(高级技师)公路施工控制网布设与研究

摘要 施工测量的主要任务是将图纸上设计的建筑物放样到实地上去. 对于不同的工程来说施工测量的具体任务也不同.例如隧道施工测量 的主要任务是保证对向开挖的隧道能按照规定的精度贯通并使各建 筑物按照设计的位置修建;放样过程中仪器所标出的方向距离都是依 据控制网和图纸上设计的建筑物计算出来的.因而在施工放样之前需 建立具有必要精度的施工控制网.在工程竣工后的运营阶段建立以监 视建筑物变形为目的的变形观测专用控制网。因此，无论是在公路 施工测量，铁路施工测量还是其结构图物的施工测量中，布设一套 精密实用的施工控制网是整个施工测量中的重中之重。 关键词： 控制网；坐标系；精度；布设方案；优化；外业；内业 第一章 绪论 GPs测量技术的迅速发展和应用，解决了困难地区的点位定 位。在进行城市控制网的改造和重建中，已知孤立点(相互不通视) 明显增多，而这些点可以作为导线网的已知点，通过导线把它们连 接起来，构成无定向附合导线网，同样可以满足加密控制网的布设 要求。这种无定向附合导线网不用测定连接角，已知点之间无需通 视(两个以上已知点即可)，布设灵活方便。在城市工业区，隐蔽的 林区，井下各坑道等通视条件困难的地区布设这种导线网，优点尤 为突出，而且应用日趋广泛。因此，在地形测量，工程测量和地籍 测量的控制测量中有望广泛应用。这种导线网的数据处理用常规的 导线数据处理方法不可行。本文针对这些情况，系统地讨论了无定 向导线网的数据处理方法和相应的软件编制，以适应具体网形数据 处理的需要。目前国内把工程建设有关的工程测量按勘测设计、施 工建设和运行管理三个阶段划分;也有按行业划分成:线路( 铁路、公 路等) 工程测量、水利工程测量、桥隧工程测量、建筑工程测量、矿 山测量、海洋工程测量、军事工程测量、三维工业测量等,几乎每一 行业和工测量都有相应的著书或教材。 第二章 施工平面控制网的布设 21 控制网的布设原则 控制测量包括平面控制测量和高程控制测量，称测定点位的 (x,y)坐标为平面控制测量，测定点位的 H 坐标为高程控制测量。国 家控制网是指在全国范围内建立的控制网。国家控制网是用精密测 量仪器和方法依照国家三角测量和精密导线测量规范、全球 定位系统(GPS) 测量规范、国家一、二等水准测量规范及 国家三、四等水准测量规范按一、二、三、四等四个等级、由 高级到低级逐级加密点位建立的。国家平面控制测量；我国的国家 平面控制网(horizontal control network)是采用逐级控制、分级布设的 原则，分一、二、三、四等方法建立起来的。 经典方法主要由三 角测量(triangulation)法、导线测量(traverse survey)法。另外，还有 卫星大地测量，如 GPS 卫星定位。一等三角锁(triangulation chain) 沿经线和纬线布设成纵横交叉的三角锁系，锁长 200250 公里， 构成许多锁环。构成国家平面控制网的骨干。一等三角锁内由近于 等边的三角形组成，边长为 2030 公里。 二等三角测量有两种布 网形式，一种是由纵横交叉的两条二等基本锁将一等锁环划分成 4 个大致相等的部分，这 4 个空白部分用二等补充网填充，称纵横锁 系布网方案；另一种是在一等锁环内布设全面二等三角网 (triangulation network)，称全面布网方案。二等基本锁的边长为 2025 公里，二等网的平均边长为 13 公里。一等锁的两端和二等 网的中间，都要测定起算边长、天文经纬度和方位角。小地区控制 网：面积 10 平方公里以下，尽量与国家和城市控制联测，亦可建 立独立的控制网，在平面控制中采用直角坐标系，高程控制中采用 黄海高程系统或 1985 国家高程系统。公路工程平面控制网：常规 方法为三角测量或导线测量等，另外，现在逐渐采用三边测量和 GPS 测量。 施工控制网的布设，应根据总平面设计和施工地区的地 形条件来确定。对于起伏较大的山岭地区（如水利枢纽）及跨越江 河的工程（如大桥），一般可以采用三角测量（或边角测量）的方 法建网。对于地形平坦但通视比较困难的地区，例如扩建和改建的 工业场地，则可采用导线网；而对于建筑物多为矩形的且布置比较 规则和密集的工业场地，亦可将施工控制网布置成规则的矩阵格网， 即所谓建筑格网。在建立控制网时要保证分级布网、逐级控制，要 有足够的精度和足够的密度，并且要有统一的规格。在公路测量时， 建立控制网时亦应遵守下列布网原则。 (1) 分级布网逐级控制，对 于控制网先布设要求较高的首级控制网，然后再对下一级控制网进 行加密。(2) 要有足够的精度，工程控制网中若测图比例尺越大控 制点的精度要求越高。其精度按 01mm 制图精度控制。根据工程 实际情况需要只要达到规定精度即可，也保证测量的简单计算方便。 (3) 公路施工中的控制网要有足够的精度，控制点的密度要根据测 图方法及测图比例尺的大小决定，控制点要足够多且在带状地形图 的范围内。 2 .2控制网的布设方案 在我国目前测距仪使用比较普遍的情况下，由于电磁波测距既 方便实用又方便经济，因此电磁波测距导线已上升为比较重要的地 位。如下表2-1中电磁波测距导线共分5个等级，其中的三、四等导 线与三、四等三角网属于同一个等级。这5个等级的导线均可作为 某个测区的首级控制。电磁波测距导线的主要技术要求如下表2-1。 2.2.1控制点选位 由于导线网中各点上的方向数较少，除结点外只有两个方向， 因而受通视限制较少，易于选点和降低觇标高度，甚至无须造标。 导线网的图形非常灵活，选点时可根据具体情况随时改变。网中的 边长都是直接测定的，因此边长的精度较均匀。但是导线网中多余 观测数较同样规模的三角网较少，有时不易发现观测值中的粗差， 因而可靠性不高。 2.2.2导线初测的技术要求 当初测导线与国家控制点联测进行角度检核时，角度闭合差小 于表2-2的数值也通常不需要平差，而是利用坐标增量闭合差对导线 角进行改正调整角度闭合差，用平差后的角度来计算坐标增量。水 准点高程控制网一般采用水准方法建立，水准测量的等级分为二、 三、四等，各水准等级的精度指标基本上与国家规范一致，对于大 多数的测区，可以用三等水准测量建立首级控制，只有当测区很大 时或者大中城市中才需布设二等水准网。首级控制网的图形与等级 的选择，可按水准网中互为最远点的高差中误差不超过3cm左右 进行估算确定。加密网中附和水准线路的长度则可以按线路中最弱 点(相对于高级点而言)的高程中误差不超过3cm来进行估算确定。 测量应于国家水准点或相当于国家等级的水准点联测。 2.3 平面控制网坐标系选择的原则 (1)平面控制网的坐标系统应满足在主要测区内的投影长度变形 值不大于25cmkm 为原则。当投影长度变形值不大于 25cm km时采用统一的高斯正形投影 3。带平面直角坐标系， 其主子午线经度自东往西每隔 3。 为一带至东经 180。 。 (2)当平面控制网的坐标系统在主要测区内的投影长度变形值大 于 25cm km 时，采用正形投影任意平面坐标系统。投影面可采 用 1986 年国家高程基准面或测区平均高程面独立系统，在已有平 面控制网的地区应尽量沿用原有的坐标系统。城镇采用投影于抵偿 高程面上的高斯正形投影的 3。带上，其上投影面可采用黄海高程 系统或城市平均高程面。S25km2 时城镇可不经投影采用高斯平面 系统而直接计算。 第 三 章 施 工 控 制 网 优 化 设 计 理 论 和 方 法 施 工 控 制 网的优化设计方法有解析法和模拟法两种。解析法是 基于优化设计理论构造目标函数和约束条件，解求目标函数的极大 值或极小值。一般将网的质量指标作为目标函数或约束条件。网的 质量指标主要有精度、可靠性和建网费用，对于变形监测网还包括 网的灵敏度或可区分性。对于网的平差模型而言，按固定参数和待 定参数的不同，网的优化设计又分为零类、一类、二类和三类优化 设计，涉及到网的基准设计，网形、观测值精度以及观测方案的设 计。在工程测量中， 施工 控制网、安装控制网和变形监测网都需 要作优化设计。由于采用 GPS 定位技术和电磁波测距，网的几何图 形概念与传统的测角网有很大的区别。除特别的精密控制网可考虑 用专门编写的解析法优化设计程序作网的优化设计外，其他的网都 可用模拟法进行设计。模拟法优化设计的 软件功能和进行优化设 计的步骤主要是：根据设计资料和地图资料在图上选点布网，获取 网点近似坐标(最好将资料作数字化扫描并在微机上进行)。模拟观 测方案，根据仪器确定观测值精度，可进一步模拟观测值。计算网 的各种质量指标如精度、可靠性、灵敏度。精度应包括点位精度、 相邻点位精度、任意两点间的相对精度、最弱点和最弱边精度、边 长和方位角精度。进一步可计算坐标未知数的协方差阵或部分点坐 标的协方差阵，协方差阵的主成份计算，特征值计算，点位误差椭 圆、置信椭圆的计算等。可靠性包括每个观测值的多余观测分量(内 部可靠性)和某一观测值的粗差界限值对平差坐标的影响(外部可靠 性)。灵敏度包括灵敏度椭圆、在给定变形向量下的灵敏度指标以及 观测值的灵敏度影响系数。将计算出的各质量指标与设计要求的指 标比较，使之既满足设计要求，又不致于有太大的富余。通过改变 观测值的精度或改变观测方案(增加或减少观测值)或局部改变网形( 增加或减少网点)等方法重新作上述设计计算，直到获取一个较好的 结果。 第四章 导线测量的内、外业工作 外业工作：踏勘选点及建立标志、测边、测角和联系测量。 41 踏勘选点及建立标志 411 选点：在测区内选定控制点（导线点） 412 步骤：收集资料（测区旧地形图、高级点的分布情况）规 划初步方案（在旧图上规划导线走向，圈出点位、确定导线形式） 实地踏勘（实地定点，能满足测图和工程的需要，少而精，控制全 局） 4.1.3 选点的原则：（1）便于测角、 量边（通视）。（2）便于测图和放样。（3）便于保存点位和安置 仪器。（4）导线边长应按参照规定，最长不超过平均边长的 2 倍， 相邻边长尽量不使其长短相差悬殊。（5） 路线平面控制应沿路线 布设，距离中线位置应大于 50m 且小于 300。（6） 在桥梁两岸、 隧道进出口、附近均应设置导线点。 4.1.4 建立标志：（1）临时 点：导线点位选定后，在泥土地面上，要在点位上打一木桩，桩顶 钉上一小钉，作为临时性标志；在碎石或沥青路面上，可以用顶上 凿有十字纹的大铁钉代替木桩；在混凝土场地或路面上，可以用钢 凿凿一十字纹，再涂上红油漆使标志明显（2）长期点：若导线点 需要长期保存，则可以埋设混凝土导线点标石。导线点埋设后，为 便于观测时寻找。可以在点位附近房角或电线杆等明显地物上用红 油漆标明指示导线点的位置。应为每一个导线点绘制一张点之记 (description of station) 。 42 测边 421 钢尺量距：需往返测。 422 光电测距 43 测角 导线转折角(traverse angle)有左角和右角之分。在导线前进方向 左侧的水平角称为左角，右侧的水平角称为右角。闭合导线一般测 其内角，在公路测量中，附和导线一般测右角，注意全线应统一。 各等级的导线测角要求，应满足规范。 图根导线(mapping traverse)的转折角可以用 DJ6 经纬仪测回法 观测一测回 44 联系测量 平面控制网的必要起算数据是一个点的坐标和一条边的坐标方 位角。起算数据可以通过与国家和城市控制网联测获得。导线联测 为测定联接角和联接边。测量方法同导线。联接角：导线边和已知 边的水平夹角。联接边：导线点和已知点的连线。 45 定向 在新布设的平面控制网中，至少需要已知一条边的坐标方位角 才可以确定控制网的方向，简称定向(orientation)；至少需要已知一 个点的平面坐标才可以确定控制网的位置，简称定位。 如果测区没有已知高级控制点，则可用罗盘仪测定导线起始边 方位角和假设起始点坐标。 导线测量的内业工作 46 整理外业资料 计算之前，全面检查外业测量记录，数据是否齐全，有无遗漏、 记错或算错，成果是否符合规范的要求。检查无误后，就可以绘制 导线略图，将已知数据和观测成果标注于图，以便计算。 47 计算导线坐标的步骤 （1）计算角度闭合差。 （2）推算其他导线边的坐标方位角。 （3）计算各导线边的坐标增量。 （4）计算各导线点坐标。 第五章 举例说明施工控制网在公路桥梁中的应用 51 工程概况 S250 省道邳州南端是与原有出省通道苍邳公路、250 省道宿迁 段合并为一条南北向干线道路，北起苍山县，南至江苏省宿迁市西 环路，全长 98km，规划一级公路标准，编号为 S250。该公司所监 理的标段是 A1A3 标，全长 19.3km。 5.1.1 平面线形设计根据初步设计审查会议纪要，设计速度为 100km/h，平面线形布设在尽量避免穿越村庄、良田、工厂、高压 电线的情况下，采用较高的平面线形指标，以保持线形的顺畅。 5. 1.2 平面主要控制点 苍邳公路：苍邳公路为出省通道，北接山东，是本次设计的 起点，路线与之平面交叉，交角为 90110 千伏高压线，路线在 K2+720 处与之相交，交角为 90铁塔外缘距公路用地界距离约 100m。东耿埠、和庄：路线在跨越京杭运河后，以 R=1800m 的 圆曲线半径穿过东耿埠、和庄的空隙，最大限度的减少拆迁。 220 千伏高压线：路线在 K9+370 处与之相交，交角为 86，铁路 外缘距公路用地界距离约 150m。旧路改造段： K12+800K17+700 为旧路改造段，为最大限度的利用旧路资源，本 次改造对平面线形未做大的调整，采用左幅单侧拼宽的改造方案。 邳土公路：路线在 K17+727 处与之相交，交角为 91。 5.2 放样的发展阶段 5.2.1 传统阶段 在传统的工程放样方法中，必须求出设计图中的放样点或线相 对于控制网或原有建筑的相互关系，即求出其间的角度及间距和高 程，这些数据称为放样数据。然后按照放样数据利用传统光学经纬 仪、皮尺、钢尺、水准仪等工具测设出点位和高程。通常，测设点 和高程是分开进行的。测设点位的常用方法有：直角坐标法，极坐 标法、角度交会法和距离交会法等。高程放样最常用的是几何水准 测量，对于工程精度要求稍低的，可用钢卷尺直接丈量或用三角高 程测量等方法。 5. 2.2 坐标放样阶段 随着光电测距仪的发展，出现了一种测滤头，可以直接安置到 传统经纬仪的上面，这样装置曾戏称“ 半站仪” 。从而实现了同时测 角和量距的任务，再结合计算器就可即时计算出所测设点的坐标， 出现了坐标放样法。坐标放样法克服了传统方法中的求取放样数据 的麻烦工序，直接获取放样点的坐标就可以放样出设计点。 5.3 放样方法 5. 3.1 直角坐标法（切线支距法） 直角坐标法放样是利用点位之间的坐标增量及其直角关系 进行点位放样的方法，它是以曲线起点 ZY 或终点 YZ 为坐标原点， 以切线为 x 轴，以过原点的半径为 y 轴，根据曲线上各点的坐标 （x,y）进行测设。 沿切线方向，由 ZY 或 YZ 开始用卷尺量取 x 值， 得到垂足点；在各垂足点作垂线方向量取 y 值，即可定出曲线点。 在测设时，可量所定各点弦长进行校核。 此方法简单，误差不积 累，但是不能发现中间点的测量误差，因此仅适用于平坦、开阔地 区，适用于短距离、小转交的线型。 5.3.2 极坐标法（偏角法） 极坐标法放样是利用点位之间的边长和角度关系进行放样 的方法，它是以曲线起点 ZY 或终点 YZ 至曲线任一点 Pi 的弦线与 切线之间的弦切角i 和弦长 Ci 来确定点 Pi 的位置。 此方法有校 核、精度高、适用性较强，但是误差累积，所以在测设时要注意经 常校核，因此使用于山区。 5.3.3 全站坐标法 全站坐标法放样是利用点位设计坐标以全站测量技术进行 点位放样的方法。全站坐标法的放样技术要点，即利用全站测量技 术，测量初估点位，把直接得到的点位坐标与设计点位坐标比较， 二者相等则定初估点位为测设的点位。一般全站仪或 GPS 接收机都 有全站坐标法测设功能。 5. 3.4 角度交会法 角度交会法放样是利用点位之间的角度关系进行点位放样 的方法。此计算方法简便、快速，交会测设点位时灵活方便，测设 的速度较快，精度也较高，需