(高級技師)公路施工控制網布設與研究

1、摘要關鍵詞:控制網;坐標系;精度;布設方案;優(yōu)化;外業(yè);內業(yè)第一章緒論GPs測量技術的迅速發(fā)展和應用,解決了困難地區(qū)的點位定位。在進行城市控制網的改造和重建中,已知孤立點(相互不通視明顯增多,而這些點可以作為導線網的已知點,通過導線把它們連接起來,構成無定向附合導線網,同樣可以滿足加密控制網的布設要求。這種無定向附合導線網不用測定連接角,已知點之間無需通視(兩個以上已知點即可,布設靈活方便。在城市工業(yè)區(qū),隱蔽的林區(qū),井下各坑道等通視條件困難的地區(qū)布設這種導線網,優(yōu)點尤為突出,而且應用日趨廣泛。因此,在地形測量,工程測量和地籍測量的控制測量中有望廣泛應用。這種導線網的數據處理用常規(guī)的導線數據處理

2、方法不可行。本文針對這些情況,系統(tǒng)地討論了無定向導線網的數據處理方法和相應的軟件編制,以適應具體網形數據處理的需要。目前國內把工程建設有關的工程測量按勘測設計、施工建設和運行管理三個階段劃分;也有按行業(yè)劃分成:線路(鐵路、公路等工程測量、水利工程測量、橋隧工程測量、建筑工程測量、礦山測量、海洋工程測量、軍事工程測量、三維工業(yè)測量等,幾乎每一行業(yè)和工測量都有相應的著書或教材。第二章施工平面控制網的布設2.1 控制網的布設原則控制測量包括平面控制測量和高程控制測量,稱測定點位的(x,y坐標為平面控制測量,測定點位的H坐標為高程控制測量。國家控制網是指在全國范圍內建立的控制網。國家控制網是用精密測量

3、儀器和方法依照國家三角測量和精密導線測量規(guī)范、全球定位系統(tǒng)(GPS測量規(guī)范、國家一、二等水準測量規(guī)范及國家三、四等水準測量規(guī)范按一、二、三、四等四個等級、由高級到低級逐級加密點位建立的。國家平面控制測量;我國的國家平面控制網(horizontal control network是采用逐級控制、分級布設的原則,分一、二、三、四等方法建立起來的。經典方法主要由三角測量(triangulation法、導線測量(traverse survey法。另外,還有衛(wèi)星大地測量,如GPS衛(wèi)星定位。一等三角鎖(triangulation chain沿經線和緯線布設成縱橫交叉的三角鎖系,鎖長200250公里,構成許

4、多鎖環(huán)。構成國家平面控制網的骨干。一等三角鎖內由近于等邊的三角形組成,邊長為2030公里。二等三角測量有兩種布網形式,一種是由縱橫交叉的兩條二等基本鎖將一等鎖環(huán)劃分成4個大致相等的部分,這4個空白部分用二等補充網填充,稱縱橫鎖系布網方案;另一種是在一等鎖環(huán)內布設全面二等三角網(triangulation network,稱全面布網方案。二等基本鎖的邊長為2025公里,二等網的平均邊長為13公里。一等鎖的兩端和二等網的中間,都要測定起算邊長、天文經緯度和方位角。小地區(qū)控制網:面積10平方公里以下,盡量與國家和城市控制聯測,亦可建立獨立的控制網,在平面控制中采用直角坐標系,高程控制中采用黃海高程系

5、統(tǒng)或1985國家高程系統(tǒng)。公路工程平面控制網:常規(guī)方法為三角測量或導線測量等,另外,現在逐漸采用三邊測量和GPS測量。施工控制網的布設,應根據總平面設計和施工地區(qū)的地形條件來確定。對于起伏較大的山嶺地區(qū)(如水利樞紐及跨越江河的工程(如大橋,一般可以采用三角測量(或邊角測量的方法建網。對于地形平坦但通視比較困難的地區(qū),例如擴建和改建的工業(yè)場地,則可采用導線網;而對于建筑物多為矩形的且布置比較規(guī)則和密集的工業(yè)場地,亦可將施工控制網布置成規(guī)則的矩陣格網,即所謂建筑格網。在建立控制網時要保證分級布網、逐級控制,要有足夠的精度和足夠的密度,并且要有統(tǒng)一的規(guī)格。在公路測量時,建立控制網時亦應遵守下列布網原

6、則。(1 分級布網逐級控制,對于控制網先布設要求較高的首級控制網,然后再對下一級控制網進行加密。(2 要有足夠的精度,工程控制網中若測圖比例尺越大控制點的精度要求越高。其精度按0.1mm制圖精度控制。根據工程實際情況需要只要達到規(guī)定精度即可,也保證測量的簡單計算方便。(3 公路施工中的控制網要有足夠的精度,控制點的密度要根據測圖方法及測圖比例尺的大小決定,控制點要足夠多且在帶狀地形圖的范圍內。2 .2控制網的布設方案在我國目前測距儀使用比較普遍的情況下,由于電磁波測距既方便實用又方便經濟,因此電磁波測距導線已上升為比較重要的地位。如下表2-1中電磁波測距導線共分5個等級,其中的三、四等導線與三

7、、四等三角網屬于同一個等級。這5個等級的導線均可作為某個測區(qū)的首級控制。電磁波測距導線的主要技術要求如下表2-1。由于導線網中各點上的方向數較少,除結點外只有兩個方向,因而受通視限制較少,易于選點和降低覘標高度,甚至無須造標。導線網的圖形非常靈活,選點時可根據具體情況隨時改變。網中的邊長都是直接測定的,因此邊長的精度較均勻。但是導線網中多余觀測數較同樣規(guī)模的三角網較少,有時不易發(fā)現觀測值中的粗差,因而可靠性不高。當初測導線與國家控制點聯測進行角度檢核時,角度閉合差小于表2-2的數值也通常不需要平差,而是利用坐標增量閉合差對導線角進行改正調整角度閉合差,用平差后的角度來計算坐標增量。水準點高程控

8、制網一般采用水準方法建立,水準測量的等級分為二、三、四等,各水準等級的精度指標基本上與國家規(guī)范一致,對于大多數的測區(qū),可以用三等水準測量建立首級控制,只有當測區(qū)很大時或者大中城市中才需布設二等水準網。首級控制網的圖形與等級的選擇,可按水準網中互為最遠點的高差中誤差不超過±3cm左右進行估算確定。加密網中附和水準線路的長度則可以按線路中最弱點(相對于高級點而言的高程中誤差不超過±3cm來進行估算確定。測量應于國家水準點或相當于國家等級的水準點聯測。2.3 平面控制網坐標系選擇的原則(1平面控制網的坐標系統(tǒng)應滿足在主要測區(qū)內的投影長度變形值不大于2.5cm/km為原則。當投影長

9、度變形值不大于2.5cm/km 時采用統(tǒng)一的高斯正形投影3。帶平面直角坐標系,其主子午線經度自東往西每隔3。為一帶至東經180。(2當平面控制網的坐標系統(tǒng)在主要測區(qū)內的投影長度變形值大于2.5cm/km時,采用正形投影任意平面坐標系統(tǒng)。投影面可采用1986年國家高程基準面或測區(qū)平均高程面獨立系統(tǒng),在已有平面控制網的地區(qū)應盡量沿用原有的坐標系統(tǒng)。城鎮(zhèn)采用投影于抵償高程面上的高斯正形投影的3。帶上,其上投影面可采用黃海高程系統(tǒng)或城市平均高程面。S<25km2時城鎮(zhèn)可不經投影采用高斯平面系統(tǒng)而直接計算。第三章施工控制網優(yōu)化設計理論和方法施工控制網的優(yōu)化設計方法有解析法和模擬法兩種。解析法是基于

10、優(yōu)化設計理論構造目標函數和約束條件,解求目標函數的極大值或極小值。一般將網的質量指標作為目標函數或約束條件。網的質量指標主要有精度、可靠性和建網費用,對于變形監(jiān)測網還包括網的靈敏度或可區(qū)分性。對于網的平差模型而言,按固定參數和待定參數的不同,網的優(yōu)化設計又分為零類、一類、二類和三類優(yōu)化設計,涉及到網的基準設計,網形、觀測值精度以及觀測方案的設計。在工程測量中,施工控制網、安裝控制網和變形監(jiān)測網都需要作優(yōu)化設計。由于采用GPS定位技術和電磁波測距,網的幾何圖形概念與傳統(tǒng)的測角網有很大的區(qū)別。除特別的精密控制網可考慮用專門編寫的解析法優(yōu)化設計程序作網的優(yōu)化設計外,其他的網都可用模擬法進行設計。模擬

11、法優(yōu)化設計的軟件功能和進行優(yōu)化設計的步驟主要是:根據設計資料和地圖資料在圖上選點布網,獲取網點近似坐標(最好將資料作數字化掃描并在微機上進行。模擬觀測方案,根據儀器確定觀測值精度,可進一步模擬觀測值。計算網的各種質量指標如精度、可靠性、靈敏度。精度應包括點位精度、相鄰點位精度、任意兩點間的相對精度、最弱點和最弱邊精度、邊長和方位角精度。進一步可計算坐標未知數的協(xié)方差陣或部分點坐標的協(xié)方差陣,協(xié)方差陣的主成份計算,特征值計算,點位誤差橢圓、置信橢圓的計算等?？煽啃园總€觀測值的多余觀測分量(內部可靠性和某一觀測值的粗差界限值對平差坐標的影響(外部可靠性。靈敏度包括靈敏度橢圓、在給定變形向量下的

12、靈敏度指標以及觀測值的靈敏度影響系數。將計算出的各質量指標與設計要求的指標比較,使之既滿足設計要求,又不致于有太大的富余。通過改變觀測值的精度或改變觀測方案(增加或減少觀測值或局部改變網形(增加或減少網點等方法重新作上述設計計算,直到獲取一個較好的結果。第四章導線測量的內、外業(yè)工作外業(yè)工作:踏勘選點及建立標志、測邊、測角和聯系測量。4.1 踏勘選點及建立標志4.2 測邊4.3 測角導線轉折角(traverse angle有左角和右角之分。在導線前進方向左側的水平角稱為左角,右側的水平角稱為右角。閉合導線一般測其內角,在公路測量中,附和導線一般測右角,注意全線應統(tǒng)一。各等級的導線測角要求,應滿足

13、規(guī)范。圖根導線(mapping traverse的轉折角可以用DJ6經緯儀測回法觀測一測回4.4 聯系測量平面控制網的必要起算數據是一個點的坐標和一條邊的坐標方位角。起算數據可以通過與國家和城市控制網聯測獲得。導線聯測為測定聯接角和聯接邊。測量方法同導線。聯接角:導線邊和已知邊的水平夾角。聯接邊:導線點和已知點的連線。4.5 定向在新布設的平面控制網中,至少需要已知一條邊的坐標方位角才可以確定控制網的方向,簡稱定向(orientation;至少需要已知一個點的平面坐標才可以確定控制網的位置,簡稱定位。如果測區(qū)沒有已知高級控制點,則可用羅盤儀測定導線起始邊方位角和假設起始點坐標。導線測量的內業(yè)工

14、作4.6 整理外業(yè)資料計算之前,全面檢查外業(yè)測量記錄,數據是否齊全,有無遺漏、記錯或算錯,成果是否符合規(guī)范的要求。檢查無誤后,就可以繪制導線略圖,將已知數據和觀測成果標注于圖,以便計算。4.7 計算導線坐標的步驟(1計算角度閉合差。(2推算其他導線邊的坐標方位角。(3計算各導線邊的坐標增量。(4計算各導線點坐標。第五章舉例說明施工控制網在公路橋梁中的應用5.1 工程概況S250省道邳州南端是與原有出省通道蒼邳公路、250省道宿遷段合并為一條南北向干線道路,北起蒼山縣,南至江蘇省宿遷市西環(huán)路,全長98km,規(guī)劃一級公路標準,編號為S250。該公司所監(jiān)理的標段是A1A3標,全長19.3km。100

15、km/h,平面線形布設在盡量避免穿越村莊、良田、工廠、高壓電線的情況下,采用較高的平面線形指標,以保持線形的順暢。5. 1.2 平面主要控制點蒼邳公路:蒼邳公路為出省通道,北接山東,是本次設計的起點,路線與之平面交叉,交角為90°110千伏高壓線,路線在K2+720處與之相交,交角為90°鐵塔外緣距公路用地界距離約100m。東耿埠、和莊:路線在跨越京杭運河后,以R=1800m的圓曲線半徑穿過東耿埠、和莊的空隙,最大限度的減少拆遷。220千伏高壓線:路線在K9+370處與之相交,交角為86°,鐵路外緣距公路用地界距離約150m。舊路改造段:K12+800K17+70

16、0為舊路改造段,為最大限度的利用舊路資源,本次改造對平面線形未做大的調整,采用左幅單側拼寬的改造方案。邳土公路:路線在K17+727處與之相交,交角為91°。5.2 放樣的發(fā)展階段在傳統(tǒng)的工程放樣方法中,必須求出設計圖中的放樣點或線相對于控制網或原有建筑的相互關系,即求出其間的角度及間距和高程,這些數據稱為放樣數據。然后按照放樣數據利用傳統(tǒng)光學經緯儀、皮尺、鋼尺、水準儀等工具測設出點位和高程。通常,測設點和高程是分開進行的。測設點位的常用方法有:直角坐標法,極坐標法、角度交會法和距離交會法等。高程放樣最常用的是幾何水準測量,對于工程精度要求稍低的,可用鋼卷尺直接丈量或用三角高程測量等

17、方法。5. 2.2 坐標放樣階段隨著光電測距儀的發(fā)展,出現了一種測濾頭,可以直接安置到傳統(tǒng)經緯儀的上面,這樣裝置曾戲稱“半站儀”。從而實現了同時測角和量距的任務,再結合計算器就可即時計算出所測設點的坐標,出現了坐標放樣法。坐標放樣法克服了傳統(tǒng)方法中的求取放樣數據的麻煩工序,直接獲取放樣點的坐標就可以放樣出設計點。第六章 結束語 公路施工控制網的控制測量是線路測量中最基礎的工作，其好 壞直接影響設計質量的好壞和后面的施工放樣工作的準確性，在建 立控制導線網時要全局考慮，要在保證測量精度的前提下，做到施 工過程中的經濟、方便實用，要理論與實踐相結合。 在武漢大學測繪學院郭際明教授的指導下及單位領導和同事的 幫助下，經過一個多月的研究探討及實踐施工，完成了公路施工 測量控制網布設研究論文的編寫。但由于時間有限，筆者能力有 限，論文中還有很多不足的地方有待于繼續(xù)深入學習和實踐驗證。 請讀者提出寶貴意見！ 參考文獻 （1）鐘孝順，聶讓，測量學M。北京：人民交通出版社，1997。 （2） 李仕東， 公路工程測量必讀M。 北京： 人民