中国矿业大学测绘工程工程测量学课程设计书

中国矿业大学测绘工程工程测量学课程设计 书 一、风雨桥施工控制网技术设计书 1 项目概况 目背景 如下图所示，拟在云龙湖北区建立一座跨湖观景桥，桥梁跨越为约 1110 米，为连续箱梁结构，共三联 37（ 10+17+10）孔。为了桥梁的施工建设，需布设施工控制网。控制网需满足工程建设的需求，同时考虑费用和布设难易程度等其他因素，综合选择最优的布设方案。 形地貌及气象条件 2 测区已有资料及成果利用 形图资料 拟建桥梁区域 1:1000 地形图（实际是 1:1000，实习指导书上说是 1:500），作为工作计划图和控制网布设工作底图。 面控制资料 为了使大桥施工坐标系统与大桥勘测资料坐标系统的一致性。故选用两个国家二等三角网点 A,B，这两个控制点都是大桥连接线勘测阶段时建立的线路控制测量的起算点。 程控制资料 为使大桥施工控制网的高程系统与大桥连接勘测时建立的高程系统相一致，故大桥施工控制网的高程系统选择 1985 黄海高程系，桥两岸有国家二等水准点各两个。 表 1 桥梁两侧控制点坐标 （ 单位：米 ） 点号 X Y Z A 作业规范及要求和仪器 关测量规范 级、精度要求 桥梁施工平面控制网的建立，应符合下列规定： （ 1）桥梁施工平面控制网，宜布设成自由网，并根据线路测量控制点定位。 （ 2）控制网可采用 、三角形网和导线网等形式。 （ 3）控制网的边长，宜为主桥轴线长度的 。 （ 4）当控制网跨越江河时，每岸不少于 3 点，其中轴线上每岸宜布设 2 点。 面控制测量等级 表 2 平面控制测量等级 等 级 公路路线控制测 量 桥梁桥位控制测 量 隧道洞外控制测量 二等三角 5000m 特大桥 6000三等三角、导线 2000 50004000 6000m 特长隧道 四等三角、导线 1000 20002000 4000m 特长隧道 一级小三角、导线 高速公路、一级公 路 500 10001000 2000m 中长隧道 二级小三角、导线 二级及二级以下 公路 500 1000m 隧道 三级导线 三级及三级以下 公路 梁施工控制网等级 表 3 桥梁施工控制网等级的选择 桥长 L(m) 跨越的宽度 l（ m） 平面控制网的等级 高程控制网的等级 L5000 l1000 二等或三等 二等 2000 L 5000 500 l 500 三等或四等 三等 500L2000 200l500 四等或一级 四等 L 500 l 200 一级 四等或五等 注： 1 L 为桥的总长 2 l 为跨越的宽度指桥梁所跨越的江、河、峡谷的宽度。 准测量主要技术要求 表 4 水准测量的主要技术要求 等级 每千米高差中误差 （ 路线 长度 （ 水准 仪型 号 水 准 尺 观测次数 往返较差、附合或 环线闭合差 与已知点联测 附合或环线 平地 （ 山地 （ 二等 2 瓦 往返各一次 往返各一次 4 L 三等 6 50 瓦 往返各一次 往一次 12 L 4 n 面 往返各一次 四等 10 16 面 往返各一次 往一次 20 L 6 n 五等 15 面 往返各一次 往一次 30 L ： 点之间或节点与已知点之间的路线长度，不应大于表中规定的 。 往返段附合或闭合环的水准路线长度， n 为测站数。 要测量仪器表 表 5 主要 测量仪器 表 序号 名称 制造单位 规格型号 标称精度 单位 数量 1 全站 仪 莱卡 角 测距（ 2D）。 套 1 3 水准 仪 苏州 准仪 往返 1 台 1 徕卡 准仪 往返 1 台 4 铟钢 尺 苏州及 徕卡 2m 把 2 5 塔尺 南方测绘 5m 把 2 7 对讲 机 台 5 及与全站仪配套的对点器、反射镜。 4 桥梁施工控制网的建立 梁控制网特点和平面控制网精度 梁施工控制网建立的一般特点 桥梁施工的主要任务之一就是正确测设出桥墩、桥台的位置，而桥轴线长度又是设计与测设墩台位置的依据，因此，保证桥轴线测量的必要精度，有着极为重要的意义。 在干涸、浅水河道上，可以沿桥轴线直接丈量距离来确定桥墩、台中心的位置。只需要保证相邻桥墩、台的距离满足设计梁架的要求即可，桥轴线总长度的精度并不是决定性的因素。 在深水河道上，两桥台间的距离无法直接丈量，桥梁墩、台中心的位置需用交会法进行测设。桥轴线长度的误差就直接影响桥墩、台的定位精度。为了便于桥梁的架设，根据每座桥梁设计的具体情况，应在测量以前预估桥轴线的 需要精度，以便合理地拟定测量方法和规定各项测量的限差。施工阶段测定桥轴线的长度，其精度要求比勘测阶段高，相应的测量方法也有差异。通常采用的方法有：全站仪法、三角网法、边角网法、丈量法等。随着测量仪器的发展，全站仪法、边角网法已经成为主要的方法。在桥梁边角网中，不一定观测所有的角度 ( 或方向 ) 及边长。可以在测角网的基础上按需要加测若干条边长；或者在测边网的基础上加测若干个角度 (或方向 )。为了充分发挥测角有利于控制方向 (或角度 )误差即横向误差；测边有利于控制尺度误差即纵向误差的优点，大多数桥梁控制网都宜采用边 角网法进行平面控制。 梁施工控制网布设的特殊要求 桥梁控制网布网时除了考虑有利的网形以及一般工程控制网的基本要求以外，还需注意以下几点： ( 1) 为了使控制网与桥轴线联系起来，应在河流两岸的桥轴线上各设立一个控制点，即将桥轴线作为控制网的一条边，控制点与桥台设计位置不应太远，以方便桥墩台的测设及保证两桥墩台间距离的精度要求。同时，测设桥墩台时，尽量在桥轴线上的控制点上安置仪器进行测量，以减少垂直予桥轴线方向的误差。 ( 2) 桥梁三角网的边长与河宽有关，一般在 河宽范围内变动。由 于三角网边长较短，一般直接丈量三角网的边长作为基线。为了提高三角网韵精度，使其有较多的检核条件，通常丈量两条基线，两岸各设一条。如因地形限制也可将两条基线布设在同一岸上，基线长度一般约等于两桥台间距离 (或河宽 )的 外，当地形条件许可时，应使基线长度为基线尺长的整数倍，这样可以避免用短尺丈量余长。此外，宜在基线上多设几个节点，埋设标石，便于交会近岸桥墩。以上为用因瓦基线尺丈量基线的情况。如果采用电子全站仪测量，基线的布置就非常灵活。 ( 3) 根据桥轴线的不同精度要求，确定控制网的测边、测角精度，并 进而确定选用合适精度的测量仪器、测回数及读数精度。 ( 4) 对三角网而言，由于平差计算时只改正角度而不改正基线，即基线的误差与角度的误差相比可以忽略不计。所以为了保证桥轴线有足够的精度，基线的精度要比轴线的精度高出 2 3 倍。对边角网和测边网而言，由于测定的边长不受角度影响而产生误差积累，测边的精度要求不象基线要求的那么高，只要相当于桥轴线的精度即可。 ( 5) 在大型桥梁建设中，由于工期较长，为了保证在施工过程中尺长标准的统一，一般都应在施工现场建立比尺长，以便于及时对测距工具进行检查核准。 ( 6) 布 网时应对桥轴线精度、墩台测设、图形强度、点位保存、施工方便等因素进行综合分析考虑。施工时，由于考虑不周或其他原因，控制点位不能满足测设要求，而不得不对控制网进行加密的情况，在桥梁工程建设中也时有发生。因此，在桥梁控制网布网时，必须充分考虑这些特殊要求。 轴线和桥墩放样必要精度确定 公路桥涵施工规范对桥梁施工中的精度要求如下图所示： 桥梁施工中对测量放样精度要求主要体现在相邻桥墩的相对精度要求。目前桥墩放样通常采用全站仪在施工控制点上采用极坐标法直接放出位置，规范要求的桥墩位置允许偏差值可作为桥梁控制网设计精度确定的基础。 桥梁施工测量，控制点点位精度必须达到或超过放样所需的精度。由于控制点离墩台位置较远（特别是水中墩），放样又在有施工干扰时进行，不大可能增加测量次数来提高精度。因此，控制点误差对放样所引起的误差来说，应小到可以忽略不计的程度。 设 M 为桥梁轴线放样后所得的点位总误差； 为控制点误差所引起的点位误差；为放样过程中所产生的点位 误差； 则 M= 22122212 1 为了对将上式展开为级数，并略去高次项，得 )21(22122 为了合理的分配建筑限差，我们按照“忽略不计原则”，在此处即为根据“使控制点误差对放样点位不发生显著影响”的原则来处理，使控制点本身误差影响仅占总误差的 10%以下，上式括号中第二项应为 可得出： =式联立求解，即得： ， 由以上公式可知，当控制点所引起的误差为总误差的 0%，这一影响可忽略不计。 现在，我们以规范 规定的桥墩中心误差为 M=20为确定施工控制网的精度。则： 0 0梁跨越为约 1110 米，为连续箱梁结构，共三联 37（ 10+17+10）孔。 按此计算，对于 1110米长的桥梁，三角网沿桥梁轴线方向的基线精度为： 8 . 1 3 2 11 1 1 0 0 0 0 1 3 6 4 9 8 另外可以按照按拼装误差来确定桥梁施工控制网的精度。为安全起见，可通过对比取其中精度较高的一种作为控制网的 精度要求 。 在钢梁架设过程中，它的最后长度误差来源于杆件加工装配时的误差和安装支座的误差。 钢桁梁节间长度制造容许误差为 2节间拼装孔距误差为 一节间的制造和拼装误差为 222 0 . 5 2 . 0 6 1 6l m m m m 对 度误差包括拼装误差 （ 7本桥的 结构形式为三联 37（ 10+17+10）孔，所以第一联和第二联的长度拼装误差相同，三联的长度拼装误差分别为： 长度拼装误差 21 0 2 . 0 6 1 6 6 . 5 1 9 4 = 21 7 2 . 0 6 1 6 8 . 5 0 0 2 每跨（联）钢梁安装后的容许误差分别为： 2 2 2 21 3 6 . 5 1 9 4 7 9 . 5 6 5 7d d L m m 2 2 2 22 8 . 5 0 0 2 7 1 1 . 0 1 1 6d L m m 桥共有 3跨，则全长极限误差为： 2 2 21 2 3D d d d = 2 2 2 5 6 5 7 1 1 . 0 1 1 6 9 . 5 6 5 7 取 1/2 极限误差为中误差，则全桥轴线长的相对中误差为： 与用“忽略不计原则”分配限差所得精度相比较，可以得出全桥轴线长的相对中误差为： 1136498在布设控制网时应对起算点复测，应检查起算点的精度是否满足要求。有两种情形： 此情形下只需在起算点间加密。 只能布置自由网，只使用一个起算点的坐标和两起算点确定的方向。 桥梁施工平面控制网的图形常见的有下图所示的四种 ,其中 1 2 为桥轴线。图 (a)为菱形网 ,适合江中有岛时采用 ； 图 (b)、 (c)为双三角形网和单大地四边形网 ,主要用于大、中桥的控制 ； 图 (d)、 (e)为 大地四边形加三角形网和 双大地四边形网 ,主要用于大桥和特大桥的控制。 1 2 2 4 2 4 2 4 2 5 3 4 5 3 4 6 7 8 1 3 1 4 3 1 3 1 5 3 1 6 2 (a) (b) (c) (d) (e) (f) 大型桥梁总与两岸连接线 (引桥 )相衔接。鉴于通航的要求，大型桥梁的桥面高远远大于两岸的地面标高。因此，主桥面两端的引桥常长达数百米或数公里。从主桥和引桥放样的一体化考虑，以上网形不满足于施工控制的需求，拟应在桥轴线两端延长线上选两点构成图 f 所示网形。该控制网基本满足工程施工放样的需要，而 且结构强度好，点位精度均匀，可靠性大，便于放样墩台中心及桥梁上部构件，有利于提高控制点精度和放样精度，也能对所达到的桥轴线横向精度作出切合实际的评定，所以我们参照图（ f）设计控制网。因为桥梁轴线长度约为1110 米，拟建桥梁区域测得为 1153 米，根据桥梁施工相关规范的等级和精度要求，控制网的边长宜为主桥轴线长度的 ，所以控制网的边长应在555间。 级控制网布设方案一 在控制测量优化设计与平差中设计网形，为双大地四边形边角网。两个已知控制点分别为 A 和 B，还有 4 个未知控制点分别是 01,02,03,04。 网形如下图所示： 操作步骤是，首先打开“控制测量与优化设计 ”，设置计算方案。由表 5“主要测量仪器表”，我们知道莱卡 角 测距（ 2D），所以测角中误差参数设置为 2， A 和 B 也为 2，如下图所示： 然后输入已知站点 A 和 然后选择观测数据，添加测站 02，分别输入前视站点和后视站点的观测数据，如下图所示 单击添加测站，依次添加测站 01,03,04,A,B，并分别输入每个测站的前视站点和后视站点，并输入相关数据。只需在拟进行观测的数据中输入任意数据，该数据就会由图形更新为与图形相适应的数据，不需手工量取模拟数据。 单击“计算”，可得到相关优化数据，并自动跳到“成果”菜单，单击对应的选项就可以查看： 经过以上各步骤，我们就可以得到首级控制网布设方案一的各项优化数据，分别列出如下： 网形及精度统计表 项目 单位 数据 备注 平面已知点数 个 2 平面未知点数 个 4 方向观测设站数 站 6 方向观测总数 个 22 边长观测数 条 11 最大边长 m 203 最小边长 m 2A 验后平面单位权中误差 验后测角中误差 最大平面点位中误差 名：03 最大平面相邻点间误差 203 最大方位角误差 103 最大边长误差 04 最大边长比例误差 1/215051 0204 高程已知点数 个 2 高程未知点数 个 0 高差观测数 段 0 验后高程单位权中误差 最大高程中误差 最大高程相邻点间误差 优化设计模拟数据精度表 测站 照准点 方位角中 误差() 边长中误 差( 边长相对 中误差 01 03 ( m ) 备注 X( m ) Y( m ) A B 01 03 02 04 点位误差 点名 坐标误差 误差椭圆参数 高程中误 差( Mx(My(M(A(B(F(度 分) 01 74 56 03 21 06 02 78 48 04 10 55 点间误差 起点名 终点名 纵横向误差 误差椭圆参数 高程点间 误差( 纵向( 横向( M(A(B(F(度 分) 01 03 45 06 01 B 74 56 01 A 74 56 01 02 97 39 01 04 14 46 B 02 78 48 B 04 10 55 02 04 24 55 02 03 22 03 02 A 78 48 03 A 21 06 控制网的误差椭圆图如下： 0102为主轴线，由 优化设计模拟数据精度表可知： 测站 照准点 方位角中 误差() 边长中误 差( 边长相对 中误差 01 02 ，小于所要求的 1/136498,最大平面点位（ 03）为 于控制点误差所引起的容许点位误差 满足精度要求的情况下可进行一类设计（ 形设计），是在观测精度和坐标向量协因数阵一定的情况下，调整网点的位置 二类设计（ 观测精度设计，是在网形与坐标向量协因数阵一定的情况下，改变观测精度 另外，由网形和精度统计表，我们可以知道控制网的最小边长为 ，为 02一条边的边长，不符合控制网边长宜为主轴线长度 的要求，所以在方案二调整网点的位置时，需要注意把 02点沿着桥的轴线方向下移。 02边长比例误差和 边长误差比较大，所以 04 点的位置也可以调整一下。 级控制网布设方案二 调整 02 和 04 控制点的点位，使控制网的边长满足要求后控制网网形为： 该控制位的各项优化结果为： 网形及精度统计表 项目 单位 数据 备注 平面已知点数 个 2 平面未知点数 个 4 方向观测设站数 站 6 方向观测总数 个 22 边长观测数 条 11 最大边长 m 2 03 最小边长 m 2 A 验后平面单位权中误差 验后测角中误差 最大平面点位中误差 名： 04 最大平面相邻点间误差 2 03 最大方位角误差 1 03 最大边长误差 04 最大边长比例误差 1/210020 02 A 高程已知点数 个 2 高程未知点数 个 0 高差观测数 段 0 验后高程单位权中误差 最大高程中误差 最大高程相邻点间误差 优化设计模拟数据精度表 测站 照准点 方位角中 误差 () 边长中误 差 (边长相对 中误差 01 03 ( m ) 备注 X( m ) Y( m ) A B 01 03 02 04 点位误差 点名 坐标误差 误差椭圆参数 高程中误 差 (Mx(My(M(A(B(F(度 分 ) 01 79 53 03 14 59 02 82 04 04 17 41 点间误差 起点名 终点名 纵横向误差 误差椭圆参数 高程点间 误差 (纵向 (横向 (M(A(B(F(度 分 ) 01 03 33 49 01 B 79 53 01 A 79 53 01 02 94 57 01 04 16 32 B 02 82 04 B 04 17 41 02 04 40 21 02 03 13 17 02 A 82 04 03 A 14 59 对控制网优化结果进行分析， 0102为主轴线，由 优化设计模拟数据精度表可知 测站 照准点 方位角中 误差 () 边长中误 差 (边长相对 中误差 01 02 ，相比方案一轴线的相对中误差更小，精度得到了提高，远小于所要求的1/136498,最大平面点位（ 03）为 于控制点误差所引起的容许点位误差 且这次控制网的最短变长为 ，变长都满足是轴线长度 的要求，优化有一定的效果。 级控制网布设方案三 主控制网方案三在方案一的基础上去掉了站点 03，同时也就减掉了观测方向022向减少了工作量，网形为： 计算之前要在观测数据中去掉上面减去的测站和观测方向，这样才能正确控制网优化结果： 首级控制网三的优化结果为： 网形及精度统计表 项目 单位 数据 备注 平面已知点数 个 2 平面未知点数 个 3 方向观测设站数 站 5 方向观测总数 个 14 边长观测数 条 8 最大边长 m 104 最小边长 m 2A 验后平面单位权中误差 验后测角中误差 最大平面点位中误差 名：04 最大平面相邻点间误差 104 最大方位角误差 402 最大边长误差 04 最大边长比例误差 1/196407 02A 高程已知点数 个 2 高程未知点数 个 0 高差观测数 段 0 验后高程单位权中误差 最大高程中误差 最大高程相邻点间误差 优化设计模拟数据精度表 测站 照准点 方位角中 误差() 边长中误 差( 边长相对 中误差 01 B ( m ) 备注 X( m ) Y( m ) A B 01 02 04 点位误差 点名 坐标误差 误差椭圆参数 高程中误 差( Mx(My(M(A(B(F(度 分) 01 96 52 02 78 14 04 20 43 点间误差 起点名 终点名 纵横向误差 误差椭圆参数 高程点间 误差( 纵向( 横向( M(A(B(F(度 分) 01 B 96 52 01 A 96 52 01 02 99 44 01 04 20 51 B 02 78 14 B 04 20 43 02 A 78 14 04 02 50 44 对控制网优化结果进行分析， 0102为主轴线，由 优化设计模拟数据精度表可知 测站 照准点 方位角中 误差() 边长中误 差( 边长相对 中误差 01 02 ，相比方案一和方案二轴线的相对中误差较大，相比方案二误差增大了 最大平面点位误差（ 04）为 比方案一和方案二，误差也都增大了。所以与前两个方案相比，控制网方案三精度较低，为了保证工程的安全，不应该使用方案三。 案评价 级控制网优化设计 为了满足施工中放样每个桥墩的需要，在首级网下需要加设一定数量的插点或插网，构第二级控制。由于放样桥墩的精度要求较高，故第二级控制网的精度应不低于首级网，所以要进行两个测回，测角中误差取为 2=次级控制网（插点或插网）可直接放样桥墩，并布置在距桥墩较近的岸边 以便较好的交会图形。 级控制网布设方案一 首先打开“控制测量优化设计与平差 ”，设置计算方案，如下图所示： 然后，输入由首级控制网优化设计方案二得到的 A,B,01,02,03,04,六个已知点的坐标，设置站点，并输入前视和后视站点，观测一条附合导线。 次级控制网网形为： B 点同岸的一侧： A 点同岸的一侧： 所有设置完成后，单击“计算”，得到次级控制网方案一优化设计结果： 网形及精度统计表 项目 单位 数据 备注 平面已知点数 个 6 平面未知点数 个 8 方向观测设站数 站 14 方向观测总数 个 28 边长观测数 条 12 最大边长 m 4 小边长 m 4 03 验后平面单位权中误差 验后测角中误差 最大平面点位中误差 名： 大平面相邻点间误差 4 大方位角误差 2 大边长误差 4 大边长比例误差 1/93566 03 高程已知点数 个 2 高程未知点数 个 0 高差观测数 段 0 验后高程单位权中误差 最大高程中误差 最大高程相邻点间误差 优化设计模拟数据精度表 测站 照准点 方位角中 误差 () 边长中误 差 (边长相对 中误差 B 01 B ( m ) 备注 X( m ) Y( m ) A B 04 01 02 03 点位误差 点名 坐标误差 误差椭圆参数 高程中误 差 (Mx(My(M(A(B(F(度 分 ) 77 13 93 11 75 48 81 44 39 51 67 17 77 32 92 10 点间误差 起点名 终点名 纵横向误差 误差椭圆参数 高程点间 误差 (纵向 (横向 (M(A(B(F(度 分 ) B 77 13 2 86 04 1 93 11 01 75 48 4 79 42 3 81 44 04 92 10 7 88 17 2 77 32 02 67 17 5 55 31 39 51 优化结果分析，由“网形和精度统计表”可以知道，平面最大点位中误差为 差非常小精度高，出现在 ，以在满足精度的情况下，可以朝两个方向进行方案优化设计，减少测回数或减少未知控制点数。 级控制网布设方案二 方案二在方案一的基础上减少测回数，变为一测回控制网网形不变，测角中误差应设置为 2 秒。这样可以得到控制网布设方案二的优化结果： 网形及精度统计表 项目 单位 数据 备注 平面已知点数 个 6 平面未知点数 个 8 方向观测设站数 站 14 方向观测总数 个 28 边长观测数 条 12 最大边长 m 4最小边长 m 403 验后平