精密工程測量控制網(wǎng)

1、122.12.1 精密工程控制網(wǎng)的布設原則精密工程控制網(wǎng)的布設原則2.2 2.2 精密工程控制點的測量標志精密工程控制點的測量標志2.3 2.3 幾種典型的精密工程測量控制網(wǎng)幾種典型的精密工程測量控制網(wǎng)2 精密工程測量控制網(wǎng)3 精密工程控制網(wǎng)的作用是在工程施工前精密工程控制網(wǎng)的作用是在工程施工前( ( 設計階段設計階段) ) 、施工中施工中( ( 施工階段施工階段) ) 以及施工后以及施工后( ( 竣工運營階段竣工運營階段) ) 的各個的各個不同的階段對被測量不同的階段對被測量( ( 放樣放樣) ) 點、線和點、線和面提供可靠的測量面提供可靠的測量基準?；鶞?。 為了按設計所要求的精度在大范圍內(nèi)

2、將大型精密工程為了按設計所要求的精度在大范圍內(nèi)將大型精密工程建筑及其構(gòu)件和設備統(tǒng)一在一個工藝流程之中并測設到設建筑及其構(gòu)件和設備統(tǒng)一在一個工藝流程之中并測設到設計位置，同時對設備進行調(diào)校、檢核測量、竣工測量以及計位置，同時對設備進行調(diào)校、檢核測量、竣工測量以及運營期間的變形監(jiān)測，必須建立測量控制網(wǎng)。運營期間的變形監(jiān)測，必須建立測量控制網(wǎng)。4u先進行網(wǎng)的優(yōu)化設計先進行網(wǎng)的優(yōu)化設計, 通常要同時涉及到精度、可靠性和靈敏度指標通常要同時涉及到精度、可靠性和靈敏度指標;u要求盡可能地進行多余觀測要求盡可能地進行多余觀測, 以增強網(wǎng)的內(nèi)部可靠性以增強網(wǎng)的內(nèi)部可靠性;u對于采用對于采用GPS布網(wǎng)布網(wǎng), 注

3、意地面觀測條件注意地面觀測條件, 并且采用精密星歷解算基線并且采用精密星歷解算基線;u盡量不采用單純的盡量不采用單純的GPS網(wǎng)網(wǎng), 將將GPS網(wǎng)與邊角網(wǎng)同時聯(lián)合解算是一個不錯網(wǎng)與邊角網(wǎng)同時聯(lián)合解算是一個不錯的選擇的選擇 精密工程測量控制網(wǎng)在許多方面有別于國家大地測量和精密工程測量控制網(wǎng)在許多方面有別于國家大地測量和常規(guī)工程測量控制網(wǎng)。常規(guī)工程測量控制網(wǎng)。首先表現(xiàn)在控制網(wǎng)的設計上首先表現(xiàn)在控制網(wǎng)的設計上需要定期對網(wǎng)進行檢測，以考察所埋設的有可能發(fā)生變動的控需要定期對網(wǎng)進行檢測，以考察所埋設的有可能發(fā)生變動的控制點是否穩(wěn)定。制點是否穩(wěn)定。5 精密工程測量控制網(wǎng)可以分為精密工程測量控制網(wǎng)可以分為施工

4、測量控制網(wǎng)施工測量控制網(wǎng)、安裝測量控制網(wǎng)安裝測量控制網(wǎng)和和變形監(jiān)測網(wǎng)變形監(jiān)測網(wǎng)。n施工測量控制網(wǎng)和變形監(jiān)測網(wǎng)的布網(wǎng)原則與一般的工測專施工測量控制網(wǎng)和變形監(jiān)測網(wǎng)的布網(wǎng)原則與一般的工測專用控制網(wǎng)相似，但通常布設成邊角網(wǎng)、用控制網(wǎng)相似，但通常布設成邊角網(wǎng)、GPSGPS網(wǎng)，具有充分網(wǎng)，具有充分的多余觀測和足夠好的圖形強度。如高能粒子加速器的地的多余觀測和足夠好的圖形強度。如高能粒子加速器的地面控制網(wǎng)，高速磁浮鐵路的控制網(wǎng)等。對控制網(wǎng)采用精密面控制網(wǎng)，高速磁浮鐵路的控制網(wǎng)等。對控制網(wǎng)采用精密的光學或電子經(jīng)緯儀測角，用高精度的光電測距儀測距。的光學或電子經(jīng)緯儀測角，用高精度的光電測距儀測距。n安裝測量控制

5、網(wǎng)與一般施工安裝測量控制網(wǎng)既有相同之處安裝測量控制網(wǎng)與一般施工安裝測量控制網(wǎng)既有相同之處，又有許多不同的特點。建立這類控制網(wǎng)既要采用大地測，又有許多不同的特點。建立這類控制網(wǎng)既要采用大地測量的方法和儀器，又要采用機械制造和計量學的方法和儀量的方法和儀器，又要采用機械制造和計量學的方法和儀 器。器。6n控制網(wǎng)的大小、圖形主要取決于工程的形狀、規(guī)模和施工控制網(wǎng)的大小、圖形主要取決于工程的形狀、規(guī)模和施工方法，以確保工程施工和變形監(jiān)的需要方法，以確保工程施工和變形監(jiān)的需要n精密工程控制網(wǎng)是為工程服務的，必要具備必要的精度精密工程控制網(wǎng)是為工程服務的，必要具備必要的精度n控制網(wǎng)投影面的選擇應滿足控制點

6、坐標反算要求控制網(wǎng)投影面的選擇應滿足控制點坐標反算要求n控制點點位設置要穩(wěn)定可靠控制點點位設置要穩(wěn)定可靠n每一個控制點至少能與一個以上的控制點通視每一個控制點至少能與一個以上的控制點通視n要建立強制歸心裝置要建立強制歸心裝置n充分利用高精度的測量儀器充分利用高精度的測量儀器n控制網(wǎng)點位的選擇應重點考慮工程的需要和使用方便控制網(wǎng)點位的選擇應重點考慮工程的需要和使用方便7n精密工程測量中采用的各種測量標志，大致可分為平面點精密工程測量中采用的各種測量標志，大致可分為平面點、高程點、平面一高程點、高程點、平面一高程點( (簡稱平高點簡稱平高點) )。n按其用途它們可以是施工安裝測量控制網(wǎng)的控制點、用

7、以按其用途它們可以是施工安裝測量控制網(wǎng)的控制點、用以表示設備物理或幾何軸線的設備點、變形觀測的基準點和表示設備物理或幾何軸線的設備點、變形觀測的基準點和觀測點。各種標志的作用不同，其相應的結(jié)構(gòu)和特點亦不觀測點。各種標志的作用不同，其相應的結(jié)構(gòu)和特點亦不相同。相同。n各類測量控制點不僅是施工、安裝測量的依據(jù)，而且也是各類測量控制點不僅是施工、安裝測量的依據(jù)，而且也是區(qū)域性地殼形變、建筑物及其基礎變形觀測、設備定位調(diào)區(qū)域性地殼形變、建筑物及其基礎變形觀測、設備定位調(diào)校的依據(jù)。由于設備定位的高精度，對其穩(wěn)定性也提出了校的依據(jù)。由于設備定位的高精度，對其穩(wěn)定性也提出了相應的高要求。為保證控制點的穩(wěn)定性

8、，對它們的標石埋相應的高要求。為保證控制點的穩(wěn)定性，對它們的標石埋設深度、標志本身的結(jié)構(gòu)也提出了相應的要求設深度、標志本身的結(jié)構(gòu)也提出了相應的要求。8 基礎荷載的變化、地層溫度的變化和地下水位的變化。 基礎荷載的變化的影響基礎荷載的變化的影響 根據(jù)土力學知識，由于荷載的變化而引起控制點的沉陷量根據(jù)土力學知識，由于荷載的變化而引起控制點的沉陷量可以用下式進行近似估算：可以用下式進行近似估算：式中：n 計算沉陷時的分層數(shù)； Pi 作用于對應土層的附加壓力（可按Pi =0.2P0i計算， P0i為相應層的天然壓力）； Ei該土層的彈性摸量； Hi該土層的厚度； i與孔隙比和壓應力有關的修正系數(shù)，可由

9、實驗數(shù)據(jù)分析求得。 iiiniiHEPS19 地層溫度變化對控制點穩(wěn)定性的影響可以根據(jù)地層內(nèi)地層溫度變化對控制點穩(wěn)定性的影響可以根據(jù)地層內(nèi)的熱力狀態(tài)來確定。一般認為，各深度層的溫度變化周期的熱力狀態(tài)來確定。一般認為，各深度層的溫度變化周期是不變的，且溫度變化的幅度隨深度的增加而減弱。在天是不變的，且溫度變化的幅度隨深度的增加而減弱。在天然條件下，地層溫度變化的幅度可用下式進行近似計算：然條件下，地層溫度變化的幅度可用下式進行近似計算： 式中：a 深度為H處的溫度變化幅度； A 大氣溫度的年變化幅度； T 溫度變化的周期，以秒為單位； K 地層土壤（或巖石）的導熱系數(shù)； H 深度。 HTkeAa

10、10 地下水位的變化往往使土壤的物理狀態(tài)發(fā)生改變，在水地下水位的變化往往使土壤的物理狀態(tài)發(fā)生改變，在水位下降時，土壤被密實；水位上升時，土壤將被擴松。而地位下降時，土壤被密實；水位上升時，土壤將被擴松。而地下水位的變化引起控制點在垂直方向上變化的近似值下水位的變化引起控制點在垂直方向上變化的近似值S S可可由下式計算：由下式計算： 式中：h 地下水位的變化值； P水位變化而引起的壓力變化值 當 h=1.0m時，P約為0.1kg/cm2； E 土層的彈性摸量。EhPS211 如右圖，主要結(jié)構(gòu)有十字標志、錨塊、浮筒、浮子、不銹鋼絲、保護管等組成。 我國北京正負電子對撞機工程，（BEPC）的建設中采

11、用了這種倒錘作為地面首級控制網(wǎng)點。在CERN質(zhì)子加速器工程的建設中，也曾采用類似結(jié)構(gòu)的倒錘作為研究各不同深度地層穩(wěn)定性的控制點和觀測點。十 字 標 志保 護 井浮 筒浮 子液 體不銹鋼絲保 護 管基 巖土 層錨 塊 下面結(jié)合不同用途和類型，列舉幾種在精密工程測量中常下面結(jié)合不同用途和類型，列舉幾種在精密工程測量中常見的主要標志。見的主要標志。12n（2）將固定在底層的控制點標志中心利用光線投射到標志頂面上來，以代替倒錘標志中的倒錘線。見圖標 志 頭填 料燈 泡玻 璃 片預 留 孔進人孔13 （3）雙金屬桿標 主要作為水準測量的控制點。制作時一般采用鋼管和鋁管，由于兩種金屬的熱膨脹系數(shù)不同（差異

12、較大），根據(jù)溫度變化對兩種金屬管長度產(chǎn)生不同影響，可求得標志頭由于管長變化后得高程。鋼管鋁管標 志 頭錨 塊標 尺14 設兩種金屬得熱膨脹系數(shù)分別為1、2 兩管初始長度為l0, 當溫度變化t后，兩管的長度變化量分別為： 其差值為： 該值可由兩管頂部的標尺測得。 將以上公式變化得： 所以，可根據(jù)兩管的長度變化量隨時計算出標志的高度變化量。 tlltll202101ll11211l15 由此可以看出。利用深埋雙金屬標不需要測定溫度（也不宜測定），僅根據(jù)兩標志頭的高差變化量即可求出鋼管和鋁管標志頭高程的改正數(shù)。 在覆蓋層較厚的地區(qū)，雙金屬管的長度將隨著埋設深度的增加而增加，由于自重的影響，不僅增加了

13、基礎的負荷，而且也將使金屬管產(chǎn)生不規(guī)則的彎曲而引起附加變形。為了克服這種缺點，可將雙金屬桿標改為雙金屬絲標，這種標志同樣利用了雙金屬桿標的基本原理克服了溫度變化對標點高程的影響，僅對其結(jié)構(gòu)進行了改進。 16 如下圖：利用杠桿千分表可以指示出因溫度變化而引起兩鋼絲的伸長差值。為觀測需要可以在不同高度層設置微型水準尺。 除上述控制點標志外，另外還有如基巖標、山峒標等高程標志. 因 瓦 絲不 銹 鋼 絲重 錘杠 桿微 型 水 準 尺保 護 管平 臺錨 塊觀 測 窗觀 測 窗17 以高能物理粒子加速器工程的地面控制網(wǎng)為例。高能物理粒子加速器工程一般都位于地下隧道內(nèi)，地下隧道中測量工作主要包括： 以上的

14、測量工作都是以地面控制網(wǎng)為基礎的。 1819 二、地下隧道地面控制網(wǎng)布設的主要特點 1、地面控制網(wǎng)的作用是指導地下隧道開挖，建立地下安裝測量控制網(wǎng)，并對其進行定期檢核。 2、控制點的觀測墩要埋設對于儀器、覘牌及反射鏡都通用的強制對中裝置； 3、要對所選的儀器進行檢驗核試驗研究，以確定其精度； 4、采用模擬法進行設計網(wǎng)的診斷核優(yōu)化設計； 5、比較實測平差結(jié)果核模擬計算結(jié)果； 6、將地面控制網(wǎng)的坐標傳遞到隧道內(nèi)，并計算投點精度。20 三、歐洲原子核研究中心（CERN）的大型環(huán)形質(zhì)子同步加速器工程（SPS）的布網(wǎng) SPS的地面控制網(wǎng)如圖所示，SPS的圓環(huán)直徑約為2.2km，圓環(huán)分為6段，在地面上設立

15、301306共6個控制點，通過6個豎井傳遞坐標。30130230330430530622322922422521721021522021 控制網(wǎng)要與原先為控制交叉存儲環(huán)工程（IBR）所建立的網(wǎng)相連接。 由于受地形起伏、通視以及自然保護等因素的限制，在豎井附近設立了臨時控制點來放樣豎井點。地面控制網(wǎng)采用T3經(jīng)緯儀測角 地面控制網(wǎng)采用T3經(jīng)緯儀測角，用MA100和Geodolite兩種電磁波測距儀測距，對測距儀在500m和1500m的基線場進行檢定，并作了大量試驗測量，最后確定出它們的精度為：MA1000.5mm1.1PP m Geodolite 0.3mm1.2PP m22 在隧道開挖和襯砌不同

16、階段進行了控制網(wǎng)的多期觀測，采用間接平差得最大點位誤差橢圓的長半軸不超過1.8mm。由最后一次測量所得的這一精度為1.3mm。 將豎井點坐標投影到隧道內(nèi)時，投點深度為23m到62m。采用垂線法、垂直投影望遠鏡和精密投點儀(Wild GlQ)三種方法和儀器，實踐經(jīng)驗表明，包括聯(lián)系測量在內(nèi)，投點精度在1mm以內(nèi)，洞內(nèi)控制點的精度由地面控制點的精度和投點精度計算，平均點位中誤差為1.3mm。 SPS的隧道全長約6911m，從六個豎井同時進行開挖，采用陀螺經(jīng)緯儀導線，每32m埋設一測量標志，用銦瓦線尺量距，計算出各點坐標，用激光定向儀指導開挖方向，隧道貫通后用測角導線進行檢核。 23 安裝測量控制網(wǎng)直

17、接用于設備的安裝，它即與施工測量控制網(wǎng)有直接聯(lián)系，又與工程運營期間的變形監(jiān)測網(wǎng)有密切的關系，三種控制網(wǎng)必須有公共點。本節(jié)結(jié)合具體工程介紹安裝測量控制網(wǎng)的類型及特點。安裝測量控制網(wǎng)可分三種典型的布網(wǎng)方案：安裝測量控制網(wǎng)可分三種典型的布網(wǎng)方案： 24 安裝測量控制網(wǎng)安裝測量控制網(wǎng) 直線型的精密工程很多，如大型導軌、高能粒子加速器工程中的直線加速器及科學試驗廊道、高速磁浮鐵路工程等。為這類工程所進行的精密基準線測量構(gòu)成了精密工程測量的重要內(nèi)容。 用于直線型建筑物的放樣安裝以及檢核、監(jiān)測，這種網(wǎng)是最簡單又最合理的布網(wǎng)形式。 在工程測量學中，我們已經(jīng)接觸了不少關于道路、橋梁、大壩等工程的控制測量工作，在

18、精密工程測量中所不同的是要求以更高的精度來放樣一條軸線，使安裝在直線上的工藝設備的橫向精度達到0.020.5mm。25 直伸型控制網(wǎng)的布設直伸型控制網(wǎng)的布設： 直伸型控制網(wǎng)的布設非常簡單，一般由兩條平行的基準線組成，其中一條為基本基準線，一條為輔助基準線（見圖1）。在基準線上每隔一定的距離埋設標石，兩條基準線可以布設在同一高程面內(nèi)，也可以布設在不同高程的同一鉛垂面內(nèi)，基本基準線或者位于設備中心線上或者與設備中心線平行?；鶞示€的兩個端點須是深埋的永久性固定點，否則應保持與永久性固定點進行聯(lián)測。 安裝測量控制網(wǎng)安裝測量控制網(wǎng)26 安裝測量控制網(wǎng)安裝測量控制網(wǎng) 除了由基準線構(gòu)成的直伸型控制網(wǎng)外，還有

19、直伸導線、直伸線型鎖等網(wǎng)型（見圖2）。27圖 3iRiSiiO132 由單三角形構(gòu)成的中心環(huán)形網(wǎng)，如圖3為中心八邊形網(wǎng)，O為環(huán)形建筑物的中心并作為平差的基準點，控制點均勻分布在半徑為R的圓周上，構(gòu)成正多邊形。 安裝測量控制網(wǎng)安裝測量控制網(wǎng)28圖 3iRiSiiO132 這種網(wǎng)形的幾何圖形簡單，點位精度均勻。歐洲原子核研究中心（CERN）的質(zhì)子同步加速器（SPS），德國漢堡德電子同步加速（DESY）， 美國的巴塔維亞質(zhì)子加速器以及前蘇聯(lián)的“PATTH-600”射電望遠鏡、普爾科法射電望遠鏡、埃列溫電子同步加速器等大型精密工程，都采用了這種布網(wǎng)方案。 安裝測量控制網(wǎng)安裝測量控制網(wǎng)29011wVaV

20、anSiSinRiRi 360118021802nnSsinRiRiwtgatgaiSiRSiSmmmm98. 0,96. 0圖 3iRiSiiO132 安裝測量控制網(wǎng)安裝測量控制網(wǎng) 如果對控制網(wǎng)僅僅用銦瓦線尺量測徑向邊和環(huán)邊，那么，整個網(wǎng)只有一個多余觀測，構(gòu)成一個中心閉合條件： 其中n為輻射半徑條數(shù)，V為改正數(shù)，系數(shù)a和閉合差W為： 式中，為按邊長計算的中心角。 平差后的邊長的精度提高甚微。 設Si和Ri的量邊精度相等且為ms， 當n=8時,， 30 為了提高徑向邊長的精度和網(wǎng)的可靠性，采取邊角同測的方法。在初期只對控制網(wǎng)進行平差，然后由平差后的點用極坐標法放樣和測量安置在電磁鐵嵌合軸套上的

21、標志。隨著儀器和方法的改進，在后期對這種布網(wǎng)的觀測方案作了若干改進，從而提高了工藝設備在所要求方向上的精度。 安裝測量控制網(wǎng)安裝測量控制網(wǎng)31 與中心環(huán)形輻射控制網(wǎng)不同，該網(wǎng)不在環(huán)形建筑物的幾何中心設點，開挖徑向測量隧道直接量測徑向邊，而是直接圍繞環(huán)形建筑布設直伸環(huán)形控制網(wǎng)，這是現(xiàn)代大型環(huán)形加速器工程最常采用的方案。這是因為環(huán)形加速器的半徑愈大，開挖隧道的費用則愈大。此外，由于測量方法和儀器的改進，即使對于半徑較小的加速器工程，采用這種布網(wǎng)方案同樣能達到所要求的精度。 從構(gòu)圖來看，直伸環(huán)形控制網(wǎng)包括三種形式： 即：測角直伸三角形環(huán)形網(wǎng)； 測高直伸三角形環(huán)形網(wǎng)； 大地四邊形環(huán)形網(wǎng)。 安裝測量控制

22、網(wǎng)安裝測量控制網(wǎng)32圖 2-2r1rr2BCAbS1S1S2h （1）在直伸三角形環(huán)形網(wǎng)中，環(huán)形隧道及構(gòu)網(wǎng)元素， 如下圖所示： r1、r2、r分別為隧道內(nèi)壁、 外 壁和平均半徑； b 隧道凈寬； 控制點及測量方向線離壁 的距離； S1 等腰三角形的腰長； S2 等腰三角形的底邊長； h 等腰三角形底邊上的高。 安裝測量控制網(wǎng)安裝測量控制網(wǎng)33nnnrSnnnctgkkSrtgrbSinhrSSinSbhtgrbrS18018021118028180118011802cos,22222422222圖 2-2r1rr2BCAbS1S1S2h半徑半徑r、n已知，已知， 、b設計量，設計量， 推算量推

23、算量S1、S2、h 在對各幾何量進行選擇或作方案設計時， 由已知量可以根據(jù)以下公式計算其它的量： 安裝測量控制網(wǎng)安裝測量控制網(wǎng)34 測量工程師在隧道尺寸設計中起重要作用，其中的一些幾何量是根據(jù)總體設計圖得到，對于壁距的確定和S1、S2的選擇，測量工程師要提出意見，一經(jīng)確定，則要根據(jù)三角形的高和邊長專門制作一定長度的銦瓦線尺和桿尺，同時還要考慮它們的鑒定設備。 安裝測量控制網(wǎng)安裝測量控制網(wǎng)35ABCabcSh 圖 2 - 4hS2S11（2）測角直伸三角網(wǎng)（如下圖） 在環(huán)形網(wǎng)的每個三角形中，設觀測了三條邊和轉(zhuǎn)角A，測角中誤差為m，測邊中誤差為ms，三角形中存在一個圖形條件，通過平差可得轉(zhuǎn)角平差值

24、。 設 mA=m=1.0 ms1=40m, ms2=60m, A=170， S1=24.4m 可得：mA(平差)=0.99 m 即測量底邊S2對提高轉(zhuǎn)角的精度幾乎不起作用。故這種環(huán)形網(wǎng)基本不采用。 安裝測量控制網(wǎng)安裝測量控制網(wǎng)36ABCABChhS1S1圖 2-5S2S2S1S1 （3）測高直伸三角形環(huán)形網(wǎng) 這種網(wǎng)是在每個轉(zhuǎn)點上量測重疊三角形的兩條底邊、兩條腰和一個高。因為若測量三角形的全部邊和角而不測高，不僅精度沒有前者高，而且由于調(diào)焦誤差及旁折光的影響，測角精度亦很難保證。 安裝測量控制網(wǎng)安裝測量控制網(wǎng)37BhsBAShsCBmBtgmmmBtgmmm222221212221186 . 0,43 . 0 ACBmmmABCh2S1SS1 下面討論測高環(huán)形網(wǎng)的精度情況 設測邊、測高精度相等且為ms，解三角形，可由三邊和高計算內(nèi)角，其內(nèi)角精度是測邊、測高精度的表達式： 設ms=40m ，r=23345m，n=60，則可得：A=174，B=C=3，S1=24.4m，h=1.28m代入上式得： 安裝測量控制網(wǎng)安裝測量控制網(wǎng)3822222222222211222222222222422222222422222222222222tan)11(tan)11()1(111