第1章-绪论-精密工程

1,精密工程测量,山东理工大学,建筑工程学院,2,第一章绪论,1-1精密工程测量的特点及其发展一、精密工程测量的特点1、精密工程测量的含义主要是指结合现代测绘的新进展、新技术研究和解决各种大型和特种精密工程所提出的对测量的高精度、可靠性、自动测控等各个方面要求的测量科学。例如距离10-6以上相对精度或亚毫米级的绝对精度。,2、精密工程测量与一般工程测量的关系也包括规划设计、施工放样和运营管理三各阶段；大部分工作相近。精密工程测量应用精密的测量和计量仪器、使用特殊的测量手段和工艺。,3,第一章概论,3、精密工程测量与一般工程测量的差异大型精密工程的规划设计阶段，要研究地形变及局部重力场不均匀性对工程稳定性的影响；,对于有统一工艺流程和结构的大型建筑物，除了建立高精度的施工测量控制网外，还要建立高精度的安装测量控制网。,精密工程测量要求在控制点上建立稳固的测量标志，并设立强制对中装置；,在精密工程测量中，各种外界影响都要考虑。总之，在精度方面、所使用的仪器工具及测量方法手段有较大的不同，但没有明显的界限。,4,第一章概论,4、精密工程测量的特点：精密工程测量精度要求高，一般为12mm，甚至亚毫米级，相对精度要求高于10-6。服务对象规模大、结构复杂、构件多、测量困难、难度大。应用最新的仪器设备，自动化程度高。服务领域宽，应用范围广。,5,5、精密工程测量主要工作：建立精密工程测量控制网；根据工程的特点和精度要求，选用最合适的仪器和先进的测量方法；计量仪器的使用；测量中观测点的位置和观测时间都要认真、科学的选择，防止各种外界因素的干扰和影响，确保测量精度；测量仪器和测量方法要围绕对中、照准、测角、测距、测高、定向、定位及数据采集、记录、传递、处理等工作的自动化进行研究和探讨。,6,第一章概论,二、精密测量仪器的研制方面有50m0.03mm测距装置；如DistinvarDistometer有利用激光干涉原理组成的自准直反射系统精密长度测量仪60m0.01mm；有精密偏距测量装置100m0.05mm；自动跟踪精光准直测量系统，相对精度10-6以上；液体静力水准系统测量高差误差0.01mm；精密垂准系统，几十米的高度垂准误差小于0.10mm；还有电磁感应沉降仪、倾斜仪、测变形的应变仪、大位移计、渗压计、测应力变化的应力应变仪等专用设备和工具。,7,第一章概论,1-2精密工程测量的应用领域根据我国的实践，精密工程测量已在下述领域应用：1、新兴高技术工程，如高能物理设备、粒子对撞机、回旋加速器、核电站、原子能反应堆等；2、大型军事设施，如火箭发射架、航天技术试验基地、大型雷达天线、火炮弹道试验场、大型军事机场等；3、大型工程及民用高层建筑物的变形观测，如水坝及闸门槽、水力发电机组、高烟囱、大型矿场、油田开采区的地面建筑及井下设施、“三下”采掘区的重要地面建筑物的变形观测等；4、海上及沿岸工程，如海上钻井平台、大型港口、码头、船坞滑道等；5、地下工程，如地铁、大型隧道、水底（越江、跨海）隧道、大型地下建筑等；,续,8,6、大型工厂的厂房及设备安装，如轧钢车间、化工车间、金工车间的自动生产线，巨型压机、复杂地下管线的安装等；7、巨型容器体积、形状及其变形的测定，如油罐、气罐、高炉、平炉、船舱、机身等体积和形状的测定，静态和动态变形监测等；8、地基变形的监测，如地层移动、断裂位移、矿藏开挖、水库蓄水或城市地下开采引起的地面下沉，海浪拍击引起沿海城市的地面振荡，地震孕育引起的固体潮汐的振幅变化；9、其他特殊任务，如大型设备基础稳定性的确证，古建筑复原，大型艺术品的定型和安装等。以上说明，精密工程测量的对象十分广泛，它们各具特色，但都要求精确地完成其测量工作，这是它们的共同点。,1-2精密工程测量的应用领域,9,1-3精密工程测量的现状与发展,二次大战以后，在世界范围内已建立各种巨型工程，几百座大型水电站和核电站，无数高耸入云的电视塔、导弹发射架核摩天大楼，建成长达53km的海底隧道（英、法海底隧道），周长27km的离子加速器工程等等。,一、精密工程测量的成就和效益,美国的超导超级对撞机，其直径达27km，为保证椭圆轨道上的投影变形最小且位于一平面上，利用了一种双重正形投影。所作的各种精密测量，均考虑了重力和潮汐的影响。主网和加密网采用GPS测量，精度优于110-6D。,10,德国汉堡的粒子加速器研究中心，堪称特种精密工程测量的历史博物馆。1959年建的同步加速器，直径仅100m，1978年的正负电子储存环，直径743m，1990年的电子质子储存环，直径2000m。为了减少能量损失，改用直线加速器代替环形加速器，正在建的直线加速器长达30km，100300m的磁件相邻精度要求优于0.1mm,磁件的精密定位精度仅几个微米，并能以纳米级的精度确定直线度。整个测量过程都是无接触自动化的。用精密激光测距仪TC2002K距离测量，其测距精度与ME5000相当，对平均边长为50m的3800条边，改正数小于0.1mm的占95%。,11,德国露天煤矿的大型挖煤机开挖量的动态测量计算系统。大型挖煤机长140m，高65m,自重8000t，其挖斗轮的直径17.8m，每天挖煤量可达10多万吨。为了实时动态地得到挖煤机的采煤量，在其上安置了3台GPS接收机，与参考站无线电实时数据传输和差分动态定位，挖煤机上两点间距离的精度可达1.5cm。根据3台接收机的坐标，按一定几何模型可计算出挖煤机挖斗轮的位置及采煤层截曲面，可计算出采煤量，经对比试验，其精度达7%4%。瑞士阿尔卑斯山的特长双线铁路隧道哥特哈德长达57km，为该工程特地重新作了国家大地测量(LV95)，采用GPS技术施测的控制网，平面精度达7mm，高程精度约2cm。,12,在我国，有北京地铁（上海、广州、南京等）、上海越江隧道，丹江口、刘家峡、长江三峡水电工程、葛洲坝等一大批水利枢纽，有鞍山、武汉、上海宝山等大型钢铁基地；有北京正负电子对撞机、大亚湾核电站、卫星发射架等工程。2008北京奥运场馆“鸟巢”、“水立方”等奥运场馆。2010年4月26日中国大陆第一条海底隧道厦门翔安海底隧道建成通车，宽度17.5m，高度13.5m，断面世界最大，全长6.05km，跨越海域4.2km，耗资约32亿元人民币。2011年6月30日同时通车的胶州湾隧道则是中国建成通车的最长海底隧道，全长9.47公里。胶州湾隧道建设近4年，总投资70.62亿元，建成双向6车道，设计车速80公里/小时。,13,杭州湾跨海大桥是一座横跨中国杭州湾海域的跨海大桥，它北起浙江嘉兴海盐郑家埭，南至宁波慈溪水路湾，全长36公里，是世界上最长的跨海大桥，比连接巴林与沙特的法赫德国王大桥还长11公里，成为继美国的庞恰特雷恩湖桥后世界第二长的桥梁。杭州湾跨海大桥按双向六车道高速公路设计，设计时速100km/h，设计使用年限100年，总投资约118亿元。,14,2011年6月30日，青岛胶州湾跨海大桥正式通车，青岛胶州湾大桥全长36.48公里，成为世界最长跨海大桥，比杭州湾跨海大桥长0.48公里。据介绍，胶州湾大桥于2007年5月开工，总投资147.92亿元，全长36.48公里；海上钻孔灌注桩5127根，居世界第一。胶州湾大桥建成通车，将使东西两岸路程缩短约30公里。胶州湾大桥和隧道建设过程中还实现了多项技术创新。据介绍，胶州湾大桥建设过程中的科技创新获得国家级奖励3项，省部级奖励11项，中国企业新纪录21项。其中，水下无封底混凝土套箱技术获得2009年度中国公路学会科技进步特等奖。,15,16,17,18,19,20,21,三峡水利枢纽工程变形监测和库区地壳形变、滑坡、岩崩以及水库诱发地震监测，其规模之大，监测项目之多，都堪称世界之最。不仅采用目前国内外最成熟最先进的仪器、技术，在实践中也在不断发展新的技术和方法，如对滑坡体变形与失稳研究的计算机智能仿真系统；拟进行研究的三峡库区滑坡泥石流预报的3S工程等，都涉及到精密工程测量。隔河岩大坝外部变形观测的GPS实时持续自动监测系统，监测点的位置精度达到了亚毫米。该工程用地面方法建立的变形监测网，其最弱点精度优于1.5mm。,22,北京正负电子对撞机的精密控制网，精度达0.3mm。设备定位精度优于0.2mm，200m直线段漂移管直线精度达0.1mm。大亚湾核电站控制网精度达2mm，秦山核电站的环型安装测量控制网精度达0.1mm。上海杨浦大桥控制网的最弱点精度达0.2mm，桥墩点位标定精度达0.1mm；武汉长江二桥全桥的贯通精度(跨距和墩中心偏差)达毫米级。,23,高454m的上海东方明珠电视塔对于长114m、重300t的钢桅杆天线，安装的垂准误差仅9mm。长18.4km的秦岭隧道，洞外GPS网的平均点位精度优于3mm，一等精密水准线路长120多公里。在仅一个贯通面的情况下，横向贯通误差为12mm，高程方向的贯通误差只有3mm。,24,1-3我国精密工程测量的现状与发展,1962年3月，新丰江水库发生6.2级地震，大坝横向产生裂缝，不得已将库水泄空，组织抢修，以免溃坝。首先布设了大坝变形观测，其中最主要的点是设置若干倒垂仪，进行坝体相对于基础的位移观测，以便阐明修复中的大坝能否恢复原设计的性能。经过一段时间的观测，由倒垂资料证明了坝基本身及坝体的稳定性，从而考虑重新满蓄及发电的可能性。而重新逐步蓄水的过程，正是以倒垂观测验证大坝是否已创伤平复的过程。这样小心谨慎地、逐步分阶段地、提高水位，直至满蓄。倒垂观测资料不但起了安全检测的作用，而且对于修复的大坝能否再度正常运转和发电的决策，具有举足轻重的意义。,续,25,1-3我国精密工程测量的现状与发展,武汉钢铁公司炼钢车间转炉的炉龄，历来是根据炉前工的经验判断，炉壁较薄时就要停炉检修。若判断不准，则或人为地缩短了炉龄，或造成钢水穿炉的事故。使用一台全站型漫反射激光测距仪对转炉炉壁上的对应点进行距离和角度测量，得到各点相对于某一参考系的坐标就可以确定炉壁的基本形状，在同存贮的初始炉壁形状进行比较，即可确定炉壁各点处的实际厚度。根据实测资料，对炉壁进行针对性的局部维修，可提高炉龄和保证安全生产，从而提高经济效益,续,26,1-3我国精密工程测量的现状与发展,据全国第一次特种精密工程测量会议的讯息，我国特种精密工程测量还在导弹基地、核电站、激光核聚变试验装置、电视塔、通讯卫星接受天线、高烟囱、船模试验、飞机制造（设计）、大型隧道、滑坡监测、地震振动台、水轮机安装等建设中应用，取得了巨大的效益。上述工作，都是在特种精密（测量误差为0.11.0mm）或特殊困难（高温、高压、高空、水下、受辐射等）的条件下完成，多数要求连续不间断的观测和及时快速的成果处理。经过的实践，逐步形成了采用特殊方法和专用仪器设备，借助各类传感技术实现自动记录、由计算机对成果快速处理的特种精密工程测量。,27,1-3我国精密工程测量的现状与发展,1、改进经典方法，满足特种精密工程测量的要求。根据我国国情，在实践中使用过的有效方法有：视准线法。在大坝变形观测中广泛采用，在500m距离内测定位移量精度达1mm。测小角法。在建筑物、大坝变形观测中广泛采用，精度同上。微水准法。曾以N3及Ni004型水准仪，分别采用2m和2.8m的视距，用摇尺法读数，则每站高差传递精度可达0.07mm。通过竖井悬吊钢尺传递高程法。通过对钢尺不同高度量测温度进行尺长改正等措施，50m内高程传递误差可达15mm。采用直伸短边三角锁在狭窄坑道内传递方位和坐标。,二、我国对精密工程测量的研究和探索,28,1-3我国精密工程测量的现状与发展,2、针对特殊需要研制专用仪器和设备如在大坝变形观测中使用的倒垂仪、引张线位移计等；用于建立和检测大型设备和构件间点、线、面及空间的一定关系所使用的测微准直望远镜、坐标经纬仪、精密直角镜、光学工具尺等；此外还有包括强制归心用的球状轴套、强制归心底盘等精密加工机械件。为观测地壳的微小变动，我国成功研制和生产了一批台站上作连续观测用的精密监测仪器，如静力水准仪、气泡式倾斜仪、摆式倾斜仪、石英棒式伸缩仪等。这些仪器的特点是精度高（读数的精度为微米及毫秒级），读数采用工具显微镜或精密丝杆的千分卡盘进行，或采用照相记录。,29,1-3我国精密工程测量的现状与发展,我国在精密测量仪器研制方面的重要突破，是激光仪器的研制。如激光干涉仪、激光准直仪、激光导向仪等。多数国产的精密观测仪器和专用设备，均已实现了自动化观测，尤其是机械式的观测仪器和设备率先完成。如浮垫式倒垂仪（1981），浮托式引张线位移计（1982），流体力学水准测量系统（1983），水平摆倾仪（1971），气泡式倾斜仪（1973），石英管伸缩仪（1983），丝式伸缩仪（1982）等主要仪器和专用设备，对诸如位移量、沉将量、倾斜量等监控变量通过各种传感器把它们转换成电信号输出，从而实现自动化观测、记录及数据处理。,30,三、精密工程测量的前景精密工程测量的基础仍然是经典测量理论，由于它基于实践、服务生产、又创造了各种专用仪器设备和特殊的测量和数据处理方法，从而发展了经典测量的理论。如，在精密准直测量中，应用人眼极限分辨率及望远镜放大倍率等经典测量概念，但又发现了不同目标形状、不同颜色反差、不同观测环境对分辨率的影响，从而修正了对极限分辨率的理解。又如，在经典测量理论中，认为三角高程测量是一种较低等的高程传递方法，但在精密工程测量中，提高了测距精度，改善了照准光源，改变了观测方案及施测纲要，使之达到了较高的精度。,1-3我国精密工程测量的现状与发展,31,再如，在数据处理中，为达到合理和精确的目的，剔除某些粗差，采用滤波方法，滤波后的观测序列是否符合正态分布规律？如何确定极限误差等等，都与经典理论有所不同。精密工程测量对于测量仪器学的影响更是起到了举足轻重的作用。首先是拓宽了测量仪器的领域，使传统的光学仪器为主转变为使用各类型的传感工具：光、机、电、磁、激光、遥感等并举；其次是使测量范围向微观和宏观两方面扩展。精密测量不但涉及长距和超长距的测量，而且小到计量技术，与质子和电子都打交道，测量和量测的界限正在消失。,1-3我国精密工程测量的现状与发展,32,目前我国精密工程测量应用领域主要是以下三个方面：1、大型新兴技术和高技术工程。如，巨型科学物理实验设备；航天和导弹工程；大型能源（核电、热电）工程；化工联合企业；地下工程；海岸及浅海工程；超高层建筑；大型设备及工业自动生产线的安装、调试、控运等。2、为阐明地基稳定及建筑物安全的变形观测（主要是大型水库、城市高层建筑和矿区）。3、为大型工矿企业技术改造服务的精密测量（含竣工测量及地下管线测量）及原有建筑安全监测及使用寿命预测等。,1-3我国精密工程测量的现状与发展,33,在理论和方法上，将着重下列课题的研究：1、对经典测量理论和方法的研究经典测量理论和方法在精密工程测量中的应用和发展分析误差来源，采取控制措施，研究精密控制网的布设、标定及恢复；控制网点位坐标动态变化的处理。2、减弱环境因素作用的影响大气折光、温度变化对不同观测量在观测过程中影响的避免方法3、永久变形和瞬时变形的有效测定方法，变形对建筑物危害程度的研究；变形预测等。4、数据处理方法（抗差、拟和、滤波、推估）及数据库的应用。5、专用测量仪器的进一步研究,1-3我国精密工程测量的现状与发展,34,在仪器和设备的研制方面着重体现在：1、大型精密设备（空间站、加速器、大型导轨、闸门、传递带）的控运和自动调节。2、危险及有害环境下（矿井、水下、海上、高空、污染）的监测，数据采集和输出。3、灾害（滑坡、地震、火山）的警戒和自动报警。4、采掘（如金属开采）和贮运（如石油贮运）中的自动计量。5、城市及工矿（含水利工程）建筑的的变形预测。6、地下管线设计及位置查询。,1-3我国精密工程测量的现状与发展,35,1-4精密工程测量的精度,一、各种精密工程对精度的要求就精密工程的精度而言通常要求达到毫米级或亚毫米级。（不同的工程、不同的部位、不同的材料、不同的工序）精密工程的精度应根据各工程的特点、重要性、环境条件、拟实现的目标等诸因素不同而异，最终目的是保证建筑物正常、安全可靠地运行。拟订方案、选择仪器、工具；精度过高、过低都是不可以的。,36,37,续表1,38,续表2,39,续表3,40,二、精密工程测量中精度的确定精度要求结合工程、考虑方案、选用仪器、确定必要的步骤、提出措施。对于高新技术工程，“规范”中没有明确规定测量的精度指标，在精度初步选定时可参考下列方面考虑：1、确保工程建设的需要和安全运营，并结合目前年先进的仪器和技术能实现的精度采用多种模拟计算和综合技术确定精度。2、确保工程建设的质量要求。（考虑各个环节的测量精度）3、借助于同类工程执行的并已被验证能确保工程质量的精度指标。,1-4精密工程测量的精度,41,1-5精密工程测量实施方案,一、方案设计的要求1、收集各种有关的资料及深刻理解对精度要求的涵义；2、找出关键问题及拟定处理方案；3、成功经验的吸收；4、能考虑以不同方法进行验证；5、方案设计的基本步骤：对已有资料和工程环境等进行分析；参考基准的选定、控制网布网方案的确定及精度预计；方案比较及选定；数据处理的方法；对方案进行可行性论证。,42,1-5精密工程测量实施方案,二、坝顶位移监测系统选择分析1、大坝坝顶水平位移监测方案分段视准线法；波带板激光准直；引张线；真空激光准直。2、各种系统的分析比较方案优点：设备简单、常规、操作简便、设备容易维护；不足：受大气折光影响较大、观测量大、观测时间长、不易达到同步观测和自动监测，必须增设正倒垂系统。方案优点：操作简便、准直精度较高（10-6）、有利于实现自动控制；不足：需购置专用设备、受大气折光长周期分量影响较大、不易实现同步观测。方案优点：设备简单、精度较高（10-7）、不受大气折光影响、不足：观测量大、观测时间长、花费较多。方案优点：精度较高（10-7）、可实现自动测控、观测时间短、工作量小；不足：设备造价昂贵、设备维护困难。,43,精密工程测量技术包括精密地直线定线、测量角度（或方向）、测量距离、测量高差以及设置稳定的精密测量标志。从测量方案设计、实地施测到成果处理和利用的各个阶段中都要利用误差理论进行分析。定线通常用精密经纬仪进行，以其望远镜的视准面为基础，从而测定目标点的横向偏离值。要求高精确度时可用专用的准直望远镜。张紧的弦线也可用作基准线，并用读数显微镜测量设备部件距离基准线的垂距。激光束也可作为基准线，有时使激光束经菲涅耳波带板干涉形成光点或亮十字丝像，配合光电接收靶进行准直测量，如果激光束在真空管道中传输，则波带板准直法精度可以达准直长度的10数量级。,44,测角角度（或方向）用经纬仪测量。观测时要用适当的方法减少或避免望远镜调焦误差及其他仪器误差的影响，要选择或创造良好的观测条件以削弱外界因素的不良影响，要尽量减少仪器和目标偏心差的影响，必要时可在观测成果上加入仪器竖轴倾斜改正数及测微器读数的行差改正数。,45,测距较短距离的精密测量，主要用因瓦合金制成的线尺或带尺，配备特制的对中设备和读数显微镜进行。丈量时尺子的拉力要保持恒定，可采用空气轴承的滑轮或刀口支承,要提高读数的精度,可应用读数显微镜或专门的精密机械测微装置，使读数误差减少至微米级。用激光干涉的方法测量距离，其误差和波长为同一数量级。双频激光干