(高級(jí)技師)公路施工控制網(wǎng)布設(shè)與研究

1、摘要關(guān)鍵詞:控制網(wǎng);坐標(biāo)系;精度;布設(shè)方案;優(yōu)化;外業(yè);內(nèi)業(yè)第一章緒論GPs測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用,解決了困難地區(qū)的點(diǎn)位定位。在進(jìn)行城市控制網(wǎng)的改造和重建中,已知孤立點(diǎn)(相互不通視明顯增多,而這些點(diǎn)可以作為導(dǎo)線網(wǎng)的已知點(diǎn),通過(guò)導(dǎo)線把它們連接起來(lái),構(gòu)成無(wú)定向附合導(dǎo)線網(wǎng),同樣可以滿足加密控制網(wǎng)的布設(shè)要求。這種無(wú)定向附合導(dǎo)線網(wǎng)不用測(cè)定連接角,已知點(diǎn)之間無(wú)需通視(兩個(gè)以上已知點(diǎn)即可,布設(shè)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(shè)這種導(dǎo)線網(wǎng),優(yōu)點(diǎn)尤為突出,而且應(yīng)用日趨廣泛。因此,在地形測(cè)量,工程測(cè)量和地籍測(cè)量的控制測(cè)量中有望廣泛應(yīng)用。這種導(dǎo)線網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理用常規(guī)的導(dǎo)線數(shù)據(jù)處理

2、方法不可行。本文針對(duì)這些情況,系統(tǒng)地討論了無(wú)定向?qū)Ь€網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理方法和相應(yīng)的軟件編制,以適應(yīng)具體網(wǎng)形數(shù)據(jù)處理的需要。目前國(guó)內(nèi)把工程建設(shè)有關(guān)的工程測(cè)量按勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)行管理三個(gè)階段劃分;也有按行業(yè)劃分成:線路(鐵路、公路等工程測(cè)量、水利工程測(cè)量、橋隧工程測(cè)量、建筑工程測(cè)量、礦山測(cè)量、海洋工程測(cè)量、軍事工程測(cè)量、三維工業(yè)測(cè)量等,幾乎每一行業(yè)和工測(cè)量都有相應(yīng)的著書(shū)或教材。第二章施工平面控制網(wǎng)的布設(shè)2.1 控制網(wǎng)的布設(shè)原則控制測(cè)量包括平面控制測(cè)量和高程控制測(cè)量,稱測(cè)定點(diǎn)位的(x,y坐標(biāo)為平面控制測(cè)量,測(cè)定點(diǎn)位的H坐標(biāo)為高程控制測(cè)量。國(guó)家控制網(wǎng)是指在全國(guó)范圍內(nèi)建立的控制網(wǎng)。國(guó)家控制網(wǎng)是用精密測(cè)量

3、儀器和方法依照國(guó)家三角測(cè)量和精密導(dǎo)線測(cè)量規(guī)范、全球定位系統(tǒng)(GPS測(cè)量規(guī)范、國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范及國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范按一、二、三、四等四個(gè)等級(jí)、由高級(jí)到低級(jí)逐級(jí)加密點(diǎn)位建立的。國(guó)家平面控制測(cè)量;我國(guó)的國(guó)家平面控制網(wǎng)(horizontal control network是采用逐級(jí)控制、分級(jí)布設(shè)的原則,分一、二、三、四等方法建立起來(lái)的。經(jīng)典方法主要由三角測(cè)量(triangulation法、導(dǎo)線測(cè)量(traverse survey法。另外,還有衛(wèi)星大地測(cè)量,如GPS衛(wèi)星定位。一等三角鎖(triangulation chain沿經(jīng)線和緯線布設(shè)成縱橫交叉的三角鎖系,鎖長(zhǎng)200250公里,構(gòu)成許

4、多鎖環(huán)。構(gòu)成國(guó)家平面控制網(wǎng)的骨干。一等三角鎖內(nèi)由近于等邊的三角形組成,邊長(zhǎng)為2030公里。二等三角測(cè)量有兩種布網(wǎng)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(gè)大致相等的部分,這4個(gè)空白部分用二等補(bǔ)充網(wǎng)填充,稱縱橫鎖系布網(wǎng)方案;另一種是在一等鎖環(huán)內(nèi)布設(shè)全面二等三角網(wǎng)(triangulation network,稱全面布網(wǎng)方案。二等基本鎖的邊長(zhǎng)為2025公里,二等網(wǎng)的平均邊長(zhǎng)為13公里。一等鎖的兩端和二等網(wǎng)的中間,都要測(cè)定起算邊長(zhǎng)、天文經(jīng)緯度和方位角。小地區(qū)控制網(wǎng):面積10平方公里以下,盡量與國(guó)家和城市控制聯(lián)測(cè),亦可建立獨(dú)立的控制網(wǎng),在平面控制中采用直角坐標(biāo)系,高程控制中采用黃海高程系

5、統(tǒng)或1985國(guó)家高程系統(tǒng)。公路工程平面控制網(wǎng):常規(guī)方法為三角測(cè)量或?qū)Ь€測(cè)量等,另外,現(xiàn)在逐漸采用三邊測(cè)量和GPS測(cè)量。施工控制網(wǎng)的布設(shè),應(yīng)根據(jù)總平面設(shè)計(jì)和施工地區(qū)的地形條件來(lái)確定。對(duì)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(cè)量(或邊角測(cè)量的方法建網(wǎng)。對(duì)于地形平坦但通視比較困難的地區(qū),例如擴(kuò)建和改建的工業(yè)場(chǎng)地,則可采用導(dǎo)線網(wǎng);而對(duì)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(chǎng)地,亦可將施工控制網(wǎng)布置成規(guī)則的矩陣格網(wǎng),即所謂建筑格網(wǎng)。在建立控制網(wǎng)時(shí)要保證分級(jí)布網(wǎng)、逐級(jí)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(cè)量時(shí),建立控制網(wǎng)時(shí)亦應(yīng)遵守下列布網(wǎng)原

6、則。(1 分級(jí)布網(wǎng)逐級(jí)控制,對(duì)于控制網(wǎng)先布設(shè)要求較高的首級(jí)控制網(wǎng),然后再對(duì)下一級(jí)控制網(wǎng)進(jìn)行加密。(2 要有足夠的精度,工程控制網(wǎng)中若測(cè)圖比例尺越大控制點(diǎn)的精度要求越高。其精度按0.1mm制圖精度控制。根據(jù)工程實(shí)際情況需要只要達(dá)到規(guī)定精度即可,也保證測(cè)量的簡(jiǎn)單計(jì)算方便。(3 公路施工中的控制網(wǎng)要有足夠的精度,控制點(diǎn)的密度要根據(jù)測(cè)圖方法及測(cè)圖比例尺的大小決定,控制點(diǎn)要足夠多且在帶狀地形圖的范圍內(nèi)。2 .2控制網(wǎng)的布設(shè)方案在我國(guó)目前測(cè)距儀使用比較普遍的情況下,由于電磁波測(cè)距既方便實(shí)用又方便經(jīng)濟(jì),因此電磁波測(cè)距導(dǎo)線已上升為比較重要的地位。如下表2-1中電磁波測(cè)距導(dǎo)線共分5個(gè)等級(jí),其中的三、四等導(dǎo)線與三

7、、四等三角網(wǎng)屬于同一個(gè)等級(jí)。這5個(gè)等級(jí)的導(dǎo)線均可作為某個(gè)測(cè)區(qū)的首級(jí)控制。電磁波測(cè)距導(dǎo)線的主要技術(shù)要求如下表2-1。由于導(dǎo)線網(wǎng)中各點(diǎn)上的方向數(shù)較少,除結(jié)點(diǎn)外只有兩個(gè)方向,因而受通視限制較少,易于選點(diǎn)和降低覘標(biāo)高度,甚至無(wú)須造標(biāo)。導(dǎo)線網(wǎng)的圖形非常靈活,選點(diǎn)時(shí)可根據(jù)具體情況隨時(shí)改變。網(wǎng)中的邊長(zhǎng)都是直接測(cè)定的,因此邊長(zhǎng)的精度較均勻。但是導(dǎo)線網(wǎng)中多余觀測(cè)數(shù)較同樣規(guī)模的三角網(wǎng)較少,有時(shí)不易發(fā)現(xiàn)觀測(cè)值中的粗差,因而可靠性不高。當(dāng)初測(cè)導(dǎo)線與國(guó)家控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)進(jìn)行角度檢核時(shí),角度閉合差小于表2-2的數(shù)值也通常不需要平差,而是利用坐標(biāo)增量閉合差對(duì)導(dǎo)線角進(jìn)行改正調(diào)整角度閉合差,用平差后的角度來(lái)計(jì)算坐標(biāo)增量。水準(zhǔn)點(diǎn)高程控

8、制網(wǎng)一般采用水準(zhǔn)方法建立,水準(zhǔn)測(cè)量的等級(jí)分為二、三、四等,各水準(zhǔn)等級(jí)的精度指標(biāo)基本上與國(guó)家規(guī)范一致,對(duì)于大多數(shù)的測(cè)區(qū),可以用三等水準(zhǔn)測(cè)量建立首級(jí)控制,只有當(dāng)測(cè)區(qū)很大時(shí)或者大中城市中才需布設(shè)二等水準(zhǔn)網(wǎng)。首級(jí)控制網(wǎng)的圖形與等級(jí)的選擇,可按水準(zhǔn)網(wǎng)中互為最遠(yuǎn)點(diǎn)的高差中誤差不超過(guò)±3cm左右進(jìn)行估算確定。加密網(wǎng)中附和水準(zhǔn)線路的長(zhǎng)度則可以按線路中最弱點(diǎn)(相對(duì)于高級(jí)點(diǎn)而言的高程中誤差不超過(guò)±3cm來(lái)進(jìn)行估算確定。測(cè)量應(yīng)于國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)或相當(dāng)于國(guó)家等級(jí)的水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)。2.3 平面控制網(wǎng)坐標(biāo)系選擇的原則(1平面控制網(wǎng)的坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)滿足在主要測(cè)區(qū)內(nèi)的投影長(zhǎng)度變形值不大于2.5cm/km為原則。當(dāng)投影長(zhǎng)

9、度變形值不大于2.5cm/km 時(shí)采用統(tǒng)一的高斯正形投影3。帶平面直角坐標(biāo)系,其主子午線經(jīng)度自東往西每隔3。為一帶至東經(jīng)180。(2當(dāng)平面控制網(wǎng)的坐標(biāo)系統(tǒng)在主要測(cè)區(qū)內(nèi)的投影長(zhǎng)度變形值大于2.5cm/km時(shí),采用正形投影任意平面坐標(biāo)系統(tǒng)。投影面可采用1986年國(guó)家高程基準(zhǔn)面或測(cè)區(qū)平均高程面獨(dú)立系統(tǒng),在已有平面控制網(wǎng)的地區(qū)應(yīng)盡量沿用原有的坐標(biāo)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(shí)城鎮(zhèn)可不經(jīng)投影采用高斯平面系統(tǒng)而直接計(jì)算。第三章施工控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法施工控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有解析法和模擬法兩種。解析法是基于

10、優(yōu)化設(shè)計(jì)理論構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)和約束條件,解求目標(biāo)函數(shù)的極大值或極小值。一般將網(wǎng)的質(zhì)量指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)或約束條件。網(wǎng)的質(zhì)量指標(biāo)主要有精度、可靠性和建網(wǎng)費(fèi)用,對(duì)于變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)還包括網(wǎng)的靈敏度或可區(qū)分性。對(duì)于網(wǎng)的平差模型而言,按固定參數(shù)和待定參數(shù)的不同,網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)又分為零類、一類、二類和三類優(yōu)化設(shè)計(jì),涉及到網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì),網(wǎng)形、觀測(cè)值精度以及觀測(cè)方案的設(shè)計(jì)。在工程測(cè)量中,施工控制網(wǎng)、安裝控制網(wǎng)和變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)都需要作優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于采用GPS定位技術(shù)和電磁波測(cè)距,網(wǎng)的幾何圖形概念與傳統(tǒng)的測(cè)角網(wǎng)有很大的區(qū)別。除特別的精密控制網(wǎng)可考慮用專門編寫(xiě)的解析法優(yōu)化設(shè)計(jì)程序作網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)外,其他的網(wǎng)都可用模擬法進(jìn)行設(shè)計(jì)。模擬

11、法優(yōu)化設(shè)計(jì)的軟件功能和進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟主要是:根據(jù)設(shè)計(jì)資料和地圖資料在圖上選點(diǎn)布網(wǎng),獲取網(wǎng)點(diǎn)近似坐標(biāo)(最好將資料作數(shù)字化掃描并在微機(jī)上進(jìn)行。模擬觀測(cè)方案,根據(jù)儀器確定觀測(cè)值精度,可進(jìn)一步模擬觀測(cè)值。計(jì)算網(wǎng)的各種質(zhì)量指標(biāo)如精度、可靠性、靈敏度。精度應(yīng)包括點(diǎn)位精度、相鄰點(diǎn)位精度、任意兩點(diǎn)間的相對(duì)精度、最弱點(diǎn)和最弱邊精度、邊長(zhǎng)和方位角精度。進(jìn)一步可計(jì)算坐標(biāo)未知數(shù)的協(xié)方差陣或部分點(diǎn)坐標(biāo)的協(xié)方差陣,協(xié)方差陣的主成份計(jì)算,特征值計(jì)算,點(diǎn)位誤差橢圓、置信橢圓的計(jì)算等。可靠性包括每個(gè)觀測(cè)值的多余觀測(cè)分量(內(nèi)部可靠性和某一觀測(cè)值的粗差界限值對(duì)平差坐標(biāo)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(biāo)以及觀測(cè)值的靈敏度影響系數(shù)。將計(jì)算出的各質(zhì)量指標(biāo)與設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)比較,使之既滿足設(shè)計(jì)要求,又不致于有太大的富余。通過(guò)改變觀測(cè)值的精度或改變觀測(cè)方案(增加或減少觀測(cè)值或局部改變網(wǎng)形(增加或減少網(wǎng)點(diǎn)等方法重新作上述設(shè)計(jì)計(jì)算,直到獲取一個(gè)較好的結(jié)果。第四章導(dǎo)線測(cè)量的內(nèi)、外業(yè)工作外業(yè)工作:踏勘選點(diǎn)及建立標(biāo)志、測(cè)邊、測(cè)角和聯(lián)系測(cè)量。4.1 踏勘選點(diǎn)及建立標(biāo)志4.2 測(cè)邊4.3 測(cè)角導(dǎo)線轉(zhuǎn)折角(traverse angle有左角和右角之分。在導(dǎo)線前進(jìn)方向左側(cè)的水平角稱為左角,右側(cè)的水平角稱為右角。閉合導(dǎo)線一般測(cè)其內(nèi)角,在公路測(cè)量中,附和導(dǎo)線一般測(cè)右角,注意全線應(yīng)統(tǒng)一。各等級(jí)的導(dǎo)線測(cè)角要求,應(yīng)滿足

13、規(guī)范。圖根導(dǎo)線(mapping traverse的轉(zhuǎn)折角可以用DJ6經(jīng)緯儀測(cè)回法觀測(cè)一測(cè)回4.4 聯(lián)系測(cè)量平面控制網(wǎng)的必要起算數(shù)據(jù)是一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)和一條邊的坐標(biāo)方位角。起算數(shù)據(jù)可以通過(guò)與國(guó)家和城市控制網(wǎng)聯(lián)測(cè)獲得。導(dǎo)線聯(lián)測(cè)為測(cè)定聯(lián)接角和聯(lián)接邊。測(cè)量方法同導(dǎo)線。聯(lián)接角:導(dǎo)線邊和已知邊的水平夾角。聯(lián)接邊:導(dǎo)線點(diǎn)和已知點(diǎn)的連線。4.5 定向在新布設(shè)的平面控制網(wǎng)中,至少需要已知一條邊的坐標(biāo)方位角才可以確定控制網(wǎng)的方向,簡(jiǎn)稱定向(orientation;至少需要已知一個(gè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)才可以確定控制網(wǎng)的位置,簡(jiǎn)稱定位。如果測(cè)區(qū)沒(méi)有已知高級(jí)控制點(diǎn),則可用羅盤(pán)儀測(cè)定導(dǎo)線起始邊方位角和假設(shè)起始點(diǎn)坐標(biāo)。導(dǎo)線測(cè)量的內(nèi)業(yè)工

14、作4.6 整理外業(yè)資料計(jì)算之前,全面檢查外業(yè)測(cè)量記錄,數(shù)據(jù)是否齊全,有無(wú)遺漏、記錯(cuò)或算錯(cuò),成果是否符合規(guī)范的要求。檢查無(wú)誤后,就可以繪制導(dǎo)線略圖,將已知數(shù)據(jù)和觀測(cè)成果標(biāo)注于圖,以便計(jì)算。4.7 計(jì)算導(dǎo)線坐標(biāo)的步驟(1計(jì)算角度閉合差。(2推算其他導(dǎo)線邊的坐標(biāo)方位角。(3計(jì)算各導(dǎo)線邊的坐標(biāo)增量。(4計(jì)算各導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)。第五章舉例說(shuō)明施工控制網(wǎng)在公路橋梁中的應(yīng)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(zhǎng)98km,規(guī)劃一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn),編號(hào)為S250。該公司所監(jiān)理的標(biāo)段是A1A3標(biāo),全長(zhǎng)19.3km。100

15、km/h,平面線形布設(shè)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(biāo),以保持線形的順暢。5. 1.2 平面主要控制點(diǎn)蒼邳公路:蒼邳公路為出省通道,北接山東,是本次設(shè)計(jì)的起點(diǎn),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(yùn)河后,以R=1800m的圓曲線半徑穿過(guò)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(duì)平面線形未做大的調(diào)整,采用左幅單側(cè)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(shè)計(jì)圖中的放樣點(diǎn)或線相對(duì)于控制網(wǎng)或原有建筑的相互關(guān)系,即求出其間的角度及間距和高程,這些數(shù)據(jù)稱為放樣數(shù)據(jù)。然后按照放樣數(shù)據(jù)利用傳統(tǒng)光學(xué)經(jīng)緯儀、皮尺、鋼尺、水準(zhǔn)儀等工具測(cè)設(shè)出點(diǎn)位和高程。通常,測(cè)設(shè)點(diǎn)和高程是分開(kāi)進(jìn)行的。測(cè)設(shè)點(diǎn)位的常用方法有:直角坐標(biāo)法,極坐標(biāo)法、角度交會(huì)法和距離交會(huì)法等。高程放樣最常用的是幾何水準(zhǔn)測(cè)量,對(duì)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(cè)量等

17、方法。5. 2.2 坐標(biāo)放樣階段隨著光電測(cè)距儀的發(fā)展,出現(xiàn)了一種測(cè)濾頭,可以直接安置到傳統(tǒng)經(jīng)緯儀的上面,這樣裝置曾戲稱“半站儀”。從而實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測(cè)角和量距的任務(wù),再結(jié)合計(jì)算器就可即時(shí)計(jì)算出所測(cè)設(shè)點(diǎn)的坐標(biāo),出現(xiàn)了坐標(biāo)放樣法。坐標(biāo)放樣法克服了傳統(tǒng)方法中的求取放樣數(shù)據(jù)的麻煩工序,直接獲取放樣點(diǎn)的坐標(biāo)就可以放樣出設(shè)計(jì)點(diǎn)。第六章 結(jié)束語(yǔ) 公路施工控制網(wǎng)的控制測(cè)量是線路測(cè)量中最基礎(chǔ)的工作，其好 壞直接影響設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞和后面的施工放樣工作的準(zhǔn)確性，在建 立控制導(dǎo)線網(wǎng)時(shí)要全局考慮，要在保證測(cè)量精度的前提下，做到施 工過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)、方便實(shí)用，要理論與實(shí)踐相結(jié)合。 在武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院郭際明教授的指導(dǎo)下及單位領(lǐng)導(dǎo)和同事的 幫助下，經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的研究探討及實(shí)踐施工，完成了公路施工 測(cè)量控制網(wǎng)布設(shè)研究論文的編寫(xiě)。但由于時(shí)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(xué)習(xí)和實(shí)踐驗(yàn)證。 請(qǐng)讀者提出寶貴意見(jiàn)！ 參考文獻(xiàn) （1）鐘孝順，聶讓，測(cè)量學(xué)M。北京：人民交通出版社，1997。 （2） 李仕東， 公路工程測(cè)量必讀M。 北京： 人民