第二章施工控制测量.docx
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第二章施工控制测量
第二章施工控制测量
第一节概述
在进行铁路、公路、桥梁、隧道和管道等工程建设时，基本上都需经过规划设计、施工建设和运营管理三个阶段。
由于在各阶段需进行各种不同内容不同任务的测量工作，因此各阶段布设控制网的目的并不相同。
在规划设计阶段布设测图控制网的目的主要是为测绘大比例尺地形图；施工建设阶段布设施工控制网的目的主要是为工程建筑物的施工放样提供控制；而在施工建设与运管管理期间，为了监测工程建筑物的变形和安全性能，有时还需要专门布设另一类控制网—变形观测控制网。
这三个方面的控制测量工作，由于时间先后、规模大小、形式和精度要求不同，很难一次布设使其满足各方面的要求，一般需采用分别布网的办法。
本节重点讨论施工控制网布设的特点和要求。
一、施工平面控制网的布设
施工平面控制网的布设，应根据总平面设计和施工地区的地形条件来确定。
对于起伏较大的山岭地区（如水利枢纽）及跨越江河的工程（如大桥），一般可以采用三角测量（或边角测量）的方法建网。
对于地形平坦通视比较困难的地区，例如扩建或改建的工业场地，则可以采用导线网；而对于建筑物多为矩形且布置比较规则和密集的工业场地，亦可将施工控制网布置成规则的矩形格网，即所谓建筑方格网。
详细情况，将在以后各章节中分别论述。
相对于测图控制网来说，一般的施工控制网具有以下特点：
1．控制的范围小，控制点的密度大
与测图的区域比较，工程施工的地区总是比较小的，因此，控制网所控制的范围就比较小。
例如，对于大型的水利枢纽工程，控制面积也不过十几平方公里（个别达几十平方公里）；对于中小型水利枢纽，面积一般不超过几个平方公里。
而对于一般的工业建设场地，许多都在1km2以下。
但从另一方面来看，在这样一个较小的范围内，各种建筑物的分布错综复杂，没有较为稠密的控制点，是无法满足施工期间的放样工作的。
2．点位布设和精度有特定的要求
施工控制网的主要任务是放样建筑物的轴线。
点位布设要考虑施工放样的方便，例如桥梁和隧道轴线两端一定要有控制点。
在精度上，对轴线的位置，在偏差上都有一定的限值，例如工业厂房主轴线定位的精度要求为2cm；4km以下的山岭隧道，当相向开挖面贯通时，两中线之间的横向偏差不应超过10cm。
相对于地形测绘的精度要求来说，这样的精度要求是相当高的，因此，施工控制网的精度就应该比较高。
但应当指出，并不一定施工控制网的精度均匀，而是要求保证某一方向或几个点的相对位置的高精度。
例如桥梁施工控制网要求沿桥轴线方向的高精度，以保证桥轴线长度及墩台定位的精度；隧道施工控制网要保证隧道横向贯通的精度等。
对于某一工程来说，往往是各种建筑物、构筑物、铁路、公路的综合体，各个项目对放样的精度要求不同；另外，各项目的轴线相互之间的几何联系的要求,比之它们的局部相对于各自轴线的要求来说，在精度上要低得多。
因此，在布设施工控制网时，采用两级布网的方案是比较合适的。
亦即首先是建立布满整个工程地区的第一级控制网（它的主要作用是放样各个建筑物的主要轴线），其次再建立加密的第二级控制网。
第二级控制网的加密可以用插点、插网、交会定点等方法。
第二级加密网通常根据各个工程项目放样的具体需要来布设。
例如对于工业场地，施工控制网通常包括厂区控制网（第一级）与厂房控制网（第二级）；对于水利枢纽地区则布设基本网（第一级）与定线网（第二级）；在大桥施工中，为了满足放样每个桥墩的需要，在桥梁三角网（第一级）下也需要加设一定数量的插点（第二级）。
但是，第二级控制网的精度要求并不一定比第一级低，例如工业建筑场地就是这样，这也是施工控制网的一个特点。
当然在现代仪器及技术条件下,采用一次性布设满足施工放样所需要的施工控制网也是可以做到的。
3．使用频繁
在施工过程中，控制点常直接用于放样。
例如大坝，在不同的高度层上，都具有不同的形状、不同的尺寸以及不同的附属工程，往往对每一层都要进行放样工作。
又如对于桥墩，也要随着他们的浇注升高，经常地进行放样工作。
由此可见，放样控制点的使用是频繁的。
从施工初期到工程竣工，在大坝、大桥地区的施工控制点，可能用到几十次。
这样一来，对于控制点的稳定性，使用时的方便性，以及点位在施工期间保存的可能性等，就提出了比较高的要求。
因此，在控制点上有时采用观测墩。
而在工业建设场地上，标定柱基行列线的矩形控制网的标志,系采用顶面带有金属标板的混凝土桩，用以标定设计的点位，使其坐标为整数，这样可以使经常性的放样工作简化。
4．受施工干扰
现代工程的施工，常采用同时交叉作业的方法，这就使得工地上各建筑物的施工高度有时相差十分悬殊，因而妨碍了控制点间的互相通视。
施工机械（例如吊车、建筑材料运输机、混凝土搅拌器等）到处都有；施工人员来来往往，也成为阻挡视线的严重障碍。
因此，施工控制点的位置应分布恰当，密度也应该较大，以便在工作时可有所选择。
根据以上这些特点，施工控制网的布设应作为整个工程施工设计的一部分。
布网时，必须考虑到施工的程序、方法、以及施工场地的布置情况。
为了防止控制点的标桩被破坏，所布设的点位应画在施工设计的总平面图上，并教育工地上的所有人员注意保护。
5．投影面的选择不同
由于施工放样需要应用控制点之间的实际距离，因此施工控制网的起始边长度不需要投影到平均海水面上。
例如工业建设场地上是将施工控制网投影到厂区平均高程面上；有的工程要求起始边长度投影到定线放样精度要求最高的平面上，以保证设备、构件的安装精度。
例如桥梁施工的三角网的起始边长度就要求化算到桥墩顶的平面上。
《工程测量规范》中规定，平面控制网的坐标系统，应在满足测区投影长度变形值不大于2.5cm/km的要求下，作下列选择：
（1）采用统一的高斯正形投影3°带平面直角坐标系统；
（2）采用高斯正形投影3°带平面直角坐标系统，投影面可采用1985年国家高程基准，测区抵偿高程面和测区平均高程面；
（3）小测区可采用简易方法定向，建立独立坐标系统；
（4）在已有平面控制网的地区，可沿用原有的坐标系统；
（5）厂区内可采用建筑坐标系统。
平面控制网的建立可采用三角测量、导线测量和三边测量的方法，对某些特殊工程可采用边角网的测量方法。
三角测量、三边测量及导线测量的主要技术要求应分别符合表2-1、表2-2和表2-3的规定。
表2-1 三角测量的主要技术要求
等级
平均
边长
（km）
测角中
误差
（〞）
起始边边长相对中误差
最弱边边长相对中误差
测回数
三角形最
大闭合差
（〞）
DJ1
DJ2
DJ6
二等
9
1
≤1/250000
≤1/120000
12
－
－
3.5
三等
首级
4.5
1.8
≤1/150000
≤1/70000
6
9
－
7
加密
≤1/120000
四等
首级
2
2.5
≤1/100000
≤1/40000
4
6
－
9
加密
≤1/70000
一级小三角
1
5
≤1/40000
≤1/20000
－
2
4
15
二级小三角
0.5
10
≤1/20000
≤1/10000
－
1
2
30
注：
①本规范表格、公式及条文叙述中的中误差、闭合差、限差及较差均为正负值;
②当测区测图的最大比例尺为1:
1000时，一、二级小三角的边长可适当放长，但最大长度不应大于表中规定的2倍。
表2-2 三边测量的主要技术要求
等级
平均边长（km）
测距中误差（mm）
测距相对中误差
二等
9
36
≦1/250000
三等
4.5
30
≦1/150000
四等
2
20
≦1/100000
一级小三边
1
25
≦1/40000
二级小三边
0.5
25
≦1/20000
表2-3 导线测量的主要技术要求
等级
导线长
度（km）
平均
边长
（km）
测角
中误差
（〞）
测距
中误差
（mm）
测距相对
中误差
测回数
方位角中
误差
（〞）
相对闭合差
DJ1
DJ2
DJ6
三等
14
3
1.8
20
≦1/150000
6
10
－
≦1/55000
四等
9
1.5
2.5
18
≦1/80000
4
6
－
≦1/35000
一级
4
0.5
5
15
≦1/30000
－
2
4
≦1/15000
二级
2.4
0.25
8
15
≦1/14000
－
1
3
≦1/10000
三级
1.2
0.1
12
15
≦1/7000
－
1
2
≦1/5000
注：
①表中n为测站数；
②当测区测图的最大比例尺为1:
1000时，一、二、三级导线的平均边长及总长可适当放长，但最大长度不应大于表中规定的2倍。
二、施工高程控制网的布设
测图时所建立的高程控制网，在点位分布和密度方面一般不能满足施工时的需要，因此必须适当加密。
在施工期间，要求在建筑物近旁的不同高度上都必须布设临时水准点。
临时水准点的密度应保证放样时只设一个测站，即能将高程传递到建筑物上。
高程控制网通常也分为两级布设，即布满整个施工场地的基本高程控制网与根据各施工阶段放样需要布设的加密网。
加密网点一般均为临时水准点，它可直接在岩石露头上画记号作为天然的临时水准点。
为了放样的方便，往往也在已浇筑的混凝土上布设临时水准点。
这些水准点一开始作为沉陷的观测点使用，当所浇注的混凝土块的沉陷基本停止后，即可作为临时水准点使用。
基本高程控制网通常采用三等水准测量施测，加密高程控制网则用四等水准测量。
对于起伏较大的山岭地区（如水利枢纽或隧道地区）平面和高程控制网通常各自单独布设。
对于平坦地区（如工业场地），平面控制点通常都联测在高程控制网中，同时兼作高程控制点使用。
第二节三角测量基本原理
用三角测量方法建立平面控制网，是生产中应用最广泛的一种方法。
三角测量的基本原理和方法是：
在地面上选择并标定出一系列彼此通视的点1、2、3、…，把它们用三角形联结起来，组成某一特定基准面上的三角网（这里仅指组成平面上的三角网），如图2-1所示。
观测所有三角形中的水平角，并测定起始边长S12和坐标方位角（α12），由已知点（1点）起算，按正弦定理依次推算出三角网中各边的边长、坐标方位角和各点的平面坐标。
由图2-1，按坐标正算方法可得
；
；
即由已知的S12、α12、x1、、y1和各角的平差值A、B、C可推算求得x3、、y3。
同理，可依次求得三角网中其它各点的坐标。
采用三角形作为三角网的基本图形，这是因为三角形是结构简单而图形强度又好的几何图形，计算方便，并且有几何条件检核。
显然，为了得到所有三角点的坐标，必须已知三角网中某一点的坐标x1、、y1，某一边长度S12和某一边的坐标方位角α12。
通常把这三个数据统成为三角测量的起算数据。
把在各三角点上所观测的水平角（或方向）称为三角测量的观测元素。
由起算数据和观测元素的平差值所推算出来的三角网中各边长、坐标方位角和三角点的坐标通称为三角测量的推算元素。
工程测量中，三角网中的起算数据可通过以下方法求得：
1．起算边长
当测区内已有国家三角网（或其他单位施测的三角网）时，若其精度能够满足要求，则可直接利用其作为起算边长。
若已有网边长精度不能满足要求或无边长利用时，则可采用光电测距或GPS基线法直接测定三角网的某一边或某些边的边长作为起算边长。
2．起算坐标
当测区内已有国家三角网（或其他单位施测的三角网）时，则由已有的三角网传递起算坐标。
若测区附近无三角网成果可供利用，则可在一个三角点上用天文测量方法测定其经纬度，再换算成高斯平面直角坐标，作为起算坐标。
保密工程或小测区也可采用假定坐标或建筑坐标系统。
3．起算方位角
当测区附近已有控制网时，则可由已有网传递方位角。
若无已有网成果可供利用时，可用天文测量方法测定三角网某一边的天文方位角作为起算方位角或用陀螺经纬仪测定真方位角作为起算方位角。
个别情况下，也可采用磁北方向。
第三节三角测量的外业工作
一、三角网的布设和选点要求
1．三角网的布设要求
（1）各等级的首级控制网，宜布设为近似等边三角形的网（锁）。
其三角形的内角不应小于30°；当受地形限制时，个别角亦不应小于25°。
（2）加密的控制网，可采用插网、线形网或插点等形式。
各等级的插点宜采用坚强图形布设。
（3）一、二级小三角的布设可采用线形锁。
线形锁的布设宜近于直伸。
狭长地区布设一条线形锁时，按传距角计算的图形强度的总和值，应以对数的六位取值，并不得小于60。
2．三角网的选点要求
（1）相邻点间应通视良好，其视线距障碍物的距离，角网二等不宜小于2m；三、四等不宜小于1.5m；一级及一级以下，宜保证便于观测，以不受旁折光等影响为原则；
（2）测距边位置的选择，应满足相应测距方法对地形等因素的要求；
（3）觇标高度应合理，作业应安全（四等可视需要而定）；
（4）控制点应便于长期保存、加密、扩展和寻找。
应当指出，根据布设控制网的具体用途，在三角网的布设和选点时，还应充分考虑不同用途对其提出的某些特殊要求。
例如施工用三角网的布设和选点，必须同时考虑到三角测量的基本要求和施工放样的特殊需要。
二、三角网的角度观测
三角测量中大量的观测工作是观测所有三角形的各水平角。
三角网的精度，很大程度上决定于水平角的观测精度。
工程测量规范中对各等级三角测量精度和测回数的规定见表2-4。
表2-4三角测量等级、测量精度和测回数
三角网等级
二
三
四
一级小三角
二级小三角
测量中误差
±1.0
±1.8
±2.5
±5.0
±10.0
测
回数
DJ1
12
6
4
DJ2
9
6
2
1
DJ6
6
2
1．
观测方法
三角网的角度观测一般采用DJ1级或DJ2级经纬仪。
三角网的角度观测一般采用方向观测法（即全圆测回法）。
如图2-2所示在三角点B上要用方向观测法观测B到A、C、D、E
各方向之间的水平角。
方向观测法的特点是在一个测回中把测站上所有方向逐一观测，并求出个方向的方向观测值。
三角网算所需要的水平角，均可从有关的两个方向观测值相减得出。
表2-5全圆测回法记录计算手薄
日期：
2001.7.28仪器型号：
DJ2观测：
李峰
天气：
阴仪器编号：
NO904318记录：
王利民
测站
测回
目标
水平度盘读数
左-右
2c
（左+右）/2方向值
归零方向值
各测回归
零方向值
的平均值
盘左
盘右
（°′）
（″）
（″）
（°′）
（″）
（″）
（″）
（°′″）
（°′″）
（°′″）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
B
2
A
9005
26.0
25.2
27005
14.6
15.3
+9.9
（22.2）
900520.2
00000.0
24.4
16.0
C
14851
20.3
20.5
32851
07.0
08.6
+11.9
1485114.6
584552.4
20.7
10.2
D
19330
56.6
57.6
1330
52.0
51.2
+6.4
1933054.4
1032532.2
58.6
50.5
E
24845
02.0
02.2
6844
50.2
49.4
+12.8
2484455.8
1583933.6
02.5
48.6
A
9005
30.3
29.4
27005
18.1
19.0
+10.4
900524.2
28.4
19.9
（1）盘左：
配置度盘读数，照准所选定的起始目标A，再按顺时针方向依次照准C、D、E各目标,每观测一个方向均读取水平度盘读数并记入观测手簿中。
如果方向数超过三个,最后需要再照准起始目标A,并同样读、记读数（见表2-5）。
这最后一步称为“归零”,目的为了检查水平度盘位置是否变动。
上述的观测称为上半测回。
（2）盘右：
倒转望远镜,用盘右位置按逆时针方向再依次照准目标A、E、D、C、A,读数并记录。
此为下半测回。
这样就完成了一测回的观测工作。
在照准各个观测目标方向后,都须用测微器读取两次
读数。
表2－5中数据为全圆测回法水平角观测的记录和计算示例。
2．方向观测法的计算与检核
方向观测水平角时，应满足表2-6中的各项限差要求。
表2-6方向观测法的各项限差
仪器类型
光学测微器两次读数之差
半测回归零差
一测回内2c较差
同一方向值各测回互差
DJ1
DJ2
DJ6
（1）检核计算方向观测值：
同一方向利用测微器两次重合读数之差符合限差要求时，取其平均数（对于DJ2）作为一个盘位的方向观测值。
例如表2-5中的目标D,盘左时两次读数之差为56.6''-58.6''=--2''<3''，其方向观测值即可取其平均数，即表2-5中第5列的30'57.6''。
（2）检核计算半测回归零差：
半测回中，两次照准起始目标所得读数之差，称为半测回归零差。
例如表2-5中，盘左半测回归零差为：
90°05'25.2''一90°05'29.4''=-04.2'',盘右
为-03.7''。
如果归零差超限,该半测回应重测。
（3）计算2c值：
同一方向盘左和盘右读数之差即为2c值，称为二倍视准轴误差。
由于盘左、盘右读数相差180°，所以2c=L–（R±180°）。
例如表2-5中目标A的2c=90°05'25.2''–（270°05'15.3''–180°）=+9.9''，余类推。
如果照准的各目标大致都在水平方向,所求得的各2c值应为一常数，2c值变动说明观测中存在误差。
一测回中2c互差不得超过表2-6中的规定，否则应予重测。
.表2－5中各方向2c互差的最大值为12.8''–6.4''=6.4''。
（4）计算方向值：
同一方向取盘左、盘右读数的平均值,即为该方向的方向值。
例如表2－5中目标A的方向值。
由于对起始方向进行了“归零"观测，因此方向A有两个方向值。
表上端A的方向值为：
[90°05'25.2''+（270°05'15.3''–180°）]÷2=90°05'20.2''，表下端A的方向值为：
[90°05'29.4''十（270°05'19.0''–180°）]÷2=90°05'24.2''；取两个方向值的平均值，作为目标A的方向值为：
（90°05'20.2''+90°05'24.2''）÷2=90°05'22.2”,所以特在表的第一行目标A的第一个方向值上面加记“（22.2''）"（即该方向值为90°05'22.2''），其它目标的方向值见表2-5。
（5）计算归零方向值；将一测回起始目标的方向值化为0°00'00.0''，其它目标的归零方向值等于各目标的方向值减去起始目标的方向值。
例如表2-5中包括A的各目标的方向值都减去起始目标的方向值90°01'02.2''，即得各目标的归零方向值。
（6）计算各测回同一方向的归零方向值：
为了提高测角精度，方向观测法一般都要观测数个测回。
按照《工程测量规范》，三角网水平角观测所需的测回数如表2-4所列。
按照要求的测回数，用上述方法观测若干个测回，最后取各测回同一方向值的平均值作为该方向的观测值。
具体数值可填在表2-5第12列中。
为了减弱度盘和测微器刻划误差的影响,应将各测回起始方向的读数均匀分布在度盘和
测微器的不同位置上，各测回起始方向的读数可按下列公式计算
式中
m—测回数；
j—测回序号（j=1、2、3…、m）；
i'—水平度盘最小间隔分划值，DJ1型仪器为4'，DJ2型仪器为10'；
ω—测微器分格数，DJ1型仪器ω=60格，DJ2型仪器ω=600''。
有关规范中均根据上述公式编制了方向观测法度盘位置表。
3．方向观测注意事项
（1）观测应选择在通视良好，成象清晰、稳定的时候进行。
一般晴天在日出一小时后的1~2小时内和下午3~4时到日落前一小时这段时问最适宜。
阴天时全天任何时间都可进行。
（2）要特别注意旁折光对角度观测的影响，应选择最有利的时间观测，例如选择无风的阴天观测。
（3）观测时转动仪器的照准部要轻而稳，在每半个测回中，照准部只准按一个方向转动，不允许有相反方向的转动。
当视线转过目标时，应继续按原方向旋转一周，再重新照准目标，这样做的目的是为了减弱由于转动照准部而引起带动水平度盘位移的误差。
除按上述要求操作外，每半个测回开始观测前，最好按规定的旋转方向先转动照准部1~2周。
（4）为了防止螺旋的隙动误差，每次转动微动螺旋时，都必须以旋进方向去照准目标。
使用测微器时，也是以旋进方向使度盘分划线重合。
（5）观测前应认真调好焦距，消除视差。
在一测回的观测过程中不得重新调焦，以免引起视准轴的变动。
（6）仪器不得受阳光直接照射，三脚架也不要受阳光直接照射，为此，观测时需要用较大的测伞遮挡阳光。
（7）在观测过程中，照准部水准管不得偏离中心位置一格，否则应重新整平仪器后再重测该测回。
（8）水平角观测的结果超过限差时，应在原度盘位置上进行重测，并遵守规范有关规定。
方向观测结束后，应立即按各方向的观测值计算三角形的闭合差，三角形角度闭合差的限值Fβ按下式计算
（2－1）
式中mβ为设计要求的测角中误差。
三角形角度闭合差检查合格，按下式计算测角中误差
（2－2）
式中，W为各三角形的角度闭合差；n为所测三角形的个数。
实际得出的测角中误差mβ应小于设计要求的测角中误差。
否则应检查原因，首先在角度闭合差较大的有关各测站上进行重测。
三、基线测量
基线是三角网中直接测得其长度的边，是三角网的起算数据，它的精度影响到整个三角网的精度，因此基线测量往往要求很高的精度。
根据三角网的用途，有关规范中对三角网起始边边长相对中误差都做了明确规定。
城市各等级平面控制网、工程平面控制网和图根控制网的起始边和边长，均可采用相应精度的光电测距仪测定。
工程测量规范中规定，选择测距边，应符合下列要求：
1．测距边宜选在地面覆盖物相同的地段，不宜选在烟囱、散热塔、散热池等发热体的上空；
2．测线上不应有树枝、电线等障碍物，四等及以上的测线应离开地面或障碍物1.3m以上；
3．测线应避开高压线等强电磁场的干扰；
4．测距边的测线倾斜角不宜太大。
另外，对测距的作业、测距边的水平距离计算和精度评定，均有详细规定和要求，实施时应按相应要求执行即可。
第四节精密导线测量
随着全站仪、光电测距仪的广泛应用，利用导线测量形式布设平面控制网已愈来愈普遍。
作为大比例尺测图首级控制或工程建筑物放样平面控制的工程精密导线，其与普通经纬仪导线的区别在于：
前者的测角，测距精度较高。
而与三角网比较，主要优点是比较灵活，因为在任一导线点上，只需向前、向后两点通视，沿前、后两边测距，在某些地形或施工条件下比较容易实现；由于导线各边边长是独立观测量，边长精度较高亦较均匀，因而导线的纵向位差相应减少；导线的推进速度较快，导线与后续测量工作的联测也较方便；导线网的平差也较三角网简单。
但必须指出，导线测量的缺点在于导线各边方位角的传递
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