施工控制网的布设及精度分析.docx

学 号08270215毕业论文说明书施工控制网的布设及精度分析Analysis of the layout and accuracy of construction control network学生姓名周可来专业名称测绘工程专业班级08级测绘工程2班指导教师李刚 副教授 土木工程系摘 要控制网，按其用途不同可分为两大类，即国家基本控制网和工程控制网。工程控制网是针对某项工程而布设的专用控制网，他可以分为测图控制网、施工控制网、变形监测控制网等。按其内容分为平面控制网和高程控制网，前者常采用三角网、导线网。侧边网和边角网的形式，而后者常采用水准网的形式。施工控制网是为工程建筑的施工放样提供控制，其点位、密度以及精度取决于建设的性质。施工控制网的精度一般要高于测图控制网，它具有控制范围小，控制点密度大，精度要求高，受施工干扰大等特点。且大多是独立网和采用独立的坐标系。通过对它的了解和认识，本设计主要从它在各种工程中的布设，精度，优化，应用以及精度分析，重点阐述工程施工控制网系统领域的建立，同时通过几个工程项目的控制网的事例，更好的探讨施工控制网的多样性和灵活可优变动性。关键词:工程控制网；施工控制网；精度分析；优化设计；应用AbstractControl network can be divided into two categories according to their different purposes, which are the states basic control network and engineering control network.Engineering Control Network is a dedicated control network layout for a particular project, he can be divided into mapping control network, construction control network, deformation monitoring network. According to their contents into the horizontal control network and control network, the former is often used triangulation, traverse network. Side nets and corner form of network, while the latter is often used in the form of the leveling network. Construction control network control point density and accuracy depends on the nature of the building construction engineering and construction stakeout. Construction control network accuracy is generally higher than the mapping control network, it has a small control range, the control point density, high precision, by construction disturbance characteristics. And most of the independent network and the use of independent coordinate system. Through its understanding and knowledge of, the design from the layout in a variety of engineering, precision, optimization, application and accuracy of analysis focuses on the establishment of construction control network systems through the control network of several projects examples to better explore the construction control network diversity and flexibility can be excellent volatilityKey words: Engineering control network;construction control network;Design Optimization ;Application目录第一章 施工控制网的研究现状及其意义41.1工程控制网研究现状41.2施工控制网在的研究意义5第二章 施工控制网的建立62.1施工控制网建立的基本原理62.2网精度的确定方法102.3施工控制网的优化设计与质量标准122.4施工控制网优化设计122.5控制网优化设计方法132.6控制网优化设计的标准142.7误差椭圆与相对误差椭圆的理论及应用18第三章 典型工程控制网的建立193.1桥梁平面控制网的建立193.2隧道施工控制网的布设243.3水利枢纽施工控制网的布设353.4工业厂房施工控制网的布设38第四章 GPS施工控制网的布设434.1选点工作还应遵守以下原则：434.2 GPS网的基准设计及图形设计434.3 图形设计434.4GPS数据处理及平差454.5GPS网平差报告50第一章 施工控制网的研究现状及其意义1.1工程控制网研究现状 工程控制网是针对某项工程专门布设的控制网，它主要分为，为施工前勘测设计阶段建立的测图控制网，为工程建筑物放样提供控制点的施工控制网，还有在施工以及运营阶段为检测施工建筑物的变形状况的变形监测网。由于现代科学技术水平的发展以及现代测绘技术的飞速发张，使得工程控制网的研究转向科学化，合理化，经济化。空间测量技术使得测量学的发展进入了新的阶段。信息时代的控制测量仪器和测量系统已形成数字换、智能化和集成化的新的发展态势，空间测量和地面测量相结合和测量系统互补也出现了新的格局。工程控制网的设计在空间技术的出现也发生了革命的变化，从传统的三角测量控制网向GPS控制网转型，从传统的平差技术先现代的平差技术转化。测量仪器从光学仪器向电子测量仪器的转化，精度的提升使得控制网布设的难度也大大的降低。距离方面几十米到现在的千米级。工程控制网的优化设计理论和应用得到了深度发展，测量的书记处理和精度分析理论也取得了瞩目的成就。现代控制网优化理论同近现代测量平差理论想结合为精密工程控制网的优化设计的长足发展做出了丰硕的成果，电子计算机在测量学中的广泛应用使得控制网的优化设计更为简单，发展也更加的迅速。其优化设计主要包括，控制网精度标准，可靠性标准，可测性标准，监测网的灵敏程度以及控制网布网的费用标准等。电子计算机改变了控制测量的格局，是控制网服务领域更加的宽广，电子计算机应用在测量上的时候，使得各类工程控制网的优化设计成为现实，计算机可以处理繁琐的计算，降低了认为计算的误差，监测也实现了实时动态性。可也实时对数据库进行调用，对书记进行分析，运算，处理和加工等多种功能。可以减低控制网成本，布设时间，效益高。1.2施工控制网在的研究意义施工控制网的布设形式根据工程建筑的种类不同而不尽一致，即便同一工程不同部分的控制网的精度要求不同 布设形式也不一定相同。为了工程建筑物放样精度，控制网的布设是至关重要的。建筑物放样精度要求是根据是根据建筑物竣工时建筑物限差所设定的。建筑物竣工时的世纪误差又是由施工阶段的施工误差和测量误差共同造成的，测量误差只是其中一部分。所以为了验收限差我们需要正确的建立施工控制网，满足其精度要求，了解相关的工程知识。施工控制网在各大工程建设中都是举足轻重的，施工前第一步就是建立施工控制网，根据施工工程来确立施工控制网的精度，对于施工控制网的精度，不能制定过于宽松，这样容易引发工程事故，有不能制定过于严格，这样子不仅仅提高了布设控制网的难度，又增加了施工放样的工作量。不但没有给工程带来效益，反而增加了工程量，这杨是不能满足现代化施工进度要求的。在桥梁建设中，施工控制网放样点激励控制点较为远，可能导致放样误差较大，应该同时考虑工程施工和放样工作，是工场地经常会出现干扰放样工作的情况，为了不影响施工进度，建立施工控制网是控制点的选择是很重要的，既要有足够的时间来观测，有要不影响施工的正常进行，所以施工控制网的布设对于工程建设是很重要的，控制点的误差对于施工时引起的误差影响甚微，可以忽略不记。在桥梁施工控制网布设地 的地理条件的选择直接影响着施工控制的精度。在隧道控制网布设，由于隧道施工时从至少两个洞口同时施工，为了加快施工进度，为了保证最后隧道的正常贯通，隧道控制网的布设需要分为地面控制网和隧道内部控制网。考虑隧道的地理条件，隧道内部的控制，最要是导线网，其目的是为了隧道的贯通。控制网不仅仅在这两个方面有很大的作用 ，在多有工程建设中都是不可轻视的。第二章 施工控制网的建立2.1施工控制网建立的基本原理2.1.1施工控制网的分类（1）三角、边角网三角网，边角网是在测区布设若干控制点，控制点通过导线相互连接，组成三角网状，我们可以通过观测其内角或边长，结合控制点的坐标，起算边方位角，得出控制网所有边的方位角和控制点的坐标。 如下图,布设若干控制点分别为1.2.3控制点两两通视，把控制点两两连接组成控制网。测区较小，可以不考虑椭球曲率对控制网的影响。根据控制网的起算边方位角结合已知控制点坐标可解算出控制网的所有点坐标（2）导线网：将控制点用直线连接起来组成的折线，这条线段就叫做导线网。主要优点在于：布设简单，仅仅需要两点通视，选点方便，特别是在隐蔽的的地区和建筑物加多的地方。导线网的缺点主要是：精度可靠性不高（3）GPS网：Gps网是以分布在空中的多颗卫星为观测目标来确定地面店三维坐标的定位方法。在地面布设控制点组成网形。其优点是测量精度高、选点灵活、费用低、全天候作业、观测周期短，数据自动化处理A级GPS 控制网B、C级GPS网 （4）GPS网与地面网相结合的混合网：在GPS布设网过程中，会出现GPS没有信号的时候，比如隧道内，涵洞，以至于不得不采用其方法进行布网，这时候GPS网可以结合其他网布设一个混合的联合网（如下图）2.1.2控制网布设的原则 工测控制网可分为以下三种：1.测图控制网，主要是为了施工建立阶段用于地形图的测量这一阶段主要是将的比例尺的提供给设计人员，设计人员根据大比例尺图进行工程建设的设计及规划。2.施工控制网，主要用于为工程施工放样提供数据基础，其任务是将图纸上的设计建筑物的控制坐标测设到实地上去。对于不同的工程施工控制网的气体任务也不相同。3.变形监测控制网：是在工程竣工后的运营阶段，观测建筑物的变形情况，例如建筑物周围地形的不均匀沉降。不管什么控制网都应该遵循以下的原则：1.分级布网、逐级控制 对于工测控制网，根据精度要求的高低分级布设，首级控制网精度要求最高，而工程控制网是用于施工放样的，一般分为二级布设。变形观测网或其他用途的控制网。一般不参与分级。 2.要有足够的精度 控制网的布设直接关系到施工的质量安全，精度指标是衡量施工控制网的优劣好坏。国家控制网精度一般很高，但由于控制网边长较长，相对于施工控制网来说，国家控制网的中误差比施工控制网大得多3.要有足够的密度 无论是施工控网还是专用控制网，在测区范围内为了施工或其他观测都应该有做够的控制点来满足观测要求边长往往是衡量控制点密度的一个指标如2-1中。4.要有统一的规格 施工控制网能相互利用尽可能得统控制网的规范。表2-1 三角网的主要技术要求等级平均边长（km）测角中误差（）起算边相对中误差最弱边相对中误差二等91.01/300 0001/120 000三等51.81/200 000(首级）1/120 000(加密）1/80 000四等22.51/120 000（首级）1/80 000(加密）1/45 000一级小三角二级小三角10.55101/40 0001/20 0001/20 0001/10 0002.1.3制网的特点及建网步骤：控制的范围较小，控制点的点位密度大，精度要求较高、 使用频繁、受施工干扰、控制网的坐标系与施工坐标系一致、投影面与工程的平均高程面一致 、有时分两级布网，次级网可能比首级网的精度高，其步骤：（1确定控制网的等级（2）确定布网形式（3）确定测量仪器和操作规程（4）在图上选点构网，到实地踏勘（5）埋设标石、标志（6）外业观测（7）内业数据处理（8）提交成果2.1.5标系与测量坐标系的转换在设计和施工部门，为了工作上的方便，设计总平面图上的建(构)筑物的平面位置常采用一种独立坐标系统，称为施工坐标系或建筑坐标系。施工坐标系的纵轴通常用A表示，横轴用B表示，施工坐标也用A、B坐标。 施工坐标系的原点设置于总平面图的西南角上，以便使所有建(构)筑物的设计坐标均为正值。设计人员在设计总平面图上给出的建筑物的设计坐标，均为施工坐标。设计施工坐标的A轴和B轴，应与厂区主要建筑物或主要道路、管线方向平行。在设计阶段，工程建筑的坐标系是施工坐标系。施工坐标系往往和测量坐标系不一致，施工前往往需要把施工坐标系转化为测量坐标系。设xoy为测量坐标系，AOB为施工坐标系，设施工坐标系的坐标原点在测量坐标系中的坐标为（xo,yo），OA轴的坐标方位角为，则P点在两个坐标系的换算关系为：xp=xo+Apcos-Bpsin (2-1)yp=yo+Apsin+Bpcos以及Ap=(y-yo)sin+(x-xo)cos (2-2)Bp=(y-yo)cos-(x-xo)sin上式中的参数xo，yo,由设计文件给出。图3-1施工坐标系与测量坐标系2.2网精度的确定方法工程建筑物的放样是为了把图纸上设计好的各种工程建筑物按一定的要求或指标测设到相应的地面上，它是工程测量的重要组成部分。放样过程需要埋设各种标识，作为施工依据，以保证施工的正常进行，以及保证建筑施工满足设计要求。 现代工业建筑规模都不较大，而且种类繁多，分布广泛，导致了施工测量任务加大。工程施工测量需要与施工进度及时相配合，所以他与其他测量有本质的不同为了满足施工的需要，施工控制网布设精度需要考虑到大比例尺地形图测量精度。施工阶段，很多控制网点会应为建筑物而不能通视，使之不能满足施工测量的要求。因此，很多施工控制网的布设都在原有的测图控制网上建立。我国很多工程案例都说明，建立施工控制网为施工放样提供数据基础，对工程建设是非常有益的。工程建筑物的主轴线施工放样精度指标，与建筑物的性质，建筑物的工程量以及建筑物所处的地理位置和地形共同决定的，当施工控制网只是为建筑物的主轴线提供放样时，施工控制网的精度要求就有所降低，因为主轴线的放羊精度要求并不是很高。如果施工控制网不仅仅是为了主轴线提供放样的时候，施工过程需要对工程建筑西部放样时，施工控制网的精度要求需要保证放羊精度要求达标。由于施工建筑物的不同，对于施工控制网的精度要求也不同，对于同一建筑物不同部分，放样精度要求也不同。在施工之前我们应考虑需要根据那部分工程来进行施工控制网的布设，在选择时，应考虑到现场施工的条件，及建筑物是否必须从控制点直接进行施工放样。虽然有的建筑物的相对精度要求很高，但是在施工放样时，可以利用它们相对精度较高进行直接放样。所以，当考虑施工控制网不设时，可以不考虑对于它们放样精度的需求。设M为工程施工放样后所得的控制网的点位的总误差；为控制网布设的点误差所引起的误差；为放样过程中所产生的误差。则M= （2-3）有，故，将（2-3）的二项式展开为泰勒级数，略去高次项，则有： （2-4）假设，即就是控制点的点误差只占总误差的十分之一，可知： 把上式代入（2-4）推出： （2-5）综上所述，当控制点点位误差为时，施工放样的总误差仅仅增加0.1M。2.3施工控制网的优化设计与质量标准2.2.1布设控制网的基本要求衡量施工控制网的质量优劣程度，不仅取决于工程的质量和要求，而且取决于精度标准制定的合理与否。控制网优化设计的质量标准，直接反映了控制网的好坏，这个个标准又称为质量指标或质量准则。对测量控制网的基本要求有四个1、精确性。即要求控制网中个方面的精度要必须达到或高于设计预定的测量精度指标。施工控制网精度是测量控制网的首要指标，如不能达到预定的精度指标，所布设的施工控制网就不能使用。但是，控制网的精度也并不是越高越好。由于各控制网都有其明确的使用目的，所以控制网在满足必需精度后又增加的“额外”精度，这个并不能给工程带来更好的效益，反而会使建立控制网的费用增加。2、可靠性。测量控制网的可靠性是指控制网探测观测值粗差和抵抗残存粗差对平差成果影响的能力，或者说用以判断某一观测不含粗差的概率。对于很大的粗差一般是很容易控制的，但对不大的粗差的探测和确定是非常困难的，通常只能用统计检验方法去研究探测粗差的概率。它可分为内部可靠性和外部可靠性，其中可能发现粗差的最小值，称内部可靠性，残存粗差对未知数函数的影响大小，称外部可靠性。3、经济性。经济性准则是用较少的人力、物力实现对控制网的精确性与可靠性要求控制网的优化设计是在一定一些其他基本要求的情况下来寻求某一目标函数的极值。4、可检测性。对于布设的变形观测控制网，重复观测可以较高的显著性地进行各种假设检验是否达到精度要求。这些要求往往是相互制约甚至相互矛盾的，而优化设计的目的就是要寻求一个最能兼顾上述要求的最优方案。2.4施工控制网优化设计控制网优化设计一般分为四类：（1）零类设计（基准问题）（2）一类设计（图形问题）（3）二类设计（权比问题）（4）三类设计（加密问题）观测值方程式：3-2控制网设计阶段的划分情况表 （1）零类设计 (为控制网寻求一个最优的基准或坐标系) 又称基准设计，固定参数是A，P待定参数是x，QX。意指在给定固形（A）和观测精度(P)的情况下，为待定参数x选定最优的参考基准使QX最小。我国已建成国家大地参考基准，这是各类测绘工作应共同享用的。对精密工程，有时建立自己的参考基准，这可用测量方法测出拟意参考系中的起始数据从而构成完整的参考基准。为判断网的未知量内精度QX ，可以采用秩亏自由网平差然后在不同基准之间进行相似变换，以选择一个最优的参考基准。1.控制网与国家或地方控制网的要求有关，因而不存在此问题。2.对控制网网点有特殊要求的专用网（工程实际背景已确定了参考坐标系的选择）如大坝施工控制网，可选择坝轴线的两端点可作为其控制网的参考基准；若考虑其它任务，可根据需要适当选择其它的参考基准。3.对控制网网点没有特殊要求，各控制网点等同重要的控制网（2）一类设计又称图形设计，其固定参数是P， QX 的待定参数是A。意指给定观测精度和平差后的点位精度标准，以确定最佳的图形结构。工程测量中由于受限于地形因素，比如城市中公路，及水利方面地形较为狭窄或天气因素等。所以，一类优化设计主要内容体现在怎么选择最佳的观测类型（3）二类设计又称观测权设计，固定参数是A， QX ，待定参数是P。即在满足给定图形A和平差后点位精度QX要求下，通过全网观测量的合理分配，使测量平差达到顶期的效果，并使观测量最小或不超过一定范围。由于观测类型越来越越多，以至于二类设计还存在确定各类观测量在施工控制网中的最佳位置和密度等的最佳组合。在特种精密工程测量中，权的优化设计是最常见的。（4）三类设计又称原网改进设计，取固定参数是QX ，待定参数是部分的A或P。它是在旧网的基础上，通过设计新点位，增加新观测以及观测值权的改变以达到全网点位精度QX的要求2.5控制网优化设计方法网的优化设计方法有两种：（1）解析法：通过数学方程用最优化方法求解。（2）模拟法：根据经验和准则，通过计算比较、修改，得到最优方案。3-3设计流程图2.6控制网优化设计的标准在施工控制网的设阶段，其质量标准时设计和精度评定的的一个衡量的主要标准，其质量指标直接关系到控制网的好坏程度，这个标准之低昂合理与否，对控制网起着决定性作用。我根据对控制网的的要求不相同，们把这个指标分为，精度指标、可靠性指标、灵敏度标准和费用标准。1. 精度，描述误差分布离散程度2.可靠性，发现和抵抗模型误差的能力3.灵敏度，监测网发现某一变形的能力4.经济，建网费用2.6.1精度标准 当观测值存在随机误差，网的精度标准才可以体现出来，其作用是描述误差分布的离散状况，常用方差或均方根来表示，其数学期望为最小二乘原理，平差结果为： 由此式可看出和它们包括了控制网的所有精度信息，其对控制网的精度评定有非常重要的作用。显而易知用矩阵来描述控制网的及高度情况就简单多了，但是，我们很难直接的将两个不同精度的矩阵进行比较，得出哪一个矩阵精度该高，哪一个矩阵精度低。所以我们从中抽取一部分精度信息作为一个指标，以此来作为精度比较的标准。整体精度用于评价控制网的总体质量，其特征值为i（i=1，2,3，t）也是非负的，设大小排列顺序为 ：12,t 利用正交矩阵G，可把全对称矩阵Q化为对角阵由此可得式中： 矩阵Q的特征值。当Q为满秩阵时，为t 维误差椭球半径( 0=1 时)。因此有：A标准：取协方差阵DX 的迹当： 作为控制网的精度标准。当:tr （D X) = minA有最有值由于方差协方差阵迹的实质是控制网全网未知点坐标方差之和，故当A有最优时，整个控制网的未知点坐标的方差和为min，所以A标准又称作方差标准。但当二维空间中的一个点，有并称tr（Dx）为赫尔默特点位误差，此式还可延伸到n课控制点的点位误差计算MH=1ktr(Dx)上式称为广义赫尔默特点位误差2、D标准：取协方差阵D X 的行列式控制网的精度标准为detDX)=DX=1 2tDet(DX)=DX=min时，称其为D最优。作为特例，对于二维空间中一个点，有MW=4X2Y2+XY2=4det(DX)并称4det(DX)为点位误差，此式也延伸推广到有n个待定点的控制网。即MW=4det(DX)=det(DX)14并称为广义韦尔克迈斯特点位误差。3.E标准：E标准为Qxx的最大特征值max，主要表示未知数权倒数阵中最大特征根最小化。当maxmin时，最弱点的点位精度最好，称为E最优。4、N标准：取协方差阵的范数DX作为控制网的精度标准，并称之为N标准。当DX=min时，就称之为N最优5.S标准：取频谱间隔 max min 作为控制网的精度标准，并称之为S标准。当 max min = min 时，就称其为S最优。6、局部精度指标所谓局部精度指标是用最重要的一个或几个指标反映在控制网的局部精度特性。对工程控制测量常用的局部精度指标有：（1） 点位误差椭圆，其元素的计算公式为a2=1202QX+QY+(QX-QY)2+4QXY2 2.10b2=1202QX+QY+(QX-QY)2+4QXY2 2-11（2）相对误差椭圆。其元素计算公式与上式相似，只是要把坐标权系数改为坐标差的权系数。（3）未知数某些函数的精度（又称F标准）：例如控制网中推算边长、方位角的精度等，设未知数向量X经线性化后的权函数式为f (X ) = ft X 2-12式 f=(f1,f2,fn)T。取未知数函数的方差DF=fTDX=MIN 2-13作为控制网的精度标准，并称之为F标准。当DF=fTDXf=MIN 2-14时，称其为F最优根据不同的工程情况和布网目的，可以给出函数式（1-12）的不同形式。以达到适用的F最优。作为特例，当式（2-12）的在上述5个标准中，A标准用的比较广泛，它的特点是具有直观和易于计算的优点，缺点是仅利用了Qxx的对角线元素而忽略了未知数之间的相关信息。D、E、S标准由于其计算复杂，多用于理论研究，但对于点数少、要求精密设计的控制网，可以考虑采用这些标准。对于较大的控制网，由于计算高阶的行列式和特征值比较困难，从而限制了这三个标准的使用。2.6.2可靠性标准 测量控制网的可靠性是指控制网探测观测值粗差和抵抗残存粗差对平差成果影响的能力，或者说用以判断某一观测不含粗差的概率。对于很大的粗差一般是很容易控制的，但对不大的粗差的探测和确定是非常困难的，通常只能用统计检验方法去研究探测粗差的概率。它可分为内部可靠性和外部可靠性，其中可能发现粗差的最小值，称内部可靠性，残存粗差对未知数函数的影响大小，称外部可靠性(一)内部可靠性内部可靠性使之某一观测值中补虚至少有一个出差下界值，这是观测vi可发现l = l + lvi = -(QVV P)ii li =-rliri 为矩阵 (QVV P)主对角线上的元素r = =n - u = tr(Q vv P ) 称ri观测值 li 的多余观测分量，定义为观测值的内部可靠性。ri 反映控制网发现观测值 li 中粗差的能力。ri 愈大，通过统计检验，能发现该观测值中粗差的下界值 0 li愈小；多余观测分量的特点：1.0 ri 1。2.观测值的精度反比与内部可靠性。3.控制网的精度取决于多余观测数的多少，多余观测值越多，平差精度就越高，当然，控制网的精度就越好，但是控制网布设费用就会增加4.对于独立网来说，观测值的内部可靠性与其布设网的位置没有直接相联系5.一般对于控制网多余观测值的分量应该大于0.3。(二)外部可靠性因为外部可靠性无法得出粗差得最小下界值，其观测数据中含有对平差有影响的的数据，对于观测值中只含一个粗差的情形，未被发现的粗差 o li 对未知数向量的影响可表为（1）内、外部可靠性均与 有关，它们完全随 的变化而变化，内、外部可靠性具有一致性（2）多余观测分量是衡量内、外部可靠性的一个公共指标 在控制网设计阶段，为了能建立精度要求合格的控制网，根据控制网的不同类型能对控制网数据观测起到一个促进作用，其控制网的多余观测值应该满足 ri0.20.5rir-=rn2.7误差椭圆与相对误差椭圆的理论及应用点位误差曲线虽然有许多用途，但它不是一种典型曲线，作图不太方便，因此降低了它的实用价值。但其总体形状与以E、F为长短半轴的椭圆很相似，如图6-9所示，而且可以证明，通过一定的变通方法，用此椭圆可以代替点位误差曲线进行各类误差的量取，故将此椭圆称点位误差椭圆（习惯上称误差椭圆） 、E 、F 称为点位误差椭圆的参数。故实用上常以点位误差椭圆代替点位误差曲线。设表示点位的参数是x、y，其点位的协方差阵为任意方向上的方差为根据不同方向的点位误差大小作图，即可得到误差曲线如图 3-4中的虚线所示。对（2-17）式关于求导，并令其等于零，即可得到点位方差的极大值a2和极小值b2，即这里a和b就是误差曲线的极轴半径，这两个极轴方向相互相交，且方向角 a 的表达式为误差椭圆代替误差曲线的可行性3-6误差椭圆代替误差曲线的可行性分析图第三章 典型工程控制网的建立3.1桥梁平面控制网的建立三角网设桥梁控制网传统方法，该方法只需测量网形图的内角和基线，该网形的特点是控制横向误差比较容易。现代仪器的发展，使得距离和角度的测量更加的方便，因而布设测边网和边角网成为可能。根据精度分析,测角网(三角网) 有利于控制方位误差, 即横向误差,而测边网有利于控制尺寸误差,即纵向误差,在建立控制网时为了充分发挥测角网和测边网的这些特点, 布设同时测角和测边的控制网，即边角网。3.1.1桥平面控制网网形设计桥梁施工平面控制网图形常见的有图1所示的5种,其中1-2为桥轴线。图1（a）为菱形网 ,适合于江中有岛的情形 ,图1（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1（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。3.1.2跨河水准测量设计桥梁施工高程控制网的主要作用是控制桥梁墩台及索塔高程的定位放样,其中水中桥墩及斜拉桥索塔的高程是控制的重点和难点,其难度随着桥梁跨越水面距离的增大而增加。为了保证水中主桥高程施工放样精度, 必须通过跨江( 海) 高程测量将江河湖海两岸的水准点高程联系起来。可见,跨河(海) 水准测量是桥梁施工高程控制网测量的关键。以水中桥墩施工放样精度要求推求桥梁施工控制网的必要精度。从测量的角度来看,桥墩施工定位的总误差由控制点误差和放样误差两大部分组成。通常情况下，桥梁施工条件复杂、干扰大、放样误差较大。而在建立控制网时，则有足够的时间和各种有利条件提高控制网的精度。 因此，我们按照使控制点误差对放样点位不发生显著影响的原则，进行施工控制网的精度设计。水中桥墩(或索塔) 高程系由一岸水准点( A 或 B )引测而得。设施工放样中精度要求最高的高程允许误差为H 。根据推导,当控制点误差为总误差的0. 4倍时，则其对桥墩高程放样的影响可忽略不计，则两岸跨河水准点的高程中误差(mA 或 mB )不应大于 。而桥梁工程中最关心的是桥墩(台)间相对关系问题,因此我们以两岸跨河水准点间高差中误差应不大于的要求来规定施工高程控制测量的精度。桥梁施工规范规定:混凝土墩台支承垫石顶面高程允许偏差为，取其高程中误差为，则两岸跨河水准点间高差的中误差不应大于。设每千米水准测量高差中数的偶然中误差为, 跨河视线长为 , 则有: 对于二等跨河水准， 则要求， 也就是说，当跨河视线长不大于时，可按二等精度施测。但跨河水准测量的难度随跨河视线长度的增加而增大，因此，在规范制定中可取，而当跨河视线长超过时，须对跨河水准测量进行专门设计。对于三等跨河水准， 则要求。对于岸上网中水准点间联测，取岸上施工水准点纵向( 沿桥向) 间距为400m,则可求得每千米水准测量中误差的允许值为：， 考虑到陆地桥墩施工难度比水上施工难度低的实际情况，故取陆地水准测量中误差的允许值为 5 mm，同时顾及跨河长度对桥型结构复杂程度的总体影响因素,故规定网中水准点间联测分别按三、四等精度施测。而对于网的起算高程引测一项，由于桥梁工程主要强调施工的相对精度，因此取用与网中水准点间联测相同的等级。至此,完成了桥梁施工高程控制测量精度等级的设计。当跨河视线长小于 1 000 m 时, 跨河水准应按不低于三等精度观测,网中水准点间联测及网的起算点高程引测按不低于四等精度观测。当跨河视线长介于 1 0003 500 m 间时, 跨河水准应按不低于二等精度观测,网中水准点间联测及网的起算点高程引测按不低于三等精度观测; 当跨河视线长超过3500 m 时,应作专门设计。3.1.3桥梁水准设计传统跨河方法的场地一般布设成平行四边形、等腰梯形或大地四边形，GPS 跨河法的应布设为直线型，如下图。跨河场地布设图形跨河场地的布设中需要充分考虑有利于减弱大气折光、电磁场及其他障碍物对测量精度的影响，并主要到不同方法对选点的特殊要求。1）应尽量避免顺光、逆光观测，选择背景开阔、亮度适中、周围无发热源的地方设置立尺点。2）必须保证观测视线距离水面及其他地面障碍物的高度，尽可能选在地势较高处进行跨河测量。3）应选择土质坚固的地面或基础稳定的水泥地设置仪器和标尺， 保证观测期间仪器和标尺的稳定性。立尺点标志须稳固可靠，当仪器安置在土质地面时，应架设仪器脚桩。4）桥梁工程跨河水准测量应采用双线观测，并通过岸上水准联测形成跨河水准闭合环，以确保跨河水准测量成果的精度及可靠性。3.1.4桥梁水准点的观测方案在桥址两岸布设一系列基本水准点和施工水准点，用精密水准测量联测，组成桥梁高程控制网。从河的一岸测到另一岸时，由于过河距离较长，用水准仪在水准尺上读数困难，而且前、后视距相差悬殊，水准仪误差(视准轴不平行于水准管轴)、地球曲率及大气折光的影响都会增加。过河水准测量图形：（1）过河水准测量用两台水准仪同时作对向观测，两岸测站点和立尺点布置成如图所示的对称图形。（2）A、B为立尺点，C、D为测站点，要求AD与BC长度基本相等，AC与BD长度基本相等且不小于10m。（3）用两台水准仪作同时对向观测，在C站先测本岸A点尺上读数，得，然后测对岸B点尺上读数24次，取其平均值得 ，高差为。（4）同时，在D站先测本岸B点尺上读数，得 ，然后测对岸A点尺上读数24次，取其平均值得，高差为。（5）取和的平均值，即完成一个测回。一般进行4个测回。（6）由于过河水准测量的视线长，远尺读数困难，可以在水准尺上安装一个能沿尺面上下移动的觇板。观测员指挥司尺员上下移动觇板，使觇板中横线被水准仪横丝平分，司尺员根据觇板中心孔在水准尺上读数3.1.5首级控制测量为了确保大桥首级平面和高程控制网的正确与可靠, 及时、有效地为施工放样及后期变形监测打好基础。首级平面控制网布设，以及完工后运营阶段均采用GPS控制网 在首级网的测量过程中，采用高精度双频Ashtech GPS接收机（满足5mm+110-6D）进行同步观测。观测结束后，即将数据用随机软件下载备份，并转换为RINEX格式。Gps基线解算采用武汉大学开发的科傻软件。 3.1.6加密控制测量 在完成首级网的测量工作后，根据工程的需要，在适当的位置，建造了A、B、C共3个测量平台，在平台上，建立了强制观测站墩。 加密控制网的已知点可以利用手机控制网的成果，对平台进行了GPS测量。测量时采用GPS三等的技术要求，连续观测4小时。 由于建造平台的稳定性受潮汐等因素的影响，加密点的稳定也直接关系到了施工的精度，并以每月1次的频率，对A、B、C三个平台进行了测量，共完成了10次测量。表3-1控制点的坐标及测量中误差从以上数据可知，A、B、C三个平台上的点处于一种稳定状态，可以作为施工测量的GPS基准站根据施工的进程，在建造好的桥墩上，也布设了加密点，其间距约1km，利用首级网的测量成果，采用GPS测量手段，用10台双频接收机同时测量，按照GPS测量三等精度要求，完成了全线的控制网加密工作。3.1.7桥梁施工控制网的精度确立方法桥梁施工中对测量放样精度要求主要体现在相临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。在确定了桥梁控制网精度设计的基础数据后还应遵循另一原则：由于布设网本身存在误差，在放样过程中会导致放样误差，但是由于控制网引起的放样误差相对于施工过程中所出现的误差，可以忽略。设 M为放样后所得点位的总误差 M1为控制点本身误差所引起的误差 M2为放样过程中所产生的误差则根据误差的传播规律有： M = （M12+M22）= M2 (1+M12/M22) (1)显然 M1 M2故 M1 / M2 1将（1）式的二项式展开并略去高次项可得 M = M2（1 + M12 / (2M22 )） (2)若使(2)式中 M12 /（2M22）=0.1控制点所占的误差比例为总误差的0.1 M12 = 0.2M22 (3) 将2式待舞3，可求得 由以上公式可知，控制点的误差比例占到总误差的40%时，而放样误差的误差仅仅增加了0.1，这一影响可忽略不计。因此在确定了所需放样点的的总误差后，就可以用(4)式来确定所需施工控制网的精度。现在，我们以规范规定的桥墩中心误差为10mm作为确定施工控制网的精度。根据(4)式有：M1 0.4M = 0.410mm = 4mm200m = 1 / 50000当然，确定桥梁施工控制网的精度还很多，比如按拼装误差来确定。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。3.2隧道施工控制网的布设3.2.1隧道施工及其测量工作的特点隧道施工测量的主要任务是：第一：确保开挖工作面的精度，及施工安全，保证隧道按施工要求贯通。第二：保证隧道内部的建筑设施合理的修建，确保其精度，以免建筑物的修建超出其限界。隧道一般是由进、出口的两个开挖面相向开挖，在洞内预定位置挖通。隧道开挖主要采用先挖导坑后扩大成型法或全断面开挖法。前者，施工慢慢对其扩大的，在扩大的过程中是可以对其隧道的的某些位置进行一定的修改的，故隧道施工测量可先粗后精后者，由于全断面开挖法是一次成型，故隧道施工测量必须一次到位。在线路工程施工中，与其建筑物相比，隧道的建设速度要慢得多，特别是长大隧道。为了保证工程的工期，在隧道施工中，常利用增加开挖面的方法，将整个隧道分成若干段，同时施工，以提高隧道的建设速度。增加开挖面的主要方法有：在正线的左侧或右侧设置平行导坑，或根据地形和地质条件，在隧道中部设置横洞、斜井或竖井。 隧道从两端施工开挖，在洞内预定的位置挖通，称为贯通。贯通后，由两端分别引进的线路中线，应按设计规定的精度要求正确衔接。隧道施工都具有的共同特点都是：开挖顺着中线不断地向洞内延伸，衬砌和洞内建筑物（避车洞、排水沟、电缆槽等）的施工紧跟其后，不等贯通，施工隧道内部的基础建设设施及建筑物基本完成；隧道的实际贯通误差也只有在贯通后才能确定。由此可见，一旦出错，后果将不堪设想。隧道施工的测量工作的首要任务就是，在隧道开挖前都需要建立满足精度要求的、独立的隧道洞外施工控制网，它是引进洞外坐标的一个依据；对于较短的隧道，可通过洞外线路中线控制桩为引测进洞进行测量工作。全断面开挖法开挖的隧道，与先挖导坑后扩大成型开挖的测量过程基本一样，与先开挖导坑后扩大型不同的是对临时中线点、临时水准点的测设精度要求较高，或者是直接测设正式中线点、正式水准点。对于隧道施工的地理条件的关系，我们一般在隧道内是布设导线网。其误差的传导主要是沿导线方向累计。为保证隧道在贯通后由两端洞口分别引进的线路中线满足规定的衔接精度要求，洞外控制网应具有必要的精度，洞内施工控制测量也应采取一定的措施保证测量的精度。 3.2.2隧道贯通误差相向开挖的两条施工中线上，具有贯通面里程的中线点不重合，两点连线的间线段称为贯通误差。贯通误差在水平面上的正射投影称为平面贯通误差；在铅垂面上的正射投影称为高程贯通误差，简称高程误差。平面贯通误差在水平面内可分解为两个分量：（1）与贯通面平行的分量，称为横向贯通误差，简称横向误差；（2）与贯通面垂直的分量，称为纵向贯通误差，简称纵向误差。高程误差主要影响线路坡度。若高程误差为50mm，当隧道长度为500m时，对坡度的影响0.1，当隧道长度为5000m时，对坡度的影响只有0.01。由此可见，当高程误差不超过50mm时，几乎不影响原有的设计。对于这样的精度要求，按现有高程测量技术很容易做到。纵向误差影响隧道中线的长度和线路的设计坡度。设线路的设计坡度为i，路线长度为 L，纵向误差为L，则纵向误差对坡度的影响i为由于DL相对L很小，故从而得， （3-1）由上式可见，当纵向误差对坡度的影响i和路线长度L一定时，纵向误差DL与设计坡i成反比；当纵向误差对坡度的影响Di和设计坡度i一定，纵向误差DL与路线长度成正比。假设可以忽略的坡度影响Di =0.001 ，则当路线长度L=300m，设计坡度i=3时，纵向误差DL=0.1m，距离测量的精度为 1/3000。显然，纵向误差只要不大于定测中线的误差，能够满足铺轨的要求，对工程的影响一般是可以忽略的。横向误差影响线路方向，如果超出一定的精度范围，会