精密工程测量技术

广东工业大学彭先进,精密工程测量技术,序言,工程测量，被工程牵着鼻子走听从工程建设召唤，随叫随到任劳任怨满足工程建设要求，中规中矩保质保量工程测量，借助其他科学技术进步对仪器工具的依赖对科学理论的借鉴工程测量的代表作精密工程测量大型特种精密工程精密仪器工具相关理论与方法工程测量人员因失误而“出名”,2,精密工程测量的概念,精密工程测量（特种精密工程测量、大型特种精密工程测量、精密测量）是以经典的测绘学理论与方法为基础，运用现代大地测量学和计量学等科技新理论、新方法与新技术，针对工程与工业建设中的具体问题，使用专门的仪器设备，以高精度与高科技的特殊方法采集数据、进行数据处理，为获得所需要的数据与图形资料而进行的测量工作。高精度（毫米级或更高精度。相对精度一般要求优于10-6）高可靠性自动测控工程规模大、投资大、影响大通常需要常规以外的方法和手段“精密”是一个相对性概念,3,精密工程测量的概念,精密的工程需要精密的测量线性粒子加速器的一些部件的安装和校正在600m距离上的高程误差要求小于0.1mm，横向误差小于0.5mm；大型射电天文望远镜的安装、人造卫星和导弹的发射轨道、高速铁路建设、大型建筑物和设备的形变监测、地壳运动和地震的监测等等，都要求测距精度达到毫米或亚毫米级；长、大隧道的横向贯通精度虽然在厘米、分米级，但对测量精度要求很高，仍属于精密工程测量；精密工程测量对测量仪器的鉴定检核、测量标志的稳定、测量方法的严密、测量方案的优选、观测量之间的相互检查控制，以及严密的数据处理和对测量的质量检查控制以及监理等要求也很高。,4,精密工程测量的概念,精密工程测量的研究内容主要包括精密工程测量的理论、技术、方法、专用的仪器设备以及测量软件研发等方面。精密工程测量的理论、技术和方法是以大地测量学为基础的。因为所有测量工作都要涉及参考面和线，如地球椭球体、大地水准面、垂线、经纬线、真北方向等。对于许多精密工程来说，不宜采用单纯的GPS网。GPS网与地面网、特别是与高精度测边相结合乃是最新的发展方向。在精密工程测量仪器方面，多传感器集成测绘系统、激光跟踪仪、激光扫描仪、测量机器人、各种高精度GPS接收机、电子全站仪、水准仪以及各种专用测量仪器，为精密测绘提供了技术保障。精密工程测量的软件的研发与测量仪器设备的研制具有同等重要的意义。,5,精密工程测量的概念,精密工程测量是服务于各种工程中精度要求“特高”、“特难”的那部分工作，服务范围相对较小，但重要性十分显著，起着关键性作用。精密工程测量的发展工程测量内外业作业的一体化数据获取及其处理的自动化测量过程控制和系统行为的智能化测量成果和产品的数字化连续、动态、遥测、实时、精确、可靠、快速、简便,6,典型案例,北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一，是我国第一台高能加速器，也是高能物理研究的重大科技基础设施；由长202米的直线加速器、输运线、周长240米的圆型加速器（也称储存环）、高6米重500吨的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成，外型象一只硕大的羽毛球拍。北京正负电子对撞机的精密控制网，点位精度达0.3mm。设备定位精度优于0.2mm，200米长的直线段漂移管准直精度达0.1mm。,7,典型案例,中国科技大学同步辐射加速器主要研究粒子加速器后光谱的结构和变化，从而推知这些粒子的基本性质。它始建于1984年4月，1989年4月26日正式建成。,8,同步辐射装置储存环大厅,典型案例,巨型对天射电望远镜,1963年美国安装在波多黎各的阿雷西博射电天文台的著名抛物面射电望远镜，直径305米。表面精度为2.00mm。,2013年最后一天，中国在建世界最大射电望远镜主体在贵州合龙，直径500米。主索索长控制精度须达到1毫米以内，主索节点的位置精度须达到5毫米。,9,典型案例,10,射电望远镜建设过程图,典型案例,11,世界最长跨海大桥青岛胶州湾大桥,上海磁悬浮列车,三峡工程,典型案例,12,高速铁路,超高层建筑,隧道工程,大型设备安装,延伸：工程测量的质量与精度,工程控制网质量准则精度准则相对精度（比例误差导线附(闭)合长度35km.高程点复测主要技术要求每千米高差中数中误差偶然中误差不低于2mm;每千米高差中数中误差全中误差不低于4mm,97,轨道交通（地铁）施工测量,盾构掘进前控制测量施工测量方案设计地面平、高控制点加密导线点加密测量：利用现有的GPS点和精密导线点，布设加密点，使其成为盾构始发井的控制点。地面高程加密:始发井、隧道洞口或井口设置2个以上的水准点。精密水准点选在离施工场地变形区域外稳固的地方，墙上水准点选在永久性建筑物上近井控制点测量近井水准测量近井导线点测量：总长不得大于350m，转折角不能多于3个，相对点位误差不大于10mm，边长均匀，相邻点竖直角小于20等。,98,轨道交通（地铁）施工测量,盾构掘进前控制测量始发井洞门钢环中心三维测量以闭合导线的形式加密始发井基坑近井点，并利用近井点按联系测量规范要求将坐标和高程传递到基坑底部，作为盾构始发测量的控制基准。联系测量有联系三角形法、投点仪法、导线定向法、钻孔投点法、铅垂法和陀螺经纬仪联合定向法等。联系三角形法仪器设备：全站仪（标称精度1,1mm+2ppm）；10kg重锤两个；0.5mm高强钢丝（80m），小绞车、导向滑轮各两个，经过比长钢卷尺一付。,99,轨道交通（地铁）施工测量,盾构（掘进）施工控制测量盾构机始发测量盾构井（室）测量，测设值与设计值较差应小于3mm。盾构机导轨定位测量，控制导轨的中线与设计隧道中线偏差不能超限，导轨的前后高程与设计高程不能超限，导轨下面是否坚实平整等。,100,始发井盾构机定位安装（左）盾构机推进隧道（右）,轨道交通（地铁）施工测量,盾构机始发测量此外有：反力架定位测量、盾构机姿态初始测量、SLS-T导向系统初始测量、盾构拼装测量、盾构掘进姿态测量、衬砌环片测量等盾构机姿态测量技术要求测量项目测量限差平面偏离值(mm)5高程偏离值(mm)5纵向坡度(%)1横向旋转角()3切口里程(mm)10,101,轨道交通（地铁）施工测量,地下导线测量采用双支导线的方法，双支导线每前进一段交叉一次。每一个新的施工控制点由两条路线传算坐标。测设要求：导线直线段约150m布设一个控制导线点，曲线段控制导线点（包括曲线要素上的控制点）布设间距不少于60m。按四等导线的技术要求施测，每次延伸施工控制导线测量前，对已有的施工控制导线前三个点进行检测无误后再向前延伸。施工控制导线在隧道贯通前测量5次，其测量时间与竖井定向同步。当重合点重复测量的坐标值与原测量的坐标值较差小于10mm时，采用逐次的加权平均值作为施工控制导线延伸测量的起算值。在掘进1000m和2000m时，加测陀螺方位角加以校核。,102,轨道交通（地铁）施工测量,隧道中心坐标测定隧道瓦形环衬砌洞壁，环中心在洞壁上没有明显标志，因此测量方法通常是测定一个圆周上若干点的坐标，再按最小二乘拟合的方法计算环的椭圆度和环中心坐标。观测时，测量仪器安置在地下导线点上，将特制的棱镜安放在隧道壁圆周各点上，每点测定三维坐标。拟合计算按一般的闭合曲线方程进行即可。对周围环境的监测（地面沉降监测）采用精密水准仪进行测量盾构掘进（贯通）后控制测量贯通测量：横向贯通与高程贯通精度指标最为重要，通常将贯通误差分为三个互相独立的测量误差考虑，即地面控制的影响、竖井联系测量的影响和地下控制影响。竣工测量：主要有线路中线测量、隧道净空测量等。,103,轨道交通（地铁）施工测量,城市地下铁道平面与高程贯通误差限差地面控制测量联系测量地下控制测量总贯通误差横向贯通误差25mm15mm30mm50mm竖向贯通误差15mm9mm15mm25mm,104,轨道交通（地铁）施工测量,提高洞内控制测量精度措施严格按规定操作步骤进行观测，尽量采用三联脚架法，注意各基座与棱镜、仪器有无隙动、对中偏离是否较大、气泡是否偏离等等；盾构隧道掘进到足够长度时要及时增设导线点，指导掘进的临时点要控制在23个以内，而且要要经常检测其正确性，确保盾构掘进按设计精度前进，同时还可以校正盾构导向系统和盾构姿态；导线布设最好形成等边直伸型导线，在测量环境允许情况下尽可能的选长边；隧道每掘进到一定阶段或一定长段时应及时对导线进行复测及精度估算，因其它原因而改变设计路线或变更方案时要对导线精度进行估算；进行三角高程测量时，须按操作步骤进行，如垂直角的观测要同测距在同一次照准时完成，对于三角高程等级在三等或高于三等时一定要有提高精度的措施进行观测，如提高对中精度、隔点设站法等等；必须按规范规定进行导线边长的投影改正，准确计算各导线点平面坐标；在隧道贯通面较多情况下，必须全面考虑隧道全部贯通后的轴线状况，对盾构隧道内有过矿山法砼衬砌的，还要对相向挖的两条导线进行联测，要做平差处理或贯通误差分配，保证洞内砼衬砌形体的正确。,105,精密安装测量,天线安装测量全站仪测量系统激光跟踪仪测量系统激光雷达测量系统摄影测量系统测距仪测量系统经纬仪测量系统水准仪测量系统准直望远镜测量系统等。,106,天线控制网可分为大地测量控制网、施工测量控制网和安装测量控制网。,精密安装测量,上海天文台65m全方位可动的大型射电天文望远镜（65m天线）安装测量技术要求主面口径65m，1104块单元面板，1-12环单块面板精度rms0.10mm，13-14环单块面板精度rms0.13mm，主面精度rms0.60mm。副面口径6.5m，25块单元面板，单块面板rms0.035mm，副面精度rms0.07mm。方位轮轨直径42m，不平度最大不超过0.5mm。位轴系、俯仰轴系及方位滚轮轴系均不大于1。,107,精密安装测量,基于部件结构坐标系建立大型天线安装测量控制网（不同于传统控制网）将天线各部件的结构坐标系保存到天线自身结构中稳定的点上，通过这些点恢复结构坐标系指导天线安装，即构成高精度安装测量控制网。布设思路：第一步，选择最佳的测量窗口，用高精度全站仪恢复部件结构坐标系，然后将结构坐标系保存到稳定的控制点上，即得到控制点在部件结构坐标系OXYZ下的三维坐标S(x,y,z)；第二步，安装过程中，在合适位置设站，测量全部或部分可见控制点在测站坐标系OXYZ下的坐标为S(x,y,z)，通过公共点转换法恢复结构坐标系OXYZ，然后在结构坐标系下指导天线安装。,108,精密安装测量,激光扫描仪检测天线背架激光扫描仪测量反射片时，存在类似全站仪测距加、乘常数的问题，在公共点转换模型上引入加、乘常数两个未知参数，建立了8参数最小二乘模型，解算得加常数和乘常数；激光扫描仪配合反射片测量，经加、乘常数改正后，在30m范围内，点位测量外符合精度可达1.0mm，内符合精度可达0.5mm，满足背架检测精度要求；激光扫描仪检测方法相比全站仪方法，测量效率提高了约3倍。,109,结束语,这里讨论的仅仅