高铁精测网测量培训讲义410.docx
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高铁精测网测量培训讲义410
高铁精测网复测、加密测量技术培训讲义
一、水准高程测量
1、水准高程系统
我国解放后统一采用黄海高程系统，即56高程系，高程原水准点设在山东青岛验潮站，1985年该点高程进行修正，85系统高程为72.260m，56系统高程为72.289m，两者相差29mm，目前基本上都采用1985国家高程基准。
2、各级水准测量精度指标（即测规对高程测量的限差规定）
水准侧量等级
每公里水准测量偶然中误差（mm）
每公里水准测量全中误差（mm）
限差（mm）
检测已测段高差之差（即复测值与设计值不符值的限差
往返测不符值
附和路线或环闭合差
左右路线高差不符值
二等
≤1.0
≤2.0
6√L
4√L
4√L
—
三等
≤3.0
≤6.0
20√L
12√L
12√L
8√L
四等
≤5.0
≤10.0
30√L
20√L
20√L
14√L
要说明的是二等水准测量必须往返观测，不允许采用两台仪器同方向左右路线观测，三、四、五等既可以往返观测，亦可以左右路线观测，五等水准以后采用会越来越少了。
如果是左右路线双置镜法观测，那么对于三等水准来讲，精度评定就是8√L，L—以公里代入，计算结果单位为毫米。
3、各级水准测量主要技术要求
等级
水准尺类型
水准仪最低型号
视距（m）
前后视距差（m）
前后视累积差（m）
视线高度（m）
数字水准仪重复测量次数
光学
数字
光学
数字
光学
数字
光学
数字
二等
铟瓦尺
DS1
≤50
≥3
≤50
≤1.0
≤1.5
≤3.0
≤6.0
下丝读数≥0.3
≤2.8
≥0.55
≥2
三等
双面尺
DS2
≤75
≤75
≤2.0
≤3.0
≤5.0
≤6.0
三丝能读数
≥0.35
≥1
铟瓦尺
DS1
≤100
≤100
水准观测的测站限差（mm）
项目
等级
基、辅分划（黑红面）读数之差
基、辅分划（黑红面）高差之差
检测间歇点高差之差
上下丝读数平均值与中丝读数之差
二等
0.5（天宝无）
0.7
1
3
三等
光学测微法
1
1.5
3
中丝读数法
2
3
3
4、高程测量方法
（1）、水准侧量方法。
适用于各等级水准测量，采用往返观测。
一般复测时采用附合水准路线，由一个已知点出发，最后附合到另一个已知点，控制测量时（加密测量）一般采用闭合水准路线，由一个已知点出发，最后回到该已知点上，由此计算增设的新水准点高程。
三、四等水准的观测顺序一般都按“后—前—前—后”操作，二等水准的观测顺序“奇”、“偶”数站交替进行，往测奇数站为后—前—前—后，往测偶数站为前—后—后—前，返测时与往测变换交替观测顺序。
仪器在使用前应及时检校，电子水准仪i角（水准管轴与视准轴不平行产生的夹角）指标差不超过15″。
（2）、三角高程测量方法，适用于三、四、五等水准测量。
全站仪三角高程测量必须往返观测高差，取其平均值，一般隧道洞外高程复测常采用三角高程方法，与洞外导线网一并观测。
注意：
俯仰角不宜过大，边长不宜过长，避开早、晚时间观测，以减小大气垂直折光的影响，往返观测能够完全消除地球曲率的影响，但不能消除大气折光的影响，若想消除折光的影响，只能选择气象条件好的天气和时段，比如选择阴天观测，或者每天上午8时至11时，下午1时至4时进行观测，往返观测的时间间隔尽可能的短，采用两台全站仪对向同时观测往返高差，往返观测高差的较差一般较大，这项差值意义不大，只是检核是否有粗差出现，如果三角高程环闭合差、每公里测高差的偶然中误差、与已知高差的不符值等均满足规范要求，那么成果就是可靠的。
光电测距三角高程测量限差要求（mm）
测量等级
对向观测高差较差
附合或环线高差闭合差
检测已测测段的高差之差
三等
±25√D
±12√∑D
±20√L
四等
±40√D
±20√∑D
±30√L
注：
D为测距边长，L为侧段间累计测距边长，以千米计。
光电测距三角高程测量观测的主要技术要求
等级
仪器等级（〃）
边长（m）
观测方式
测距边测回数
垂直角测回数
指标差较差（〃）
测回间垂直角较差（〃）
三等
1
≤600
2组对向观测
2
4
5
5
四等
2
≤800
对向观测
2
3
7
7
如果在困难山区或跨河水准由光电测距三角高程代替二等水准测量，那么需要做精密光电测距三角高程测量。
要求所采用的全站仪的标称精度为0.5∥，1mm+1PPm。
反射镜和对中杆经过特殊加工安装，应用两台全站仪同时对向观测，不量取仪器高和棱镜高。
精密光电测距三角高程的测量方法（示意图略）。
应用两台高精度智能全站仪，在仪器把手上安置测距棱镜，设A、B为两已知水准点，设测站为1、2、3、4……、N，距离为12、23、34……是随意的。
1为起始站，N为结束站，在A和B上架设对中杆棱镜，必须保证A、B两点上的棱镜杆高度一致，测站1的全站仪距离水准点A和测站N的全站仪距离水准点B的距离为10～20m，第一站测量结束后，总是将后点上的全站仪搬站前移，而前点全站仪不动，必须注意的是：
对向观测的边数一定是偶数条边。
计算公式：
hAB=-S1A·sinα1A+0.5·（S12·sinα12-S21·sinα21）+0.5·（S23·sinα23-S32·sinα32）+……+SNB·sinαNB。
上式中已没有棱镜高和仪器高，一个测段中只要对向观测的边数是偶数，就不存在仪器高和棱镜高。
精密光电测距三角高程测量的主要技术要求
等级
边长（m）
测回数
指标差较差（〃）
测回间垂直角较差（〃）
测回间测距较差（mm）
测回间高差较差（mm）
二等
≤100
2
5
5
3
±4√S
100～500
4
500～800
6
800～1000
8
注：
S为视线长度，以千米计。
（3）跨河水准测量，根据跨河视线长度，可以选择采用光学测微法、倾斜螺旋法、经纬仪倾角法和测距三角高程法进行跨河水准测量，比较适用的是测距三角高程方法，该方法适用于各等级跨河水准测量，距离和垂直角的观测方法、测回数和限差应严格按规范要求执行。
跨越较大河流或水域时，具体实施应参照《国家一、二等水准测量规范》（GB/T12897-2006）有关技术要求执行。
5、水准测量有关精度计算。
外业、内业完成后，应进行精度统计、分析及评定。
（1）、往返闭合差计算，这是一项硬性指标，如超限必须查找原因或重测。
往返闭合差是直接衡量本身测量精度的高低及是否合格的重要指标。
（2）、每千米水准测量高差的偶然中误差或全中误差。
M△=√1/N[△△/L]
△——各测段往返测高差不符值（mm）。
L——测段长度（km）。
N——测段数。
全中误差等于偶然中误差的2倍。
（3）、检测已测段高差之差（即复测值与设计值不符值的限差）。
以二等水准为例，限差为6√L，不超限采用原设计成果，超限采用复测成果。
这一项是衡量实测精度与设计精度是否相符。
二、平面控制网测量。
本标段跨三个坐标投影带，采用WGS-84坐标系椭球参数（长半轴a=6378137.000，扁率f=298.257223563）。
在坐标换带处附近的每个CPI、CPII控制点均有两套坐标果，而在线路中线上（本标段以左线为主）的换带里程已由设计院设定，计算线路逐桩坐标时，推算到换带里程处即停止。
设计给出的线路换带里程桩号点也同样有两套坐标，线路构造物放样时，构造物在哪一带范围内，就应用哪一带的CPI、CPII及加密点进行放样。
为了防止放样点出现错误，放样完毕后，在保持仪器建站的情况下再实测放样点的坐标，并做好记录。
1、平面控制网的布设。
（1）、GPS网，客运专线无碴轨道工程测量均采用GPS控制网。
布网原则分为三级。
第一级为CPI，第二级为CPII，第三级为CPIII。
CPI为基础平面控制网，CPⅡ主要是为勘测和施工提供基准，CPⅢ主要是为铺设无碴轨道和运营维护提供控制基准，这三级控制主要是为施工单位提供基准。
对于设计院来讲，还有CP0和国家控制点。
CPI点一般4km布设一个或一对，CPII点600～800m布设一个，CPIII点60米布设一对，CPI点采用二等（B级）GPS网观测，CPII采用三等（C级）GPS网观测，CPIII采用后方交会方法施测，使用马达型全站仪加手簿来完成（也称测量机器人）。
平面分级控制的关系：
GD（国家点）→CP0→CPI→CPII→加密点→CPIII，逐级控制的关系是引进德国博格公司和旭普林公司的测量技术，由西南交大和铁二院加以研究推广应用。
尤其是CPIII控制方法在无碴轨道工程中的应用是前所未有的。
PI和CPII网GPS测量作业技术要求
GPS作业时其主要技术要求
项目
CPⅠ
CPⅡ
静
态
测
量
卫星高度角（°）
≥15
≥15
有效卫星总数
≥5
≥4
时段中任一卫星有效观测时间（min）
≥30
≥20
时段长度（min）
≥90
≥60
观测时段数
2
1
数据采样间隔（S）
15
15
PDOP或GDOP
≤6
≤8
①天线应严格整平对中，对中误差≤1mm。
每时段开机和关机前后各量一次天线高，三个方向天线高互差不大于2mm，取平均值作为最后的天线高。
②观测时详细记录测站点号、日期、时段、天线高等。
③开机后经检查有关指示灯与仪表显示正常后，方可输入测站、观测单元和时段等控制信息。
④观测中应查看测站信息、接收卫星数、数据记录信号灯等情况，保证接收机工作正常，数据记录正确。
⑤观测中在接收机近旁禁止使用对讲机和手机。
⑥每日观测结束后，当天及时将数据转存至计算机硬、软盘上，确保观测数据不丢失。
GPS的数据处理是借助随机软件或商业软件运行来完成的，主要处理内容是基线解算和网平差，基线解算的流程：
导入观测数据→参数设置→基线解算→质量检核（评估）。
参数设置首先选取与设计相一致的坐标系统，然后根据对应的选项输入椭球长半轴、扁率（由长半轴和短半轴计算得到）、中央子午线经度（由设计文件查得，独立网可自行选定）、投影高（由设计文件查得）、卫星高度角（一般选取15。
）、星历（一般选广播星历）、基线解算类型等参数。
将原始观测数据（DAT文件）转换为标准RINEX数据格式，采用天宝TGO或徕卡LGO进行基线向量解算。
网平差的内容包括无约束平差（自由平差）和约束平差。
网平差采用武测科傻COSAGPS数据处理软件进行平差计算。
GPS网精度评定主要有以下几项：
GPS网环闭合差，协方差项基线边的相对中误差，基线边方向中误差和点位中误差等。
GPS测量精度指标
控制网级别
基线边方向中误差
最弱边相对中误差
二等
≤1.3″
1/180000
三等
≤1.7″
1/100000
四等
≤2.0″
1/70000
可重复性测量精度和相邻点位的相对精度
控制点等级
同精度复测较差限差（mm）
相邻点间坐标差之差的相对精度的限差（mm）
二等
20
1/130000
三等
15
1/80000
四等
15
1/50000
注：
表中相邻点间坐标差之差的相对精度计算式：
dS/S=√（△X2AB+△Y2AB）/S
式中△XAB=（XA-XB）复-（XA-XB）原
△YAB=（YA-YB）复-（YA-YB）原
S——相邻点间的二维平面距离；
△XAB，△YAB——相邻A点与B点间二维坐标差之差。
（2）全站仪导线网测量。
隧道洞外、洞内控制测量技术要求
测量部位
测量方法
测量等级
洞口联系边方向中误差（〃）
测角精度（〃）
适用长度（km）
边长相对精度
洞外
导线测量
二
1．0
8～20
1/200000
6～8
1/100000
三
1．8
4～6
1/100000
四
2．5
1.5～４
1/80000
GPS测量
一
1．0
６～20
1/250000
二
1．3
4～６
1/180000
三
1．7
＜4
1/100000
洞内
导线测量
二
1.0
9～20
1/100000
隧道二等
1.3
6～9
1/100000
三
1.8
3～6
1/50000
四
2.5
1.5～3
1/50000
一级
4.0
＜1.5
1/20000
1导线网的布设
主要有两种网型，多边形闭合环和菱形网。
多边形闭合环
菱形网
多边形网布设自由，不受地形限制，外业推进速度快，菱形网外业观测速度慢，每一站都要测2个角，导线点成对布设，两点的距离根据前后通视情况而确定，导线边尽可能拉长，一般不小于300m，在温福线霞浦隧道洞内最长边达800m，多边形网每一环布设6条边为宜，菱形网每一个环都是4条边，每环的理论角度都是3600，这两种网形是隧道控制测量成熟的经典的网形，洞外、洞内均适用，是八十年代京广线大瑶山隧道（14km）应用推广而来的。
后来在大秦线军都山隧道，山西侯月线的云台山隧道等应用。
温福铁路客专的霞浦隧道（13.1km）的洞外、洞内均采用多边形导线网，精度达到1/1000000，取得了较好的贯通效果。
对于本标段隧道洞内控制以闭合导线网为主，每次复测或控测以洞外GPS网长边为起算边，复测频率为隧道开挖施工每达到800～1000进行一次中期复测（或换手复测），要注意斜井与正洞交叉处的联系边应尽可能布设长边。
边长应往返测量取平均值，每站测距时必须考虑温度和气压的影响。
水平角测量采用测回法，测回数按测量设计选定。
如果需要进行洞内导线边长投影改化时，那么，在测边的同时观测高差，另一方面，通过洞内三角高程测量也可以检核洞内设置的水准点的高程是否正确。
为什么要布设控制网？
而不采用单导线控制？
首先，控制网的检核条件多，容易发现粗差，为评定精度提供了必要的条件，单导线无论外业还是内业，都缺少检核条件，通过理论和实践证明导线网的精度比单导线的精度高√2倍。
2线下工程控制网加密测量
点位的材质制作加工及规格尺寸应按设计院CPII点的标准埋设，点位应布设在施工干扰小、安全稳固、便于保护的地方。
加密点选择应远离树木、房屋、大功率通信设备等。
加密点实行统一编号，加密点的编号形式：
标段号+JM+流水号（如三标一工区第一个加密点：
ⅢJM1001）。
采用GPS测量加密点时，边长布设应不短于300m，隧道洞口包括斜井洞口加密网边长一般应大于500m，观测时以边联结方式构网，形成由三角形或大地四边形组成的带状网，并与CPII联测构成附合网。
采用全站仪测量加密点时，以附合导线形式为主，边长布设200～400m为宜，导线应起闭于CPI或CPII控制点，导线附合长度大于2km时，应采用导线网方式布网，水平角观测精度按三等导线技术要求施测，导线成果计算应在方位角闭合差及导线全长相对闭合差满足要求后，采用严密平差方法计算。
导线测量的主要技术要求
等级
测角中误差
方位角闭合差
导线全长相对闭合差
测回数
0.5∥级仪器
1∥级仪器
2∥级仪器
二
1
2√n
1/100000
6
9
隧道二等
1.3
2.6√n
1/100000
6
9
三
1.8
3.6√n
1/55000
4
6
10
四
2.5
5√n
1/40000
3
4
6
n——测站数
导线水平角测回法的技术要求
导线等级
仪器等级
半侧回归零差（＂）
一测回内2C互差（＂）
同一方向值各测回互差（＂）
四等及以上
0.5＂
4
8
4
1＂
6
9
6
2＂
8
13
9
边长测量使用全站仪往返观测，应考虑温度和气压的改正，测前将气象参数输入仪器中。
水平角观测采用测回法，按相应的导线精度要求施测，分别观测左右角，最后计算时划归同一侧角值取平均值。
为什么要搞测回法观测？
而不是单一的测一次角度？
因为仪器的原因、气象的原因、人的因素等等。
观测一次的结果不能代表真值，而观测多个测回取其算术平均值才能代表真值，有多余观测，方可计算精度。
测量精度是以中误差为衡量标准，极限误差（简称限差）规定为中误差的2倍，中误差的概念是一组真误差平方和的算数平均值的平方根，写成表达式为：
M=√（［△△］／n）,是根据最小二乘法原理推导而来的，真误差在实际工作难以求得，除了三角形、四边形等较规则的图形外，一般都不具备求解真误差的条件，那么，我们可以通过进行多余观测得到算术平均值，将算数平均值作为可靠值，即真值，所以，观测值减去真值等于真误差。
导线全长的精度评定常常以相对误差或者相对中误差来衡量，若以绝对误差除以导线长度，则结果是相对误差，若以中误差除以导线长度，则结果是相对中误差，统称精度。
2C值的控制：
2//仪器2C互差不大于13//，1//级仪器不大于9//。
2C绝对值，即盘左读数减盘右读数差值的大小不能说明什么，2C的意义主要是考量外业观测水平角质量的好坏，正常情况下，各测回2C值是有规律的，对同一台仪器来讲，假如2C值是-4//，那么各测回基本都是在-4//左右，这就说明仪器没问题，气象条件好，观测质量高。
否则，质量不高，原因可能是仪器视准轴与横轴不垂直，需要效正，气象不佳有雾，成像不清晰等。
气象不好，应停止观测，不能勉强观测。
水平角测回法观测的技术要求中同一方向值各测回互差，1//级仪器不大于6//，2//仪器2C互差不大于9//。
测站周角闭合差的限差
导线等级
二
三
四
限差△（〃）
2.0
3.6
5.0
△=2mβ
3平差计算
导线平差计算方法有严密平差、相关平差、简易平差（包括简易相关平差和近似平差），对于客专工程来讲，规范要求应采用严密平差计算。
主要应用软件有武测的科傻、同济大学、西南交大等软件，严密平差与简易平差最终计算结果差别不大，只是严密平差更合理一些。
实际数据处理时应采用严密平差计算方法。
4精度评定
导线环角度闭合差的限差fβ限=2mβ√n
mβ—设计的测角中误差
n—导线环内角的个数
导线网（环）测角中误差
mβ=±√1/N［f2β/n］=±√1/n［f2β1/n1+f2β2/n2+………］＜±1.8//
式中fβ—导线环的角度闭合差
N—导线环的个数
n—每个导线环的角度个数。
全线全长相对精度Ｋ＝fＤ／∑Ｄ≤1/55000（三等）
最弱点点位中误差＜10㎜，（提示哪个位置的点是最弱点）
以上精度评定都合格，则说明成果是可靠的。
洞外控制测量误差对洞内横向贯通精度影响值的估算，以及洞内控制测量设计。
对于长大隧道而言，洞外网测量对洞内横向精度影响值估算，以及洞内测量设计都是必要的，目的是为了确保隧道能够正确贯通。
洞外控制网若是GPS网，那么影响洞内贯通精度的主要因素有以下几项。
一是隧道长度，二是隧道进、出口定向边方向中误差。
M2外=（S1×√2×mβ1/ρ）2+（S2×√2×mβ2/ρ）2
mβ1——进口端定向边的方向中误差
mβ2——出口端定向边的方向中误差
洞外控制网若采用全站仪导线网，那么影响洞内贯通精度的主要因素有两项，一是测角误差，二是测距误差，测角误差影响较大，测距误差影响较小。
精度估算计算式：
由测角误差引起的
Mβ外=mβ外/ρ√∑R2x外
mβ外—测角精度，可取实测的精度，也可取设计的
Rx外—角项投影垂线长
ρ—1弧度的秒数
ρ=180/π×3600〃≈206265
由测边误差引起的
ML外=fD/∑D√dy2外
dy外—边长投影在贯通面上的长度
fD/∑D—测边精度，可取实测值，也可取设计值
洞外测量对洞内的总影响为：
M外=±√M2β外+M2L外＜±45mm
（RX外和dy外的长度可由坐标计算求出，也可在CAD中得出）。
另外一项是洞外高程测量误差对洞内高程影响估算。
计算式：
Mh外=±Mw外√L＜±18mm
Mw外—洞外水准测量每公里测量高差的偶然中误差
L—两开挖洞口间长度，以km计
⑤、洞内控制测量设计
平面控制测量设计。
根据测规的要求，4～7km隧道洞内测量误差分配值为50㎜，设计洞内导线测角所要达到的测角中误差和洞内导线边应布设的长度，以及要使用的仪器级。
另外，就是高程测量设计，高程测量设计主要是指长大隧道，一般水准路线长度大于5km应进行高程设计，由实践经验证明，洞内高程测量误差几乎为零。
隧道贯通误差规定
项目
横向误差（mm）
高程误差（mm）
两开挖洞口间长度
＜4
4～7
7～10
10～13
13～16
16～19
19～20
洞外贯通中误差
30
40
45
55
65
75
80
18
洞内贯通中误差
40
50
65
80
105
135
160
17
洞外、洞内总和
50
65
80
100
125
160
180
25
贯通限差
100
130
160
200
250
320
360
50
⑥、隧道洞内布网施测注意事项
点位要求埋深埋稳，先期点位用砼包刻十字的钢筋，后期洞内应布设CPII点。
CPII点位应埋设不锈钢，洞内CPII的点位间距为300～600m。
隧道进口处和斜井进入正洞处的控制定向边长尽可能拉长，洞外定向边长不宜小于500m，斜井与正洞交叉处的定向边不宜小于300m。
洞内导线控制测量时，要在通视条件好的情况下进行。
及时通风排烟，必要时应停止施工，为控制测量提供有利条件。
当整座隧道全部贯通后，达到洞内CPII导线测量时，那么可按规范要求施测。
隧道洞内CPII导线测量主要技术要求
控制网
级别
附和长度（km）
边长（m）
测距中误差（mm）
测角中误差（″）
相邻点位坐标中误差（mm）
导线全长相对闭合差
方位角闭合差限差
对应导线等级
备注
CPII
L≤2
300-600
3
1.8
7.5
1/55000
±3.6√n
三等
单导线
CPII
2≤L≤7
300-600
3
1.8
7.5
1/55000
±3.6√n
三等
导线网
CPII
L＞7
300-600
3
1.3
5
1/100000
±3.6√n
隧道二等
导线网
三、轨道控制网（CPIII）平面测量
高速铁路在线下工程完成后进行CPIII点的安装和测量，CPIII平面网
测量采用自由测站边角交会法施测。
CPIII控制点的定位精度要求表（mm）
控制点
可重复性测量精度
相对点位精度
CPIII
后方交会测量
5
1
CPIII网形式如下图
测站（自由站点）
CPIII控制点
向CPIII点进行的测量（方向
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