỏ hơn 12”/2 mm. Các mia được sử dụng là mia invar có chiều dài từ 1m đến 3m vạch chia từ 5mm đến 10mm. Tất cả đã được kiểm định. Đo theo phương pháp thủy chuẩn hình học với vòng đo khép kín sai số cho phép không được vượt quá fh= ± 0.5 với n là số trạm máy . Các chu kỳ tiếp theo được tiến hành khi công trình xây dựng đạt 25%, 50%, 75%,và 100% tải trọng của bản thân nó. Các chu kỳ này kiểm tra độ ổn định của mốc chuẩn, lựa chọn những mốc ổn định để làm cơ sở cho việc tính lún. Khôi phục các mốc bị mất, hư hỏng do quá trình thi công. Kết quả đo lún của mỗi chu kỳ cần được so sánh với chu kỳ đầu tiên để tìm ra độ trồi lún của mỗi mốc, tốc độ lún, độ lún tương đối, độ lún tổng cộng, độ lún trung bình để có biện pháp xử lý theo dõi. 1.4.2. Công tác quan trắc chuyển dịch trong giai đoạn sử dụng 1.4.2.1. Quan trắc độ lún của nhà cao tầng trong giai đoạn sử dụng Việc quan trắc độ lún của công trình trong giai đoạn sử dụng là sự kế tục quá trình này trong giai đoạn thi công vì vậy về phương pháp đo, yêu cầu độ chính xác và phương pháp xử lý số liệu không có gì khác biệt so với giai đoạn thi công. Quá trình quan trắc lún được tiến hành trong nhiều năm và chỉ dừng lại khi tốc độ lún đã ổn định và hoàn toàn tắt lún. Như vậy quá trình đo lún sau khi hoàn thiện công trình cần được phân định rõ hai giai đoạn đó là giai đoạn lún giảm dần, giai đoạn ổn định và tắt lún. Giai đoạn lún giảm dần từ 1 đến 2 năm, chu kỳ đầu tiên của giai đoạn này là từ 3 đến 6 tháng sau khi công trình hoàn thiện, chu kỳ tiếp theo mỗi tháng một lần tùy theo tốc độ lún của công trình mà quyết định. Giai đoạn ổn định và tắt lún được đo theo chu kỳ từ 1 đến 2 năm cho đến khi giá trị lún hoàn toàn nằm trong giới hạn ổn định 1.4.2.2. Quan trắc độ nghiêng của nhà cao tầng trong giai đoạn sử dụng Khi đo độ nghiêng của nhà cao tầng trong giai đoán sử dụng cần phải đánh dấu các điểm đặt máy cố định và các điểm đo tại các vị trí được xem xét cẩn thận. Các điểm đặt máy được cố định bằng mốc bê tông kiên cố trên mặt đất cách công trình một khoảng phù hợp để đo ngắm một cách thuận tiện đảm bảo độ chính xác. Nếu điều kiện cho phép thì nên chọn khoảng cách từ máy tới chân công trình xấp xỉ bằng chiều cao của nó. Tùy theo điều kiện cụ thể của khu vực, chiều cao của công trình và độ chính xác cần thiết để lựa chọn các phương pháp đo độ nghiêng sau đây Phương pháp tọa độ Phương pháp đo góc ngang Phương pháp đo góc nhỏ Phương pháp chiếu đứng Phương pháp đo khoảng thiên đình nhỏ Chương 2 CHUYỂN TRỤC CÔNG TRÌNH LÊN CAO TRONG XÂY DỰNG NHÀ CAO TẦNG 2.1. YÊU CẦU ĐỘ CHÍNH XÁC CHUYỂN TRỤC CÔNG TRÌNH LÊN CAO Trong thi công xây dựng nhà cao tầng, công tác trắc địa được thực hiện nhằm mục đích xác định vị trí mặt bằng và độ cao của các kết cấu, thiết bị và các bộ phận trên công trình đúng như thiết kế. Khi bố trí cần nghiên cứu kỹ các chỉ tiêu kỹ thuật để chọn các loại máy đo và thiết bị sử dụng cũng như phương pháp đo cho phù hợp với yêu cầu. Dưới đây là chỉ tiêu kỹ thuật trong công tác chuyển trục công trình lên cao theo tiêu chuẩn xây dựng của Bộ Xây Dựng(bảng 2-1) [1]. Bảng 2-1 Sai số Chiều cao của mặt bằng thi công xây dựng (m) < 15 15-60 60-100 100-120 Sai số trung phương các điểm, các trục theo phương thẳng đứng (mm) 2 2,5 3 4 Để đảm bảo độ chính xác chuyển trục công trình lên cao, trong thực tế xây dựng có thể sử dụng một số phương pháp sau: Phương pháp dọi cơ học, phương pháp sử dụng máy kinh vĩ, phương pháp sử dụng máy toàn đạc điện tử, phương pháp chiếu đứng. 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN TRỤC CÔNG TRÌNH LÊN CAO TRUYỀN THỐNG 2.2.1. Phương pháp dọi cơ học 2.2.1.1. Nội dung phương pháp Giả sử có điểm A đã được thành lập ở mặt sàn tầng 1 như hình 2-1. Thông qua ô chiếu điểm trên trần ngăn, tiến hành thả quả dọi có đủ độ chính xác 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 đánh dấu được các vị trí a và b trên mặt hố chiếu. Xoay thước đi , lại cho thước tiếp xúc với dây dọi tương tự ta đánh dấu được điểm c và d. Giao nhau của ab và cd chính là hình chiếu của điểm trục A lên trần ngăn. 2.2.1.2 Độ chính xác Độ chính xác của công tác chuyển trục công trình theo phương thẳng đứng nhờ dây dọi vào khoảng 1/1000 chiều cao chuyển trục. 2.2.1.3 Ưu - nhược điểm Phương pháp này hiện nay rất ít được áp dụng mặc dù dễ thực hiện. Mặt khác khi chiều cao lớn và có gió mạnh thì việc ứng dụng phương pháp này gặp nhiều khó khăn. Để nâng cao chính xác có thể sử dụng quả dọi nặng và chọn thời điểm thao tác vào lúc lặng gió. Thông thường người ta chỉ sử dụng phương pháp này để kiểm tra độ thẳng đứng của các kết xây dựng trong phạm vi từng tầng. Phương pháp sử dụng máy kinh vĩ 2.2.1.1. Nội dung phương pháp Phương pháp này thường được gọi là phương pháp chiếu thẳng đứng bằng tia ngắm nghiêng của máy kinh vĩ. Để truyền tọa độ bằng máy kinh vĩ lên các tầng việc đầu tiên là phải gửi các điểm đầu trục ra ngoài. Khoảng cách từ điểm gửi đến chân công trình tốt nhất là chọn xấp xỉ bằng chiều cao của nó, để góc đứng <. 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 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 thường được gửi lệch so với trục khoảng cách từ 50cm đến 80cm để tiện cho quá trình thực hiện và thi công. Sau khi đã gửi các điểm đầu trục ra ngoài ta tiến hành truyền tọa 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 định trục quay máy, nâng ống kính lên đánh dấu trục vào chân tường tầng 1. Tiếp tục nâng ống kính lên đánh dấu trục lên tường ở mặt sàn cần chuyển lưới ở phía trên bằng hai vị trí bàn độ. Sau khi thực hiện việc chiếu điểm theo hai phương vuông góc với nhau ở mặt bằng tầng 1 đi qua điểm đã có là sẽ chuyển được điểm trục lên theo phương thẳng đứng như hình 2-2. Sau khi đã đánh dấu các điểm trục chính trên mặt sàn tầng cần bố trí ta phải đo đạc kiểm tra trước khi sử dụng các điểm này để bố trí các điểm trục chi tiết bên trong của mặt sàn. Công việc này bao gồm công đoạn như sau : Kiểm tra các góc :đặt máy tại các điểm trục đã đánh dấu, định tâm và cân bằng máy cẩn thận, sau đó đo kiểm tra các góc có đúng hay không, Sai lệch cho phép không quá ± 20”. Kiểm tra các cạnh có đúng với thiết kế hay không, quá trình này được thực hiện bằng thước thép, theo hướng ngắm của máy kinh vĩ. Sai lệch cho phép không vượt quá ±7mm Trường hợp bị sai lệch quá phạm vi cho phép cần phải hoàn nguyên điểm này về đúng vị trí thiết kế. 2.2.2.2.Độ chính xác Các nguồn sai số chủ yếu trong phương pháp chuyển trục công trình lên cao bằng máy kinh vĩ là : Độ nghiêng của trục quay máy kinh vĩ ( ) Sai số ngắm chuẩn (). Sai số do máy kinh vĩ không nằm đúng trên hướng trục () Sai số do đánh dấu điểm trục () Sai số chiết quang do không khí () Như vậy sai số tổng hợp của việc chuyển trục công trình theo phương thẳng đứng bằng 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 nghiêng của tia ngắm tăng. Trong thực tế, nếu các máy móc được kiểm nghiệm cẩn thận thì độ chính xác chuyển trục có thể đạt 1-2mm. 2.2.2.3. Ưu nhược điểm Phương pháp này được ứng dụng khá rộng rãi để thi công các công trình nhà cao tầng. Tuy nhiên nếu địa bàn xây dựng chật hẹp và tòa nhà cần xây dựng có nhiều tầng thì khả năng ứng dụng của phương pháp này là rất hạn chế. Phương pháp sử dụng máy toàn đạc điện tử Nội dung phương pháp Để thực hiện phương pháp chuyển trục công trình lên cao bằng máy toàn đạc điện tử cần phải đảm bảo điều kiện thông hướng giữa các điểm khống chế trên mặt đất và các điểm trên mặt sàn công trình. Việc chuyển trục công trình lên cao bằng máy toàn đạc điện tử được tiến hành theo phương pháp giao hội nghịch từ 3 điểm khống chế tọa độ trên mặt đất (Free Station). Máy toàn đạc điện tử lần lượt đặt tại G1, G2 là hai điểm nằm gần vị trí của trục công trình lên sàn thi công và được định tâm,cân bằng cẩn thận. Gương có bộ phận định tâm, cân bằng chính xác được đặt tại các điểm khống chế A,B,C trên mặt đất. (hình 2-3). Trước khi giao hội ta phải thiết lập trạm máy. Công việc này bao gồm nhập tên trạm máy (Stn) và nhập chiều cao máy (hi). Sau khi thiết lập trạm ta tiến hành giao hội. Việc giao hội được thực hiện từ 3 điểm khống chế trên mặt đất. Đầu tiên ta phải nhập tọa độ điểm khống chế thứ nhất (Pt ID). Nếu điểm đó không tìm thấy trong bộ nhớ, hệ thống sẽ tự mở màn hình đối thoại nhập tọa độ bằng tay. Sau đó ta nhập chiều cao gương đặt tại điểm này (hr) rồi bắt đầu đo khoảng cách (SD), góc bằng (Hz) , góc đứng (V) tại điểm này (Hình 2-5). Các điểm tiếp theo làm tương tự như trên. Khi quá trình giao hội kết thúc màn hình máy toàn đạc điện tử sẽ hiển thị kết quả cuối cùng của tọa độ và độ cao trạm máy ( Hình 2-6) Sau khi có được tọa độ của điểm G1, G2. Ta tiến hành tính toán để hoàn nguyên điểm các điểm này về vị trí điểm thuộc trục công trình. 2.2.3.2. Độ chính xác của phương pháp Sai số của phương pháp này : m là sai số của điểm trục sau khi được chiếu lên sàn thi công. là sai số xác định vị trí điểm gần đúng bằng phương pháp giao hội . là sai số hoàn nguyên điểm gần đúng về vị trí trục công trình là sai số đánh dấu vị trí điểm hoàn nguyên. Độ chính xác của phương pháp chuyển trục công trình lên cao bằng máy toàn đạc điện tử phụ thuộc chủ yếu vào khả năng của máy toàn đạc điện tử tức là độ chính xác của máy. Tuy nhiên độ chính xác xác định tọa độ của máy lại giảm khi độ nghiêng của tia ngắm tăng, vì khi đó độ chính xác của hướng đo giảm đi. Thông thường sai số điểm G1,G2 có thể đạt được giá trị ±5mm. 2.2.3.3. Ưu nhược điểm Phương pháp chuyển trục công trình bằng máy toàn đạc điện tử có ưu điểm là thực hiện khá đơn giản, thường được áp dụng đối với các công trình nhà cao tầng xây dựng trên mặt bằng rộng rãi, chiều cao công trình không quá 10 tầng. Tuy nhiên phương pháp này cần có không gian tương đối rộng, 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 của tia ngắm nên khi tòa nhà có số tầng lớn thì rất khó thực hiện phương pháp này với độ chính xác thỏa mãn yêu cầu trong quy phạm. 2.2.4. Phương pháp chiếu đứng. Hiện nay có 2 loại máy chiếu đứng đang được sử dụng trong các công tác trắc địa công trình: Đó là loại máy tạo ra đường thẳng đứng bằng tia laze và loại máy tạo ra đường thẳng đứng bằng tia ngắm quang học. Trong hai loại máy này thì loại máy chiếu đứng bằng quang học có độ chính xác cao hơn và thường được áp dụng vào công tác bố trí lưới trục khi thi công những công trình cao tầng. Máy chiếu thông dụng PZL có độ chính xác đặt đường thẳng đứng quang học khi chiều cao đến 100m theo lý lịch máy là ± 1.2mm (hình 2-7). 2.2.4.1. 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. Trước khi tiến hành chiếu điểm ra phải đặt lỗ chiếu trên sàn tầng thi công. Công việc này được tiến hành ngay sau khi đơn vị thi công ghép ván khuôn trước khi đổ bê tông sàn. Quá trình thực hiện tuần tự theo các bước sau: - Đầu tiên phải đánh dấu tương đối chính xác các vị trí lỗ hổng trên mặt sàn tầng thi công, để theo đó người ta sẽ cắt ván khuôn sàn và lắp đặt vào đó các hộp khuôn bằng gỗ có kích thước () 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 2 điểm cần chiếu trên mặt bằng cơ sở chiếu kiểm tra vị trí đặt lỗ chiếu. Đồng thời đánh dấu vị trí 2 điểm chiếu được lên trên lưới chiếu. Điểm này sẽ được dùng để định tâm máy kinh vĩ phục vụ cho việc bố trí sơ bộ các trục, đo khoảng cách thiết kế để định dạng mép trong của ván khuôn, đường biên của mặt sàn tầng thi công và đường biên của các vị trí khác. Sau khi quá trình đặt lỗ chiếu và đổ bê tông mặt sàn hoàn thiện ta tiến hành chiếu điểm. Định tâm dụng cụ chiếu đứng trên điểm gốc, cân bằng dụng cụ để đưa đường ngắm về vị trí thẳng đứng. Trên mặt bằng cần chuyển tọa độ lên, người ta đặt vào các lỗ hổng chừa ra trên mặt sàn một tấm lưới chiếu (tấm paletka). Tấm lưới này được làm bằng mêca có kích thước (150*150*30)mm, trên đó có kẻ 1 lưới ô vuông khắc vạch đến mm. Dựa theo mạng lưới ô vuông này có thể xác định vị trí chính xác của đường thẳng đứng được chiếu lên. Để kiểm tra và nâng cao độ chính xác việc đọc số trên lưới ô vuông cần phải chiếu điểm ở 4 vị trí của thị kính() và đánh dấu vị trí trung bình của các điểm trên. Sau khi chiếu các trục của lưới cơ sở trên mặt bằng móng lên các tầng xây 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 vượt giá trị cho phép thì tiến hành chiếu điểm lại. 2.2.4.2 Độ chính xác Các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp chuyển trục công trình lên tầng bằng máy chiếu đứng: Sai số định tâm dụng cụ tại điểm gốc() Sai số cân bằng dụng cụ () Sai số tiêu ngắm (mv) Ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh () Sai số đánh dấu điểm (mđd) Như vậy ảnh hưởng tổng hợp của tất cả các nguồn sai số đến độ chính xác chuyển trục công trình là: Thực nghiệm kiểm tra cho thấy với H< 100 thì: Với h là chiều cao công trình 2.2.4.3. Ưu – nhược điểm Phương pháp chuyển trục bằng máy chiếu đứng quang học hiện nay có ưu điểm cơ bản là thao tác đơn giản, nhanh gọn, độ chính xác cao, phù hợp với thực tiễn xây dựng. Tuy nhiên khi số tầng lớn thì phương pháp này trở nên hạn chế. Trong thực tế, do tia ngắm phải đi qua các lỗ chiếu, do độ phóng đại của ống kính là có hạn, nên thao tác chiếu chỉ thuận lợi và đạt độ chính xác cao khi công trình khoảng 15-20 tầng, ngoài khoảng này việc chiếu điểm sẽ gặp nhiều khó khăn. Đây là một trong những nhược điểm của phương pháp . Để khắc phục, người ta áp dụng phương pháp phương pháp chiếu phân đoạn, nghĩa là chia toàn bộ tòa nhà ra làm từng đoạn 15-20 tầng. Tầng cuối cùng của đoạn này sẽ là tầng khởi đầu của đoạn tiếp theo. Nhược điểm của phương pháp phân đoạn là sự tích lũy sai số chiếu qua từng đoạn và ảnh hưởng của ngoại cảnh ngày càng tăng theo thời gian làm vị trí trục ở tầng cao có sai số càng lớn. Vì vậy giải pháp khắc phục nhược điểm của phương pháp phân đoạn khi chiếu trục lên cao trong xây dựng những ngôi nhà có số tầng lớn là tiến hành chính xác hóa 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 hổng thùng trên sàn theo phương thẳng đứng, ảnh hưởng đến kết cấu xây dựng. Hơn nữa khi chiếu cần phải có nhiều người trông coi vị trí lỗ thủng, đề phòng các vật rơi xuống gây tai nạn cho người và máy chiếu. Phương pháp sẽ có hiệu quả cao hơn các phương pháp trước đây khi cần xây dựng lưới trục công trình trên sàn thi công khi công trình có địa hình chật hẹp, chiều cao lớn. Chương 3 CHUYỂN TRỤC CÔNG TRÌNH LÊN CAO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS Khi xây dựng các nhà cao tầng có số tầng rất lớn thì việc chuyển trục công trình lên các mặt sàn tầng cần xây dựng bằng cách sử dụng dây dọi, máy kinh vĩ và máy toàn đạc điện tử không còn phù hợp nữa. Công nghệ chuyển trục bằng máy chiếu đứng có độ chính xác cao nhưng nhược điểm phải để lại các lỗ hổng thủng trên sàn theo phương thẳng đứng, ảnh hưởng đến kết cấu xây dựng. Hơn nữa khi chiếu cần phải có nhiều người trông coi vị trí lỗ thủng, đề phòng các vật rơi xuống gây tai nạn cho người và máy chiếu. Số tầng càng cao thì phải phân thành nhiều đoạn chiếu như vậy mất khá nhiều thời gian và phức tạp về thao tác cho người vận hành. Hiện nay, công nghệ GPS đang được ứng dụng rộng rãi trong ngành Trắc địa trong đó có Trắc địa công trình, bởi vì công nghệ này có nhiều ưu điểm nổi bật và đạt hiệu quả công tác cao. Theo chỉ tiêu kỹ thuật của các máy thu GPS hiện có thì có thể ứng dụng công nghệ này để chuyển trục công trình lên cao. Mặt khác phương pháp này vẫn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu khi chuyển trục công trình lên cao trong những tòa nhà có nhiều tầng. 3.1. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ GPS 3.1.1. Cấu tạo của hệ thống định vị toàn cầu GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS viết tắt của từ Navigation Satelite Timing and Ranging Global Positioning System. Hệ thống này được xây dựng từ năm 1973. Năm 1978 vệ tinh đầu tiên được đưa lên quỹ đạo. Năm 1993 đã phóng đủ 24 vệ tinh trên 6 mặt phẳng quỹ đạo như thiết kế. Trước năm 1980, hệ thống này chỉ dùng cho mục đích quân sự của Mỹ. Từ năm 1980, Chính phủ Mỹ cho phép sử dụng hệ thống này vào mục đích dân sự. Ngày nay, GPS được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong đó có trắc địa. Hệ thống GPS có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính (gọi là 3 đoạn): Đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng. 3.1.1.1. Đoạn không gian Đoạn không gian gồm các vệ tinh (theo thiết kế là 24 vệ tinh, đến nay có tới 32 vệ tinh) chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo. Độ cao của vệ tinh khoảng 20200 Km. Quỹ đạo gần như tròn, chu kỳ chuyển động của vệ tinh quanh Trái đất là 718 phút (Gần 12 giờ). Các mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích đạo Trái đất . Với cách bố trí như trên thì tại mọi vị trí trên Trái đất vào mọi thời điểm đều có thể quan sát được ít nhất 4 vệ tinh, đây là điều kiện tối thiểu để định vị (Hình 3-1) Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600kg khi phóng và 800kg khi bay trên quỹ đạo. Tuổi thọ theo thiết kế là 7,5 năm. Trên vệ tinh có các tấm pin mặt trời gắn ở cánh vệ tinh để cung cấp năng lượng cho vệ tinh hoạt động (hình 3-2). Mỗi vệ tinh được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử có thể đo thời gian với độ chính xác giây. Vệ tinh tạo ra tần số dao động chuẩn là = 10,23 MHz.Từ tần số chuẩn, vệ tinh tạo ra 2 tần số sóng tải là L1 có tần số = 154= 1575,42 MHz tương ứng bước sóng , và L2 có tần số =120=1227.60 MHz tương ứng với bước sóng . Các sóng tải L1 và L2 thuộc dải sóng cực ngắn, với tần số làm nhiệm vụ vận tải tín hiệu vệ tinh có tác dụng làm giảm ảnh hưởng của tầng điện li vì ảnh hưởng của tầng điện li tỉ lệ nghịch với bình phương của tần số tín hiệu. Để phục vụ các mục đích khác nhau, các sóng tải lại được điều biến bởi các mã(code) khác nhau như : C/A code, P code hay Y code. C/A code ( Coarse/ Acquisition) là mã thô, cho phép sử dụng rộng rãi. Mã này được tạo bởi 1 chuỗi các chữ số 0 và 1 sắp xếp theo qui luật tựa ngẫu nhiên với tần số bằng 1/10 tần số chuẩn ( 1,023 MHz), và được lặp lại sau mỗi miligiây. Mỗi vệ tinh được gán 1 mã C/A riêng biệt. C/A code chỉ điều biến sóng tải L1 và dùng cho mục đích dân sự. P code (Precise) là mã chính xác. Mã này được tạo bởi 1 chuỗi các chữ số 1 và 1 sắp xếp theo qui luật tựa ngẫu nhiên với tần số bằng tần số chuẩn (10,23MHz). Độ dài toàn phần của mã này là 267 ngày (nghĩa là chỉ sau 267 ngày mới lặp lại). Người ta chia mã này thành các đoạn, mỗi đoạn dài 7 ngày và gán cho mỗi vệ tinh 1 đoạn, sau 1 tuần lại đổi lại. Bằng cách này thì P code rất khó bị giải mã nếu không được phép của Mỹ. P code điều biến cả sóng tải L1 và sóng tải L2 và chỉ dùng cho mục đích quân sự của Mỹ. Y code là mã bí mật, trong điều kiện cần thiết sẽ được phủ lên P code làm cho P code càng khó giải mã hơn. Ngoài ra, các vệ tinh còn trao đổi thông tin với các trạm điều khiển qua các tần số 1783.74 MHz để truyền thông tin đạo hàng và nhận các lệnh điều khiển từ trạm điều khiển. 3.1.1.2. Đoạn điều khiển Đoạn này gồm 1 trạm điều khiển trung tâm đặt tại căn cứ quân sự của Mỹ ở Colorado Spring và 4 trạm theo dõi đặt tại Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương). Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh Trái đất (Hình 3-3). Nhiệm vụ của đoạn điều khiển là điều khiển toàn bộ mọi hoạt động của các vệ tinh. Các trạm này luôn quan sát vệ tinh đo đạc các số liệ cần thiết như: Khoảng cách đến các vệ tinh, các yếu tố khí tượng, các yếu tố nhiễu…Các số liệu này được truyền về trạm trung tâm. Trạm trung tâm xử lý tính toán ra lịch vệ tinh, các số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh…Từ đây các số liệu lại được truyền ngược lại các trạm theo dõi, từ trạm theo dõi phát lên vệ tinh cùng với các lệnh điều khiển. Như vậy các thông tin đạo hàng thường xuyên được chính xác hóa (đối với GPS là 3 lần/ ngày) và được truyền đến người dừng thông qua sóng tải L1 và L2. Hiện nay, cơ quan bản đồ thuộc Bộ quôc phòng Mỹ kết hợp với một số nước khác để xây dựng mạng lưới theo dõi vệ tinh GPS trên toàn cầu nhằm nâng cao độ chính xác xác định lịch vệ tinh. 3.1.1.3. Đoạn sử dụng Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác sử dụng vào các mục đích khác nhau. Như vậy, đoạn không gian và đoạn điều khiển có quan hệ hai chiều với nhau. Đoạn sử dụng và đoạn không gian quan hệ với nhau một chiều. Đoạn điều khiển và đoạn sử dụng không có quan hệ gì với nhau (hình 3-4) 3.1.2. Thiết kế kỹ thuật đo GPS Thiết kế kỹ thuật đo GPS là việc cơ bản nhất của định vị GPS. Hiện nay ở nước ta vẫn chưa có quy trình, quy phạm đo GPS của Nhà nước. Vì vậy cần phải dựa vào mục đích sử dụng, yêu cầu chất lượng của lưới GPS mà tiến hành thiết kế hình dạng lưới, độ chính xác và gốc của lưới. 3.1.2.1. Thiết kế gốc của lưới GPS Kết quả nhận được khi đo GPS là vector đường đáy- số gia tọa độ không gian 3 chiều trong hệ tọa độ WGS- 84. Còn thực tế cần thiết là tọa độ trong hệ tọa độ nhà nước hoặc trong hệ tọa độ độc lập, địa phương. Do đó khi thiết kế lưới GPS cần phải xác định rõ kết quả đo GPS đã dùng hệ tọa độ và số liệu gốc nào, tức phải thiết kế gốc của lưới GPS. Gốc của lưới GPS bao gồm vị trí gốc, phương vị gốc và kích thước (chiều dài) gốc. Phương vị gốc thường lấy là phương vị khởi tính đã cho hoặc cũng có thể là phương vị của vector đường đáy GPS. Kích thước gốc thường được lấy là cạnh đo bằng máy đo dài ở mặt đất hoặc khoảng cách giữa các điểm khởi tính hoặc có thể lấy luôn chiều dài vector đường đáy GPS. Vị trí gốc của lưới GPS thường được xác định từ tọa độ của điểm khởi tính đã cho. Do đó, thiết kế gốc của lưới GPS chủ yếu là xác định vị trí gốc của lưới GPS. Khi thiết kế gốc của lưới GPS cần phải xem xét các vấn đề sau đây: - Để xác định tọa độ điểm GPS trong hệ tọa độ mặt đất thì cần chọn số liệu khởi tính trong hệ tọa độ mặt đất và đo nối với 1 số điểm khống chế mặt đất đã có thể chuyển đổi tọa độ. Khi chọn điểm đo nối cần sử dụng tư liệu cũ nhưng không để lưới GPS mới thành lập có độ chính xác cao phải chịu ảnh hưởng của tư liệu cũ có độ chính xác thấp. Do đó lưới GPS ở thành phố lớn cần được đo nối với ít nhất 3 điểm của lưới nhà nước; lưới GPS ở thành phố nhỏ hoặc khu vực xây dựng công trình có thể đo nối với 2-3 điểm. - Để đảm bảo đồng đều về độ chính xác của tọa độ lưới GPS sau bình sai ràng buộc và giảm ảnh hưởng sai số tỷ lệ kích thước, các điểm thấp cao trùng hợp trong lưới GPS cũng cần phải tạo thành từ hình có cạnh dài. - Sau tính toán bình sai lưới GPS, nhận được độ cao trắc địa của các điểm GPS. Để có độ cao thường của các điểm GPS, có thể đo nối điểm độ cao. Các điểm độ cao đo nối cần được phân bố đều trong lưới. Đối với khu vực đồi núi, điểm độ cao đo nối cần được phân bố phù hợp với độ cao mặt cong địa hình. Để đo nối phải ứng dụng phương pháp thủy chuẩn có độ chính xác không thấp hơn hạng IV. - Hệ tọa độ của lưới GPS mới thành lập cần cố gắng thống nhất với hệ tọa độ đã được sử dụng trước đó của khu đo. Nếu đã sử dụng hệ tọa độ độc lập địa phương hoặc của công trình thì cần tìm hiểu các tham số sau đây: Elipsoid tham khảo đã sử dụng Độ linh của kinh tuyến trục của hệ tọa độ Hằng số cộng vào tọa độ Độ cao mặt chiếu của hệ tọa độ và trị trung bình của dị thường độ cao khu đo Tọa độ của điểm khởi tính 3.1.2.2. Một số khái niệm về kết cấu và điều kiện đặc trưng của lưới GPS 1. Một số khái niệm cơ bản về kết cấu đồ hình lưới GPS a- Thời đoạn đo (session): khoảng thời gian liên tục từ khi bắt đầu thu tín hiệu vệ tinh đến khi kết thúc đo trên 1 trạm máy b- Đo đồng bộ: Dùng 2 hoặc nhiều hơn 2 máy thu, đo đồng thời cũng một nhóm vệ tinh . c- Vòng đo đồng bộ: Vòng khép kín được tạo thành bởi các vector đường đáy nhận được từ phép đo đồng bộ đúng 3 hoặc nhiều hơn 3 máy thu. d- Vòng đo độc lập: Vòng khép kín được tạo thành bởi các vector đường đáy được đo độc lập. e- Vòng đo không đồng bộ: vòng khép kín hình đa giác được tạo thành bởi các vector đường đáy, trong số đó chỉ cần có vector đường đáy được đo không đồng bộ. f- Đường đáy độc lập: Vòng đo đồng bộ được tạo thành bởi N máy thu GPS sẽ có J đường đáy đo không đồng bộ, trong đó số đường đáy độc lập là N-1 g- Đường đáy không độc lập: đường đáy khác, ngoài các đường đáy độc lập. 2. Điều kiện đặc trưng của lưới GPS Số thời đoạn đo được tính theo công thức do R.Asany đề xuất: C = n.m/N (3.1) Trong đó: C là số thời đoạn đo n là số điểm trong lưới M là số lần đặt máy trung bình ở mỗi điểm N là số máy thu. Trong lưới GPS có: Tổng số đường đáy: = C.N(N-1)/2 (3.2) Số đường đáy cần thiết: = n-1 (3.3) Số đường đáy độc lập: = C(N-1) (3.4) Số đường đáy đủ: = C(N-1) – (n-1) (3.5) Theo các công thức trên đây có thể xác định đặc trưng chủ yếu của kết cấu đồ hình lưới GPS. 3. Lựa chọn cấu hình đồng bộ và cạnh (đường đáy) độc lập của lưới GPS Theo 3.2 thì số cạnh GPS trong một thời đoạn đo của đồ hình đồng bộ khi dùng N máy thu là: J= N(N-1)/2 (3.6) Trong đó chỉ có N-1 cạnh GPS độc lập, các cạnh còn lại không độc lập. Hình 3-5 là đồ hình đo đồng bộ được tạo thành khi số máy thu N= 2 ~ 5 Tương ứng với hình 3-5, cạnh GPS độc lập có thể được lựa chọn khác nhau (hình 3-6) Khi đo đồng bộ với số máy thu N 3 thì số vòng đo đồng bộ ít nhất là: T= J-(N-1) = ( N-1)(N-2)/2 (3.7) Quan hệ tương ứng giữa số máy thu N, số cạnh GPS J và số vòng đo đồng bộ ít nhất T, như bảng 3-1. Bảng 3-1 N 2 3 4 5 6 J T 1 0 3 1 6 3 10 6 15 10 Về lý thuyết, tổng số gia tọa độ của các cạnh GPS trong một vòng đo đồng bộ (sai số khép) phải bằng 0, nhưng do các máy thu GPS không thực đồng bộ nên sai số khép của vòng đo đồng bộ không bằng 0. Có thể quy định giá trị giới hạn của sai số khép đo đồng bộ và cần tuân thủ quy định này. Cần chú ý khi sai số khép vòng đo đồng bộ tương đối nhỏ, thường chỉ có thể nói rằng việc tính vector đường đáy GPS là hợp cách chứ chưa có thể nói độ chính xác đo cạnh GPS là cao và cũng không thể phát hiện sai số thô do tín hiệu thu bị nhiễu. Để đảm bảo độ tin cậy của kết quả đo GPS, phát hiện được sai số thô trong kết quả đo cần phải tạo thành vòng đo không đồng bộ từ 3 cạnh, 4 cạnh, 5 cạnh…Khi trong lưới GPS có 1 số điểm khởi tính cũng có thể tạo thành tuyến phù hợp từ 1 số cạnh độc lập giữa 2 điểm khởi tính. Thiết kế đồ hình lưới GPS chính là dựa vào yêu cầu độ chính xác của lưới và các yêu cầu khác để thiết kế lưới được tạo thành bởi các cạnh GPS độc lập. Để tạo thành vòng đo không đồng bộ, thường dựa vào đồ hình lưới thiết kế mà chọn. Khi số máy thu nhiều hơn 3, có thể dựa vào khả năng của phần mềm để tự động lựa chọn cạnh độc lập tạo thành vòng đo không đồng bộ. 3.1.2.3. Thiết kế đồ hình lưới GPS Trong trắc địa truyền thống, thiết kế đồ hình lưới khống chế là việc cực kỳ quan trọng. Còn trong lưới GPS, nói chung không yêu cầu giữa các điểm phải nhìn thông nhau nên thiết kế đồ hình lưới GPS sẽ linh hoạt hơn. Thiết kế đồ hình lưới GPS chủ yếu tùy thuộc yêu cầu sử dụng, kinh phí, thời gian, nhân lực, loại hình và số lượng và số lượng máy thu và điều kiện bảo đảm hậu cần. Căn cứ vào mục đích sử dụng, thường có 4 phương thức liên kết cơ bản để thành lập lưới: liên kết điểm, liên kết cạnh, liên kết lưới, liên kết hỗn hợp - cạnh - điểm. Ngoài ra còn có thể liên kết hình sao, liên kết đường chuyền, liên kết chuỗi tam giác. 1. Phương thức liên kết điểm (Hình 3-7) Liên kết điểm là dạng liên kết các vòng đo đồng bộ kề nhau bởi một điểm chung. Cường độ đồ hình của dạng liên kết điểm là rất yếu, không có hoặc có rất ít điều kiện khép hình không đồng bộ. Dạng liên kết điểm thường không sử dụng đơn độc. 2. Phương thức liên kết cạnh (hình 3-8) Liên kết cạnh là dạng liên kết giữa các vòng đo đồng bộ kề nhau bởi một cạnh chung. Lưới được thành lập theo dạng này có cường độ đồ hình tương đối cao, có nhiều cạnh đo lặp và có điều kiện khép hình không đồng bộ. Với số lượng máy thu như nhau, số thời đoạn đo sẽ tăng hơn nhiều so với phương thức liên kết điểm. 3. Phương thức liên kết lưới Liên kết lưới là dạng liên kết giữa các đồ hình đo đồng bộ bởi 2 điểm chung trở lên. Trong phương thức liên kết này, số lượng máy thu cần phải có từ 4 trở lên. Lưới được thành lập theo phương thức này có cường độ đồ hình và độ tin cậy cao, nhưng tốn kinh phí và thời gian đo nhiều hơn, thường chỉ ứng dùng để thành lập lưới khống chế có yêu cầu độ chính xác cao 4. Phương thức liên kết hỗn hợp cạnh - điểm Liên kết hỗn hợp cạnh điểm là dạng kết hợp phương thức liên kết cạnh và phương thức liên kết điểm. Phương thức này có thể bảo đảm cường độ đồ hình, nâng cao độ tin cậy của lưới vừa có thể giảm khối lượng công tác ngoại nghiệp, hạ giá thành. Đây là phương thức liên kết thích hợp thường được dùng để lập lưới GPS. Hình 3-9 dựa trên cơ sỏ phương thức liên kết điểm ở hình 3-7, tăng thêm 4 thời đoạn đo để được phương án thiết kế lưới có cường độ đồ hình được cải thiện hơn, khối lượng công tác ngoại nghiệp cũng giảm so với phương thức liên kết cạnh ở hình 3-8. 5. Phương thức liên kết chuỗi tam giác (hoặc đa giác) Liên kết chuỗi tam giác là dạng liên kết liên kết tiếp bởi điểm hoặc cạnh giữa các tam giác đo đồng bộ (Hình 3-10). Thành lập lưới GPS theo phương thức liên kết này rất thích hợp cho khu đo hẹp, kéo dài như khi khảo sát tuyến đường sắt, đường bộ, đường ống. 6. Phương thức liên kết lưới đường chuyền Lưới GPS được tạo thành bởi sự liên kết các hình đồng bộ dạng kéo dài như đường chuyền, các cạnh độc lập tạo thành dạng khép kín để kiểm tra độ tin cậy của điểm GPS. Lưới GPS dạng này ứng dụng thích hợp khi yêu cầu độ chính xác thấp. Phương thức này có thể kết hợp với phương thức liên kết điểm (Hình 3-11) 7. Hình sao Dạng hình sao rất đơn giản, các cạnh đo trực tiếp không tạo thành hình khép kín nào. Do đó khả năng kiểm tra và phát hiện sai số thô còn kém hơn phương thức liên kết điểm. Nhưng chỉ cần 2 máy thu là được. Nếu có 3 máy thu thì một máy đặt cố định, 2 máy khác có thể đo luân lưu mà không hạn chế bởi điều kiện đo đồng bộ. Vì tốc độ nhanh, giản tiện, phương pháp hình sao được ứng dụng trong trắc địa có yêu cầu độ chính xác thấp, trong địa chất, vật lý địa cầu, đo biên giới, đo địa chính, đo điểm chi tiết thành lập bản đồ (Hình 3-12) Trong thực tế thiết kế lưới GPS còn cần phải chú ý các nguyên tắc sau đây: - Mặc dù không yêu cầu nhìn thông giữa các điểm GPS, nhưng xét đến yêu cầu tăng dày bằng phương pháp truyền thống nên mỗi điểm GPS nên nhìn thông đến ít nhất một điểm khác. - Để sử dụng tư liệu trắc địa và bản đồ hiện có, cần sử dụng hệ tọa độ vốn đã được sử dụng để tạo lập nên tư liệu ấy. Các điểm cũ phù hợp với yêu cầu của điểm GPS, cần phải lợi dụng mốc của nó. - Lưới GPS cần phải được tạo thành một số vòng khép không đồng bộ hoặc một số tuyến phù hợp phù hợp từ các cạnh đo độc lập. Số cạnh trong mỗi vòng khép hoặc trong mỗi tuyến phù hợp của các cấp lưới GPS được quy định ở bảng 3-2. (Bảng 3-2) Hạng, cấp lưới II III IV Cấp 1 Cấp 2 Số cạnh trong mỗi vòng khép hoặc tuyến phù hợp 3.1.3. Ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS 3.1.3.1. Ứng dụng cho mục đích quân sự Hệ thống định vị toàn cầu GPS được Mỹ xây dựng với mục đích ban đầu là quân sự, những ứng dụng của GPS trong quân sự như: Dẫn đường cho các phương tiện chiến đấu (máy bay, ô tô, tàu thủy…); xác định các mục tiêu quân sự; dẫn đường cho tên lửa… 3.1.3.2. Ứng dụng trong đạo hàng Sau khi được sử dụng trong dân sự thì ứng dụng đầu tiên là dẫn đường (đạo hàng) như: Dẫn đường cho tàu thuyền đi lại trên biển, ra vào cảng, dẫn đường cho các phương tiện giao thông trên bộ, dẫn đường cho máy bay... 3.1.3.3. Ứng dụng trong lĩnh vực địa động GPS có thể ứng dụng trong lĩnh vực địa động để xây dựng những lưới khống chế để quan sát, xác định ra sự trôi dạt, chuyển dịch, trồi lún của các mảng lục địa… 3.1.3.4. Ứng dụng trong các ngành khác GPS ngày càng được ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau như: Du lịch, cứu nạn, xây dựng cơ sở dữ liệu không gian cho GIS…Hiện nay trên thế giới nhiều nước đã có những máy điện thoại di động hay đồng hồ có gắn máy thu GPS. 3.1.3.5. Ứng dụng trong trắc địa công trình 1. Ứng dụng GPS trong thành lập bản đồ địa hình công trình Trong trắc địa công trình, tùy thuộc giai đoạn thiết kế, mức độ phức tạp của địa vật, địa hình, mật độ của các đường ống, dây dẫn…mà thường sử dụng bản đồ ở các tỷ lệ 1:10 000, 1:5000,1:2000,1:1000 và 1:500 với khoảng cao đều khác nhau. - Yêu cầu độ chính xác vị trí mặt bằng được quy định: + Sai số giới hạn vị trí điểm của lưới khống chế đo vẽ so với điểm của lưới cấp cao hơn không được vượt quá 0.2mm trên bản đồ. + Sai số giới hạn vị trí điểm địa vật quan trọng so với điểm khống chế đo vẽ gần nhất không được vượt quá 0.4mm trên bản đồ. - Yêu cầu độ chính xác độ cao thường được quy định : + Sai số độ cao điểm chi tiết không được vượt quá ¼ khoảng cao đều ở vùng bằng phẳng và không được vượt quá 1/3 khoảng cao đều ở vùng địa hình dốc . Đối với bản đồ địa hình công trình thường chọn khoảng cao đều : h= 0.5m, h = 1.0m, h = 2.0m. Như vậy yêu cầu cao nhất về độ chính xác độ cao điểm chi tiết ở vùng bằng phẳng là 0.12m. Với các chỉ tiêu kĩ thuật hiện hành về độ chính xác như đã nêu trên thì đo GPS có thể thay thế các phương pháp truyền thống để thành lập bản đồ địa hình công trình tỷ lệ lớn. Ưu điểm của công nghệ GPS thể hiện ở chỗ : - Giảm thiểu nhân lực đo ở thực địa . - Tăng năng suất lao động, giảm thời gian làm việc ở thực địa. - Tăng độ tin cậy của số liệu đo. - Hiệu quả kinh tế cao. 2. Ứng dụng GPS trong thi công xây dựng công trình Độ chính xác cần thiết của lưới khống chế thi công một số loại công trình tiêu biểu : - Lưới khống chế thi công cầu vượt: Sai số trung phương tâm trụ cầu trên hướng trục cầu không được vượt quá 2 cm. Để sai số của lưới khống chế thi công ảnh hưởng không đáng kể đối với độ chính xác bố trí tâm trụ cầu thì sai số trung phương vị trí điểm lưới khống chế thi công không được vượt quá 8mm . - Lưới khống chế thi công công trình đầu mới thủy lợi –thủy điện : Sai số trung phương vị trí điểm được bố trí trên công trình này không được lớn hơn ± (10-20)mm. Để sai số điểm lưới khống chế thi công ảnh hưởng không đáng kể đến độ chính xác của điểm được bố trí thì sai số trung phương vị trí điểm lưới khống chế thi công công trình đầu mối thủy lợi- thủy điện không được vượt quá ± 8mm. - Lưới khống chế thi công công trình công nghiệp : Đối với khu công nghiệp, yêu cầu cao nhất là hạn sai lắp đặt đường ống áp lực. Đường ống áp lực có kết cấu đặc biệt ở đầu nối đoạn ống nên có yêu cầu cao đối với độ chính xác bố trí. Yêu cầu độ lệch hướng chuẩn cho phép ở chỗ nối đoạn ống là =2.0mm. Để đảm bảo yêu cầu này thì sai số trung phương tương đối của cạnh lưới khống chế thi công công trình công nghiệp không được vượt quá 1: 20000. - Lưới khống chế thi công công trình đường hầm Đối với đường hầm có chiều dài không quá 4km được đào đối hướng từ hai cửa hầm thì sai số trung phương hướng ngang đào thông hầm không được vượt quá ± 50mm. Trong trường hợp này sẽ có 3 nguồn sai số của công tác trắc địa ảnh hưởng đến độ chính xác hướng ngang đào thông hầm: - Sai số hướng ngang của khống chế trắc địa trên mặt đất, kí hiệu là . - Sai số hướng ngang của 2 tuyến đường chuyền nhánh trong hầm, kí hiệu là và Theo nguyên tắc ảnh hưởng bằng nhau ta có : Đây là độ chính xác cần thiết của lưới khống chế mặt bằng trên mặt đất mà cụ thể là sai số hướng ngang vị trí tương hỗ giữa 2 điểm khống chế ở 2 cửa hầm Dùng các máy thu GPS một tần số hiện đại, định vị tương đối tĩnh với một ca đo thì sai số trung phương của cạnh tính theo công thức : khi D=5 km, ta có : = 7.1mm Sai số trung phương vị trí điểm bằng sai số trung phương đo cạnh. Trong trường hợp sử dụng máy thu nhiều hơn 2 và các điểm lưới GPS được liên kết chặt chẽ hơn thì độ chính xác vị trí điểm còn cao hơn. Đối chiếu với độ chính xác trên của lưới khống chế thi công bốn loại công trình tiêu biểu đã nêu trên, ta thấy hoàn toàn có thể sử dụng công nghệ GPS để thành lập lưới khống chế thi công trong công trình xây dựng. 3. Ứng dụng GPS trong quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình Trong quan trắc biến dạng chuyển dịch công trình thì độ nghiêng cho phép của công trình là =4%o của chiều cao công trình. Đối với một công trình cao 30m, giá trị lệch cho phép của điểm đỉnh công trình sẽ là 120mm. Sai số trung phương quan trắc phải nhỏ hơn 1/20 giá trị lệch cho phép nên m=6mm và cần phải nâng cao chỉ tiêu độ chính xác nên cuối cùng sai số trung phương đo phải là ±2mm Theo các tài liệu đã công bố , ứng dụng công nghệ GPS đã đạt được độ chính xác cỡ ±1mm về vị trí mặt bằng và ±2mm về độ cao trong thực nghiệm cũng như thực tế quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình. 3.2. CHUYỂN TRỤC CÔNG TRÌNH LÊN CAO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS Do việc chuyển trục công trình lên cao trong những tòa nhà có rất nhiều tầng bằng các phương pháp truyền thống đều gặp khó khăn nhiều nên giải pháp chuyển trục công trình lên cao bằng công nghệ GPS là rất khả thi vì công nghệ GPS khắc phục được những nhược điểm của các phương pháp truyền thống. Mặt khác với độ chính xác cao trong đo GPS cạnh ngắn thì việc chuyển trục bằng công nghệ GPS sẽ đảm bảo được các yêu cầu kĩ thuật đề ra trong quy phạm. 3.2.1. Nội dung phương pháp Khi chuyển trục công trình lên cao bằng công nghệ GPS cần lập một lưới 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 cố định trên mặt đất thường là các loại điểm lưới khống chế bên ngoài và được định tâm bắt buộc. Các điểm trục được đánh dấu bằng cách xử dụng máy kinh vĩ hoặc máy chiếu đứng chiếu lên biên của tầng cần chuyển trục. Sau đó dùng phương pháp căng dây hay bật mực để xác định hướng của trục cần đặt máy GPS. Tiếp theo sẽ là dùng thước thép để xác định vị trí của đặt máy thu GPS, vị trí này sẽ được xác định gần với vị trí điểm trục cần chuyển lên mặt bằng thi công theo hướng thẳng đứng. Đánh dấu vị trí này lại bằng cách dùng khoan và đóng đinh trực tiếp xuống sàn bê tông. Dùng sơn đỏ khoanh tròn lại vị trí đánh dấu để dễ tìm kiếm khi tiến hành đo GPS. Khi chuyển trục công trình lên cao dựa vào hai điểm cố định (A,B) ta có thể sử dụng các đồ hình lưới như hình vẽ 3-13 a) Lưới chuyển 2 điểm trục; b) Lưới chuyển 3 điểm trục Thời gian một ca đo có thể chọn 45 phút, 30 phút hoặc nhỏ hơn tùy thuộc vào độ chính xác của máy 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 được 1 trục . Đặt 2 máy tại 2 điểm khống chế trên mặt đất, tốt nhất là chúng ta định tâm bắt buộc với hai máy này. Máy còn lại đặt tại các điểm trục đã được đánh dấu trên mặt sàn thi công (Hình 3- 14). Sau khi định tâm chính xác, cân bằng máy cẩn thận, ta đo chiều cao ăngten, nếu cần đo cả nhiệt độ và áp suất tại thời điểm 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. Sau khi kết thúc quá trình đo ta tiến hành trút số liệu và tính toán bình sai. Sau đó dựa vào tọa độ bình sai của các điểm đã đánh dấu ta tiến hành hoàn nguyên điểm này về vị trí các điểm thuộc trục công trình. Độ chính xác Sai số của phương pháp này : Trong đó : là sai số của điểm trục sau khi được chiếu lên sàn thi công. là sai số xác định vị trí các điểm gần đúng bằng máy đo GPS là sai số hoàn nguyên điểm gần đúng về vị trí trục công trình là sai số đặt khoảng cách khi hoàn nguyên, là sai số đo góc khi hoàn nguyên là khoảng cách hoàn nguyên là sai số đánh dấu vị trí điểm hoàn nguyên. Ưu - nhược điểm . Công nghệ GPS có ưu điểm là cho phép đo mà không cần thông hướng giữa các điểm đo với nhau, thuận tiện cho việc đo đạc, phục vụ thi công nhà cao tầng do điều kiện đo đạc chật hẹp và bị che khuất tầm nhìn bởi chiều cao của tòa nhà đang xây và các công trình lân cận. Việc chuyển trục công trình lên cao bằng công nghệ GPS cùng với các máy móc tiên tiến này sẽ đảm bảo được độ chính xác tương hỗ cao hơn 5mm do đó thỏa mãn được yêu cầu độ chính xác trong việc chuyển trục công trình lên cao bằng công nghệ GPS và sai số chuyển trục hầu như không phụ thuộc vào chiều cao công trình. Tuy nhiên khi chuyển trục công trình lên cao đối với tòa nhà 25 tầng nên kết hợp cả hai phương pháp sử dụng máy toàn đạc điện tử và máy đo GPS để nâng cao độ chính xác đo đạc và kết quả nhận được. 3.3. THỰC NGHIỆM 3.3.1. Mục đích, nội dung thực nghiệm 3.3.1.1. Mục đích thực nghiệm Hiện nay, công nghệ GPS ngày càng phát triển mạnh và độ chính xác định vị cũng được nâng cao đáng kể. Công nghệ GPS được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành kinh tế và kỹ thuật khác nhau: Quốc phòng, an ninh, du lịch, công tác cứu hộ cứu nạn, công tác dẫn đường trên biển… Ngoài ra công nghệ GPS cũng được ứng dụng nhiều trong xây dựng nhà cao tầng. Đặc biệt là những nhà cao tầng có chiều cao lớn và diện tích nhỏ. Để đánh giá được khả năng ứng dụng của công nghệ GPS phục vụ cho công tác chuyển trục công trình lên các sàn thi công chúng tôi đã tiến hành đo thực nghiệm việc chuyển trục công trình lên sàn thi công tại nhà A (5 tầng) Trường Đại học Mỏ- Địa Chất. Kết quả của công tác đo thực nghiệm chuyển trục công trình lên sàn thi công bằng công nghệ GPS đã giúp chúng ta làm rõ một số vấn đề liên quan như sau: - Việc chuyển trục công trình lên sàn thi công bằng công nghệ GPS có khắc phục được những nhược điểm của các phương pháp truyền thống hay không? - Công tác chuyển trục công trình lên các sàn thi công bằng công nghệ GPS có những thuận lợi khó khăn gì? - Công tác chuyển trục công trình lên các sàn thi công bằng công nghệ GPS có độ chính xác như thế nào? - Việc sử dụng công nghệ GPS có thay thế được những phương pháp truyền thống hay không? 3.3.1.2 Nội dung thực nghiệm Yêu cầu đặt ra cho công tác thực nghiệm của chúng tôi là chuyển trục A-A lên sàn thi công. Việc chuyển trục A-A lên sàn thi công thực chất là xác định trên sàn thi công những điểm có hoành độ bằng hoành độ thiết kế của trục A-A. Hoành độ thiết kế của trục A-A là X = 2331951.000m. Để chuyển được trục A-A lên sàn thi công thì trên sàn thi công chúng tôi đã chọn 2 điểm T-1 và T-2 ở vị trí gần đúng của trục A-A (Hình 3-15). Sau đó tiến hành đo GPS tại hai điểm T-1 và T-2 để xác định chính xác tọa độ của chúng. Sau khi đã xác định được chính xác tọa độ 2 điểm T-1 và T-2, chúng tôi tiến hành hoàn nguyên những điểm này về vị trí các điểm thuộc trục công trình là điểm T-1’ và T-2’. Như vậy trục A-A chính là đường thẳng đi qua 2 điểm đã hoàn nguyên T-1’ và T-2’. Chuyển trục công trình lên cao phải có độ chính xác thỏa mãn yêu cầu quy phạm đã đặt ra ở bảng 2-1. Điều đó có nghĩa là mP < mPcf = 2.5mm (vì chiều cao mặt bằng thi công từ 16-20m). 1. Đồ hình lưới thực nghiệm Đồ hình lưới thực nghiệm được chúng tôi bố trí như hình 3-15. Lưới gồm 4 điểm: T-1, T-2, C-3, C-4. Trong đó: + T-1 và T-2 là hai điểm nằm ở vị trí gần đúng của trục A-A cần chuyển lên sàn thi công. Hai điểm này nằm trên tầng 5 nhà A Trường Đại học Mỏ - Địa Chất. + C-3 và C-4 là hai điểm khống chế đã có tọa độ và độ cao nhà nước. XC-3 = 2330625.526m, YC-3 = 502544.006, H = 6.667m XC-4 = 2330630.594m, YC-4 = 502338.212, H = 5.944m 2. Công tác đo thực nghiệm Chúng tôi sử dụng 3 máy thu đồng bộ Trimble R3 để đo đạc. Các ca đo được thiết kế như sau: Ca Máy 1 Máy 2 Máy 3 1 T-1 T-2 C-3 2 T-1 T-2 C-4 Mỗi ca đo tiến hành đo trong 30 phút. Máy đo GPS được đặt tại các điểm lưới được định tâm, cân bằng cẩn thận. Sau khi định tâm, cân bằng xong thì tiến hành đo chiều cao máy hai lần và lấy giá trị trung bình. Đây là lưới GPS cạnh ngắn nên không cần xác định các giá trị nhiệt độ và áp suất tại các thời điểm đo. Sau đó đến thời điểm đo là tất cả các máy cùng bắt ca đo. 3. Kết quả thực nghiệm chuyển trục công trình lên cao bằng công nghệ GPS Số liệu thu được chúng tôi xử lý bằng phần mềm GPSurvey 3.5. Kết quả sau khi tính toán và xử lý được trình bày ở phụ lục. Để giảm biến dạng tọa độ các điểm cho phép gây ra, chúng tôi thực hiện tính chuyển tọa độ các điểm của lưới thực nghiệm về hệ tọa độ công trình. Vì sử dụng phép chiếu UTM với múi chiếu , nên chúng tôi lựa chọn sao cho kinh tuyến trục trung ương của múi chiếu phải nằm cách xa trung tâm khu đo khoảng 180Km. Vì vậy chúng tôi lựa chọn kinh tuyến trung ương phù hợp của múi chiếu là 14000’00’’. Sau đây là kết quả tính chuyển tọa độ các điểm của lưới từ hệ tọa độ VN-2000 kinh tuyến trục 10545’00’’ múi chiếu 6 sang kinh tuyến trục 10400’00’’ múi chiếu 6. 3.3.2. Công tác hoàn nguyên điểm trục 3.3.2.1. Tính các yếu tố hoàn nguyên điểm trục Chúng ta đã có: Hoành độ của trục A-A là X = 2331951.000m Phương vị của trục A-A là = 9000’00’’ XT-1 = 2331952.349m, YT-1 = 684133.292m XT-2 = 2331949.708m, YT-2 = 684060.518m Phương vị cạnh 1-2: = arctg arctg= 26755’18’’ Các yếu tố hoàn nguyên được tính như sau: a1 = XT-1 - X = 2332952.349 - 2331951.000 = 1.349m a2 = X - XT-2 = 2331951.000 – 2331949.708 = 1.292m 3.3.2.2. Thao tác hoàn nguyên điểm trục - Hoàn nguyên điểm T-1: Đặt máy kinh vĩ tại điểm T-1, cân bằng và định tâm chính xác rồi ngắm về tiêu ngắm tại điểm T-2. Đặt số đọc trên bàn độ ngang giá trị 26755’18’’. Quay máy đến khi bàn độ ngang xuất hiện giá trị 18000’00’’, cố định bàn độ ngang rồi dọc theo hướng ngắm dùng thước thép đặt khoảng cách hoàn nguyên a1 = 1.349m. Như vậy chúng ta đã hoàn nguyên được điểm T-1 về điểm T-1’ trên trục công trình. - Hoàn nguyên điểm T-2: Đặt máy kinh vĩ tại điểm T-2, cân bằng và định tâm chính xác rồi ngắm về tiêu ngắm tại điểm T-1. Đặt số đọc trên bàn độ ngang giá trị 8755’18’’. Quay máy đến khi bàn độ ngang xuất hiện giá trị 000’00’’, cố định bàn độ ngang rồi dọc theo hướng ngắm dùng thước thép đặt khoảng cách hoàn nguyên a2 = 1.292m. Như vậy chúng ta đã hoàn nguyên được điểm T-2 về điểm T-2’ trên trục công trình. Như vậy chúng ta đã xác định được trục A-A’ trên sàn thi công là đường thẳng đi qua hai điểm T-1’ và T-2’. Độ chính xác của phương pháp Sai số của phương pháp này: m = (3.10) Trong đó: - Sai số xác định vị trí điểm bằng máy đo GPS m= 1mm. - Sai số hoàn nguyên điểm gần đúng về vị trí trục công trình: m = (3.11) + Khoảng cách hoàn nguyên được đặt bằng thước thép nên m= 1mm. + Góc hoàn nguyên được đo bằng máy kinh vĩ nên m= 2’’. + Khoảng cách hoàn nguyên d 1.3mm. Do đó: m= 1mm. - Điểm hoàn nguyên được đánh dấu bằng tiêu có dọi tâm quang học nên sai số đánh dấu điểm m= 1mm. Suy ra: m= 1.7mm < m= 2.5mm. Theo kết quả vừa tính toán thì độ chính xác của phương pháp chuyển trục công trình lên cao bằng công nghệ GPS hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu đề ra trong quy phạm (Bảng 2-1). KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu lý thuyết của đề tài, tôi đã đi vào thực nghiệm chuyển trục công trình lên cao bằng công nghệ GPS. Thông qua quá trình đo và xử lý số liệu cho ra kết quả cụ thể tôi rút ra một số kết luận sau: 1- Sử dụng công nghệ GPS trong công tác chuyển trục công trình lên cao có thể khắc phục được những hạn chế của các phương pháp truyền thống như: Không phụ thuộc vào chiều cao của công trình, không cần chừa những điểm khống chế mặt bằng,… 2- Sử dụng công nghệ GPS trong công tác chuyển trục công trình lên cao có những thuận lợi: Đo được mọi lúc, mọi thời tiết trừ khi trời mưa quá to, không chịu ảnh hưởng của chiết quang, không phụ thuộc vào chiều dài cạnh, giảm thời gian thao tác ngoài thực địa,… Bên cạnh những thuận lợi như trên phương pháp này còn có những khó khăn: Với những công trình gần đường điện cao thế hay gần các đối tượng có bề mặt phản xạ lớn thì độ chính xác bị giảm đi đáng kể,… 3- Sử dụng công nghệ GPS trong công tác chuyển trục công trình lên cao cho độ chính xác rất cao thỏa mãn yêu cầu đề ra trong quy phạm. Điều đó chứng tỏ công nghệ GPS có thể đáp ứng được yêu cầu của những công trình cần có độ chính xác cao. 4- Sử dụng công nghệ GPS để chuyển trục công trình lên cao hoàn toàn có thể thay thế được những phương pháp truyền thống. Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do thời gian và trình độ có hạn nên cuốn đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp để cuốn đồ án được hoàn chỉnh hơn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo Hoàng Thị Minh Hương đã hướng dẫn nhiệt tình để em có thể hoàn thành cuốn đồ án này đúng thời hạn. Em xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô trong khoa Trắc địa cùng các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ em trong thời gian viết bài. Hà nội ngày tháng năm 2011 Sinh viên thực hiện Hoàng Nghĩa Tài