1、122.12.1 精密工程控制网的布设原则精密工程控制网的布设原则2.2 2.2 精密工程控制点的测量标志精密工程控制点的测量标志2.3 2.3 几种典型的精密工程测量控制网几种典型的精密工程测量控制网3 精密工程控制网的作用是在工程施工前精密工程控制网的作用是在工程施工前(设计阶段设计阶段)、施工中施工中(施工阶段施工阶段)以及施工后以及施工后(竣工运营阶段竣工运营阶段)的各个的各个不同的阶段对被测量不同的阶段对被测量(放样放样)点、线和点、线和面提供可靠的测量面提供可靠的测量基准。基准。为了按设计所要求的精度在大范围内将大型精密工程为了按设计所要求的精度在大范围内将大型精密工程建筑及其构件
2、和设备统一在一个工艺流程之中并测设到设建筑及其构件和设备统一在一个工艺流程之中并测设到设计位置，同时对设备进行调校、检核测量、竣工测量以及计位置，同时对设备进行调校、检核测量、竣工测量以及运营期间的变形监测，必须建立测量控制网。运营期间的变形监测，必须建立测量控制网。4u先进行网的优化设计先进行网的优化设计,通常要同时涉及到精度、可靠性和灵敏度指标通常要同时涉及到精度、可靠性和灵敏度指标;u要求尽可能地进行多余观测要求尽可能地进行多余观测,以增强网的内部可靠性以增强网的内部可靠性;u对于采用对于采用GPS布网布网,注意地面观测条件注意地面观测条件,并且采用精密星历解算基线并且采用精密星历解算基
3、线;u尽量不采用单纯的尽量不采用单纯的GPS网网,将将GPS网与边角网同时联合解算是一个不错网与边角网同时联合解算是一个不错的选择的选择 精密工程测量控制网在许多方面有别于国家大地测量和精密工程测量控制网在许多方面有别于国家大地测量和常规工程测量控制网。常规工程测量控制网。首先表现在控制网的设计上首先表现在控制网的设计上需要定期对网进行检测，以考察所埋设的有可能发生变动的控需要定期对网进行检测，以考察所埋设的有可能发生变动的控制点是否稳定。制点是否稳定。5 精密工程测量控制网可以分为精密工程测量控制网可以分为施工测量控制网施工测量控制网、安装测量控制网安装测量控制网和和变形监测网变形监测网。n
4、施工测量控制网和变形监测网的布网原则与一般的工测专施工测量控制网和变形监测网的布网原则与一般的工测专用控制网相似，但通常布设成边角网、用控制网相似，但通常布设成边角网、GPSGPS网，具有充分网，具有充分的多余观测和足够好的图形强度。如高能粒子加速器的地的多余观测和足够好的图形强度。如高能粒子加速器的地面控制网，高速磁浮铁路的控制网等。对控制网采用精密面控制网，高速磁浮铁路的控制网等。对控制网采用精密的光学或电子经纬仪测角，用高精度的光电测距仪测距。的光学或电子经纬仪测角，用高精度的光电测距仪测距。n安装测量控制网与一般施工安装测量控制网既有相同之处安装测量控制网与一般施工安装测量控制网既有相
5、同之处，又有许多不同的特点。建立这类控制网既要采用大地测，又有许多不同的特点。建立这类控制网既要采用大地测量的方法和仪器，又要采用机械制造和计量学的方法和仪量的方法和仪器，又要采用机械制造和计量学的方法和仪 器。器。6n控制网的大小、图形主要取决于工程的形状、规模和施工控制网的大小、图形主要取决于工程的形状、规模和施工方法，以确保工程施工和变形监的需要方法，以确保工程施工和变形监的需要n精密工程控制网是为工程服务的，必要具备必要的精度精密工程控制网是为工程服务的，必要具备必要的精度n控制网投影面的选择应满足控制点坐标反算要求控制网投影面的选择应满足控制点坐标反算要求n控制点点位设置要稳定可靠控
6、制点点位设置要稳定可靠n每一个控制点至少能与一个以上的控制点通视每一个控制点至少能与一个以上的控制点通视n要建立强制归心装置要建立强制归心装置n充分利用高精度的测量仪器充分利用高精度的测量仪器n控制网点位的选择应重点考虑工程的需要和使用方便控制网点位的选择应重点考虑工程的需要和使用方便7n精密工程测量中采用的各种测量标志，大致可分为平面点精密工程测量中采用的各种测量标志，大致可分为平面点、高程点、平面一高程点、高程点、平面一高程点(简称平高点简称平高点)。n按其用途它们可以是施工安装测量控制网的控制点、用以按其用途它们可以是施工安装测量控制网的控制点、用以表示设备物理或几何轴线的设备点、变形观
7、测的基准点和表示设备物理或几何轴线的设备点、变形观测的基准点和观测点。各种标志的作用不同，其相应的结构和特点亦不观测点。各种标志的作用不同，其相应的结构和特点亦不相同。相同。n各类测量控制点不仅是施工、安装测量的依据，而且也是各类测量控制点不仅是施工、安装测量的依据，而且也是区域性地壳形变、建筑物及其基础变形观测、设备定位调区域性地壳形变、建筑物及其基础变形观测、设备定位调校的依据。由于设备定位的高精度，对其稳定性也提出了校的依据。由于设备定位的高精度，对其稳定性也提出了相应的高要求。为保证控制点的稳定性，对它们的标石埋相应的高要求。为保证控制点的稳定性，对它们的标石埋设深度、标志本身的结构也
8、提出了相应的要求设深度、标志本身的结构也提出了相应的要求。8 基础荷载的变化、地层温度的变化和地下水位的变化。基础荷载的变化的影响基础荷载的变化的影响 根据土力学知识，由于荷载的变化而引起控制点的沉陷量根据土力学知识，由于荷载的变化而引起控制点的沉陷量可以用下式进行近似估算：可以用下式进行近似估算：式中：n 计算沉陷时的分层数；Pi 作用于对应土层的附加压力（可按Pi=0.2P0i计算，P0i为相应层的天然压力）；Ei该土层的弹性摸量；Hi该土层的厚度；i与孔隙比和压应力有关的修正系数，可由实验数据分析求得。iiiniiHEPS19 地层温度变化对控制点稳定性的影响可以根据地层内地层温度变化对
9、控制点稳定性的影响可以根据地层内的热力状态来确定。一般认为，各深度层的温度变化周期的热力状态来确定。一般认为，各深度层的温度变化周期是不变的，且温度变化的幅度随深度的增加而减弱。在天是不变的，且温度变化的幅度随深度的增加而减弱。在天然条件下，地层温度变化的幅度可用下式进行近似计算：然条件下，地层温度变化的幅度可用下式进行近似计算：式中：a 深度为H处的温度变化幅度；A 大气温度的年变化幅度；T 温度变化的周期，以秒为单位；K 地层土壤（或岩石）的导热系数；H 深度。HTkeAa10 地下水位的变化往往使土壤的物理状态发生改变，在水地下水位的变化往往使土壤的物理状态发生改变，在水位下降时，土壤被
10、密实；水位上升时，土壤将被扩松。而地位下降时，土壤被密实；水位上升时，土壤将被扩松。而地下水位的变化引起控制点在垂直方向上变化的近似值下水位的变化引起控制点在垂直方向上变化的近似值S S可可由下式计算：由下式计算：式中：h 地下水位的变化值；P水位变化而引起的压力变化值 当 h=1.0m时，P约为0.1kg/cm2；E 土层的弹性摸量。EhPS211 如右图，主要结构有十字标志、锚块、浮筒、浮子、不锈钢丝、保护管等组成。我国北京正负电子对撞机工程，（BEPC）的建设中采用了这种倒锤作为地面首级控制网点。在CERN质子加速器工程的建设中，也曾采用类似结构的倒锤作为研究各不同深度地层稳定性的控制点
11、和观测点。十字标志保护井浮筒浮子液体不锈钢丝保护管基岩土层锚块 下面结合不同用途和类型，列举几种在精密工程测量中常下面结合不同用途和类型，列举几种在精密工程测量中常见的主要标志。见的主要标志。12n（2）将固定在底层的控制点标志中心利用光线投射到标志顶面上来，以代替倒锤标志中的倒锤线。见图标志头填料灯泡玻璃片预留孔进人孔13 （3）双金属杆标 主要作为水准测量的控制点。制作时一般采用钢管和铝管，由于两种金属的热膨胀系数不同（差异较大），根据温度变化对两种金属管长度产生不同影响，可求得标志头由于管长变化后得高程。钢管铝管标志头锚块标尺14 设两种金属得热膨胀系数分别为1、2 两管初始长度为l0,
12、当温度变化t后，两管的长度变化量分别为：其差值为：该值可由两管顶部的标尺测得。将以上公式变化得：所以，可根据两管的长度变化量随时计算出标志的高度变化量。tlltll202101ll11211l15 由此可以看出。利用深埋双金属标不需要测定温度（也不宜测定），仅根据两标志头的高差变化量即可求出钢管和铝管标志头高程的改正数。在覆盖层较厚的地区，双金属管的长度将随着埋设深度的增加而增加，由于自重的影响，不仅增加了基础的负荷，而且也将使金属管产生不规则的弯曲而引起附加变形。为了克服这种缺点，可将双金属杆标改为双金属丝标，这种标志同样利用了双金属杆标的基本原理克服了温度变化对标点高程的影响，仅对其结构进
13、行了改进。16 如下图：利用杠杆千分表可以指示出因温度变化而引起两钢丝的伸长差值。为观测需要可以在不同高度层设置微型水准尺。除上述控制点标志外，另外还有如基岩标、山峒标等高程标志.因瓦丝不锈钢丝重锤杠杆微型水准尺保护管平台锚块观测窗观测窗17 以高能物理粒子加速器工程的地面控制网为例。高能物理粒子加速器工程一般都位于地下隧道内，地下隧道中测量工作主要包括：以上的测量工作都是以地面控制网为基础的。1819 二、地下隧道地面控制网布设的主要特点 1、地面控制网的作用是指导地下隧道开挖，建立地下安装测量控制网，并对其进行定期检核。2、控制点的观测墩要埋设对于仪器、觇牌及反射镜都通用的强制对中装置；3
14、、要对所选的仪器进行检验核试验研究，以确定其精度；4、采用模拟法进行设计网的诊断核优化设计；5、比较实测平差结果核模拟计算结果；6、将地面控制网的坐标传递到隧道内，并计算投点精度。20 三、欧洲原子核研究中心（CERN）的大型环形质子同步加速器工程（SPS）的布网 SPS的地面控制网如图所示，SPS的圆环直径约为2.2km，圆环分为6段，在地面上设立301306共6个控制点，通过6个竖井传递坐标。30130230330430530622322922422521721021522021 控制网要与原先为控制交叉存储环工程（IBR）所建立的网相连接。由于受地形起伏、通视以及自然保护等因素的限制，在
15、竖井附近设立了临时控制点来放样竖井点。地面控制网采用T3经纬仪测角 地面控制网采用T3经纬仪测角，用MA100和Geodolite两种电磁波测距仪测距，对测距仪在500m和1500m的基线场进行检定，并作了大量试验测量，最后确定出它们的精度为：MA1000.5mm1.1PP m Geodolite 0.3mm1.2PP m22 在隧道开挖和衬砌不同阶段进行了控制网的多期观测，采用间接平差得最大点位误差椭圆的长半轴不超过1.8mm。由最后一次测量所得的这一精度为1.3mm。将竖井点坐标投影到隧道内时，投点深度为23m到62m。采用垂线法、垂直投影望远镜和精密投点仪(Wild GlQ)三种方法和仪
16、器，实践经验表明，包括联系测量在内，投点精度在1mm以内，洞内控制点的精度由地面控制点的精度和投点精度计算，平均点位中误差为1.3mm。SPS的隧道全长约6911m，从六个竖井同时进行开挖，采用陀螺经纬仪导线，每32m埋设一测量标志，用铟瓦线尺量距，计算出各点坐标，用激光定向仪指导开挖方向，隧道贯通后用测角导线进行检核。23 安装测量控制网直接用于设备的安装，它即与施工测量控制网有直接联系，又与工程运营期间的变形监测网有密切的关系，三种控制网必须有公共点。本节结合具体工程介绍安装测量控制网的类型及特点。安装测量控制网可分三种典型的布网方案：安装测量控制网可分三种典型的布网方案：24 安装测量控
17、制网安装测量控制网 直线型的精密工程很多，如大型导轨、高能粒子加速器工程中的直线加速器及科学试验廊道、高速磁浮铁路工程等。为这类工程所进行的精密基准线测量构成了精密工程测量的重要内容。用于直线型建筑物的放样安装以及检核、监测，这种网是最简单又最合理的布网形式。在工程测量学中，我们已经接触了不少关于道路、桥梁、大坝等工程的控制测量工作，在精密工程测量中所不同的是要求以更高的精度来放样一条轴线，使安装在直线上的工艺设备的横向精度达到0.020.5mm。25 直伸型控制网的布设直伸型控制网的布设：直伸型控制网的布设非常简单，一般由两条平行的基准线组成，其中一条为基本基准线，一条为辅助基准线（见图1）
18、。在基准线上每隔一定的距离埋设标石，两条基准线可以布设在同一高程面内，也可以布设在不同高程的同一铅垂面内，基本基准线或者位于设备中心线上或者与设备中心线平行。基准线的两个端点须是深埋的永久性固定点，否则应保持与永久性固定点进行联测。安装测量控制网安装测量控制网26 安装测量控制网安装测量控制网 除了由基准线构成的直伸型控制网外，还有直伸导线、直伸线型锁等网型（见图2）。27图 3iRiSiiO132 由单三角形构成的中心环形网，如图3为中心八边形网，O为环形建筑物的中心并作为平差的基准点，控制点均匀分布在半径为R的圆周上，构成正多边形。安装测量控制网安装测量控制网28图 3iRiSiiO132
19、 这种网形的几何图形简单，点位精度均匀。欧洲原子核研究中心（CERN）的质子同步加速器（SPS），德国汉堡德电子同步加速（DESY），美国的巴塔维亚质子加速器以及前苏联的“PATTH-600”射电望远镜、普尔科法射电望远镜、埃列温电子同步加速器等大型精密工程，都采用了这种布网方案。安装测量控制网安装测量控制网29011wVaVanSiSinRiRi 360118021802nnSsinRiRiwtgatgaiSiRSiSmmmm98.0,96.0图 3iRiSiiO132 安装测量控制网安装测量控制网 如果对控制网仅仅用铟瓦线尺量测径向边和环边，那么，整个网只有一个多余观测，构成一个中心闭合条
20、件：其中n为辐射半径条数，V为改正数，系数a和闭合差W为：式中，为按边长计算的中心角。平差后的边长的精度提高甚微。设Si和Ri的量边精度相等且为ms，当n=8时,，30 为了提高径向边长的精度和网的可靠性，采取边角同测的方法。在初期只对控制网进行平差，然后由平差后的点用极坐标法放样和测量安置在电磁铁嵌合轴套上的标志。随着仪器和方法的改进，在后期对这种布网的观测方案作了若干改进，从而提高了工艺设备在所要求方向上的精度。安装测量控制网安装测量控制网31 与中心环形辐射控制网不同，该网不在环形建筑物的几何中心设点，开挖径向测量隧道直接量测径向边，而是直接围绕环形建筑布设直伸环形控制网，这是现代大型环
21、形加速器工程最常采用的方案。这是因为环形加速器的半径愈大，开挖隧道的费用则愈大。此外，由于测量方法和仪器的改进，即使对于半径较小的加速器工程，采用这种布网方案同样能达到所要求的精度。从构图来看，直伸环形控制网包括三种形式：即：测角直伸三角形环形网；测高直伸三角形环形网；大地四边形环形网。安装测量控制网安装测量控制网32图 2-2r1rr2BCAbS1S1S2h（1）在直伸三角形环形网中，环形隧道及构网元素，如下图所示：r1、r2、r分别为隧道内壁、外 壁和平均半径；b 隧道净宽；控制点及测量方向线离壁 的距离；S1 等腰三角形的腰长；S2 等腰三角形的底边长；h 等腰三角形底边上的高。安装测量
22、控制网安装测量控制网33nnnrSnnnctgkkSrtgrbSinhrSSinSbhtgrbrS18018021118028180118011802cos,22222422222图 2-2r1rr2BCAbS1S1S2h半径半径r、n已知，已知，、b设计量，设计量，推算量推算量S1、S2、h 在对各几何量进行选择或作方案设计时，由已知量可以根据以下公式计算其它的量：安装测量控制网安装测量控制网34 测量工程师在隧道尺寸设计中起重要作用，其中的一些几何量是根据总体设计图得到，对于壁距的确定和S1、S2的选择，测量工程师要提出意见，一经确定，则要根据三角形的高和边长专门制作一定长度的铟瓦线尺和杆
23、尺，同时还要考虑它们的鉴定设备。安装测量控制网安装测量控制网35ABCabcSh图 2-4hS2S11（2）测角直伸三角网（如下图）在环形网的每个三角形中，设观测了三条边和转角A，测角中误差为m，测边中误差为ms，三角形中存在一个图形条件，通过平差可得转角平差值。设 mA=m=1.0 ms1=40m,ms2=60m,A=170，S1=24.4m 可得：mA(平差)=0.99 m 即测量底边S2对提高转角的精度几乎不起作用。故这种环形网基本不采用。安装测量控制网安装测量控制网36ABCABChhS1S1图 2-5S2S2S1S1 （3）测高直伸三角形环形网 这种网是在每个转点上量测重叠三角形的两
24、条底边、两条腰和一个高。因为若测量三角形的全部边和角而不测高，不仅精度没有前者高，而且由于调焦误差及旁折光的影响，测角精度亦很难保证。安装测量控制网安装测量控制网37BhsBAShsCBmBtgmmmBtgmmm222221212221186.0,43.0 ACBmmmABCh2S1SS1 下面讨论测高环形网的精度情况 设测边、测高精度相等且为ms，解三角形，可由三边和高计算内角，其内角精度是测边、测高精度的表达式：设ms=40m，r=23345m，n=60，则可得：A=174，B=C=3，S1=24.4m，h=1.28m代入上式得：安装测量控制网安装测量控制网3822222222222211
25、222222222222422222222422222222222222tan)11(tan)11()1(1111111arcsinsinshsBsssshBshsshhsssshhshBmBmshmBshmhshshsmhssmshhssmshssmdshdsdshdsdshBshB所以：由误差传播定律：安装测量控制网安装测量控制网392.11,6.5 ACBmmm 若不测高时，在同样的测边精度和同样的图形条件下，得由测边误差所引起的测角误差为：根据测边和测角精度要相互匹配的原则，在测角时，要求锐角B和C的测角精度达到0.3。由于隧道内干扰大，旁折光影响较大，且边长相差悬殊，因此很难达到这样
26、的精度，特别是对较小的锐角更加困难，然而要达到上述的测距精度却是可以做到的。这就是 安装测量控制网安装测量控制网40 若不测高仅测三边，则测角误差很大，特别是转角A的误差达11.2；若用1.0的精度测A，由于边角精度极不匹配，将它们一起平差，测边对测角的精度的几乎不发生任何作用，（换句话说，由于角的精度很高，即测边没有什么用处），这就是测角环形网的情形。由以上分析可知，对于狭长的等腰三角形，用测高代替测小角是有利的。另外，若以与测边相当的精度直接测量由弦边组成的转角和由底边组成的转角，对计算得到的转角进行独立检查，或取加权平均值，或参与一起平差，则可进一步提高角度的精度和可靠性。安装测量控制网安装测量控制网41图 2-3SdSaSbSca0(1-2n)90(1+)90n2（3）大地四边形环形网见右图所示，设Sa为大地四边形的外边，Sb为内边；Sc为对角线；Sd为径向边；n为大地四边形的个数；并设l=Sa：Sb为大地四边形的推进比，rbrarlSSSSScseSSStgbrSbrSnnbanndadacnbadnbna2cos)22()sin(1cos2)()22(sin)22(902036021180222180211801800在已知r、b、各量的情况下，即可根据n计算大地四边形各边的长度及推进比。安装测量控制网安装测量控制网
