全站仪对边测量在跨河水准测量中的应用.docx

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全站仪对边测量在跨河水准测量中的应用

 

中铁二十四局集团

福建铁路建设有限公司QC成果

 

全站仪对边测量

在跨河水准中的应用

 

中铁二十四局集团福建公司测量QC小组

2006年2月20日

目录

一、课题介绍…………………………………………………1

二、小组概况…………………………………………………2

三、选题理由…………………………………………………3

四、确定目标…………………………………………………3

五、方案选择…………………………………………………4

六、制定对策…………………………………………………7

七、实施阶段…………………………………………………8

八、效果检查…………………………………………………12

九、巩固措施和标准化………………………………………13

一十、总结及今后的打算………………………………………14

一十一、附录:

小组活动记录一览表…………………………15

一、课题介绍

1、名词解释

(1)全站仪对边测量:

根据三角高程测量原理和余弦定理,用全站仪间接地测定远处两测点间的斜距、平距、高差,如图1所示。

在P点安置全站仪,测量P至P1、P2的斜距S1、S2和竖直角α1、α2,以及水平角β,即可求得P1P2的平距D和高差h。

制图:

洪淮斌日期:

2004年12月16日

(2)跨河水准:

利用各种技术测量江河两岸水准点间高差的过程。

2、工程概况

福州市湾边大桥是福(州)至厦(门)高速公路复线工程的配套控制工程,是福建省重点工程。

大桥位于福州市湾边和闽侯县南屿,跨越福州市两大河流之一的乌龙江,大桥全长1874m,其中跨江部分1500m,主航道宽约500m。

该桥桥位靠近闽江口,每天受两次潮汐影响,退潮时除主航道外均为沙滩,徒步可通行。

主航道水深且急,徒步无法通行。

为了保证大桥施工放样的精度,保证大桥顺利合龙,必须对设置在两岸上的水准基点进行联测。

3、课题难点和特点

(1)河面宽:

既使在完全退潮期间,河面宽度仍有500m左右;

(2)精度高:

《规范》规定——桥梁高程施工控制网中,跨河两水准点间高差的中误差≯2mm;

(3)仪器少:

公司没有跨河水准测量所需的高精度水准仪和特制觇牌;

(4)时间紧:

建设单位要求在1月28日前举行开工典礼,为此项目部要求在1月21日前完成大桥的平面、高程控制测量及施工复测工作。

二、小组概况

1、小组概况

小组名称

中铁二十四局集团福建公司测量QC小组

注册号

FTJS:

2005-010-012

小组类型

创新型

成立日期

2004年12月1日

登记日期

2004年12月1日

重新登记日期

2005年1月10日

小组人数

5人

QC教育时间

平均48小时以上

活动时间

2004.12.10~2005.3.10

活动次数

8次

制表:

洪淮斌日期:

2004年12月1日

2、主要成员

姓名

性别

年龄

职称

文化程度

组内职务及分工

1

洪淮斌

32

工程师

大学

组长

2

王澄

28

助工

大学

副组长

3

林凡

29

助工

中专

对策实施/记录整理

4

戴天荣

34

工程师

大专

对策实施/资料收集

5

刘传标

62

高工

大学

技术顾问

制表:

洪淮斌日期:

2004年12月1日

三、选题理由

(1)湾边大桥是福建省重点工程,业主、公司、项目部对该工程的施工提出了很高的要求;

(2)湾边大桥主桥为45+90+106+90+45m单肋拱加劲V型撑刚构-连续梁,引桥为预应力连续箱梁,高程控制是施工的关键之一;

(3)《规范》对跨河水准点间高差提出了很高的要求;

(4)公司目前没有配备跨河水准测量所需的高精度水准仪。

四、确定目标

1、活动目标

制图:

洪淮斌日期:

2004年12月13日

2、可行性分析

(1)小组成员具有丰富的工程测量经验,扎实的理论基础;

(2)小组成员具有良好的团队精神和很强的创新能力;

(3)公司和项目部领导非常重视工程实施的每一个环节,并且在人员、设备等方面给予大力支持。

经过分析论证,小组成员一致认为此目标能够实现。

五、方案选择

1、制定方案

通过熟读《规范》、查阅各种专业测量书籍、向兄弟单位咨询,结合现场地形条件和以往的施工测量经验,我们初步拟定了三种可行的跨河水准测量方案。

跨河水准测量方案

编号

测量方案

所需的仪器设备

传统的跨河水准测量

S1或S0.5高精度水准仪,特制觇牌

光电测距三角高程测量

全站仪或光电测距仪

全站仪对边测量

全站仪

制表:

王澄日期:

2004年12月17日

2、方案比选

为了保证跨河水准测量方案经济可行、结果准确可靠,并能如期完成,我们运用头脑风暴法,对三个方案的优、缺点进行细致、全面的分析讨论,为下一步方案评估以及确保方案顺利实施打下坚实的基础。

跨河水准测量方案优、缺点对照表

优点

缺点

方案一

Ø《规范》及各专业书籍中对观测的等级、方法、限差均有明确规定,按部就班即可顺利完成测量任务;

Ø有成熟的经验可供借鉴;

Ø结果的可靠性和准确性较高;

Ø需购置两台高精度水准仪;

Ø需专门制作观测用的觇牌;

Ø需两台仪器同步对向观测;

Ø测量操作较为繁琐,而且要求严格,对观测者、立尺者均有较高要求;

方案二

Ø不需要另购仪器,可直接利用公司现有的仪器;

Ø可收集到相关的经验供参考;

Ø需对向观测,要求对向观测的大气条件相同或相近,受天气尤其是大气折光的影响很大;

Ø测量时间较长;

Ø测角的精度要求很高,远距离的高差精度很难保证;

Ø可供参考的成功经验不多;

方案三

Ø不需要另购仪器,可直接利用公司现有的仪器;

Ø一次置镜即可完成观测,受天气和环境条件的影响小;

Ø结果直接显示,人为误差小;

Ø测量操作简单、快捷;

Ø结果的可靠性和准确性较高;

Ø可供参考的资料很少;

Ø棱镜高度的量取误差较大;

Ø对全站仪的精度、稳定性、可靠性要求较高;

制表:

洪淮斌日期:

2004年12月23日

3、方案分析及评估

为了保证测量结果准确可靠,并用最经济的方案顺利完成跨河水准测量任务,我们在对三个测量方案的优、缺点进行比较的基础上,进一步对其可行性进行分析,并在小组内采用民主的方法对这三个方案进行评估,由此得出最终的结论。

方案评估时我们借鉴了加权平均的做法,经过充分的讨论,我们筛选出下4个因素作为测量方案评估的主要因素,并根据测量专业的特点确定了各因素的权重,具体如下:

a——可靠性,权重为5;b——准确性,权重为4;c——易操作性,权重为2;d——经济性,权重为1。

每个因素的满分为5分。

跨河水准测量方案评估表

可行性分析

评估

结论

方案一

✓多年总结形成的成熟的测量方案,结果的可靠性、准确性都较高,是跨河水准测量的首选;

✓购置仪器需投入2~3万元,还要制作专用的观测觇牌;

✓测量过程较为繁琐;

✓公司缺少这方面的成功经验;

得分

备选

a

5

5

4

4

5

115

b

5

5

4

4

5

92

c

2

2

1

2

4

22

d

1

1

1

1

2

6

合计

235

方案二

✓在理论上是可行的,但影响因素太多,包括大气条件等;

✓测量结果的误差与距离成正比,测量结果的精度不易保证;

✓测量过程最为繁琐;

✓无需增加投入;

得分

否定

a

3

3

3

2

2

65

b

3

3

3

3

2

56

c

4

3

3

3

2

30

d

5

5

5

5

4

24

合计

175

方案三

✓在理论上是可行的;

✓各影响因素的影响值可控制在一定范围内;

✓测量结果可靠性、准确性较高;

✓测量方案简单,易于掌握;

✓无需增加投入;

得分

首选

a

5

4

4

3

3

95

b

5

5

4

4

3

84

c

5

5

4

5

3

44

d

5

5

5

5

4

24

合计

247

制表:

洪淮斌日期:

2004年12月23日

4、结论

经过综合分析和民主评估,方案三即全站仪对边测量方案以其较高的可靠性和准确性、实施简单、无需增加投入,并可充分挖掘全站仪的潜力等优点受到了小组成员的青睐,一致同意将该方案定为首选方案。

六、制定对策

方案确定后,我们应用5W1H方法,分析论证该方案实施中存在的问题和难点,并制定了相应的对策,具体如下表:

全站仪对边测量方案对策表

问题

对策

目标

措施

负责人

时间

1

测角精度对测量结果影响大

提高角度测量精度

测角精度的影响值控制在可接受的范围内

使用经检定合格的高精度的全站仪;选择合适的天气和地形;减少仪器系统误差

洪淮斌

林凡

2004.12.31

2005.1.20

2

棱镜高度误差大、棱镜下沉

提高棱镜量高精度,降低下沉影响

误差控制在1mm以内

采用水准仪测量棱镜高度;观测过程中多次量取棱镜高;优化对边测量观测顺序

洪淮斌

王澄

2004.12.31

2005.1.20

3

大气折光、地球曲率及环境的影响

降低影响的程度

将影响降低到可接受的程度

通过查阅资料、现场调查,借鉴他人成功经验;优化跨河位置;

洪淮斌

戴天荣

2004.12.31

2005.1.10

4

应观测多少测回,限差如何控制

确定观测的测回数和限差计算公式

保证测量结果的准确性和可靠性

从理论上分析计算所需测回数;通过查阅资料,确定观测限差的计算公式

洪淮斌

2004.12.31

2005.1.20

制表:

林凡日期:

2004年12月31日

七、实施阶段

1、实施一:

制定措施,提高测角精度,保证成果精度

为了保证所制定的措施更有针对性,我们首先从对边测量的原理入手,运用误差理论对其进行分析。

根据全站仪对边测量原理,由误差传播定律可得,全站仪对边测量高差的中误差公式如下:

其中,

则由此可知,高差误差的主要来源是距离

和测角精度

,为此我们采取了如下措施:

(1)使用公司拥有的测角精度为1″的全站仪TOPCONGTS601。

(2)确保仪器处于正常的合格状态:

该仪器1个前刚刚经省计量检定站检定合格,各项技术指标均符合其标称值。

(3)选择合适的天气施测对边测量:

选择在风力微弱以及气温变化较小、呈像清晰稳定的阴天进行。

(4)选择最佳的地形:

经过多次实地踏勘,我们巧妙地利用北岸河堤丁坝和码头这些有利地形(如图2),不仅缩短了跨河的距离,而且使前、后视边长接近,两岸临时水准点高程相近且与置镜点的高差都很小。

这避免了观测过程中全站仪多次调焦所带来的影响,提高了测角、测距的

精度。

制图:

戴天荣日期:

2005年1月12日

(5)观测时,全站仪微调螺旋最后旋转方向均为“旋进”,并严格按有关操作要求进行作业。

2、实施二:

采用水准仪量高法,提高棱镜高测量精度

如果采用钢尺按斜量法量取棱镜高度,其精度约为±2~3mm,对于高精度的跨河水准来说,这个精度显然是无法接受的。

同时,主航道南侧的临时水准点设在沙滩上,观测过程中棱镜的下沉是在所难免的,如何减少这方面的影响这也是我们应考虑和研究的问题。

(1)经过查阅资料和论证,我们采用水准仪法测量棱镜的高度,将其精度提高到±0.2mm。

具体做法如下:

在离棱镜2.5~3.5m处安置水准仪,用直尺(毫米刻划)的零点对准棱镜觇牌中心,用水准仪读出直尺上的读数,估读至0.1mm。

对边观测前、后及观测半数测回时各读取一次直尺的读数,取其平均值;移去棱镜后,立即在转点上立水准尺,并用直尺对准水准尺的整数刻划,用水准仪读出直尺上的读数,估读到0.1mm,再加上水准尺的整数刻划。

这两个数值之差即为棱镜高。

(2)对边测量观测前、后及观测到半数测回时各用水准仪测量一次棱镜,取其平均值。

(3)对边测量的观测顺序进行优化调整:

奇数测回的观测顺序为“后-前-前-后”,偶数测回的观测顺序为“前-后-后-前”。

3、实施三:

优化跨河方案,减少大气、环境的影响

全站仪对边测量的基本原理还是三角高程测量,因此大气折光、地球曲率等因素对测量结果的影响是不容忽视的。

为此,我们采取了如下措施:

(1)查阅大量的资料,借鉴三角高程测量的成功经验。

(2)采用推荐的大气折光系数0.13,并输入全站仪中实时进行改正。

(3)测量全站仪仪器中心附近的温度(读记至0.2℃)和大气压(读记至1Pa),并输入全站仪中实时进行改正。

(4)观测前打开仪器箱半小时以上,以使仪器温度与环境温度一致。

(5)前后视边长、高差相近,减少地球曲率、大气折光的影响。

(6)两岸的临时水准点到水边的距离、距水面的高度相近,保证前后视线通过的环境相近,降低环境条件的影响。

4、实施四:

理论分析计算,确定对边测量的测回数和限差

由于规范中没有全站仪对边测量用于跨河水准测量的资料,仅有光电测距三角高程应用于四、五等测量的资料。

为了保证测量成果的可靠性和准确性,我们从理论上进行分析计算。

(1)测回数的确定:

我们拟采用的全站仪测角精度为1″,测距精度为2mm+2ppm,根据现场情况,前、后视的竖直角均不会大于5°,距离均不大于600m,分析时我们取

,根据对边测量高差的中误差计算公式有:

也就是说,在此条件下,全站仪对边测量观测一测回的高差值的中误差为4.14mm,如果观测5个测回,其高差中误差为

,就完全能够满足《规范》中“桥梁高程施工控制网中,跨河两水准点间高差的中误差不应大于2mm”的要求。

(2)测量限差的确定

《规范》规定光电测距三角高程对向观测较差的限差为:

《规范》规定水准仪跨河水准测量各测回高差互差的限差为:

经过分析比较,我们采用后者作为高差观测一测回较差的限差。

八、效果检查

1、实测结果

根据分析论证结果,我们于2005年1月20日组织实测,经过计算和验证,测量取得了成功。

测量结果如表1所示。

湾边大桥对边测量(跨河水准)成果表

测回

对边测量结果

棱镜高度

高差

(m)

dD

dh

高差互差

高差

均值

LBM1

LBM2

1

402.6840

1.3912

-10.0

1.3962

402.6748

-1.4012

2

402.6766

1.3948

-6.0

1.3978

402.6672

-1.4008

3

402.6840

1.3900

-8.6

1.3943

402.6772

-1.3986

4

402.6814

1.3880

-9.2

1.3926

402.6770

-1.3972

5

402.6792

1.3930

-9.6

1.3978

402.6762

-1.4026

6

402.6798

1.3986

-9.4

1.4033

402.6802

-1.4080

均值

402.6781

±19.8

1.3970

1.4265

1.5092

1.3143

制表:

林凡日期:

2005年1月20日

实测D1=501.3638m,D2=458.6422m,

,则实测的高差中误差为:

计算结果表明,测量结果满足规范要求,达到了我们预期的目标。

我们的测量结果同时也通过了监理单位的验证。

2、经济效益

通过此次QC活动,一方面节省了购置高精度水准仪的费用2万多元;另一方面,本方案大大缩短了水准路线的长度,仅用时一个半小时就完成了全桥的高程控制测量,大大提高了工作效率。

3、技术效益

通过此次QC活动,我们对全站仪的应用有了进一步的认识,改变了一些组员“全站仪就是测角、测距和坐标放样的工具”的片面看法。

同时,总结出一种新的跨河水准测量方法,这让我们在今后的工程实践中又多一种选择。

4、社会效益

我们的跨河水准测量方案得到了监理单位的好评,监理单位对我们的工作态度、业务能力给予了充分肯定。

本次QC活动的成功,极大地鼓舞了小组的每一个成员,增强了大家的自信心,也进一步增强了团队的凝聚力和创造力,培育了小组成员勇于开拓、敢于创新的精神。

了强代行箱半小时以上以使仪器适应环境温度,挖掘全站仪的潜力,受到________________________________________________________________________________________________

九、巩固措施与标准化

我们已将本次测量的方案形成《作业指导书》,并被收编到公司的《工程施工测量指导书》中,在公司内推广。

另外还撰写发表论文一篇“全站仪对边测量技术在跨河水准中的应用”,详细介绍了测量的实施、精度的控制以及测量中应注意的事项,供广大同行在类似工程中借鉴。

一十、总结及今后打算

通过本次QC活动,完成了我们制定的“精确、高效”的目标,为湾边大桥的如期顺利开工创造了有利条件;进一步挖掘和发挥了施工单位的常规武器——全站仪的功能;增强了小组成员对QC知识的了解和应用,以及综合运用专业知识的能力。

从小组的自我评分表也可以看出每个组员对本次活动的真正体会!

小组自我评分表

项目

质量改进意识

解决问题能力

QC知识水平

顾客满意程度

团队

精神

自我评价

活动前(分)

2

2

2

4

3

活动后(分)

4

4

4

5

5

制表:

洪淮斌日期:

2005年3月10日

这次QC活动虽然达到了预期的目标,结果令人满意,但我们在实施过程中也发现了一些问题,比如:

棱镜高度的量取方式虽然精度高,但操作略嫌麻烦,而且这各方法需要的人员、工具也较多,有没有更合适的方法呢?

还有能否采用GPS(全球卫星定位系统)实现跨河水准测量呢?

这些将是我们测量QC小组今后要重点攻关课题!

附:

小组活动记录一览表

序号

活动时间

活动内容

参加人数

主持人

1

2004.12.10

确定课题、人员分工、活动计划

5

洪淮斌

2

2004.12.13

确定活动目标及目标可行性分析

5

洪淮斌

3

2004.12.17

提出各种测量方案

5

洪淮斌

4

2004.12.23

研究、分析、确定最佳测量方案

5

洪淮斌

5

2004.12.31

制定对策,研究实施方案

5

洪淮斌

6

2005.1.20

方案实施

5

洪淮斌

7

2005.1.21

实施效果检查

5

洪淮斌

8

2005.3.10

制定巩固措施及活动总结

5

洪淮斌

制表:

洪淮斌日期:

2005年3月10日

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