工程测量学课程设计-大桥施工控制网优化技术设计

《工程测量学》课程设计报告

大桥施工控制网优化技术设计

学院：环境与测绘学院

班级：测绘

姓名：

学号：

环境与测绘学院

目录

桥梁施工控制网的建立及桥台、桥墩放样方案设计....................................1

1课程设计目的与背景.........................................................1

2工程概况....................................................................1

2.1大桥概况..............................................................1

2.2已有测绘成果.........................................................2

3相关作业依据与要求.........................................................2

3.1相关测量规范.........................................................2

3.2等级、精度要求.......................................................3

4桥梁施工控制网的布设方案...................................................5

4.1桥梁施工控制网布设方法..............................................6

4.2桥梁施工控制网布设的特殊要求........................................6

4,3桥轴线必要精度.......................................................9

5桥梁施工控制网的优化设计..................................................11

5.1首级平面控制网优化设计.............................................12

5.1.1首级控制网布设方案一..........................................12

5.1.2首级控制网布设方案二..........................................17

5.1.3首级控制网布设方案三..........................................21

5.1.4三种方案比较..................................................25

6次级控制网优化设计.........................................................25

6.1次级控制网布设方案一................................................25

6.2次级控制网布设方案二................................................29

6.3次级控制网布设方案三................................................31

6.4三种方案比较........................................................32

7高程控制网优化设计........................................................32

7.1观测与计算..........................................................33

7.2高程控制网布设方案一................................................36

7.3高程控制网布设方案二................................................39

7.4精度对比............................................................42

8桥墩放样方案..............................................................42

8.1桥墩中心放样方法....................................................42

8.1.1桥墩中心放样方案一..........................................39

8.1.2桥墩中心放样方案二...........................................46

8.2精度对比............................................................49

9课程设计总结..............................................................49

桥梁施工控制网的建立及桥台、桥墩放样方案设计

1课程设计目的与背景

在桥梁工程施工阶段，测量工作的任务是直接为施工服务。测量

放样的前提除了要有内业计算资料外，还要满足施工放样精度

要求，控制点密度适当，图形结构良好的施工控制网更是必不

可少，而且施工控制网的布设形式和精度等级更直接膨响桥墩

放样点位的精度，从而更构成了桥梁建设成败的一个关键因素。

因此如何更科学地设计与布设一个既经济又合理的桥梁施工控

制网显得极为重要。

进行工程测量课程设计，目的在于巩固和深化课堂教学内容，

培养学生实际动手操作能力和分析问题解决问题能力。通过工程

测量实习，使学生进一步加强对工程测量内容的理解，掌握工

程控制网设计及精度估算、线路工程测量及建筑物控制网建立的

方法；根据具体的工程要求，能编写出测量技术方案。

2工程概况

2.1大桥概况

如图2-1所示，某地区大桥位于某条江上，桥梁全长约1000m,桥面总宽18m,结构形式为

(30+5X40+30)m普通钢筋混凝土双悬臂加挂梁结构。桥的横断面由8根变截面T型梁组成。

6.《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/18314-2009)

7.《DZS2自动安平水准仪使用说明书》(北京博飞)

8.《LeicaTC1500用户手册》(瑞士徐卡)

3.2等级、精度要求

桥梁施工平面控制网的建立，应符合下列规定：

1桥梁施工平面控制网，宣布设成自由网，并根据线路测量控制点定位。

2控制网可采用GPS网、三角形网和导线网等形式。

3控制网的边长，宜为主桥轴线长度的0.5T.5倍。

4当控制网跨越江河时，每岸不少于3点，其中轴线上每岸宜布设2点。

表37平面控制测量等级

等级公路路线控制测量桥梁桥位控制测量隧道洞外控制测量

二等二角—>5000m特大桥>6000m特长隧道

2000〜5000m特大

三等三角、导线—4000〜6000m特长隧道

桥

1000〜2000m特大

四等三角、导线—2000〜4000m特长隧道

桥

一级小三角、导线高速公路、一级公路500〜1000m特大桥1000〜2000m中长隧道

二级及二级以下公

二级小二角、导线<500m大中桥<1000m隧道

路

三级及三级以下公

三级导线——

洛

表3-2桥梁施工控制网等级的选择

桥长L(m)跨越的宽度1(ni)平面控制网的等级高程控制网的等级

L>50001>1000二等或三等二等

2000WLW5000500S1W500三等或四等三等

500<L<2000200<1<500四等或一级四等

LW5001W200一级四等或五等

3

注：1L为桥的总长

21为跖越的宽度指桥梁所跨越的江、河、峡谷的宽度。

表3-3水准测量的主要技术要求

每千米路线水准水观测次数往返较差、附合或

等级高差中长度仪型准环线闭合差

误差(km)号尺与己知点附合或环线平地山地

(mm)联测(mm)(mm)

二等2—DS1因往返各一往返各一次4V-L

瓦次

三等6〈50DS1因往返各一往一次12厂L4厂n

瓦次

DS3双往返各一次

面

四等10<16DS3双往返各一往一次20VL6V-n

面次

五等15一DS3双往返各一往一次30V~L—

面次

注：1.成带节点的水准网时，节点之间或节点与已知点之间的路线长度，不应大于表中规

定的0.7倍。

2.L为往返段附合或闭合环的水准路线长度，km。n为测站数。

表3-4主要测量仪器表

序号名称制造单位规格型号标称精度单位数量

测角土

2.0"、测距

1全站仪莱卡TCI500及TC802套1

(2nm+2ppm

XD)0

DSZ2自动安平水往返1km误

3水准仪苏州台1

准仪差为1.5mm。

4

NA728自动安平水往返1km误

徒卡台

准仪差为1.5mm。

4锢钢尺苏州及徐卡2m把2

5塔尺南方测绘5m把2

7对讲机MOTOROLAGP88s台5

及与全站仪配套的对点器、反射镜。

4桥梁施工控制网的布设方案

桥梁施工平面控制网的图形常见的有图1所示的四种，其中1〜2为桥轴线。图1(a)

为菱形网，适合江中有岛时采用：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。

1314313153162/

(a)lb)_______(cX(d)(e)(f)，

5

大型桥梁总与两岸连接线（引桥）相衔接。鉴于通航的要求，大型桥梁

的桥面高远远大于两岸的地面标高。因此，主桥面两端的引桥常长达

数百米或数公里。从主桥和引桥放样的一体化考虑，以上网形不满足

于施工控制的需求，拟应在桥轴线两端延长线上选两点构成图f所

示网形。该控制网基本满足工程施工放样的需要，而且结构强度好,

点位精度均匀，可靠性大，便于放样墩台中心及桥梁上部构件，有

利于提高控制点精度和放样精度，也能对所达到的桥轴线横向精度

作出切合实际的评定。

4.1桥梁施工控制网布设方法

目前大型桥梁施工控制网的建立方法主要有两种：一种是传统的

三角网的方法，另一种是利用GPS技术建立。这两种方法在许多大型

工程项目中都得到了成功的应用，但各有特色。

6

传统的三角网建网方法有许多优越性，如:观测量直观可靠，数

据处理方法简单，有一整套成熟的建网技术和观测程序，测量精度

比较容易控制，工程经验也较多等等。但该方法作业速度比较慢、测

量的周期相对较长，人力物力的投入也比较大，在观测上受气象条

件影响较大，在成果质量上受人的因素影响较大。所以人员因素和工

作效率就成为传统三角网的致命弱点，尤其在当前的市场经济条件

下，工程项目周期都比较紧张，留给测量作业的时间更是少之又少,

外业测量时间相当紧迫，并且大型桥梁施工控制网都是长距离跨江

或跨河，对气象条件要求较高，每天可观测的时间又有限，因此客

观上在精度能够满足需要的情况下应该尽量避免使用该方法。利用

GPS技术建立控制网，恰恰弥补了常规传统三角网方法建网的不足,

在减轻劳动强度、优化设计控制网的几何图形以及降低观测中气象条

件的要求等方面具有明显的优势，并且可以在较短时间内以较少人

力消耗来完成外业观测工作，观测基本上不受天气条件的限制，内、

外业紧密结合，可以迅速提交测量成果。但是并不是所有桥梁工程都

可以采用GPS技术建立测量控制网，比如在卫星接受信号较弱的工

程或对控制网点位精度有特殊要求的工程就难以采用。

4.2桥梁施工控制网布设的特殊要求

桥梁控制网布网时除了考虑有利的网形以及一般工程控制网的基本要求以外，还需注意

以下几点：

L为了使控制网与桥轴线联系起来，应在河流两岸的桥轴线上各设立一个控制点，即将

桥轴线作为控制网的一条边，控制点与桥台设il•位置不应太远，以方便桥墩台的测设及保

证两桥墩台间距离的精度要求。同时，测设桥墩台时，尽量在桥轴线上的控制点上安置仪器

7

进行测量，以减少垂直予桥轴线方向的误差。

2.桥梁三角网的边长与河宽有关，一般在0.5-1.5倍河宽范围内变动。由于三角网边长较短,

一般直接丈量三角网的边长作为基线。为了提高三角网的精度，使其有较多的检核条件，通

常丈量两条基线，两岸各设一条。如因地形限制也可将两条基线布设在同一岸上，基线长度

一般约等于两桥台间距离（或河宽）的0.7倍。另外，当地形条件许可时，应使基线长度为基

线尺长的整数倍，这样可以避免用短尺丈量余长。此外，宜在基线上多设几个节点，埋设标

石，便于交会近岸桥墩.以上为用因瓦基线尺丈量基线的情况.如果采用电子全站仪测量，

基线的布置就非常灵活。

6、3.根据桥轴线的不同精度要求，确定控制网的测边、测角精度，并进而确定选用合适

精度的测量仪器、测回数及读数精度。

8

4.对三角网而言，由于平差计算时只改正角度而不改正基线，即基

线的误差与角度的误差相比可以忽略不计。所以为了保证桥轴线有足

够的精度，基线的精度要比轴线的精度高出2—3倍。对边角网和测

边网而言，由于测定的边长不受角度影响而产生误差积累，测边的

精度要求不象基线要求的那么高，只要相当于桥轴线的精度即可。

5、在大型桥梁建设中，由于工期较长，为了保证在施工过程中尺

长标准的统一，一般都应在施工现场建立比尺长，以便于及时对测

距工具进行检查核准。

布网时应对桥轴线精度、墩台测设、图形强度、点位保存、施工方便

等因素进行综合分析考虑。施工时，由于考虑不周或其他原因，控制

点位不能满足测设要求，而不得不对控制网进行加密的情况，在桥

梁工程建设中也时有发生。因此，在桥梁控制网布网时，必须充分考

虑这些特殊要求。

4.3桥轴线必要精度

桥梁施工中对测量放样精度要求主要体现在相邻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。

桥梁施工测量，控制点点位精度必须达到或超过放样所需的精度。由于控制点离墩台位

置较远（特别是水中墩），放样又在有施工干扰时进行，不大可能增加测量次数来提高精度。

因此，控制点误差对放样所引起的误差来说，应小到可以忽略不计的程度。

根据“使控制点误差对放样点位不发生显著影响”的原则，即要求控制点误差影响仅占

总误差的十分之一。就此对控制网的点位精度分析如下：

设M为放样后所得的点位总误差；为控制点误差所引起的点位误差；为放样过程中

9

所产生的点位误差;

则M=y[m

将上式展开为级数，并略去高次项，得

a/z.〃尸I\

M=w2（l+—^-）

2m-2

使控制点本身误差影响仅占总误差的10%,上式括号中第二项应为0.1,即川.得出：

=0.2

两式联立求解，即得：

由以上公式可知，当控制点所引起的误差为总误差的0.4倍时它使放样点的总误差仅

增加10%,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。

由此可见，当控制点误差所引起的放样误差为总误差的0.4倍时，则控制点误差对放

样点位不发生显著影响（仅使总误差增加1/10）O

同理可求知：。

由以上公式可知，当控制点所引起的误差为总误差的0.4倍时它使放样点的总误差仅

增加10%,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20nlm作为确定施工控制网的精度。根据

（4）式有：

Mi-0.4M=0.4X20mm=8mm

按此计算，对于1400米长的桥梁，三角网沿桥梁轴线方向的基线精度为8mm/1400m=1

/175000o<0.9M=±18mmo

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。在钢梁架设过程中，它的最后长度误

差来源于杆件加工装配时的误差和安装支座的误差。钢桁梁节间长度制造容许误差为土

2mm:两节间拼装孔距误差为±0.5mm：每一节间的制造和拼装娱差为

A/=±^22+O.52mm=±2.12mm（一般取2mm）

对n节间拼装的一跨或一联桁式钢梁，长度误差包括拼装误差（L和支座安装容许误差

（（7mm）。本桥由7个节间拼装的桁式钢梁构成一跨或一联。

10

长度拼装误差AL：

每跨（联）钢梁安装后的容许误差为：

22

4/—±JAZ7+—±J〃A/2+b2—±V7x2+7—±8.77/77/ZZ

长度拼装误差按规范取为：土L/5000

在布设控制网时应对起算点复测，以检查起算点的精度是否满

足要求。有两种情形：1.满足精度要求：在此情形下只需在起算

点间加密。2.不满足精度要求：则只能布置自由网，只使用一个

起算点的坐标和两起算点确定的方向。

5桥梁施工控制网的优化设计

对桥梁施工平面控制网的基本要求是：1.精确性；2.可靠性：3.经济性：4.可检测性。根据

这些基本要求.通常把施工平面控制网的优化设计分成四类设计.称为零、一、二、三类设计。

四类设计是根据参数法平差原理.以哪些作为已知参数.以哪些作为未知参数来划分的。为观

测值的权矩阵.决定于观测纲要。为未知数的协因数阵.如果把隼为已知参数.则（或）称为

准则矩阵.即控制网所预定的全面的精度要求.一般情况下对控制网的精度要求仅限于准则

矩阵中的主要元素.称为纯量精度标准.这些标准有:A标准一以的迹为最小:D标准一以的行

列式值为最小；E标准一以的最大特征值为最小。设计阶段的划分见表1.............

表1工程控制网优化设计的分类

分类固定参数待定参数含义

零类设计（ZOD）A,PQxx基准设计

一类设计（FOD）P,QxxA图形设计

二类设计（SOD）A,QxxP观测精度设计

三类设计（TIIOD）Qxx,部分A和P部分A和P已有网的改进

11

表中Qxx为高斯马尔用夫模型(L,Ax,602p-l)中坐标向量的协因数阵

零类设计(ZOD)为基准设计，是在网形与观测精度一定的情况下，坐标系和基准(已知点、己

知方位角)的选取和确定问题。坐标向量协因数阵与网的基准有关。

5.1首级平面控制网优化设计

5.1.1首级控制网布设方案一

在AUTOCAD中设计网型,为边角网。两个已知控制点：A,B,C,D及6个未知控制点:1,2,

3,4,5,6。

把AUTOCAD所编辑控制网在控制测量优化设计与平差软件中打开时一直出现问题，所以直

接在控制测量优化设计与平差软件中设计。

首先输入已知点及未知点坐标，如图5-1所示:

JKMXA

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o-t*计x

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图5-1首级平面控制网设计

单击“计算方案”由于全站仪莱卡TC1500及TC802的标称精度为：角±2.0"、测±(2mm+2Ppm

XD)o所以在设置计算方案的对话框中的测角中误差应设为2；测距定权公式中A=2,B=2。

如图5-2所示。

12

计”=整

D平拉♦优化设计/进仃®(X23OY&500KM

的致良辆

方式：|从阳形铁取於楣，[3方向、边长投影改化

匚1边长U3M高过面(m)01

平面

平I四等D

高程

Pee触场力差定权

高程网等毁圆等▼

先蛤矶命中黑JIC2

先/村距中演奏计K公式：・位收中泱H(WM)I―而E

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与线相对闺自差原差(V)35000[3«

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图5-2计算方案

在观测数据的卜・拉栏中单击“添加测站”，在A控制点上架站并输入前视站点及后视站点,

如图5-3所示。

文，虫F)”(E)«Sffl(V)MR«H)

DQUO

孙情成果IXM]不助miv<Ku站台:府期占k阳站3Wff

n—、i+MTiW序号骐篁点名方向(」r边长5)富程则段长o»)

GJ-v已知百生标展落程088

0三、囿定条件13020»62890433

四、现总效加L0318936

□流加酬站

3，

□£、*停定IBM精度的不相邻点

口七、计耳

a

比伊1：28334

砧9提示]微混报告R®«i+

4的去格未发球Ulift

图5-3添加测站A图

单击“加站”，B,,C,D,1,2,3,4,5同理依次作为测站点，并输入前视站点及后视站点。

最终网型如图5-4。单击“计算”。可得到相关优化数据。单击“网形与精度统计”可得到

网形与精度统计表，其他的优化数据同理可得.

13

国ae2sts■bs。回

图5-4最终平面控制网型

网型及精度统计表见图5-5

乂任QJ而出卬说削山帮地（W

数掘成果mrr»:A设置d自定义E］捌点回文本画WORD展

E-E一、网照与精度SAM

:□二、优化设计模｝如空制点成果表网形及精度统计表

!•□三、优化设计模）嫩据精度表

□四'点位误差项目单位数据备注

□五、点间误差

平面已知点数个4

当。六'自定义表格

平面未知点数个6

由一口七、圉的

方向双测设站数站9

方向双则总数个27

解硒檄条18

最大边长m1805.2356-1

最小边长m

验后平面单位投中误差

晚后则角中误差

最大平面点位中误差nm5.44点名：8

最大平面相邻点间误差nm6.914-3

最大方位角误差0.99A-3

最大边长误差urn3.952-3

最大边长比例误差1/256580A-3

喜程已知点数个4

高程未知点数个0

高差双则数段

实时提示诏俣报告数据统计0

验后高程单位权中误差rim

K算成果▲

Lro最大高程中误差

^蕊翻点备注栏可以

最大高程相邻,占间误差T»m

萨寓璃髀藏牌1赢

图5-5网型及精度统计及

优化设计模拟控制点成果表见图5-6

14

文件(D打印(P)漏版⑥现图⑨超幻®

:令设置,自定义因控制点胤文本画TOM履CAD

数据一I成果仅帧I帮助I

□一、网形与精度统计

；回二、优优设计根粒较热点成果表优化设计模拨翎点成果表

□三、优化设计模拟数据精度表

坐T高程

口四、点位误差点名I备注

X(m)Y(0)(»)

口五、点间误差

A8949090719552.54430.116

引a六、自定义去格

B89735.91920469.M440.226

七、图肥

C8686309919610.27835.278

D86679.39521281.80143.178

188853.00720308.808

28775298620500.588

388802.34819035.100

487752.98619147.273

589131.63121611.465

68791943721853904

图5-6优化设计模拟控制点成果表

优化设计模拟数据精度表见图5-7

文件(D打印(P)潟蜜⑹长图QD帮助电)

数据成果辅助］帮助:金会d三定一区］控制点囿文本画WORD

口一、醐省精度统计

□二'优化设计模拟控制点成果表优化设计模拟数据精度表

□三、娓化设计卷思政榭精度农

方位角中边长中误边长相对

□四、点位误差釉品照准点

误差(“)差(n«)中误差

□五、点间误差

AB0.00

回a六、自定义表格

30.993361/26万

国a七、图形

10.602.551/39万

BA0.00

10.652.571/35万

50.603.621/36万

cD0.00

40.793.611/28万

20.473.001/42万

DC0.00

20.482.761/48万

60.583.881/35万

430.82

10.553561/45万

20.633.531/38万

240.63

10.622881/39万

买时提示错误报告|数据统计30.503.951/46万

卜算成果60.623.541/38万