Hướng Dẫn Trắc Địa Xây Dựng: Kiến Thức Cơ Bản và Ứng Dụng

• Trường học: Trường Đại Học Xây Dựng
• Chuyên ngành: Trắc Địa
• Đề tài: Hướng Dẫn Trắc Địa Xây Dựng: Kiến Thức Cơ Bản và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: Hướng Dẫn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: BIỂU DIỄN BỀ MẶT TRÁI ĐẤT
• 1.1. HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC CỦA TRÁI ĐẤT
• 1.1.1. Hình dạng của Trái Đất
• 1.1.2. Bề mặt Trái Đất qui ước
• 1.1.3. Kích thước Trái Đất
• 1.1.4. Ảnh hưởng của độ cong Trái Đất đến các yếu tố đo
• 1.1.4.1. Ảnh hưởng độ cong Trái Đất đến đo khoảng cách ngang
• 1.1.4.2. Ảnh hưởng độ cong Trái Đất đến đo cao
• 1.1.4.3. Ảnh hưởng độ cong Trái Đất đến đo góc
• 1.2. HỆ TOẠ ĐỘ DÙNG TRONG TRẮC ĐỊA
• 1.2.1. Khái niệm về phép chiếu dùng trong trắc địa
• 1.2.2. Phép chiếu hình trụ
• 1.2.3. Phép chiếu hình nón
• 1.2.4. Phép chiếu thẳng góc
• 1.2.5. Hệ tọa độ địa lý
• 1.2.5.1. Định nghĩa lưới kinh tuyến và vĩ tuyến
• 1.2.5.2. Tọa độ địa lý của một điểm
• 1.2.6. Phép chiếu Gauss
• 1.2.7. Phép chiếu UTM - Universal Transverse Mercator
• 1.2.8. Hệ tọa độ phẳng vuông góc hai chiều dùng trong trắc địa

Tóm tắt

I. Trắc địa xây dựng là gì Vai trò nền tảng trong mọi dự án

Trắc địa xây dựng, hay còn gọi là trắc đạc công trình, là một ngành khoa học ứng dụng chuyên nghiên cứu về các phép đo đạc chính xác trên bề mặt Trái Đất nhằm phục vụ cho công tác thiết kế, thi công và quản lý chất lượng công trình. Theo định nghĩa học thuật, "Trắc địa là môn khoa học nghiên cứu về các phép đo tiến hành trên bề mặt Trái Đất, nhằm xác định vị trí tương hỗ giữa các điểm" (Nguồn: Vũ Thặng, Trắc Địa, NXB Xây Dựng, 2013). Vai trò của nó không chỉ dừng lại ở việc đo đạc đơn thuần mà còn là nền tảng cốt lõi đảm bảo công trình được xây dựng đúng vị trí, kích thước, hình dạng và cao độ như hồ sơ thiết kế. Công tác này tham gia vào tất cả các giai đoạn của một dự án, từ việc khảo sát địa hình ban đầu để lập bản đồ, cho đến việc bố trí công trình ra thực địa, và cuối cùng là quan trắc lún, biến dạng và thực hiện đo vẽ hoàn công xây dựng. Sự chính xác của công tác trắc địa ảnh hưởng trực tiếp đến tính an toàn, ổn định và chi phí của toàn bộ dự án. Một sai sót nhỏ trong việc xác định mốc trắc địa hay định vị tim trục có thể dẫn đến những tổn thất lớn về kinh tế và thậm chí là an toàn lao động. Do đó, việc trang bị kiến thức cơ bản và nắm vững các nguyên lý đo đạc là yêu cầu bắt buộc đối với mọi kỹ sư trắc địa và kỹ sư xây dựng.

1.1. Định nghĩa khoa học về trắc địa công trình và vai trò

Theo tài liệu gốc, "Trắc địa là từ Hán Việt, nó mang hàm nghĩa là đo đất. Trắc là quan trắc, địa là đất". Về mặt khoa học, đây là lĩnh vực nghiên cứu các phương pháp đo đạc nhằm xác định vị trí, hình dạng, và kích thước của một phần bề mặt Trái Đất để biểu diễn trên bản đồ hoặc để chuyển các điểm từ thiết kế ra thực địa. Trong lĩnh vực xây dựng, trắc đạc công trình đóng vai trò xương sống, đảm bảo sự chính xác hình học cho mọi hạng mục. Nó đảm bảo công trình được đặt đúng tọa độ quy hoạch, các cấu kiện được lắp đặt đúng vị trí, và toàn bộ kết cấu tuân thủ nghiêm ngặt các thông số kỹ thuật. Vai trò này thể hiện xuyên suốt: giai đoạn chuẩn bị (cung cấp số liệu địa hình), giai đoạn thi công (dẫn hướng, kiểm tra), và giai đoạn nghiệm thu (xác nhận kết quả thi công).

1.2. Nhiệm vụ cốt lõi từ khảo sát địa hình đến thi công

Trắc địa xây dựng có hai nhiệm vụ chính được phân định rõ ràng. Nhiệm vụ thứ nhất là khảo sát địa hình, thực hiện trước giai đoạn thiết kế. Công tác này thu thập dữ liệu về mặt bằng và độ cao của khu vực dự án, từ đó thành lập bản đồ địa hình, bình đồ, và mặt cắt. Những tài liệu này là cơ sở không thể thiếu để các kỹ sư tiến hành thiết kế công trình. Nhiệm vụ thứ hai là bố trí công trình, diễn ra trong giai đoạn thi công. Đây là quá trình "mang thiết kế ra ngoài thực địa", chuyển các thông tin về vị trí, kích thước từ bản vẽ thành các điểm, các đường cụ thể tại hiện trường. Quá trình này bao gồm các công việc như định vị tim trục, dẫn cao độ san lấp, và kiểm tra hình học công trình, đảm bảo mọi thứ được xây dựng đúng như thiết kế.

II. Bí quyết kiểm soát sai số trong đo đạc để đảm bảo chính xác

Độ chính xác là yêu cầu sống còn trong trắc địa xây dựng. Mọi kết quả đo đạc đều tồn tại sai số, và việc hiểu rõ, kiểm soát chúng là kỹ năng cốt lõi của một kỹ sư trắc địa. Sai số trong đo đạc được phân thành ba loại chính: sai số sai lầm (do nhầm lẫn), sai số hệ thống (mang tính quy luật), và sai số ngẫu nhiên (không thể đoán trước). Sai số sai lầm có thể bị loại bỏ thông qua các biện pháp kiểm tra cẩn thận. Sai số hệ thống có thể được hiệu chỉnh hoặc giảm thiểu bằng cách thay đổi phương pháp đo. Sai số ngẫu nhiên, dù không thể triệt tiêu, nhưng tuân theo quy luật xác suất và có thể được hạn chế bằng cách đo lặp nhiều lần và lấy giá trị trung bình. Việc đánh giá độ chính xác của kết quả đo được thực hiện thông qua các chỉ tiêu như sai số trung phương. Hiểu biết về ảnh hưởng của độ cong Trái Đất, các yếu tố môi trường và đặc tính của thiết bị là cực kỳ quan trọng. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn trắc địa TCVN và áp dụng các phương pháp đo phù hợp sẽ giúp giảm thiểu sai số, đảm bảo kết quả nghiệm thu công tác trắc địa đạt yêu cầu kỹ thuật và mang lại sự an toàn tuyệt đối cho công trình.

2.1. Phân loại các sai số trong đo đạc hệ thống và ngẫu nhiên

Trong thực tế đo đạc, sai số được chia làm ba loại chính. Thứ nhất là sai số sai lầm, gây ra do sự thiếu cẩn thận của người đo như đọc nhầm số, ghi chép sai. Loại sai số này thường có giá trị lớn và có thể bị phát hiện, loại bỏ thông qua quy trình kiểm tra chéo. Thứ hai là sai số hệ thống, xuất hiện theo một quy luật nhất định do điều kiện đo, dụng cụ hoặc phương pháp. Ví dụ như thước thép bị giãn nở do nhiệt độ. Sai số này có thể được tính toán và hiệu chỉnh vào kết quả đo. Cuối cùng là sai số ngẫu nhiên, xuất hiện không theo quy luật do nhiều nguyên nhân không kiểm soát được. Đặc tính của sai số ngẫu nhiên là các giá trị sai số nhỏ xuất hiện nhiều hơn các giá trị lớn và tổng đại số của chúng tiến về 0 khi số lần đo đủ lớn. Đây là cơ sở của việc đo lặp nhiều lần để tăng độ chính xác.

2.2. Ảnh hưởng của độ cong Trái Đất đến các yếu tố đo đạc

Trên một phạm vi đủ lớn, việc coi bề mặt Trái Đất là mặt phẳng sẽ dẫn đến sai số đáng kể. Tài liệu "Trắc Địa" của Vũ Thặng chỉ rõ, độ cong Trái Đất ảnh hưởng đến cả ba yếu tố đo: khoảng cách, độ cao và góc. Khi đo khoảng cách, chiều dài cung trên mặt cong luôn lớn hơn chiều dài dây cung tương ứng. Tuy nhiên, trong phạm vi bán kính 10km, sai số này rất nhỏ và có thể bỏ qua đối với các cấp chính xác thông thường. Đối với đo cao, ảnh hưởng này rõ rệt hơn; ở khoảng cách 100m, chênh lệch độ cao do độ cong Trái Đất đã là 1mm. Do đó, trong đo cao hình học, việc cân bằng khoảng cách từ máy đến mia trước và mia sau là bắt buộc để tự động triệt tiêu sai số này. Về đo góc, tổng các góc trong của một đa giác trên mặt cầu luôn lớn hơn 180 độ, nhưng ảnh hưởng này chỉ đáng kể với các khu vực có diện tích rất lớn.

III. Hướng dẫn các thiết bị trắc địa xây dựng cốt lõi và nguyên lý

Để thực hiện các nhiệm vụ của trắc địa xây dựng, các kỹ sư cần sử dụng thành thạo nhiều loại máy móc, thiết bị chuyên dụng. Mỗi thiết bị có một công năng và nguyên lý hoạt động riêng, phù hợp với các yêu cầu độ chính xác khác nhau. Phổ biến và quan trọng nhất là máy toàn đạc điện tử (Total Station), một thiết bị đa năng có khả năng đo góc và đo cạnh với độ chính xác rất cao, đồng thời tích hợp bộ vi xử lý để tính toán và lưu trữ dữ liệu trực tiếp tại hiện trường. Bên cạnh đó, máy thủy bình (Level) là công cụ không thể thiếu trong công tác đo chênh cao, đặc biệt là trong việc dẫn truyền cao độ, kiểm tra cao độ san lấp và quan trắc lún. Gần đây, với sự phát triển của công nghệ, hệ thống định vị vệ tinh GPS RTK trong xây dựng ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Công nghệ này cho phép xác định tọa độ điểm với độ chính xác đến centimet trong thời gian thực, giúp đẩy nhanh tiến độ các công tác khảo sát, bố trí mặt bằng và tính toán khối lượng đào đắp. Việc hiểu rõ nguyên lý, quy trình kiểm nghiệm và hiệu chỉnh các thiết bị này là điều kiện tiên quyết để đảm bảo chất lượng công tác đo đạc.

3.1. Máy toàn đạc điện tử đo góc và cạnh với độ chính xác cao

Máy toàn đạc điện tử là sự kết hợp giữa một máy kinh vĩ điện tử và một bộ đo dài điện quang (EDM). Nguyên lý đo đạc của máy dựa trên việc phát ra một chùm tia hồng ngoại hoặc laser đến một gương phản xạ đặt tại điểm cần đo. Thời gian tia đi và về được đo lại và chuyển đổi thành khoảng cách. Đồng thời, hệ thống mã hóa góc điện tử sẽ ghi nhận góc ngang và góc đứng của tia ngắm. Với khả năng này, máy có thể xác định tọa độ (X, Y, Z) của một điểm bất kỳ trong không gian so với vị trí đặt máy. Các máy hiện đại còn được trang bị phần mềm trắc địa cài sẵn, có khả năng tự động thực hiện các bài toán như giao hội, bố trí điểm, đo khoảng cách gián tiếp, giúp tăng năng suất và giảm thiểu sai sót do tính toán thủ công.

3.2. Máy thủy bình công cụ không thể thiếu trong việc đo chênh cao

Máy thủy bình là thiết bị chuyên dụng để đo chênh lệch độ cao giữa các điểm theo nguyên lý đo cao hình học. Cấu tạo cốt lõi của máy là một ống ngắm có thể quay quanh một trục thẳng đứng và một hệ thống tự động cân bằng (hoặc ống thủy dài) để đảm bảo tia ngắm luôn nằm ngang. Khi kết hợp với một thước đo thẳng đứng gọi là mia, máy thủy bình cho phép đọc được chiều cao từ điểm đặt mia đến tia ngắm. Chênh lệch độ cao giữa hai điểm được xác định bằng hiệu số đọc trên mia tại hai điểm đó. Máy thủy bình là công cụ chủ lực trong việc thành lập lưới độ cao, dẫn truyền cao độ thi công, kiểm tra độ phẳng của sàn, và đặc biệt là công tác quan trắc lún công trình, nơi đòi hỏi độ chính xác đến milimet.

IV. Phương pháp đo đạc cơ bản trong trắc địa xây dựng hiện đại

Việc nắm vững các phương pháp đo đạc là yếu tố quyết định đến sự thành công của công tác trắc địa xây dựng. Các phương pháp này được xây dựng dựa trên các nguyên lý đo đạc hình học và lượng giác. Phương pháp tọa độ cực là phương pháp phổ biến nhất để xác định vị trí điểm, dựa trên việc đo một góc và một cạnh từ một điểm đã biết tọa độ. Đây là nguyên lý hoạt động chính của máy toàn đạc điện tử. Bên cạnh đó, các phương pháp giao hội (giao hội góc, giao hội cạnh) cũng thường được sử dụng để xác định vị trí các điểm khó tiếp cận. Đối với công tác xác định cao độ, phương pháp đo cao hình học sử dụng máy thủy bình cho độ chính xác cao nhất và thường được dùng để xây dựng lưới độ cao khống chế. Trong khi đó, phương pháp đo cao lượng giác, tính toán chênh cao dựa vào góc đứng và khoảng cách, lại linh hoạt hơn và phù hợp cho công tác đo vẽ chi tiết địa hình. Nền tảng của mọi công tác đo đạc chi tiết là hệ thống lưới khống chế mặt bằng và độ cao, được xây dựng theo nguyên tắc "từ tổng thể đến chi tiết, từ độ chính xác cao đến thấp" để hạn chế sự tích lũy sai số.

4.1. Kỹ thuật đo góc bằng và đo góc đứng bằng máy kinh vĩ

Đo góc là một trong những tác nghiệp cơ bản nhất. Góc bằng được định nghĩa là góc nhị diện của hai mặt phẳng thẳng đứng đi qua hai tia ngắm. Để loại trừ các sai số hệ thống của máy (như sai số 2c, sai số mo), kỹ thuật đo góc tiêu chuẩn yêu cầu thực hiện đo ở cả hai vị trí bàn độ (thuận kính và đảo kính), sau đó lấy kết quả trung bình. Khi một trạm đo có nhiều hướng ngắm, phương pháp đo toàn vòng được áp dụng để tăng cường độ chính xác và có số liệu kiểm tra. Tương tự, góc đứng (góc nghiêng hoặc góc thiên đỉnh) cũng được đo ở cả hai vị trí bàn độ để loại trừ sai số chỉ tiêu của bàn độ đứng. Nắm vững kỹ thuật này là điều kiện cơ bản để sử dụng máy toàn đạc điện tử hiệu quả.

4.2. Nguyên tắc thành lập lưới khống chế mặt bằng và độ cao

Lưới khống chế là một hệ thống các mốc trắc địa có tọa độ và độ cao được xác định với độ chính xác cao, đóng vai trò là khung tham chiếu cho mọi hoạt động đo đạc chi tiết sau này. Lưới khống chế mặt bằng thường được phát triển dưới dạng các chuỗi tam giác, đường chuyền đa giác hoặc các mạng lưới tự do, liên kết các điểm với nhau bằng các phép đo góc và cạnh. Lưới khống chế độ cao được thành lập bằng các tuyến đo cao hình học khép kín hoặc tựa vào các mốc quốc gia. Nguyên tắc vàng khi xây dựng lưới là phải đi từ cấp cao (độ chính xác cao, cạnh dài, mật độ thưa) đến cấp thấp (độ chính xác thấp hơn, cạnh ngắn, mật độ dày). Điều này đảm bảo sai số được khống chế trong từng cấp và không bị lan truyền, tích lũy ra toàn bộ khu vực đo.

V. Ứng dụng thực tiễn của trắc địa xây dựng trong mọi dự án

Ứng dụng của trắc địa xây dựng hiện diện trong toàn bộ vòng đời của một dự án, từ ý tưởng ban đầu đến khi đưa vào sử dụng và bảo trì. Ở giai đoạn chuẩn bị dự án, công tác khảo sát địa hình cung cấp dữ liệu đầu vào không thể thiếu để lập quy hoạch và thiết kế. Kết quả là các bản đồ địa hình chi tiết, thể hiện chính xác đặc điểm bề mặt khu vực xây dựng. Trong giai đoạn thi công, trắc địa đóng vai trò dẫn đường, đảm bảo công trình được xây dựng đúng vị trí. Các công việc chính bao gồm định vị tim trục của công trình, cọc móng; triển khai cao độ san lấp, cao độ thi công các tầng; kiểm tra độ thẳng đứng của cột, vách và độ phẳng của sàn. Sau khi thi công hoàn tất, giai đoạn hoàn thiện và nghiệm thu lại cần đến trắc địa để thực hiện đo vẽ hoàn công xây dựng, ghi nhận lại chính xác kích thước, vị trí thực tế của công trình. Đối với các công trình quan trọng, công tác quan trắc lún và biến dạng được thực hiện định kỳ để theo dõi sự ổn định, đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.

5.1. Giai đoạn thi công định vị tim trục và bố trí công trình

Đây là ứng dụng quan trọng và phổ biến nhất của trắc địa tại công trường. Sau khi có hồ sơ thiết kế, nhiệm vụ của kỹ sư trắc địa là chuyển các đường trục, các điểm góc của công trình từ bản vẽ ra thực địa. Quá trình này được gọi là bố trí công trình. Công việc bắt đầu bằng việc định vị tim trục chính. Từ các trục chính này, các trục chi tiết, vị trí cột, móng, tường... sẽ được triển khai bằng các phương pháp tọa độ cực, giao hội hoặc tọa độ vuông góc. Độ chính xác của công tác này là cực kỳ quan trọng, bởi nó quyết định vị trí móng, khung kết cấu của toàn bộ công trình. Các điểm trục sau khi bố trí phải được cố định bằng các mốc trắc địa tạm thời hoặc gửi ra ngoài phạm vi thi công để có thể khôi phục khi cần.

5.2. Giai đoạn hoàn thiện đo vẽ hoàn công và quan trắc lún

Sau khi công trình được xây dựng xong, công tác đo vẽ hoàn công xây dựng được tiến hành. Mục đích là đo đạc, kiểm tra lại toàn bộ kích thước hình học và vị trí thực tế của các hạng mục công trình so với thiết kế. Bản vẽ hoàn công là tài liệu pháp lý quan trọng để nghiệm thu và là cơ sở dữ liệu cho việc quản lý, vận hành, sửa chữa công trình sau này. Song song với đó, đối với các công trình lớn, có tải trọng nặng hoặc xây dựng trên nền đất yếu, công tác quan trắc lún là bắt buộc. Các mốc quan trắc được gắn vào các vị trí trọng yếu của kết cấu (móng, cột). Độ cao của các mốc này được đo đạc định kỳ bằng phương pháp đo cao hình học chính xác cao để theo dõi tốc độ và độ lún tổng thể, từ đó đánh giá sự ổn định của công trình.