(高級技師)公路施工控制網(wǎng)布設(shè)與研究

1、 摘要施工測量的主要任務(wù)是將圖紙上設(shè)計的建筑物放樣到實地上去.對于不同的工程來說施工測量的具體任務(wù)也不同.例如隧道施工測量的主要任務(wù)是保證對向開挖的隧道能按照規(guī)定的精度貫通并使各建筑物按照設(shè)計的位置修建;放樣過程中儀器所標出的方向距離都是依據(jù)控制網(wǎng)和圖紙上設(shè)計的建筑物計算出來的.因而在施工放樣之前需建立具有必要精度的施工控制網(wǎng).在工程竣工后的運營階段建立以監(jiān)視建筑物變形為目的的變形觀測專用控制網(wǎng)。因此，無論是在公路施工測量，鐵路施工測量還是其結(jié)構(gòu)圖物的施工測量中，布設(shè)一套精密實用的施工控制網(wǎng)是整個施工測量中的重中之重。關(guān)鍵詞：控制網(wǎng)；坐標系；精度；布設(shè)方案；優(yōu)化；外業(yè)；內(nèi)業(yè)第一章 緒論GPs測

2、量技術(shù)的迅速發(fā)展和應用，解決了困難地區(qū)的點位定位。在進行城市控制網(wǎng)的改造和重建中，已知孤立點(相互不通視)明顯增多，而這些點可以作為導線網(wǎng)的已知點，通過導線把它們連接起來，構(gòu)成無定向附合導線網(wǎng)，同樣可以滿足加密控制網(wǎng)的布設(shè)要求。這種無定向附合導線網(wǎng)不用測定連接角，已知點之間無需通視(兩個以上已知點即可)，布設(shè)靈活方便。在城市工業(yè)區(qū)，隱蔽的林區(qū)，井下各坑道等通視條件困難的地區(qū)布設(shè)這種導線網(wǎng)，優(yōu)點尤為突出，而且應用日趨廣泛。因此，在地形測量，工程測量和地籍測量的控制測量中有望廣泛應用。這種導線網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理用常規(guī)的導線數(shù)據(jù)處理方法不可行。本文針對這些情況，系統(tǒng)地討論了無定向?qū)Ь€網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理方法和相應

3、的軟件編制，以適應具體網(wǎng)形數(shù)據(jù)處理的需要。目前國內(nèi)把工程建設(shè)有關(guān)的工程測量按勘測設(shè)計、施工建設(shè)和運行管理三個階段劃分;也有按行業(yè)劃分成:線路(鐵路、公路等)工程測量、水利工程測量、橋隧工程測量、建筑工程測量、礦山測量、海洋工程測量、軍事工程測量、三維工業(yè)測量等,幾乎每一行業(yè)和工測量都有相應的著書或教材。 第二章 施工平面控制網(wǎng)的布設(shè)21 控制網(wǎng)的布設(shè)原則控制測量包括平面控制測量和高程控制測量，稱測定點位的(x,y)坐標為平面控制測量，測定點位的H坐標為高程控制測量。國家控制網(wǎng)是指在全國范圍內(nèi)建立的控制網(wǎng)。國家控制網(wǎng)是用精密測量儀器和方法依照國家三角測量和精密導線測量規(guī)范、全球定位系統(tǒng)(GPS)

4、測量規(guī)范、國家一、二等水準測量規(guī)范及國家三、四等水準測量規(guī)范按一、二、三、四等四個等級、由高級到低級逐級加密點位建立的。國家平面控制測量；我國的國家平面控制網(wǎng)(horizontal control network)是采用逐級控制、分級布設(shè)的原則，分一、二、三、四等方法建立起來的。 經(jīng)典方法主要由三角測量(triangulation)法、導線測量(traverse survey)法。另外，還有衛(wèi)星大地測量，如GPS衛(wèi)星定位。一等三角鎖(triangulation chain)沿經(jīng)線和緯線布設(shè)成縱橫交叉的三角鎖系，鎖長200250公里，構(gòu)成許多鎖環(huán)。構(gòu)成國家平面控制網(wǎng)的骨干。一等三角鎖內(nèi)由近于等邊

5、的三角形組成，邊長為2030公里。 二等三角測量有兩種布網(wǎng)形式，一種是由縱橫交叉的兩條二等基本鎖將一等鎖環(huán)劃分成4個大致相等的部分，這4個空白部分用二等補充網(wǎng)填充，稱縱橫鎖系布網(wǎng)方案；另一種是在一等鎖環(huán)內(nèi)布設(shè)全面二等三角網(wǎng)(triangulation network)，稱全面布網(wǎng)方案。二等基本鎖的邊長為2025公里，二等網(wǎng)的平均邊長為13公里。一等鎖的兩端和二等網(wǎng)的中間，都要測定起算邊長、天文經(jīng)緯度和方位角。小地區(qū)控制網(wǎng)：面積10平方公里以下，盡量與國家和城市控制聯(lián)測，亦可建立獨立的控制網(wǎng)，在平面控制中采用直角坐標系，高程控制中采用黃海高程系統(tǒng)或1985國家高程系統(tǒng)。公路工程平面控制網(wǎng)：常規(guī)方

6、法為三角測量或?qū)Ь€測量等，另外，現(xiàn)在逐漸采用三邊測量和GPS測量。施工控制網(wǎng)的布設(shè)，應根據(jù)總平面設(shè)計和施工地區(qū)的地形條件來確定。對于起伏較大的山嶺地區(qū)（如水利樞紐）及跨越江河的工程（如大橋），一般可以采用三角測量（或邊角測量）的方法建網(wǎng)。對于地形平坦但通視比較困難的地區(qū)，例如擴建和改建的工業(yè)場地，則可采用導線網(wǎng)；而對于建筑物多為矩形的且布置比較規(guī)則和密集的工業(yè)場地，亦可將施工控制網(wǎng)布置成規(guī)則的矩陣格網(wǎng)，即所謂建筑格網(wǎng)。在建立控制網(wǎng)時要保證分級布網(wǎng)、逐級控制，要有足夠的精度和足夠的密度，并且要有統(tǒng)一的規(guī)格。在公路測量時，建立控制網(wǎng)時亦應遵守下列布網(wǎng)原則。 (1) 分級布網(wǎng)逐級控制，對于控制網(wǎng)先布

7、設(shè)要求較高的首級控制網(wǎng)，然后再對下一級控制網(wǎng)進行加密。(2) 要有足夠的精度，工程控制網(wǎng)中若測圖比例尺越大控制點的精度要求越高。其精度按01mm制圖精度控制。根據(jù)工程實際情況需要只要達到規(guī)定精度即可，也保證測量的簡單計算方便。(3) 公路施工中的控制網(wǎng)要有足夠的精度，控制點的密度要根據(jù)測圖方法及測圖比例尺的大小決定，控制點要足夠多且在帶狀地形圖的范圍內(nèi)。 2 .2控制網(wǎng)的布設(shè)方案在我國目前測距儀使用比較普遍的情況下，由于電磁波測距既方便實用又方便經(jīng)濟，因此電磁波測距導線已上升為比較重要的地位。如下表2-1中電磁波測距導線共分5個等級，其中的三、四等導線與三、四等三角網(wǎng)屬于同一個等級。這5個等級

8、的導線均可作為某個測區(qū)的首級控制。電磁波測距導線的主要技術(shù)要求如下表2-1。2.2.1控制點選位由于導線網(wǎng)中各點上的方向數(shù)較少，除結(jié)點外只有兩個方向，因而受通視限制較少，易于選點和降低覘標高度，甚至無須造標。導線網(wǎng)的圖形非常靈活，選點時可根據(jù)具體情況隨時改變。網(wǎng)中的邊長都是直接測定的，因此邊長的精度較均勻。但是導線網(wǎng)中多余觀測數(shù)較同樣規(guī)模的三角網(wǎng)較少，有時不易發(fā)現(xiàn)觀測值中的粗差，因而可靠性不高。2.2.2導線初測的技術(shù)要求當初測導線與國家控制點聯(lián)測進行角度檢核時，角度閉合差小于表2-2的數(shù)值也通常不需要平差，而是利用坐標增量閉合差對導線角進行改正調(diào)整角度閉合差，用平差后的角度來計算坐標增量。水

9、準點高程控制網(wǎng)一般采用水準方法建立，水準測量的等級分為二、三、四等，各水準等級的精度指標基本上與國家規(guī)范一致，對于大多數(shù)的測區(qū)，可以用三等水準測量建立首級控制，只有當測區(qū)很大時或者大中城市中才需布設(shè)二等水準網(wǎng)。首級控制網(wǎng)的圖形與等級的選擇，可按水準網(wǎng)中互為最遠點的高差中誤差不超過±3cm左右進行估算確定。加密網(wǎng)中附和水準線路的長度則可以按線路中最弱點(相對于高級點而言)的高程中誤差不超過±3cm來進行估算確定。測量應于國家水準點或相當于國家等級的水準點聯(lián)測。2.3 平面控制網(wǎng)坐標系選擇的原則 (1)平面控制網(wǎng)的坐標系統(tǒng)應滿足在主要測區(qū)內(nèi)的投影長度變形值不大于25cmkm為原

10、則。當投影長度變形值不大于25cmkm時采用統(tǒng)一的高斯正形投影 3。帶平面直角坐標系，其主子午線經(jīng)度自東往西每隔 3。為一帶至東經(jīng) 180。 (2)當平面控制網(wǎng)的坐標系統(tǒng)在主要測區(qū)內(nèi)的投影長度變形值大于25cmkm時，采用正形投影任意平面坐標系統(tǒng)。投影面可采用 1986年國家高程基準面或測區(qū)平均高程面獨立系統(tǒng)，在已有平面控制網(wǎng)的地區(qū)應盡量沿用原有的坐標系統(tǒng)。城鎮(zhèn)采用投影于抵償高程面上的高斯正形投影的3。帶上，其上投影面可采用黃海高程系統(tǒng)或城市平均高程面。S<25km2時城鎮(zhèn)可不經(jīng)投影采用高斯平面系統(tǒng)而直接計算。第三章 施工控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計理論和方法 施工控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計方法有解析法和模擬法

11、兩種。解析法是基于優(yōu)化設(shè)計理論構(gòu)造目標函數(shù)和約束條件，解求目標函數(shù)的極大值或極小值。一般將網(wǎng)的質(zhì)量指標作為目標函數(shù)或約束條件。網(wǎng)的質(zhì)量指標主要有精度、可靠性和建網(wǎng)費用，對于變形監(jiān)測網(wǎng)還包括網(wǎng)的靈敏度或可區(qū)分性。對于網(wǎng)的平差模型而言，按固定參數(shù)和待定參數(shù)的不同，網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計又分為零類、一類、二類和三類優(yōu)化設(shè)計，涉及到網(wǎng)的基準設(shè)計，網(wǎng)形、觀測值精度以及觀測方案的設(shè)計。在工程測量中， 施工 控制網(wǎng)、安裝控制網(wǎng)和變形監(jiān)測網(wǎng)都需要作優(yōu)化設(shè)計。由于采用GPS定位技術(shù)和電磁波測距，網(wǎng)的幾何圖形概念與傳統(tǒng)的測角網(wǎng)有很大的區(qū)別。除特別的精密控制網(wǎng)可考慮用專門編寫的解析法優(yōu)化設(shè)計程序作網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計外，其他的網(wǎng)都可

12、用模擬法進行設(shè)計。模擬法優(yōu)化設(shè)計的 軟件功能和進行優(yōu)化設(shè)計的步驟主要是：根據(jù)設(shè)計資料和地圖資料在圖上選點布網(wǎng)，獲取網(wǎng)點近似坐標(最好將資料作數(shù)字化掃描并在微機上進行)。模擬觀測方案，根據(jù)儀器確定觀測值精度，可進一步模擬觀測值。計算網(wǎng)的各種質(zhì)量指標如精度、可靠性、靈敏度。精度應包括點位精度、相鄰點位精度、任意兩點間的相對精度、最弱點和最弱邊精度、邊長和方位角精度。進一步可計算坐標未知數(shù)的協(xié)方差陣或部分點坐標的協(xié)方差陣，協(xié)方差陣的主成份計算，特征值計算，點位誤差橢圓、置信橢圓的計算等?？煽啃园總€觀測值的多余觀測分量(內(nèi)部可靠性)和某一觀測值的粗差界限值對平差坐標的影響(外部可靠性)。靈敏度包括

13、靈敏度橢圓、在給定變形向量下的靈敏度指標以及觀測值的靈敏度影響系數(shù)。將計算出的各質(zhì)量指標與設(shè)計要求的指標比較，使之既滿足設(shè)計要求，又不致于有太大的富余。通過改變觀測值的精度或改變觀測方案(增加或減少觀測值)或局部改變網(wǎng)形(增加或減少網(wǎng)點)等方法重新作上述設(shè)計計算，直到獲取一個較好的結(jié)果。第四章 導線測量的內(nèi)、外業(yè)工作外業(yè)工作：踏勘選點及建立標志、測邊、測角和聯(lián)系測量。41  踏勘選點及建立標志411選點：在測區(qū)內(nèi)選定控制點（導線點）412步驟：收集資料（測區(qū)舊地形圖、高級點的分布情況）規(guī)劃初步方案（在舊圖上規(guī)劃導線走向，圈出點位、確定導線形式）實地踏勘（實地定點，能滿足測圖和工程的需

14、要，少而精，控制全局） 4.1.3選點的原則：（1）便于測角、量邊（通視）。（2）便于測圖和放樣。（3）便于保存點位和安置儀器。（4）導線邊長應按參照規(guī)定，最長不超過平均邊長的2倍，相鄰邊長盡量不使其長短相差懸殊。（5） 路線平面控制應沿路線布設(shè)，距離中線位置應大于50m且小于300。（6） 在橋梁兩岸、隧道進出口、附近均應設(shè)置導線點。 4.1.4建立標志：（1）臨時點：導線點位選定后，在泥土地面上，要在點位上打一木樁，樁頂釘上一小釘，作為臨時性標志；在碎石或瀝青路面上，可以用頂上鑿有十字紋的大鐵釘代替木樁；在混凝土場地或路面上，可以用鋼鑿鑿一十字紋，再涂上紅油漆使標志明顯

15、（2）長期點：若導線點需要長期保存，則可以埋設(shè)混凝土導線點標石。導線點埋設(shè)后，為便于觀測時尋找?？梢栽邳c位附近房角或電線桿等明顯地物上用紅油漆標明指示導線點的位置。應為每一個導線點繪制一張點之記(description of station) 。 42 測邊421鋼尺量距：需往返測。422光電測距43  測角導線轉(zhuǎn)折角(traverse angle)有左角和右角之分。在導線前進方向左側(cè)的水平角稱為左角，右側(cè)的水平角稱為右角。閉合導線一般測其內(nèi)角，在公路測量中，附和導線一般測右角，注意全線應統(tǒng)一。各等級的導線測角要求，應滿足規(guī)范。圖根導線(mapping traverse)的轉(zhuǎn)折角可以

16、用DJ6經(jīng)緯儀測回法觀測一測回44 聯(lián)系測量平面控制網(wǎng)的必要起算數(shù)據(jù)是一個點的坐標和一條邊的坐標方位角。起算數(shù)據(jù)可以通過與國家和城市控制網(wǎng)聯(lián)測獲得。導線聯(lián)測為測定聯(lián)接角和聯(lián)接邊。測量方法同導線。聯(lián)接角：導線邊和已知邊的水平夾角。聯(lián)接邊：導線點和已知點的連線。45  定向在新布設(shè)的平面控制網(wǎng)中，至少需要已知一條邊的坐標方位角才可以確定控制網(wǎng)的方向，簡稱定向(orientation)；至少需要已知一個點的平面坐標才可以確定控制網(wǎng)的位置，簡稱定位。如果測區(qū)沒有已知高級控制點，則可用羅盤儀測定導線起始邊方位角和假設(shè)起始點坐標。  導線測量的內(nèi)業(yè)工作46 整理外業(yè)資料計算之前，全面檢

17、查外業(yè)測量記錄，數(shù)據(jù)是否齊全，有無遺漏、記錯或算錯，成果是否符合規(guī)范的要求。檢查無誤后，就可以繪制導線略圖，將已知數(shù)據(jù)和觀測成果標注于圖，以便計算。47 計算導線坐標的步驟（1）計算角度閉合差。（2）推算其他導線邊的坐標方位角。（3）計算各導線邊的坐標增量。（4）計算各導線點坐標。第五章 舉例說明施工控制網(wǎng)在公路橋梁中的應用51 工程概況        S250省道邳州南端是與原有出省通道蒼邳公路、250省道宿遷段合并為一條南北向干線道路，北起蒼山縣，南至江蘇省宿遷市西環(huán)路，全長98km，規(guī)劃一級公路標準，編號為S250。該

18、公司所監(jiān)理的標段是A1A3標，全長19.3km。     5.1.1 平面線形設(shè)計根據(jù)初步設(shè)計審查會議紀要，設(shè)計速度為100km/h，平面線形布設(shè)在盡量避免穿越村莊、良田、工廠、高壓電線的情況下，采用較高的平面線形指標，以保持線形的順暢。  5. 1.2 平面主要控制點        蒼邳公路：蒼邳公路為出省通道，北接山東，是本次設(shè)計的起點，路線與之平面交叉，交角為90°110千伏高壓線，路線在K2+720處與之相交，交角為90°鐵塔外

19、緣距公路用地界距離約100m。東耿埠、和莊：路線在跨越京杭運河后，以R=1800m的圓曲線半徑穿過東耿埠、和莊的空隙，最大限度的減少拆遷。220千伏高壓線：路線在K9+370處與之相交，交角為86°，鐵路外緣距公路用地界距離約150m。舊路改造段：K12+800K17+700為舊路改造段，為最大限度的利用舊路資源，本次改造對平面線形未做大的調(diào)整，采用左幅單側(cè)拼寬的改造方案。邳土公路：路線在K17+727處與之相交，交角為91°。     5.2 放樣的發(fā)展階段     

20、60;  5.2.1 傳統(tǒng)階段        在傳統(tǒng)的工程放樣方法中，必須求出設(shè)計圖中的放樣點或線相對于控制網(wǎng)或原有建筑的相互關(guān)系，即求出其間的角度及間距和高程，這些數(shù)據(jù)稱為放樣數(shù)據(jù)。然后按照放樣數(shù)據(jù)利用傳統(tǒng)光學經(jīng)緯儀、皮尺、鋼尺、水準儀等工具測設(shè)出點位和高程。通常，測設(shè)點和高程是分開進行的。測設(shè)點位的常用方法有：直角坐標法，極坐標法、角度交會法和距離交會法等。高程放樣最常用的是幾何水準測量，對于工程精度要求稍低的，可用鋼卷尺直接丈量或用三角高程測量等方法。    5. 2.

21、2 坐標放樣階段        隨著光電測距儀的發(fā)展，出現(xiàn)了一種測濾頭，可以直接安置到傳統(tǒng)經(jīng)緯儀的上面，這樣裝置曾戲稱“半站儀”。從而實現(xiàn)了同時測角和量距的任務(wù)，再結(jié)合計算器就可即時計算出所測設(shè)點的坐標，出現(xiàn)了坐標放樣法。坐標放樣法克服了傳統(tǒng)方法中的求取放樣數(shù)據(jù)的麻煩工序，直接獲取放樣點的坐標就可以放樣出設(shè)計點。        5.3 放樣方法       5. 3.1 直角坐標法（切線

22、支距法）        直角坐標法放樣是利用點位之間的坐標增量及其直角關(guān)系進行點位放樣的方法，它是以曲線起點ZY或終點YZ為坐標原點，以切線為x軸，以過原點的半徑為y軸，根據(jù)曲線上各點的坐標（x,y）進行測設(shè)。 沿切線方向，由ZY或YZ開始用卷尺量取x值，得到垂足點；在各垂足點作垂線方向量取y值，即可定出曲線點。在測設(shè)時，可量所定各點弦長進行校核。 此方法簡單，誤差不積累，但是不能發(fā)現(xiàn)中間點的測量誤差，因此僅適用于平坦、開闊地區(qū)，適用于短距離、小轉(zhuǎn)交的線型。     5.3.

23、2 極坐標法（偏角法）        極坐標法放樣是利用點位之間的邊長和角度關(guān)系進行放樣的方法，它是以曲線起點ZY或終點YZ至曲線任一點Pi的弦線與切線之間的弦切角i和弦長Ci來確定點Pi的位置。 此方法有校核、精度高、適用性較強，但是誤差累積，所以在測設(shè)時要注意經(jīng)常校核，因此使用于山區(qū)。    5.3.3 全站坐標法        全站坐標法放樣是利用點位設(shè)計坐標以全站測量技術(shù)進行點位放樣的方法。全站坐標法的放樣技術(shù)要點，即利用全站測量技術(shù)，測量初估點位，把直接得到的點位坐標與設(shè)計點位坐標比較，二者相等則定初估點位為測設(shè)的點位。一般全站儀或GPS接收機都有全站坐標法測設(shè)功能。    5. 3.4 角度交會法        角度交會法放樣是利用點位之間的角度關(guān)系進行點位放樣的方法。此計算方法簡便、快速，交會測設(shè)點位時靈活方便，測設(shè)的速度較快，精度也較高，需有一個可編程序計算器和兩臺經(jīng)緯儀，但