2. Trắc địa ứng dụng xây dựng công trình
2.1. Lưới khống chế trắc địa mặt bằng
- Trong trắc địa, để lan truyền hệ thống tọa độ quốc gia VN-2000 đến được mọi miền của đất nước, để hạn chế được sai số tích lũy và để tạo điều kiện thuận lợi cho thi công, người ta phải thành lập lưới khống chế trắc địa.
- Lưới khống chế trắc địa là tập hợp những điểm đã được cố định chắc chắn ở ngoài thực địa và có tọa độ (x, y, H) được xác định rất chính xác để làm cơ sở cho việc đo vẽ bản đồ, xây dựng công trình.
- Theo mục đích sử dụng lưới khống chế trắc địa được chia ra làm:
+ Lưới khống chế trắc địa bản đồ: để đo vẽ bản đồ
+ Lưới khống chế trắc địa công trình (lưới khống chế thi công): để xây dựng công trình.
- Theo bản chất trong không gian, lưới khống chế trắc địa được chia ra làm:
+ Lưới khống chế mặt bằng (x, y)
+ Lưới khống chế chế độ cao (H)
- Phân loại lưới khống chế mặt bằng theo hình dạng:
+ Lưới tam giác
+ Lưới đường chuyền
- Tùy theo quy mô và độ chính xác giảm dần, lưới khống chế trắc địa bản đồ mặt bằng được chia ra:
+ Lưới tọa độ quốc gia GPS cấp “O”
+ Lưới khống chế mặt bằng nhà nước: lưới tam giác và lưới đường chuyền hạng I, II, III, IV
+ Lưới khống chế mặt bằng khu vực: lưới giải tích và lưới đường chuyền cấp 1, 2
+ Lưới khống chế đo vẽ: đường chuyền kinh vĩ và lưới tam giác nhỏ.
Trong đó lưới chính xác thấp hơn được thêm vào lưới chính xác cao hơn.
- Nội dung thành lập lưới khống chế mặt bằng: thiết kế lưới, đo đạc lưới, tính toán bình sai lưới
2.2. Lưới khống chế trắc địa độ cao
- Để lan chuyền hệ thống tọa độ quốc gia VN-2000 đến được mọi miền của đất nước, để hạn chế được sai số tích lũy và để tạo điều kiện thuận lợi cho thi công, người ta phải thành lập lưới khống chế độ cao.
- Lưới khống chế độ cao là tập hợp những điểm đã được cố định chắc chắn ở ngoài thực địa và có độ cao H được xác định rất chính xác để làm cơ sở cho việc nghiên cứu khoa học, đo vẽ bản đồ, bố trí công trình…
- Tùy theo quy mô và độ chính xác giảm dần, lưới khống chế độ cao đo vẽ bản đồ được chia ra làm:
+ Lưới khống chế độ cao nhà nước hạng I, II, III, IV
+ Lưới khống chế độ cao kỹ thuật
+ Lưới khống chế độ cao đo vẽ
- Về hình dạng, lưới khống chế độ cao có:
+ Dạng đường đơn
+ Dạng một hay nhiều điểm nút
+ Dạng vòng khép kín
- Nội dung thành lập lưới khống chế độ cao: thiết kế lưới, đo đạc lưới, tính toán bình sai lưới.
2.3. Đo vẽ bản đồ địa hình và hệ thống thông tin địa lý
- Trong giai đoạn khảo sát, thiết kế công trình ngành trắc địa phải đo vẽ bản đồ địa hình với tỷ lệ 1; M và khoảng cao đều đường đồng mức h nhất định
- Có nhiều phương pháp đo vẽ bản đồ khác nhau: trắc địa ảnh, đo vẽ toàn đạc…
- Đo đạc
+ Thành lập, đo lưới khống chế
+ Đo chi tiết địa vật (như dường xá, sông ngòi…) Đo chi tiết địa hình (các điểm và đường đặc trưng của dáng đất)
- Tính toán tọa độ các điểm khống chế và điểm chi tiết
- Vẽ bản đồ: Vẽ khung lưới ô vuông. Chấm các điểm khống chế trắc địa và điểm chi tiết lên bản vẽ, vẽ địa vật theo dấu quy ước ứng với từng loại tỷ lệ cụ thể. Vẽ đường đồng mức biểu diễn dáng đất theo phương pháp ước lượng bằng mát với giả thiết độ dốc mặt đất giữa hai điểm chi tiết biến đổi đều.
- Kiểm tra và đánh giá chất lượng bản vẽ
- Bản đồ địa hình cần thiết cho việc khảo sát, thiết kế công trình, tính khối lượng công tác đất đào hay đắp, lập dự toán công trình
- Bản đồ thể hiện được một số đặc điểm của mặt đất, như là: tọa độ không gian của một điểm trong hệ quy chiếu nào đó; địa vật gì và một vài chi tiết đặc điểm của nó (chẳng hạn chiều dài, chiều rộng, tải trọng chịu được của cầu…). Nhưng thực tế khách quan tồn tại trên mặt đất còn có rất nhiều đặc điểm khác nữa về: kinh tế, văn hóa, xã hội, lịch sử… chúng luôn luôn vận động và phát triển theo thời gian. Muốn thể hiện được đầy đủ tất cả tính phong phú, đa dạng kể trên của thực tế khách quan mặt đất thì phải có sự trợ giúp của máy tính. Mọi đặc điểm kể trên sẽ được mã hóa (số hóa) rồi lưu giữ lại trong máy tính. Đó là bản đồ máy tính (bản đồ số hóa)
Nhờ có một số chương trình con, máy tính sẽ tiến hành phân tích, tổng hợp, mô tả những dữ liệu đó rồi trình bày thành các bảng liệt kê, biểu đồ, bản vẽ…chúng sẽ được hiện ra trên màn hình của máy tính theo sự lựa chọ của người khai thác thông tin. Đó là hệ thống thông tin địa lí (GIS).
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) có ưu điểm là phản ánh được đầy đủ mọi đặc tính phong phú, đa dạng của hiện thực khách quan tồn tại trên mặt đất. Nó cho phép bổ sung, thay đổi, cập nhật thông tin kịp thời, dễ dàng. Nó thỏa mãn nhu cầu khai thác thông tin của nhiều đối tượng, phục vụ cho mọi mặt đời sống của con người, được ứng dụng rộng rãi trong quy hoạch và quản lý đô thị, du lịch… Nhưng việc thu thập dữ liệu cho GIS rất công phu, tốn kém. Muốn khai thác được GIS phải có máy vi tính.
2.4. Đo vẽ mặt cắt địa hình
- Khi xây dựng công trình như đường, mương…phải có mặt cắt địa hình
- Mặt cắt địa hình là hình vẽ biểu diễn mặt đất chạy dọc theo tuyến công trình theo một quy luật nhất định.
- Có hai cách lập mặt chắt địa hình
+ Lập mặt cắt địa hình từ bản đồ có sẵn
+ Lập mặt cắt địa hình bằng cách đo vẽ trực tiếp ngoài thực địa
- Khi lập mặt cắt địa hình theo cách đo vẽ trực tiếp ngoài thực địa gồm có các bước:
+ Cố định tuyến ngoài thực địa: là đóng một hệ thống cọc dọc theo tuyến công trình, tại các điểm như đỉnh góc ngoặt nơi tuyến đổi hướng, tại điểm tuyến giao với công trình khác, tại điểm lập mặt đất thay đổi.
+ Đo cao dọc tuyến: thường theo phương pháp đo cao kỹ thuật (hạng V)
+ Tính toán độ cao các điểm cọc dọc tuyến: thông thường các điểm liên hệ được tính toán bình sai như với lưới khống chế độ cao, còn độ cao của các điểm trung gian thường được tính theo cao độ máy tại mỗi trạm đo.
+ Vẽ biểu diện mặt cắt địa hình: thường theo bản vẽ mẫu.
- Mặt cắt địa hình cần thiết để thiết kế công trình, để tính khối lượng đất đào hay đắp, lập dự toán công trình, nhất là khi làm đường, đào mương…
2.5. Bố trí công trình
- Ở giai đoạn thi công, nhiệm vụ của người cán bộ kỹ thuật là phải bảo đảm chuyển được thiết kế ra thực địa. Tất cả những công tác trắc địa nhằm mục đích xác định vị trí mặt bằng và độ cao của từng phần và toàn bộ công trình ở ngoài thực địa theo đúng thiết kế gọi là công tác bố trí công trình.
- Việc bố trí công trình thường được tiến hành theo trình tự nội dung sau đây:
+ Đầu tiên bố trí lưới khống chế thi công để làm cơ sở cho việc bố trí công trình (lưới khống chế bố trí công trình)
+ Tiếp theo, từ lưới khống chế bố trí công trình tiến hành bố trí các trục cơ bản của công trình
+ Từ trục cơ bản tiến hành bố trí các trục dọc, trục ngang, các điểm chi tiết đặc trưng của công trình.
+ Bố trí các thiết bị (nếu có)
- Lưới khống chế bố trí công trình cũng có 3 dạng chính là:
+ Lưới tam giác công trình
+ Lưới đường chuyền công trình
+ Lưới ô vuông xây dựng
- Sự khác nhau giữa lưới khống chế bố trí công trình với lưới khống chế đo vẽ bản đồ
+ Lưới khống chế bố trí công trình tồn tại trong không gian thực
+ Lưới khống chế trắc địa bản đồ nhà nước tồn tại trong không gian ảo UTM. Kỹ sư xây dựng cần đặc biệt ghi nhớ điều khác biệt này. Trong các lưới khống chế bản đồ nhà nước người ta đã tính vào chiều dài đo được những số điều chỉnh thứ nhất do chiếu chúng lên mặt qui chiếu elipxôit WGS-84 và số điều chỉnh thứ hai do chiếu lên mặt phẳng của phép chiếu bản đồ UTM. Những số điều chỉnh này đã làm thay đổi tỷ lệ của lưới khống chế ở trên thực địa và gây ra sai số khép kín về chiều dài khi chuyển bản thiết kế công trình ra thực địa. Bởi vậy, trong các lưới khống chế công trình (lưới khống chế thi công) sẽ không tính các số điều chỉnh do hai phép chiếu nói trên. Do đó khi sử dụng lưới khống chế bản đồ nhà nước thì phải tính các số điều chỉnh nói trên với dấu ngược lại, để chuyển lưới khống chế bản đồ nhà nước về trạng thái không đổi ban đầu của nó.
- Định vị công trình có dạng hình chữ nhật là phải đánh dấu được cốt không và đóng được bốn cọc ở bốn đỉnh ấy ở ngoài thực địa
- Mỗi điểm đỉnh trên sẽ được xác định theo phương pháp bố trí trực tiếp là:
+ Phương pháp tọa độ vuông góc
+ Phương pháp tọa độ độc cực
+ Phương pháp giao hội góc
+ Phương pháp giao hội cạnh
- Độ chính xác bố trí công trình phải tuân theo những quy định của tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (ISO) hoặc tham khảo quy phạm đô đạc xây dựng của liên bang Nga.
2.6. Bố trí đường cong tròn
- Do yêu cầu về kỹ thuật trong xây dựng, tại những nơi có tuyến đổi hướng ta phải bố trí đường cong thay cho đoạn thẳng gãy khúc.
- Trong không gian có thể phân thành hai loại:
+ Đường cong bằng
+ Đường cong đứng
- Phân loại đường cong theo bán kính cong:
+ Đường cong có bán kính cong không đổi (đường cong tròn)
+ Đường cong có bán kính cong thay đổi
Ở đây chỉ xét đường cong tròn.
- Qua ba điểm không thẳng hàng luôn xác định duy nhất một đường tròn
- Trong kỹ thuật để xác định được vị trí của đường cong tròn tối thiểu phải xác định được ba điểm là:
+ Điểm đầu;
+ Điều cuối;
+ Điểm giữa của đường cong tròn
Ba điểm này gọi là ba điểm chính của đường cong tròn.
- Ngoài ba điểm chính ra thì các điểm khác còn gọi là các điểm phụ của đường cong tròn.
- Bố trí ba điểm chính của đường cong tròn thường theo phương pháp tọa độ cực thông thường
- Các điểm phụ của đường cong tròn được xác định theo các phương pháp bố trí trực tiếp mở rộng:
+ Phương pháp tọa độ vuông góc
+ Phương pháp tọa độ cực mở rộng (phương pháp mở góc bội số)
+ Phương pháp giao hội góc mở rộng
+ Phương pháp giao hội cạnh mở rộng (phương pháp dây cung kéo dài)
2.7. Đo vẽ hoàn công
- Trong giai đoạn thi công, sau khi công trình đã được xây dựng xong ở ngoài thực địa, phải đo vẽ hoàn công
- Định nghĩa đo vẽ hoàn công: Đo vị trí, kích thước, hình dạng của từng phần hay toàn bộ công trình đã được xây dựng xong ở ngoài thực địa và vẽ biểu diễn nó lên giấy theo một quy định nhất định gọi là đo vẽ hoàn công.
- Mục đích của đo vẽ hoàn công là:
+ Xác định tọa độ, độ cao, kích thước thực của công trình vừa xây dựng xong
+ Tính độ chính xác của việc chuyển từ bản thiết kế ra thực địa
+ Tính dung sai cho phép trong xây dựng
- Phân loại đo vẽ hoàn công
+ Trong quá trình xây dựng phải tiến hành đo vẽ vào lúc kết thúc từng giai đoạn công việc (móng, tầng ngầm, từng tầng nhà…) để lập bản vẽ hoàn công từng phần. Nó là cơ sở để giải quyết mọi vấn đề trong quá trình xây dựng như tổ chức biện pháp chống lại những hiện tượng sai hỏng, bố trí các công trình mới không vi phạm đến những công trình cũ trước đó, nhất là khi xây dựng công trình ngầm.
+ Khi xây dựng xong công trình: đo vẽ lập bản vẽ hoàn công toàn phần: Nó là cơ sở để giải quyết những nhiệm vụ kỹ thuật khác nhau trong khi sử dụng, sửa chữa, mở rộng công trình.
- Lưới khống chế đo vẽ hoàn công
Việc đo vẽ hoàn công phải dựa vào lưới khống chế trắc địa mặt bằng, độ cao
+ Ở trong từng nhà, xưởng, công trình riêng biệt dựa vào các trục móng đã được cố định và hệ thống các mốc độ cao thi công.
+ Ở trong phạm vi cả công trường dựa vào các điểm khống chế trắc địa đã dùng để thi công và tất cả các đường chuyền, đường độ cao bổ sung.
+ Ở ngoài công trường: dựa vào các điểm khống chế trắc địa đã thành lập trong quá trình khảo sát, đo vẽ bản đồ, vạch tuyến.
- Phương pháp đo vẽ hoàn công:
+ Về mặt bằng áp dụng phương pháp tọa độ vuông góc, tọa độ một cực, giao hội góc, giao hội cạnh…
+ Về mặt độ cao, thường áp dụng phương pháp đo cao hình học. Khi đo vẽ hoàn công ở ngoài công trường có thể dùng phương pháp đo vẽ toàn đạc.
- Độ chính xác cần thiết của lưới khống chế trắc địa và của các phương pháp đo vẽ như sau:
+ Ở trong công trường thành phố và các khu công nghiệp, phải đảm bảo được việc lập bản đồ đo vẽ hoàn công tỷ lệ 1:500
+ Ở các công trường thủy lợi, cầu đường… phải bảo đảm lập được bình đồ hoàn công tỷ lệ 1:1000, 1:2000
Nói chung, độ chính xác đo vẽ hoàn công phải bằng hoặc cao hơn độ chính xác bố trí công trình
- Dụng cụ đo vẽ hoàn công phải có độ chính xác bằng hoặc cao hơn dụng cụ đã dùng để bố trí công trình ấy.
2.8. Quan trắc biến dạng công trình
- Trong giai đoạn đang xây dựng và giai đoạn sử dụng công trình, do tác dụng của tải trọng bản thân và các lực bên ngoài khác như gió, động đất…công trình đã được xây dựng sẽ bị biến dạng đi so với vị trí ban đầu
- Biến dạng công trình có thể phân ra làm các loại: lún, dịch chuyển ngang, nghiêng, cong, võng, nứt, dao động…
- Những yếu tố khách quan có liên quan đến biến dạng công trình là: lực tác dụng, bản thân công trình, nền công trình, điều kiện địa chất, địa lý…
- Mục đích quan trắc biến dạng công trình là:
+ Xác định độ biến dạng thực tế của công trình, phát hiện ra sự biến dạng để có biện pháp tổ chức thích hợp về tiến độ thi công, trình tự chất tải
+ Kiểm tra lại các số liệu địa chất thủy văn công trình, đặc tính cơ - lý đất nền, kiểm tra các giả thiết và lý thuyết tính toán.
+ Dự báo những diễn biến xấu có thể xảy ra để có biện pháp ngăn chặn thích hợp hơn, đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của các giải pháp kỹ thuật đã lựa chọn.
+ Tất cả đều nhằm mục đích đảm bảo cho công trình được xây dựng đúng như thiết kế, sử dụng đạt hiệu quả cao nhất.
Quan trắc biến dạng có cả ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Thực tiễn là tiêu chuẩn của chân lý. Số liệu quan trắc biến dạng là một chỉ tiêu đánh giá chất lượng công trình cụ thể nhất. Mỗi cơ quan chủ quản công trình cần tổ chức đầy đủ việc quan trắc biến dạng công trình.
- Nội dung quan trắc biến dạng:
+ Thiết kế công tác
+ Đo đạc
+Tính toán bình sai
+ Biểu diễn kết quả quan trắc
+ Nhận xét kết luận
- Nguyên tắc chung của quan trắc biến dạng công trình là tiến hành đo đạc xác định tọa độ của một số điểm đặc trưng trên công trình vào những thời khắc khác nhau, rồi từ đó tìm ra sự biến dạng của công trình trong thời đoạn nhất định.
2.9. Máy toàn đạc điện tử
Máy toàn đạc là loại máy trắc địa đồng thời cho phép đo được tất cả các yếu tố: góc, dài, cao với độ chính xác cao
Theo cấu tạo, máy toàn đạc được chia ra hai loại:
+ Máy toàn đạc quang học
+ Máy toàn đạc điện tử
Đặc điểm của máy toàn đạc điện tử:
+ Hiện nay các máy toàn đạc điện tử có dung lượng bộ nhớ trong rất lớn (từ 5.000 đến 10.000 điểm). Nhờ vậy thời gian đo đạc ngoài trời được kéo dài đến hàng tuần lễ.
+ Độ chính xác đo góc đạt được rất cao (như với các loại máy kinh vĩ 2”)
+ Việc đo khoảng cách được dựa trên nguyên lý truyền sóng điện từ (hoặc tia laze). Độ chính xác đo dài đạt trung bình vào khoảng 5mm trên mỗi đoạn đo.
+ Quy trình thao tác được kết hợp giữa các bộ phận cơ quang thông thường với điều khiển hệ thống các phím điện tử chức năng
+ Số liệu đo đạc được hiện lên màn hình rất dễ đọc và được tự động ghi vào “sổ điện tử”. “Sổ điện tử” được ghép nối vào máy đo đã làm cho việc thu thập ghi chép số liệu được tự động hóa và ghép nối với máy vi tính rất thuận tiện.
+ Đặc điểm nhờ có một số chương trình con giải các bài toán trắc địa chuyên dụng được cài đặt trong máy đo đã làm cho nhiều việc được tự động hóa hơn nữa: Nhờ vậy năng suất lao động đạt rất cao.
+ Trên thế giới có nhiều nước đã chế tạo được máy toàn đạc điện tử. Các nước Đông Âu, Tây Âu (hãng Leica), Mỹ (hãng Trimble), Nhật Bản (hãng Nikon, Topcon, Pentax)
Máy toàn đạc điện tử là dụng cụ đo đạc trắc địa của thế kỷ XXI
2.10. Kỹ thuật định vị toàn cầu GPS
Kỹ thuật định vị toàn cầu GPS (Global Positionging System) có những ưu điểm sau:
- Cho phép định vụ điểm thống nhất trong toàn cầu
- Cho phép định vị điểm tại bất kỳ nơi nào trên Trái đất
- Cho phép định vị điểm nào vào bất kỳ lúc nào trong suốt 24h của ngày đêm.
- Cho phép định vị điểm trong mọi thời tiết (nắng, mưa, gió, bão…)
- Cho phép định vị điểm mục tiêu tĩnh và mục tiêu di động đặt trên các phương tiện giao thông (ô tô, tàu thủy, máy bay…)
- Độ chính xác định vị cao, nhanh chóng, không đắt tiền
- Kỹ thuật định vị toàn cầu GPS được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau: trắc địa bản đồ, giao thông vận tải, xây dựng, quốc phòng, an ninh tình báo, địa chất, địa lý, hải dương học, thám hiểm không gian, quản trị thông tin, lâm nghiệp, nông nghiệp, du lịch…
Kỹ thuật định vi toàn cầu GPS là kỹ thuật đo đạc trắc địa của thế kỉ XXI
3. Kết luận
Trắc địa và bản đồ là ngành khoa học kỹ thuật có nhiều ứng dụng trong xây dựng như: lập lưới khống chế thi công về mặt cắt địa hình phục vụ cho việc khảo sát thiết kế công trình, bố trí công trình, đo vẽ hoàn công, quan trắc biến dạng công trình… Ngày nay công nghệ thông tin và ngành điện tử đang làm cho ngành trắc địa và bản đồ ngày càng được hiện đại hóa và tự động hóa cao. Việc ứng dụng trắc địa vào xây dựng ngày càng có nhiều hữu ích thiết thực.
Cái để phân biệt thời đại này với thời đại khác không phải là sản xuất ra cái gì mà là sản xuất bằng cái gì. Ngành trắc địa và bản đồ ở thời đại chúng ta giờ đây không những đã sản xuất ra ngoài bản đồ còn có cả sản phẩm mới là hệ thống thông tin địa lý GIS…mà còn sản xuất bằng công cụ đo đạc hiện đại, tiên tiến như máy toàn đạc điện tử, máy định vị toàn cầu GPS.