第6讲施工控制网的建立(1)ppt课件.ppt

工程测量学 第六讲 思考题 1 控制网的分类是什么 2 如何确定施工控制网的精度 3 工程中常采用的平面坐标系是什么 4 施工控制网的建立过程是什么 5 控制网优化设计的质量标准是什么 控制网按其用途不同分为两大类 即国家基本控制网和工程控制网 国家基本控制网的主要作用是提供全国范围内的统一坐标框架 其特点是控制面积大 控制点间距离较长 点位的选择主要考虑布网是否有利 不侧重具体工程施工利用时是否有利 它一般分级布设 共分四等 工程控制网是针对某项工程而布设的专用控制网 它分为测图控制网 施工控制网 变形监测网等 第五章施工控制网的建立 测图控制网是在工程施工前勘测设计阶段建立的测图控制网 其目的主要是为测绘地形图服务 点位的选择是根据地形条件来确定的 并不考虑工程建筑物的总体布置 因而在点位发布和密度上都满足不了后续工程建设的需要 施工控制网的点位 密度以及精度取决于建设的性质 施工控制网点的精度一般要高于测图控制网 并不遵循 由高级到低级 的原则 具有控制范围小 控制点的密度大 精度要求高 受施工干扰大等特点 变形监测控制网是在施工及运营期间为监测建筑工程对象的变形状况而建立的控制网 5 1控制网精度确定的一般方法 放样工程建筑物的放样是工程测量的重要组成部分 它的目的是把图纸上已设计好的各种工程建筑物 构筑物 按照设计的要求测设到相应的地面上 并设置各种标志 作为施工的依据 以衔接和指挥各工序的施工 保证建筑工程符合设计要求 工程施工测量与其他测量工作的不同在于要求与施工进度配合及时 满足施工的需要 5 1控制网精度确定的一般方法 在建筑施工中 测量工作将贯穿整个施工过程的各个阶段 从准备工作开始 需要进行场地平整 建立施工控制网 根据施工控制网进行建筑物放样 为了解基础沉降情况 在施工过程中及建筑物使用期间 还要进行沉降监测 为了便于建筑物使用过程中的管理 维修 扩建等 建筑工程完工时 应作竣工测量 5 1控制网精度确定的一般方法 工程建筑物放样的程序 应遵守由总体到局部的原则 即首先在现场定出建筑物的轴线 然后再定出建筑物的各个部分 采用这样一种放样的程序 可以免除因建筑物众多而引起放样工作的紊乱 并且能严格保持所放样各元素之间存在的几何关系 放样工业建筑物 则首先放出厂房主轴线 再确定机械设备轴线 然后根据机械设备轴线 确定设备安装的位置 5 1控制网精度确定的一般方法 工程建筑物主轴线放样的精度要求 根据建筑物的性质 它与已有建筑物的关系以及建筑区的地形 主要决定工程量的大小 和地质 主要决定建筑物的稳固性 情况来决定 扩建的工业场地上建筑物的主轴线 要考虑与现有建筑物的联系 而大坝主轴线的放样 主要是考虑地形与地质情况 5 1控制网精度确定的一般方法 当施工控制网仅用于放样建筑物的主要轴线位置时 由于主要轴线位置的放样精度要求并不太高 对厂区施工控制网的精度要求也不太高 当施工控制网除了用于放样主轴线外 还需直接用来放样辅助轴线和个别细部结构时 则对施工控制网的精度要求就大大提高 桥梁的施工控制网 除了用以精密测定桥梁长度外 还要用它来放样各个桥墩的位置 保证其上部结构的正确连接 因此其精度要求就比较高 5 1控制网精度确定的一般方法 施工控制网建立以后 即可进行建筑物轴线的放样 在实际工作中 并不是一次就将场地中所有的建筑物轴线都放样出来 而是按照施工的需要 依次地把它们标定出来 因为在施工过程中 设计常有修改 而且也不是所有的建筑物同时施工 过早的放样出来 标桩也不容易保护 为了使放样工作正确无误 必须要了解设计的内容 性质及其对测量工作的精度要求 认真阅读图纸 了解施工的全过程 并掌握施工现场的变动情况 使测量工作能够与施工密切配合 5 1控制网精度确定的一般方法 在施工阶段 测量工作的任务是直接为施工服务 测量工作的精度主要体现在相邻点位的相对位置上 对于各种不同的建筑物 或对于同一建筑物中各个不同的部分 这些精度要求并不一致 而且往往相差非常悬殊 施工控制网精度的确定 应从保证各种建筑物放样的精度要求来考虑 建筑物放样时的精度要求 是根据建筑物竣工时对于设计尺寸的容许偏差 即建筑限差 来确定的 建筑物竣工时的实际误差是由施工误差 包括构件制造误差 施工安装误差等 和测量放样误差所引起的 测量误差只是其中的一部分 为了根据验收限差正确地制定建筑物放样的精度要求 除了测量知识之外 还必须具有一定的工程知识 5 1控制网精度确定的一般方法 由于各种建筑物 或同一建筑物中各不同的建筑部分 对放样精度的要求是不同的 在选择时 先考虑施工现场条件与施工程序和方法 分析这些建筑物是否必须直接从控制点进行放样 对于某些建筑物元素 虽然它们之间相对位置的精度要求很高 但在放样时 可以利用它们之间的几何联系直接进行 因而在考虑控制网的精度时 可以不考虑它们 在确定了建筑物放样的精度要求以后 就可以用它作为起算数据来推算施工控制网的必要精度 要根据控制网的布设情况和放样工作的条件来考虑控制网误差与细部放样误差的比例关系 以便合理地确定施工控制网的精度 5 1控制网精度确定的一般方法 因在设计施工控制网时 应使控制点误差所引起的放样点位的误差 相当于施工放样的误差来说 小到可以忽略不计 以便为今后的放样工作创造有利条件根据 忽略不计 原则 对施工控制网的精度要求分析如下 5 1控制网精度确定的一般方法 设M为放样后所得点位的总误差 m1为控制点误差所引起的误差 m2为放样过程中所产生的误差 则 将上式的二项式展开为级数 并略去高次项 则有 令 5 1控制网精度确定的一般方法 亦即控制点误差的影响仅占总误差的5 M m2即得 将上式与 5 2 式联合解算 可求得 由以上推导可见 当控制点误差所引起的误差m1为放样点位总误差M的0 3倍时 则 m1使放样点位总误差仅增加5 亦即使控制点误差对放样点位不发生显著影响 5 1控制网精度确定的一般方法 由于施工控制网通常分两级布设 第二级网的加密方式又多种多样 插点 插网 交会定点等 另外在放样过程中 随着放样方法 放样图形的不同 控制点误差所引起的影响 也随之改变 5 2国家高精度控制点的利用 我国国家大地测量控制网依高斯投影方法按6 或3 带进行分带和计算 对工程测量 一般也采用高斯投影方法 这样既与国际惯例相一致 也便于利用国家高精度控制点的现有成果 本节将对投影带与投影面的选择 工程平面坐标系的选择以及不同平面坐标系的转换等问题进行讨论 一 投影带与投影面的选择 一 投影变形分析控制测量中的投影带和投影面的选择 主要是解决长度变形问题 这种变形主要由两种因素引起 1 实测边长归算到参考椭球面上的变形影响 其值 Hm为归算边高出参考椭球面的平均值 S为归算边的长度 R为归算边方向参考椭球法截弧的曲率半径 归算边长的相对变形 5 2国家高精度控制点的利用 由上式可计算每公里的长度投影变形值 从上表可以看出 值是负值 表明将地面实量长度归算到参考椭球面上 总是缩短的 5 2国家高精度控制点的利用 2 将参考椭球面上的边长归算到高斯投影面上的变形影响 其值为 Rm为参考椭球面平均曲率半径 投影边的相对投影变形为 5 2国家高精度控制点的利用 根据以上公式可计算出每公里长度投影变形以及相对投影变形值 总是增大的 值随着平方正比而增大 离中央子午线愈远 其变形愈大 5 2国家高精度控制点的利用 二 工程测量投影面和投影带选择的出发点工程测量控制网不但作为测绘大比例尺地形图的控制基础 更主要是为工程各施工阶段的放样提供依据 这就需要满足施工所需要的精度要求 一般情况下 为了满足测量结果的一测多用 在满足工程精度的前提下 工程中应采用国家统一3 带高斯平面直角坐标系 当边长的两次归算投影改正不能满足工程所需要求时 为保证工程测量结果的直接利用的计算方便 可以采用任意带的独立高斯投影平面直角坐标系 归算测量结果的参考面可以自己选定 可采用以下三种方法来实现 5 2国家高精度控制点的利用 1 通过改变从而选择合适的高程参考面 将抵偿分带投影变形 这种方法通常称为抵偿投影面的高斯正形投影 2 通过改变 从而对中央子午线作适当移动 来抵偿有高程面的边长归算到参考椭球面上的投影改正 3 通过既改变 又改变 来共同抵偿两项归算改正变形 5 2国家高精度控制点的利用 二 工程平面坐标系统的选择在工程控制测量时 根据施工所在的位置 施工范围及施工各阶段对投影误差的要求 可采用以下几种平面直角坐标系 一 国家3 带高斯正形投影平面直角坐标系 5 2国家高精度控制点的利用 当测区平均高程在50m以下 且值不大于20km时 其投影变形值和均小于1 0cm 这个精度基本可以满足绝大部分线型工程的测图和工程放样的精度要求 因此 在偏离中央子午线不远和地面高程不大的区域 无需考虑投影变形问题 直接采用国家统一的3 带高斯正形投影平面直角坐标系作为工程测量的坐标系 使二者相一致 二 抵偿投影面的3 带高斯正形投影平面直角坐标系 在这种坐标系中 仍采用国家3 带高斯投影 但投影的高程面不是参考椭球面而是依据高斯投影长度变形而选择的高程参考面 在这个参考面上 长度变形为零 当采用第一种坐标系时 5 2国家高精度控制点的利用 三 任意带高斯正形投影平面直角坐标系在这种坐标系中 仍把地面观测结果归算到参考椭球面上 但投影带的中央子午线不按国家3 带的划分方法 而是依据补偿高程面归算长度变形而选择的某一条子午线作为中央子午线 即保持不变 可求得 某测区相对参考椭球面的高程 500m 为抵偿地面观测值向参考椭球面上归算的改正值 可得ym 80 km 即选择与测区相距80km的子午线为中央子午线 5 2国家高精度控制点的利用 四 具有高程抵偿面的任意带高斯正形投影平面直角坐标系在这种坐标中 往往是指投影的中央子午线选在测区的中央 地面观测值归算到测区平均高程面上 按高斯正形投影计算平面直角坐标 这种方法是综合二 三两种坐标系长处的一种任意高斯正形投影计算平面直角坐标 因而能更有效的实现两种长度变形改正的补偿 5 2国家高精度控制点的利用 在上海市磁悬浮工程和东海大桥工程 由于工程区域内绝对高程和平均高差较小 且整个工程线路长度在30km左右 故均采用了具有高程抵偿面的任意带高斯正形投影平面直角坐标系 五 假定平面直角坐标当测区控制范围较小时 可不进行方向和距离改正 直接把局部地球表面看作为平面 建立独立的平面直角坐标系 这时 起算点坐标及起算方位角最好能与国家网或城市网联系 如联测困难 可自行测定边长和方位角 而起始点坐标可假设 5 2国家高精度控制点的利用 三 不同平面坐标系统间的坐标转换 为了使工程方便利用现有的资料 使设计得以具体的实施 应将施工坐标系统与城市坐标系统或国家坐标系统建立一定的衔接和换算关系 当大型工程的起点和终点横向距离超过了具有高程抵偿面的任意带高斯正形投影平面直角坐标系所能补偿的范围时 此时应分段建立若干个施工坐标系区段 一般来说 在工程设计完成后 根据设计所要求的精度 计算最大投影带区的范围 用图解法在地图上确定每一个施工坐标系区段的位置 根据国家平面直角坐标值 确定其投影带中心位置的大地坐标 在工程坐标系区段衔接处 必须包含足够的重叠部分 这样才能保证整个工程控制点的衔接 在线型工程中 根据分级布网的原则 其首级网点间距大约为3km 在重叠部分 应至少各包含首级控制点3个 约6km的范围 对采取区段建立的工程坐标系 其纵坐标和横坐标应以线路的前进方向和垂直其前进方向来确定 在不同的坐标系区段 也应建立相互的坐标转换关系 在坐标系统的转换时 必须建立双向转换关系 使每个点在坐标系中可自由转换 如在东海大桥工程中 由于在水上 岛上及陆地间建设的不同 设计时采用的坐标系统也不一样 这就更需要在不同的坐标系统间进行数据的转换 放样要用到控制点 这些控制点或许已具有国家或城市系统的测量坐标 为了放样就必须把所有待放样点的施工坐标 建筑设计坐标 换算成测量坐标或者把控制点的测量坐标换算为施工坐标 5 2国家高精度控制点的利用 如图所示 设i点的施工坐标为 Ai Bi 测量坐标为 Xi Yi 则两者间的换算公式如下 5 2国家高精度控制点的利用 一 施工平面控制网的网形 1 导线网在工程施工控制测量中 导线网形是比较常用的 网中的观测值是角度和边长 特点是网中各点上的观测方向较少 除节点外只有两个方向 因而受通视要求的限制较小 易于选点和降低觇标高度 甚至不需要造标 图形非常灵活 选点时可根据具体情况随时变化 网中的边长都是直接测定的 因此边长的精度较均匀 但导线网中的多余观测数较少 有时不易发现观测值中的粗差 可靠性不高 比较适用于障碍物较多的平坦地区或隐蔽地区 5 3施工控制网的设计 2 边角网边角网是指既测边又测角的以三角形为基本图形的平面控制网 随着全站型仪器的发展 测角及测距的精度不断提高 边角网的应用也越来越广泛 特点 图形简单 网的精度较高 有较多的检核条件 易于发现观测中的粗差 但在障碍物较多的平坦地区或隐蔽地区布设较困难 5 3施工控制网的设计 3 GPS网近年来随着GPS定位技术的发展 GPS相对定位精度高 完全可以满足城市二 三等网的精度要求 GPS网的网形与使用接收机的数量和作业方式有关 在地铁及公路的建设过程中 首级网的布设 很多都是采用了GPS网 除了以上三种常用的施工控制网形外 目前还有个别工程采用建筑方格网的控制形式 5 3施工控制网的设计 二 控制网建立的过程根据建立控制网的目的 要求和控制范围 经过图上规划和野外选点 确定控制网的图形和决定参考基准 起始点 根据测量仪器条件拟定观测纲要 观测方法和观测值的预期精度 根据观测所需的人力 物力进行成本预算 根据控制网图形和观测精度进行目标成果的精度估算与分析 并与预定的要求相比较 作必要的方案修正 以上称为控制网的设计工作 付诸实施 埋设标志 建立观测墩 台和观测标志 按预定纲要进行观测 按观测数据评定观测精度 最后进行成果处理 平差计算 平差值及目标成果的精度评定 5 3施工控制网的设计 三 控制网优化设计的质量标准精度 描述分布离散程度的一种度量 可靠性 发现和抵抗模型误差的能力的大小的一种度量 灵敏度 监测网发现某一变形的能力的大小的一种度量经济 建网费用 5 3施工控制网的设计 一 精度指标精度指标是描述误差分布离散程度的一种度量 常用方差或均方根差来描述 高斯 马尔柯夫模型 1 整体精度整体精度用于评价网的总体质量 2 局部精度控制网中某一个元素的精度称为网的局部精度 局部精度均可以看成未知参数的某个线性函数的精度 即的方差 二 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 它可分为内部可靠性和外部可靠性 1 内部可靠性内部可靠性是指某一观测值中至少必须出现多大的粗差 才能以所给定的检验功效在显著水平为的统计检验中被发现 这时观测值上可发现粗差的下界值为 为了直接进行不同类观测值的可靠性比较 采用作为度量观测值内部可靠性的指标 2 外部可靠性外部可靠性是指无法探测出小于的观测值 而保留在观测数据中的残存粗差对平差结果的影响 即没有发现的粗差对待估参数的影响 上式与基准有关 且使用不便 为描述不同观测值的外部可靠性指标 三 灵敏度准则 变形观测控制网以灵敏度准则作为其特殊的质量准则 是由变形观测控制网的性质 特点和用途所决定的 变形观测控制网的目的就是要证明监测对象是否存在显著变形 和一般控制网相比较 监测网最主要的特点就是具有周期性和方向性 即通过多期观测来发现建筑物在某一特定方向上的变形 四 经济性准则 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 四 控制网优化设计的分类控制网优化设计按国际专题研究机构的分类分为四个阶段 零阶段设计 基准问题 一阶段设计 图形问题 二阶段设计 权比问题 三阶段设计 加密问题 这四方面的设计内容可以用参数法平差的函数模型与随机模型来解释 设 5 3施工控