工程控制網(wǎng)布設的理論與方法綜述

第三章工程控制網(wǎng)布設

的理論與方法3.1工程控制網(wǎng)的分類和作用3.1.1測量控制網(wǎng)的分類測量控制網(wǎng)由位于地面的一系列控制點構成的，控制點的空間位置是通過已知點的坐標以及控制點之間的邊長（或空間基線）、方向（角度）或（和）高差等觀測量確定的。按其范圍和用途，測量控制網(wǎng)分為三大類：全球控制網(wǎng)、國家控制網(wǎng)和工程控制網(wǎng)。全球控制網(wǎng)是由國際組織在全球范圍建立的大地測量參考框架。主要用于確定、研究地球的形狀、大小及其運動變化，確定和研究地球的板塊運動等。國家控制網(wǎng)由各國測繪部門建立的區(qū)域性大地測量參考框架。國家控制網(wǎng)的主要作用是：提供全國范圍內的統(tǒng)一地理坐標系統(tǒng)；保證國家基本圖的測繪和更新；滿足大比例尺圖測圖的精度要求；為精密地確定地面點的位置提供已知點，及其在特定坐標系下的坐標，如以地球參考橢球面為基準面的大地坐標或高斯平面坐標，以大地水準面為基準面的高程。為了控制測量誤差積累，國家控制網(wǎng)采用逐級方式布設。其特點是控制面積大，控制點間距離較長，點位的選擇主要考慮點的密度、穩(wěn)定性和布網(wǎng)是否有利等。工程控制網(wǎng)是工程項目的空間位置參考框架，是針對某項具體工程建設測圖、施工或管理的需要，在一定區(qū)域內布設的平面和高程控制網(wǎng)。一般由工程建設單位或委托其它測繪單位建立。

3.1.2工程控制網(wǎng)的分類、作用和建網(wǎng)步驟分類：按用途分：測圖控制網(wǎng)、施工（測量）控制網(wǎng)、變形監(jiān)測網(wǎng)、安裝（測量）控制網(wǎng)；按網(wǎng)點性質分：一維網(wǎng)（或稱水準網(wǎng)、高程網(wǎng)）、二維網(wǎng)（或稱平面網(wǎng)）、三維網(wǎng)；按網(wǎng)形分：三角網(wǎng)、導線網(wǎng)、混合網(wǎng)、方格網(wǎng)；按施測方法劃分：測角網(wǎng)、測邊網(wǎng)、邊角網(wǎng)、GPS網(wǎng)；按坐標系和基準分：附合網(wǎng)（約束網(wǎng)）、獨立網(wǎng)、經(jīng)典自由網(wǎng)、自由網(wǎng)；按其他標準劃分：首級網(wǎng)、加密網(wǎng)、特殊網(wǎng)、專用網(wǎng)（如隧道控制網(wǎng)、建筑方格網(wǎng)、橋梁控制網(wǎng)等）。作用：為工程建設提供工程范圍內統(tǒng)一的參考框架；為各項測量工作提供位置基準，滿足工程建設不同階段對測繪在質量（精度、可靠性）、進度（速度）和費用等方面的要求；工程控制網(wǎng)也具有控制全局、提供基準和控制測量誤差積累的作用；工程控制網(wǎng)與國家控制網(wǎng)既有密切聯(lián)系，又有許多不同的特點。建網(wǎng)步驟：確定控制網(wǎng)的等級；確定布網(wǎng)形式；確定測量儀器和操作規(guī)程（國家或行業(yè)規(guī)范）；在圖上選點構網(wǎng)，到實地踏勘；埋設標石、標志；外業(yè)觀測；內業(yè)數(shù)據(jù)處理；提交成果。3.1.3測圖控制網(wǎng)在規(guī)范中將測圖平面控制網(wǎng)的等級依次劃分為：二、三、四等三角網(wǎng)，一、二級小三角網(wǎng)或一、二、三級導線（或一、二級導線）網(wǎng)?，F(xiàn)在，測角三角網(wǎng)已較少使用，首級控制一般采用GPS網(wǎng)，其平均邊長和精度參照三角網(wǎng)的技術要求。測圖平面控制網(wǎng)的作用在于控制測量誤差的累積，保證圖上內容的精度均勻和相鄰圖幅正確拼接。測圖控制網(wǎng)的精度是按測圖比例尺的大小確定的，通常應使平面控制網(wǎng)能滿足1：500比例尺測圖精度要求。四等以下（包括四等）各級平面控制的最弱邊的邊長中誤差不大于圖上0.1mm，即實地的中誤差不大于5cm。在布網(wǎng)前，應收集測區(qū)內已有的平面、高程控制和地形圖等測繪資料。網(wǎng)點的密度視測圖比例尺而定，點的位置取決于地形條件，控制范圍應較大，應盡量均勻，便于施測和進行圖根加密。測圖控制網(wǎng)還應與國家控制點相連。對于小型或局部工程，也可將首級測圖控制網(wǎng)布成獨立網(wǎng)。測圖網(wǎng)加密時應該盡可能減少布網(wǎng)的層次，有條件時應該一次性地加密。用GPS技術布設測圖控制網(wǎng)，便于與國家控制點聯(lián)測，不需要網(wǎng)點之間相互通視，而且對邊長和網(wǎng)的圖形無特別限制，可以使控制網(wǎng)的精度更均勻，可使測區(qū)邊緣地區(qū)的精度大為改善。經(jīng)濟的做法也可用GPS技術作首級控制，以常規(guī)的地面方法進行加密。大比例尺測圖所需的高程控制網(wǎng)，通常采用水準測量的方法建立。水準測量的等級分為二、三、四等，各等級的精度指標基本上與國家規(guī)范要求一致。用電磁波測距三角高程可代替三、四等水準測量。3.1.4施工控制網(wǎng)施工平面控制網(wǎng)的布設，應根據(jù)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），過去一般采用三角測量（或邊角測量）的方法建網(wǎng)。對于地形平坦但通視比較困難的地區(qū)，例如擴建或改建的工業(yè)場地，多采用導線網(wǎng)；而對于建筑物多為矩形且布置比較規(guī)則和密集的工業(yè)場地，亦可將施工控制網(wǎng)布置成規(guī)則的矩形格網(wǎng)，即所謂建筑方格網(wǎng)?，F(xiàn)在，大多數(shù)已為GPS網(wǎng)所代替。對于高精度的施工控制網(wǎng)，則將GPS網(wǎng)與地面邊角網(wǎng)或導線網(wǎng)相結合，使二者的優(yōu)勢互補。施工階段的主要測量工作

1.布設施工控制網(wǎng)2.施工放樣

3.變形監(jiān)測4.其他測繪工作

測量工作的區(qū)別

1．

服務對象不同勘測階段：提供地形圖。施工階段：施工放線，變形監(jiān)測。2．

精度要求不同勘測階段：精度較低，點位均勻。施工階段：精度高且有特殊要求。3．

范圍不同勘測階段：范圍大。施工階段：范圍小。4．

控制點使用頻率不同勘測階段：利用率較低。施工階段：使用頻繁。5．

受外界影響程度不同勘測階段：影響較小。施工階段：受施工影響大。施工控制網(wǎng)的特點控制的范圍小、精度要求高控制點使用頻繁受施工干擾大、點位分布有特殊要求控制網(wǎng)的坐標系與施工坐標系一致控制網(wǎng)投影到特定的高程面一般分兩級布設，次級網(wǎng)可能比首級網(wǎng)的精度高建筑物放樣的精度要求

1.絕對精度要求（主軸線精度要求）

主要受地形、工程地質等條件的影響，其精度要求一般不高。2．相對精度要求（細部點對主軸線的精度要求）

相對精度直接影響建筑物的整體結構、聯(lián)系、美觀等，其要求一般較高。建筑物的放樣精度主要取決于相對精度要求。

建筑物放樣程序

總體要求（原則）：由整體到局部，先軸線后細部。主軸線——輔助軸線——細部點——設備安裝。

放樣精度計算

1.建筑限差Δ(即允許偏差):過寬、過緊都不合理，應慎重制定。允許偏離軸線：允許偏離軸線的中誤差：2.誤差來源測量誤差

m1設計誤差

m2安裝誤差m3

當時，

當時，

平面施工控制網(wǎng)

設計要求精度評定（略）外業(yè)工作內業(yè)工作建筑方格網(wǎng)

轉角為90度的導線網(wǎng)；用于施工放樣、測繪竣工圖、改、擴建廠房等的控制依據(jù)；它主要有縱、橫軸線貫穿整個施工場地；可分級布設，精度根據(jù)需要確定；方法有導線法、歸化法、直接法等。

直伸三角網(wǎng)

基本原理是直接測出三條邊長和三角形的高，再計算出三角形的內角?？蓽p小旁折光等的影響、提高控制網(wǎng)的精度。高程控制網(wǎng)

要求點位穩(wěn)定、使用方便、精度可靠、密度適當。一般布設成網(wǎng)形或閉合環(huán)，并經(jīng)常進行復核；臨時水準點要注意其穩(wěn)定性。

BM10BM21長江長江BM20BM26J3BM24BM04BM08BM06BM28BM23BM25BM22BM09BM07BM11軸1BM03BM05J1J2BM02過江水準III過江水準IV過江水準II過江水準IBM33BM34BM35BM36BM32A1BM31A2A4A3金山基準點3.1.5變形監(jiān)測網(wǎng)變形監(jiān)測網(wǎng)由參考點和目標點組成，一個網(wǎng)可以由任意個網(wǎng)點組成，但至少應由一個參考點、一個目標點（確定絕對變形）或兩個目標點（確定相對變形）組成。參考點應位于變形體外，是網(wǎng)的基準。目標點位于變形體上，變形體的變形由目標點的運動描述。變形監(jiān)測網(wǎng)分一維網(wǎng)、二維網(wǎng)和三維網(wǎng)。它可以布設成各式各樣的形狀，主要取決于變形監(jiān)測的目的和變形體的形狀，此外還與地形和環(huán)境條件有關。采用地面測量技術可布設成由三角形構成的邊角網(wǎng)或三邊網(wǎng)、導線或導線網(wǎng)。用空間測量技術建立GPS監(jiān)測網(wǎng)，以及GPS網(wǎng)與地面測量網(wǎng)構成混合網(wǎng)日益廣泛應用。對一條堤壩作監(jiān)測，可布置成一條平行于堤壩的導線作為參考網(wǎng)，通過觀測左、右角和重復測量提高其可靠性；目標點設在堤上，其位置由多參考點進行前方交會得到。對于一個高塔的變形監(jiān)測甚至可以只通過一個參考點進行。變形監(jiān)測網(wǎng)的坐標系和基準的選取應遵循以下原則：變形體的范圍較大且形狀不規(guī)則時，可選擇已有的大地坐標系統(tǒng)。其好處是已知系統(tǒng)的歸化和投影改正公式，另一方面監(jiān)測網(wǎng)也可得到檢查。由于變形監(jiān)測網(wǎng)的精度有時還高于國家大地控制網(wǎng)的精度，與大地網(wǎng)點聯(lián)接時，為了不產生尺度上的緊張，應采用無強制的聯(lián)接方法，即只固定一個點，二、三維再固定一個定向方向。

對于那些具有明顯結構性特征的變形體，最好采用基于監(jiān)測體的坐標系統(tǒng)，該坐標系統(tǒng)的坐標軸與監(jiān)測體的主軸線重合、平行或垂直，這時目標點的變形剛好在某一坐標方向上。因為變形是通過目標點的坐標變化來反映的，采用什么樣的坐標系和固定基準都不重要，關鍵是一旦選定了固定基準，該基準在整個變形監(jiān)測時期應保持不變，換句話說，那些穩(wěn)定的參考點的坐標在整個期間的坐標值應保持不變。當僅對目標點的相對運動感興趣時，可不設參考點，這時可采用自由基準，變形體的變形不是通過目標點的坐標變化，而是用可估計的基準不變量導出。根據(jù)網(wǎng)的布設、坐標系和基準的確定，以及目標點的精度要求，則網(wǎng)的精度得以確定。

3.1.6安裝測量控制網(wǎng)安裝測量控制網(wǎng)通常是大型設備構件安裝定位的依據(jù)，也是工程竣工后建筑物和設備變形觀測及設備調整的依據(jù)，它們一般在土建工程施工后期布設?？刂凭W(wǎng)設計時，應考慮控制點的密度和位置能滿足設備構件的安裝定位要求，點位的選擇不受地形、地物、圖形強度等的影響，而要考慮設備的位置、數(shù)量、建筑物的形狀、特定方向的精度要求等。先在設備布置總平面圖上設計一個理論上的圖形，然后將其測設到實地上去。

安裝測量控制網(wǎng)通常是一種微型邊角網(wǎng)，邊長較短，一般從幾米至一百多米。整個網(wǎng)由形狀相同、大小相等的基本圖形組成。對于直線型的建筑物，可布設成直伸形網(wǎng)。對于環(huán)形的地下建筑物，可布設成各種類型的環(huán)型網(wǎng)。如直接在環(huán)型隧道內建立微型四邊形構成的環(huán)型網(wǎng)或測高環(huán)形三角形網(wǎng)，網(wǎng)的設計應顧及隧道的平均半徑和隧道寬度，控制點及測量方向線到隧道壁的距離，以及三角形的邊長和長邊上的高。對于大型無線電天線，可布設成輻射狀控制網(wǎng)。3.2工程控制網(wǎng)的基準和建立方法3.2.1工程控制網(wǎng)的基準工程控制網(wǎng)的基準就是通過網(wǎng)平差求解未知點坐標時所給出的已知數(shù)據(jù)，以對網(wǎng)的位置、長度和方向進行約束，使網(wǎng)平差時有唯一解。如果網(wǎng)的基準不足，網(wǎng)平差時法方程系數(shù)矩陣將出現(xiàn)秩虧，這時，需要某一特解。如果網(wǎng)的基準過多，則存在基準之間是否相容的問題。

工程控制網(wǎng)的基準可分為：約束網(wǎng)。具有多余的已知數(shù)據(jù)。最小約束網(wǎng)（經(jīng)典自由網(wǎng)）。只有必要的已知數(shù)據(jù)。無約束網(wǎng)（自由網(wǎng)），無必要的已知數(shù)據(jù)。維數(shù)網(wǎng)型觀測值類型基準秩虧基準參數(shù)1高程網(wǎng)高差11個平移2平面網(wǎng)邊長和方位角2X和Y方向的2個平移邊長或邊長和水平方向32個平移，1個繞Z軸的旋轉水平方向42個平移，1個旋轉，1個縮放3三維網(wǎng)邊長和天頂角或邊長和水平方向或邊長、天頂角以及水平方向43個在X、Y、Z方向的平移，1個繞Z軸的旋轉水平方向和天頂角53個平移，1個旋轉，1個縮放邊長63個平移，3個繞X、Y、Z軸的旋轉在d=6時再加一個比例尺未知數(shù)73個平移，3個旋轉，1個縮放3.2.2工程控制網(wǎng)基準的建立方法為了確定工程平面控制網(wǎng)的絕對位置，需要與國家控制網(wǎng)中的點進行聯(lián)測。由于工程控制網(wǎng)對相對位置要求高，因而常采用經(jīng)聯(lián)測得到的一個點的坐標和一個方位角作為固定的起算數(shù)據(jù)，其長度基準則由投影到工程投影面上的高精度測距邊來確定。測圖控制網(wǎng)多為約束網(wǎng)，總是選國家或城市坐標系（含平面和高程）下的已知點坐標為其基準。為了減小歸化與投影所產生的長度變形，使其達到忽略不計的程度，可采用抵償高程坐標系統(tǒng)或自定義投影帶。抵償高程坐標系統(tǒng)的歸算高程面是與某高程面相切且與參考橢球面相平行的一個橢球面，它利用了邊長觀測值的歸化改正和投影改正的符號相反，大小近似相等的特點。采用抵償高程坐標系統(tǒng)可不改變投影帶，坐標轉換關系簡單。自定義投影帶是采用與測區(qū)平均高程面相切與參考橢球面相平行的橢球面，采用通過測區(qū)中部的子午線作中央子午線，用這種方法定義的坐標系稱工程坐標系。由于在工程測量中采用得最多的是不與大地測量控制網(wǎng)相聯(lián)系的專用網(wǎng)，所以自由網(wǎng)平差以及基準確定問題更為重要。3.3工程控制網(wǎng)的質量準則3.3.1工程控制網(wǎng)的質量準則精度準則（總體精度、點位精度、相對精度、未知數(shù)函數(shù)的精度等）可靠性準則（內部可靠性、外部可靠性）靈敏度準則費用準則3.4工程控制網(wǎng)的優(yōu)化設計3.4.1工程控制網(wǎng)的優(yōu)化設計分類分類固定參數(shù)待定參數(shù)含義零類設計(ZOD)一類設計(FOD)二類設計(SOD)三類設計(THOD)A，PP，QXXA，QXXQXX,部分A和PQXX

AP部分A和P基準設計圖形設計觀測精度設計已有網(wǎng)的改進3.4.2優(yōu)化設計的任務

網(wǎng)的優(yōu)化設計是一個迭代求解過程,它包括以下內容：提出設計任務；制定設計方案；進行方案評價；進行方案優(yōu)化。3.4.3工程控制網(wǎng)優(yōu)化設計方法

（1）

典型圖形分析（2）

目標函數(shù)法（3）

計算機模擬法

圖上設計

量取測值近似值確定觀測方案模擬平差，求出未知數(shù)的協(xié)因數(shù)陣求出各點點位精度與設計精度比較改進設計3.5典型工程控制網(wǎng)橋梁工程控制網(wǎng)水利樞紐控制網(wǎng)變形監(jiān)測控制網(wǎng)3.6控制點的標石與標志由于控制點要長期、經(jīng)常性地使用，一般要埋設標石和標志。標石是指采用挖坑埋設預制截頭錐體混凝土標，或通過鉆深孔就地澆筑鋼筋混凝土標，或通過鉆孔深埋與基巖相連的鋼管標等方法固定和設置控制點的設施。標志則是在標石或其他穩(wěn)固載體上精確表示控制點位置的設施。標石上一定有標志，但標志不一定設在標石上，標志也包括照準標志。標石和標志應保證穩(wěn)定、安全和長期保存，應盡可能避開外界的影響，應避開活動斷裂帶和人工土層，盡可能埋設在穩(wěn)定的基巖上，無法與基巖相連時，深度應在地下水位變化層和凍土層以下。

平面點標石標石類型：普通標石、深埋式標石、帶強制對中裝置的觀測墩。普通標石:通常挖坑埋設預制截頭錐體混凝土標，為防止自重引起的沉降，需加大標石底部面積。深埋式標石：通過鉆深孔就地澆筑的