工程施工测量技术讲座

一、工程测量的内容与流程 兰新铁路工程测量包括线下工程测量和无砟轨道测量两大部分的内容，根据我项目部目前的实际情况，本讲义重点介绍线下工程测量的内容。兰新铁路具体测量流程如下图所示意：交接桩施工复测监理确认现场放样测量编制加密控制点方案复核设计图纸控制点检核线下工程竣工测量变形监测CPIII基桩控制网测量加密基桩测量轨道安装测量轨道铺设竣工测量建立维护基桩变形监测控制点加密测量线下工程施工测量无砟轨道测量路基施工放样桥涵施工放样隧道施工放样复核设计图纸 兰新铁路工程测量具有精度要求高的特点，而不同于普通铁路工程测量，现场测量技术人员应充分理解兰新铁路工程测量的具体内容，根据不同阶段对控制点精度的要求，采取相应的测量仪器、测量方法、精度等级进行施工测量。二、交接桩和施工复测1、交接桩的程序与内容交接桩由建设单位组织，设计单位、监理单位、施工单位参加，以现场点交控制点的形式交接。与设计单位进行现场交接桩时应交接的控制点包括CPI、CPII平面控制点、二等精密水准点。现场控制点交接完后还应进行测量资料的交接，包括：CPI、CPII平面控制点坐标及点之记；水准点高程成果及点之记；中线逐桩坐标；曲线要素表；断链表。与设计单位交接桩后，交接的桩点、资料应办理书面记录、各方签字存档。2、施工复测2.1施工复测的内容交接桩完成后应立即使安排测量人员对设计单位所交的控制点逐桩进行复测，复测的内容包括全管段CPI、CPII平面控制点、二等精密水准点。2.2施工复测的精度要求复测的方法和精度要求应满足客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定铁建设2006189号的要求。CPI控制点应按B级GPS测量的技术要求进行复测， CPII控制点可以采用C级GPS测量或四等导线测量的方法进行复测，水准点应采用几何水准测量的方法按二等精密水准测量的方法进行复测。2.3施工复测对测量仪器精度的要求（1）CPI控制点复测应使用双频率GPS接收机，GPS接收机标称精度不应低于5mm+1ppm。（2）CPII控制点复测采用GPS测量的方法施测时，可采用双频或单频GPS接收机，GPS接收机标称精度不应低于5mm+1ppm；当采用导线测量的方法施测时，测量使用的全站仪测角标称精度不应低于2，测距标称精度不应低于2mm+ 2ppm。（3）二等精密水准点复测使用的水准仪器精度等级不应低于DS1，即标称每公里高差偶然中误差不应大于1mm，并采用配套的因瓦水准尺，分体式水准仪必须使用配套的测微器。2.4施工复测的测量限差（1）CPI控制点的复测应满足X、Y复测坐标与设计坐标之差不大于20mm的要求。（2）CPII控制点复测应满足如下精度要求：当采用导线法复测时：水平角差值导线方位角闭合差距离（mm）导线长度闭合差5521/40000注：为导线测站数，为仪器标称精度。当采用GPS测量复测时：由于客运专线无碴轨道铁路工程测量测量暂行规定铁建设2006189号中没有明确给出CPII控制点采用GPS复测的限差指标，根据第一次复测成果评审时专家组的要求，参照CPI控制点的复测的限差指标，也按X、Y复测坐标与设计坐标之差不大于20mm的要求进行控制。（3）水准点复测的限差指标二等（mm）精密水准（mm）三等（mm）四等（mm）6122030注：L为测段长度，单位为km 。2.5复测结论当复测各项精度指标满足上述精度要求时，应采用设计成果作为施工依据，当发现精度指标超出限差要求时应重新对超限的控制点进行复测确认，确认控制点发生位移或沉降不能满足精度要求时，应及时同业主、监理、设计院研究解决。2.6与相邻标段的搭接测量施工复测时，应向相邻标段至少延伸测量两个平面控制点和一个水准点，确保交界段中线、高程搭接正确；三、施工控制点加密测量一般，设计单位布设一对CPI控制点间距约为4km，相邻CPII控制点间距约为1km，相邻水准点间距约为2km，这样的点位密度还不能完全满足线下工程施工放样的需要，因此需要在设计单位布设的控制点基础上进行控制点加密测量。1、加密控制点的布置与埋设1.1平面控制点的选布加密桩选点时应充分利用设计单位的CPI、CPII控制点，并结合施工放样的要求，加密点应按少而精的选择选布。加密点应选埋在便于施工放样和保存的地方，应在设计单位的CPI或者CPII控制点间进行加密，两相邻加密点间的距离不应短于300米；相邻点之间要求通视，如采用GPS测量，加密点应埋设在开阔地带，远离高压线、发射塔、树木、房屋等遮盖物。选点位置直接影响GPS测量的观测质量，点位务必选在高度角15以上无障碍物遮挡的地方。1.2加密水准点的选布平面控制点加密点应与水准点加密点结合布设，加密水准点应埋设稳固，位置应避开大型车辆碾压的地方，水准点加密测量应按附合水准路线在设计水准基点间进行加密1.3加密点的埋设客运专线施工工期较长，为保证控制点长期保存，避免锈蚀，加密点标心应采用不锈钢桩头，十字丝刻划，标石采用混凝土现场浇注，标石面规格为40cm 40cm。1.4加密点名命名原则（1）平面控制点命名原则为便于数据管理，防止加密点点名命名重复，在使用时造成混淆，以距离设计单位CPI、CPII点最近的的点名为基础，点名加后缀，如在某个设计控制点附近加密两个点，第一个点名后缀为“-1”，第二个点名后缀为“-2”，依次类推，点名应标识清楚，便于识别和保存。（2）水准点命名原则单独埋设的水准点，点名前应冠以“BM”。2、平面控制点加密技术要求2.1采用GPS测量进行加密（1）GPS测量加密控制点的技术要求测量等级和技术标准按客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定和全球定位系统（GPS）铁路测量规程执行，按C级网的精度要求施测，GPS测量作业的基本技术要求如下表：级别项目C静态测量卫星高度角()15有效卫星总数4时段中任一卫星有效观测时间(min)20时段长度(min)60观测时段数12数据采样间隔(S)1560PDOP或GDOP8对GPS接收机的硬件要求同施工复测。（2）GPS测量网形设计应在相邻CPI、CPII控制点间布设加密点，不得中间跳开设计单位布设的CPI、CPII控制点，避免点位误差分布不均匀。控制网以大地四边形或三角形为基本图形组成带状网。每个控制点至少有3个以上的基线方向。（3）GPS测量作业前准备工作根据投入作业的GPS接收机台数和控制网网形设计，提前一天编制作业计划。根据控制网技术设计所确定的作业模式，在接收机或控制器上配置预制参数，参与作业的接收机所配制的参数应相同。作业前，必须检查电池容量是否满足作业要求，数据存储设备应有足够的存储空间，仪器及其附件必须齐全。（4）GPS观测注意事项必须严格遵守调度命令，按作业计划规定时间同步观测同一组卫星。当某个测站没按计划到达点位时，应及时通知其他各测站，并经观测计划编制者同意对时段作必要调整，作业人员不得擅自更改观测计划。经检查，接收机的电源电缆、天线电缆等项连接正确，接收机预置状态和工作状态正常后，方能启动接收机开始测量。安置接收机天线时，天线的对中精度为1mm，并应利用脚架直接对中；雷雨季节架设天线时，要注意防雷击，雷雨过境时，应停止观测，并卸下天线。每个时段观测前后，应各量取天线高一次，两次量测值互差不得大于2mm，取平均值作为最后天线高。当互差超限时，应查明原因，提出处理意见并记入测量手簿。观测中，作业员应逐项填写测量手簿。接收机开始记录数据后，应及时将测站名、测站号、时段号、天线高等信息记录在手簿上。同时应注意仪器的警告信息，及时处理各种特殊情况。一个时段观测过程中严禁进行以下操作：关闭接收机重新启动，进行自测试，改变接收设备预置参数，改变天线位置，按关闭和删除文件功能键等。静置和观测期间应防止仪器震动，不得移动仪器，要防止人员或其他物体碰动天线或阻挡信号。在作业过程中，不应在天线附近使用无线电通讯。当必须使用时，对讲机、手机应离开天线10m以上，车载电台应距天线50m以上。经检查，调度命令已执行完毕，所有规定的作业项目已完成并符合要求，记录和资料完整无误，后方可执行下一个调度命令。（5）GPS测量数据处理GPS平面控制网采用GPS随机后处理软件进行基线解算和平差处理；基线处理时删除观测条件差的时段和观测条件差的卫星不让其参与平差，基线处理合格后在WGS-84坐标系内进行无约束平差。控制网约束平差时，中央子午线经度、坐标系统的椭球参数、投影面与设计成果保持一致，确保坐标基准一致。加密点约束平差前应对设计控制点进行检核，以经过复测确认正确无误的CPI、CPII控制点为固定点。2.2采用导线测量进行加密的技术要求（1）网形设计加密导线点应起闭于CPI、CPII控制点构成附合导线或导线网,因支导线缺乏必要的检核条件，不得采用支导线进行控制点的加密。（2）精度要求应按四等导线测量的技术要求进行施测，设计测角中误差为2.5。（3）导线水平角观测技术要求控制点等级仪器等级测回数半测回归零差2C较差同一方向各测回较差四 等DJ14696DJ268139（4）距离测量技术要求距离应往返各观测2测回，并应进行气象改正，加、乘常数改正，投影改正。（5）平差计算以经过复测确认正确无误的CPI、CPII控制点为固定点，采用严密平差计算。3、水准点加密测量技术要求3.1水准点加密精度要求为满足线下工程变形监测的需要，水准点加密亦按二等精密水准测量的技术要求进行施测，设计每公里高差中数的偶然中误差为1mm。3.2二等水准测量作业注意事项（1）二等水准测量使用的水准仪硬件要求等同于二等水准点施工复测。（2）二等水准测量作业前应对水准仪的i角进行检查，i角不应大于15，否则应进行校正。（3）测量过程中应使用尺垫立尺，扶尺时应使用尺撑，使水准尺上的气泡居中，水准尺竖直。（4）水准测量观测时，应按奇数站后前前后、偶数站前后后前的观测顺序进行，每一测段应为偶数测站。 （5）由往测转向返测时，两根标尺必须互换位置。（6）晴天观测时，应给仪器打伞，避免阳光直射。 （7）一组往返测宜安排在不同的时间段进行。3.3平差计算（1）观测读数和记录的数字取位：使用DS05或DS1级仪器应读记至0.05mm，使用电子水准仪应读记至0.01mm，平差成果取值至mm。（2）水准测量作业结束后，应对外业观测数据进行各项指标检查，各项指标应满足下表要求。水准测量等级每千米偶然中误差M(mm)每千米全中误差Mw(mm)限 差(mm)已测段高差之差往返测不符值附合或环线闭合差相邻点高差重复性测量的高差二等1.02.064444表中： 3.5.5-1 3.5.5-2式中：测段往返高差不符值(mm)； L测段长或环线周长(km)； n测段数； W水准路线经过各项修正后的环线闭合差(mm)； N水准环数。（3）每条水准路线当按测段往返测高差较差或附合路线的环线闭合差计算和高差中误差M或高差中数的全中误差Mw超限时，应先对路线上闭合差较大的测段进行重测。（4）各项限差满足要求后，以经过复测确认正确可靠的设计单位水准点为固定数据进行严密平差计算。四、设计图纸的复核1、平面线位的复核应根据设计单位提供的曲线要素表、交点计算表、断链表复核线路逐桩坐标，应特别注意对断链桩坐标的复核；并对涉及到曲线要素、断链里程的所有设计图纸进行核对，所有图纸的线位数据应一致。2、纵断面纵坡数据的复核应对纵断面设计高程数据进行复核，并对变坡点里程进行核对，并对涉及到纵断面高程数据的所有设计图纸进行核对，所有图纸的里程、纵坡、高程数据应一致。3、复核发现设计数据有不符之处时，应进一步核实，并及时与设计单位联系解决。五、施工放样1、线形计算1.1平面线形的坐标计算（1）不等长缓和曲线要素计算在铁路曲线测设中，线路曲线一般是由相等的两条缓和曲线中间加一个圆曲线构成，有时还会出现由两个不等长的缓和曲线中间加一个圆曲线构成的特殊情况，如下图。曲线偏角为，缓和曲线长分别为、，圆曲线半径为R，曲线要素计算如下。 从公式可以看出，当=时，就是等长缓和曲线的情况。（2）通用线形计算的数学模型线路曲线的构成往往是千变万化的，但就线型而言不外乎是由直线段、圆曲线段、回旋曲线段组成，复合曲线可以看作是由参数不同的曲线元组成。如图：设回旋曲线起点A的曲率为，其里程为，回旋曲线终点B的曲率为，其里程为。XAY为测量坐标系，为以A点切线为轴的局部坐标系。由于回旋线上里程为的各点曲率半径与该点离回旋线原始起点的长度成反比，即有：=（c为常数）根据上式，回旋线上里程为点的曲率为当曲线右偏时，、取正；当曲线左偏时，、取负。 回旋线上任一点的切线方位角当，时，则，上式变为计算直线段上任意点切线方位角的计算公式；当时，上式代表圆曲线上任意点切线方位角的计算公式。由此可见，只要知道了曲线起终点的曲率、里程及起点的切线方位角，利用上式可以计算任意线形（无论直线、圆曲线、回旋线）点位切线的坐标方位角。在测量坐标系中有：设回旋线起点A点的坐标为（），则可得回旋线上任意点在测量坐标系中的坐标：经推导最后得出缓和曲线即回旋线上任意点坐标的计算公式为式中l为所求点至缓和曲线起点之间的曲线长度。 l0为整条缓和曲线长度。1.2竖曲线计算线路纵断面是由许多不同坡度的坡段连接成的，坡度变化点称为变坡点，在变坡点处，相邻两坡度的代数差称为变坡点的坡度代数差。为缓和坡度在变坡点处的急剧变化，便于行车，通常在坡段间以曲线连接，这种连接不同坡段的曲线称为竖曲线。竖曲线有凸形和凹形两种，顶点在曲线之上者为凸形竖曲线；反之称为凹形竖曲线。连接两相邻坡度线的竖曲线，可以用圆曲线，也可以用抛物线。目前，我国铁路和公路多采用圆曲线连接，在使用范围内二者几乎没有差别，下面按圆曲线推导竖曲线计算公式。按抛物线推导的公式表达式在形式上与按圆曲线近似计算公式是相同的。如图： 由于在纵断面上只计水平距离和竖直高度，斜线不计角度而计坡度。因此，竖曲线长与切线长是其在水平面上的投影，切线支距是竖直的高程差，相邻两坡度线的交角用坡度代数差表示。由于允许坡度的数值不大，可以认为纵断面上的曲折角。竖曲线切线长：竖曲线长度：由于很小，故可以认为竖曲线上各点的坐标方向与半径方向一致，也认为它就是切线上与曲线上的高程差。从而得由于与相比较，其值甚微，可略去不计。故有从而竖曲线上任一点的竖距竖曲线外矢距：算得竖距后，根据坡度线上各点的高程，就可以计算出竖曲线上的曲线点高程。2、桥梁施工放样注意事项2.1桥梁桩基坐标的计算桥梁桩基施工前，必须对各墩台桩中心坐标进行计算和复核，计算桩中心坐标时应先复核设计图纸中桩基布设的几何尺寸，复核无误后方进行各墩台桩中心坐标的计算，桩中心坐标应至少由两人独立计算进行复核。桩中心坐标计算时应特别注意梁不等跨时的纵向预偏心，另外，梁在曲线上时，还应考虑曲线偏距E。桩中心坐标成果应打印成册供现场施工放样使用，施工过程中遇到桩基布置变更设计时应及时对相应的桩中心坐标进行更正。2.1梁与墩台的布置及纵横十字线的放样（1）桥梁在曲线上的布置形式有两种，切线布置和平分中矢布置。梁按切线布置时，桥梁工作线为曲线的切线，梁按平分中矢布置时，桥梁工作线与曲线切线内移该跨曲线矢距的一半重合，梁一般采用平分中矢布置，只有曲线半径很大的个别情况使用切线布置。（2）墩的布置形式有两种，平行布置和扇形布置。平行布置指所有墩的横向十字线互相平行，扇形布置指墩的横向十字线按扇形辐射布置，墩一般采用扇形布置，只有曲线半径很大的个别情况使用平行布置。（3）墩台纵横十字线的放样墩台放样时，应按设计图纸指定的布置形式进行放样计算，扇形布置墩的横向十字线为相邻两跨桥梁工作线的分角线，而非法线，梁在圆曲线上等跨情况下二者相同，当梁不全在圆曲线上和不等跨情况下二者严格地讲是不相同的，当曲线半径很大，二者差别很小时才可以用法线代替墩的横向十字线。台的横向十字线为台的胸墙线方向。（4）施工放样应注意的事项 、不同投影带分带处理论中线衔接复核施工放样应采用施工工程坐标系坐标，各投影分带范围内应采用各自投影分带的坐标进行放样，不得混淆使用。由于投影分带处控制点坐标、逐桩坐标坐标系不同，必须对理论中线的衔接进行复核，确保不同分带理论中线衔接正确。分带处中线的衔接复核可采用坐标转换进行理论复核，并采用不同投影带坐标分别放样投影带交界段同一里程中线桩进行现场核实，至少应放样3个中线点复核，相邻点间距应大于100m，由两个不同坐标系放样的中线误差如不能满足线路中线点位精度要求，应进一步核实，若确认分带处理论中线衔接有误，应及时与设计单位联系解决。、测量方法的选择桥梁墩身放样和日常施工放样应采用全站仪极坐标法，采用极坐标法放样时应置镜不同控制点放样同一个点进行复核。墩台桩基施工采用GPS RTK放样时，必须利用至少3个平面控制点进行点校正，点校正结束后应查看点校正残差，防止点校正时产生粗差，点位中误差和点位复核要求应符合客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定（铁建设2006189号）的相关规定。桥梁桩位放样完毕可实际丈量桩间距进行复核。、其它注意事项每次放样前，应采用检测相邻三个控制点间距离和角度的方法对放样所使用的已知坐标点进行常规检测，确认桩点、资料无误后放可进行后续的放样工作。对于大桥、特大桥、长大隧道等重点工程的施工控制点，应定期或不定期对控制点进行复核，春季解冻后和雨季结束后都应对重点工程的施工控制点进行全面复核。施工放样必须执行测量双检制度，所有放样数据的计算必须进行复核。六、高程上桥测量地面二等水准点高程无法直接传递到桥面CP控制点上时，应将水准点引测至桥面与地面间高差较小的地方进行CP控制点高程上桥测量。1、常规测量方法高程上桥测量采用悬挂铟钢带尺进行高程传递，铟钢带尺的刻划应与相应水准标尺的刻划一致，上桥测量的高差应进行水准尺零点差改正、温度改正、检定的尺长改正。2、三角高程测量方法采用不量仪器高、棱镜高的三角高程测量方法进行控制点上桥测量，测量使用的全站仪测角精度不低于1、测距精度不低于2mm+2ppmD。将后视棱镜架设在引测水准点上，并固定棱镜高度，全站仪架设在距离引测水准点不大于10m的地方，观测后视点的距离和垂直角，后视点观测完成后,将后视点棱镜保持高度不变移至桥墩高程控制点上作为前视点观测距离和垂直角，测量过程中应保持仪器稳定,棱镜高度不变，否则应重新安置仪器并重新观测。每个测站要采用不同仪器高度测量2次，2次测量的高差互差应小于1mm。测站至后视点的计算高差反号与至前视点的计算高差之和即为后视水准点与前视点之间的高差，计算时不考虑仪器高和棱镜高度。不量仪器高、棱镜高三角高程测量外业观测技术要求应符合下表的规定。上桥视线长度（m）距离测量测回数距离每测回读数次数距离测量测回互差（mm）竖直角测回数竖直角测回互差（）测回间指标差互差（）100242457参照上海市测绘院与同济大学在上海市磁悬浮快速列车轨道梁高程传递施工中的实践,采用不量仪器高的三角高程测量方法进行控制点上桥测量,当上桥视线长小于100m,竖直角小于28的情况下,采用该方法将地面高程传递到桥梁上的高程测量中误差可达到1mm的精度。（参考文献：张仰燖等“不量仪器高、棱镜高的三角高程测量”测绘通报2002年9期) 三角高程测量计算取位距 离(mm)竖直角（）气温（）气压（Pa）记录计算记录计算记录记录0.10.10.10.10.21七、边长投影归算外业观测的边长值往往是地表测边两端点平均高程面上的水平距离，而内业计算时，还要根据采用坐标系的不同，将实测边长投影到相应的坐标平面，才能进行坐标计算和平差处理。在铁路隧道或者桥梁施工控制网中，一般以测区线路平均纵断面高程作为控制网平差计算的投影面；而公路测量中，往往采用高斯投影面或者抵偿高斯投影面作为导线平差的基准面。1、边长归算到测区平均高程面 (mm) (m)边长改正数(m)水平距离观测值(m)测区平均高程面(m)测距边两端点平均高程(m)地球平均曲率半径取6371(km)观测平距S归算到测区平均高程面上的距离。2、边长归算到高斯投影面 (mm) (m) (m)水平距离观测值(m)归算到参考椭球体面上的边长改正数(m)由参考椭球体面上归算到高斯投影面上的边长改正数(m)测距边两端点平均高程(m)测区大地水准面高出参考椭球面的高差(m)测距边两端点距中央子午线的垂直距离的平均值(两端点Y坐标去掉带号减去500km后的平均值) (km)地球平均曲率半径取6371(km)观测平距S归算到高斯投影面上的距离。3、边长归算到抵偿高斯投影面 (mm) (m) (m)水平距离观测值(m)归算到抵偿面参考椭球体面上的边长改正数(m)由抵偿面参考椭球体面上归算到高斯投影面上