第五章施工控制网的建立

第五章施工控制网的建立控制网按其用途不同分为两大类，即国家基本控制网和工程控制网。国家基本控制网的主要作用是提供全国范围内的统一坐标框架。其特点是控制面积大，控制点间距离较长，点位的选择主要考虑布网是否有利，不侧重具体工程施工利用时是否有利。它一般分级布设，共分四等。工程控制网是针对某项工程而布设的专用控制网，它分为测图控制网、施工控制网、变形监测网等。测图控制网是在工程施工前勘测设计阶段建立的测图控制网，其目的主要是为测绘地形图服务。点位的选择是根据地形条件来确定的，并不考虑工程建筑物的总体布置，因而在点位分布和密度上都满足不了后续工程建设的需要。施工控制网是为工程建筑物的施工放样提供控制；其点位、密度以及精度取决于建设的性质，施工控制网点的精度一般要高于测图控制网，它具有控制范围小，控制点的密度大，精度要求高，受施工干扰大等特点。施工控制网与国家或城市控制网相比较，其最大的不同是：在精度上并不遵循“由高级到低级”的原则。例如，厂区施工控制网主要是为工业厂区各工程建筑物的布局放样而建立的，而对于车间或厂房，其内部设备放样的相对精度要求更高，这样就存在厂房矩形控制网比厂区控制网要求更高的精度。变形监测控制网是在施工及运营期间为监测建筑工程对象的变形状况而建立的控制网。由于平面坐标是相对于几何参考面，而高程是相对于物理参考面，因而，控制网点位的表述通常是分解为平面坐标和高程坐标两个方面，故工程控制网应包括有平面控制网和高程控制网。本章将从工程建筑物放样的程序和要求、控制网精度的确定方法、国家高精度控制点的利用、施工控制网的设计以及典型工程施工控制网布设等方面进行阐述。5-1控制网精度确定的一般方法在建筑施工中，测量工作将贯穿整个施工过程的各个阶段。从做准备工作开始，就需要进行场地平整、建立施工控制网；根据施工控制网进行建筑物放样；为了解基础沉降情况，在施工过程中及建筑物使用期间，还要进行沉降测量，为了便于建筑物使用过程中的管理、维修、扩建等，建筑工程完工时，应作竣工测量。由此可见，建筑施工的全过程是离不开测量的，它对保证工程质量和施工的规范化都起着重要作用。工程施工中的测量工作与其他的一般测量工作不同，它要求与施工进度配合及时，满足施工的需要。我们知道，原有的测图控制网在布点和施测精度方面主要考虑满足测绘大比例尺地形图的需要，不可能考虑将来建筑物的分布及施工放样对点位的布设要求。因此，在施工期间这些测量控制点大部分会遭受破坏，即使被保留下来的，也往往不能通视，无法满足施工测量的需要。因此，工业企业建筑物在施工之前都要在原有测图控制网的基础上建立施工控制网。工程建筑物放样的程序，应遵守由总体到局部的原则，即首先在现场定出建筑物的轴线，然后再定出建筑物的各个部分。采用这样一种放样的程序，可以免除因建筑物众多而引起放样工作的紊乱，并且能严格保持所放样各元素之间存在的几何关系。例如放样工业建筑物，则首先放出厂房主轴线，再确定机械设备轴线，然后根据机械设备轴线，确定设备安装的位置。又如放样大坝，则首先放出大坝的主轴线，然后再放样各坝段轴线，根据坝段轴线再放出坝段每层的形状、尺寸等。工程建筑物主轴线放样的精度要求，主要根据建筑物的性质、与已有建筑物的关系以及建筑区的地形（主要决定工程量的大小）和地质（主要决定建筑物的稳固性）情况来决定。例如扩建的工业场地上建筑物的主轴线，要考虑与现有建筑物的联系，而大坝主轴线的放样，主要是考虑地形与地质情况。当施工控制网仅用于放样建筑物的主要轴线位置时，由于主要轴线位置的放样精度要求并不太高（相对细部放样而言），例如，工业场地上厂房主轴线放样精度为2cm。因此，对厂区施工控制网的精度要求也不太高。但是当施工控制网除了用于放样主轴线外，尙需直接用来放样辅助轴线和个别细部结构时，则对施工控制网的精度要求就大大提高。例如桥梁的施工控制网，除了用以精密测定桥梁长度外，还要用它来放样各个桥墩的位置，保证其上部结构的正确连接，因此其精度要求就比较高。施工控制网建立以后，即可进行建筑物轴线的放样。在实际工作中，并不是一次就将场地中所有的建筑物轴线都放样出来，而是按照施工的需要，依次地把它们标定出来。这是因为在施工过程中，设计常有修改，而且也不是所有的建筑物同时施工，过早地放样出来，标桩也不容易保护。为了使放样工作正确无误，必须要了解设计的内容、性质及其对测量工作的精度要求，认真阅读图纸，了解施工的全过程，并掌握施工现场的变动情况，使测量工作能够与施工密切配合。正确制定工程建筑物放样的精度要求，是一项极为重要的工作。如果订得过宽，就可能造成质量事故；反之，若订得过严，则给放样工作带来不少困难，从而增加了放样工作量，延长了放样的时间，也就无法满足现代化高速度施工的需要。建筑物放样时的精度要求，是根据建筑物竣工时对于设计尺寸的容许偏差（即建筑限差）来确定的。建筑物竣工时的实际误差是由施工误差（包括构件制造误差、施工安装误差等）和测量放样误差所引起的，测量误差只是其中的一部分。为了根据验收限差正确地制定建筑物放样的精度要求，除了测量知识之外，还必须具有一定的工程知识。在确定了建筑物放样的精度要求以后，就可以用它作为起算数据来推算施工控制网的必要精度。此时，要根据控制网的布设情况和放样工作的条件来考虑控制网误差与细部放样误差的比例关系。以便合理地确定施工控制网的精度。对于桥梁和水利枢纽地区，放样点位一般离控制点较远，放样不甚方便，因而放样误差较大。同时考虑到放样工作要及时配合施工，经常在有施工干扰的情况下高速度进行，不大可能用增加测量次数的方法来提高精度。而在建立施工控制网时，则有足够的时间和各种有利条件来提高控制网的精度。。因此在设计施工控制网时，应使控制点误差所引起的放样点位的误差，相当于施工放样的误差来说，小到可以忽略不计，以便为今后的放样工作创造有利条件，这就是我们通常应该遵循的“忽略不计原则”。根据这个原则，对施工控制网的精度要求分析如下：设M为放样后所得点位的总误差；m1为控制点误差所引起的误差；m2为放样过程中所产生的点位误差，则设，则有：若令时可认为，则有即因此在实际工作中通常把作为确定控制网的点位精度。2221mmMkmm21)211(112222kmkmM%52MmM2mM05.0212k10k22131101mmm5-2国家高精度控制点的利用目前，我国国家大地测量控制网依高斯投影方法按6°或3°带进行分带和计算。对工程测量，一般也采用高斯投影方法，这样既与国际惯例相一致，也便于利用国家高精度控制点的现有成果。本节将对投影带与投影面的选择、工程平面坐标系的选择以及不同平面坐标系的转换等问题进行讨论。§5-2-1投影带与投影面的选择一、投影变形分析控制测量中的投影带和投影面的选择，主要是解决长度变形问题，这种变形主要由两种因素引起：1、实测边长归算到参考椭球面上的变形影响，其值为：式中：为归算边高出参考椭球面的平均值，S为归算边的长度，R为归算边方向参考椭球法截弧的曲率半径。归算边长的相对变形由上式可计算每公里的长度投影变形值如表5-1：2、将参考椭球面上的边长归算到高斯投影面上的变形影响，其值为：二、工程测量投影面和投影带选择的出发点工程测量控制网不但作为测绘大比例尺地形图的控制基础，更主要是为工程各施工阶段的放样提供依据，这就需要满足施工所需要的精度要求。一般情况下，为了满足测量结果的一测多用，在满足工程精度的前提下，工程中应采用国家统一3°带高斯平面直角坐标系。当边长的两次归算投影改正不能满足工程所需要求时，为保证工程测量结果的直接利用的计算方便，可以采用任意带的独立高斯投影平面直角坐标系，归算测量结果的参考面可以自己选定。可采用以下三种方法来实现：1）、通过改变从而选择合适的高程参考面，将抵偿分带投影变形，这种方法通常称为抵偿投影面的高斯正形投影。2）、通过改变，从而对中央子午线作适当移动，来抵偿有高程面的边长归算到参考椭球面上的投影改正。3）、通过既改变，又改变，来共同抵偿两项归算改正变形。§5-2-2工程平面坐标系统的选择在工程控制测量时，根据施工所在的位置、施工范围及施工各阶段对投影误差的要求，可采用以下几种平面直角坐标系。一、国家3°带高斯正形投影平面直角坐标系由表5-1和表5-2可知，当测区平均高程在50m以下，且值不大于20km时，其投影变形值和均小于1.0cm，这个精度基本可以满足绝大部分线型工程的测图和工程放样的精度要求。因此，在偏离中央子午线不远和地面高程不大的区域，无需考虑投影变形问题，直接采用国家统一的3°带高斯正形投影平面直角坐标系作为工程测量的坐标系，使二者相一致。二、抵偿投影面的3°带高斯正形投影平面直角坐标系在这种坐标系中，仍采用国家3°带高斯投影，但投影的高程面不是参考椭球面而是依据高斯投影长度变形而选择的高程参考面，在这个参考面上，长度变形为零。当采用第一种坐标系时，超过允许的精度要求时，可令，即：三、任意带高斯正形投影平面直角坐标系在这种坐标系中，仍把地面观测结果归算到参考椭球面上，但投影带的中央子午线不按国家3°带的划分方法，而是依据补偿高程面归算长度变形而选择的某一条子午线作为中央子午线。即保持不变，可求得：比如某测区相对参考椭球面的高程Hm=500m，为抵偿地面观测值向参考椭球面上归算的改正值，可得y=80(km),即选择与测区相距80km的子午线为中央子午线。四、具有高程抵偿面的任意带高斯正形投影平面直角坐标系在这种坐标中，往往是指投影的中央子午线选在测区的中央，地面观测值归算到测区平均高程面上，按高斯正形投影计算平面直角坐标。这种方法是综合二、三两种坐标系长处的一种任意高斯正形投影计算平面直角坐标，因而能更有效的实现两种长度变形改正的补偿。五、独立平面直角坐标当测区控制范围较小时，可不进行方向和距离改正，直接把局部地球表面看作为平面，建立独立的平面直角坐标系。这时，起算点坐标及起算方位角最好能与国家网或城市网联系，如联测困难，可自行测定边长和方位角，而起始点坐标可假设。在上海市磁悬浮工程和芦洋跨海大桥工程，由于工程区域内绝对高程和平均高差较小（一般均在20m以下），且整个工程线路长度在30km左右，故均采用了具有高程抵偿面的任意带高斯正形投影平面直角坐标系。§5-2-3不同平面坐标系统间的坐标转换为了使工程方便利用现有的资料，使设计得以具体的实施，应将施工坐标系统与城市坐标系统或国家坐标系统建立一定的衔接和换算关系。在上海市磁悬浮线工程中，磁悬浮线路坐标系是采用任意带高斯正形投影平面直角坐标系，选择过磁悬浮工程线路中间位置的子午线为中央子午线进行高斯投影，投影面为平均高程面，保持X坐标轴与上海平面坐标系的X坐标轴平行，Y轴与上海平面坐标系的Y坐标轴重合。再经平移，使原点的坐标值保持原上海平面坐标系统坐标值。通过这样的相互转换，使得设计单位在上海平面坐标系中所设计的各项设计坐标可直接在磁悬浮高速铁路坐标系中实施放样。当大型工程的起点和终点横向距离超过了具有高程抵偿面的任意带高斯正形投影平面直角坐标系所能补偿的范围时，此时应分段建立若干个施工坐标系区段。一般来说，在工程设计完成后，根据设计所要求的精度，计算最大投影带区的范围，用图解法在地图上确定每一个施工坐标系区段的位置，根据国家平面直角坐标值，确定其投影带中心位置的大地坐标。在工程坐标系区段衔接处，必须包含足够的重叠部分，这样才能保证整个工程控制点的衔接。在线型工程中，根据分级布网的原则，其首级网点间距大约为3km，在重叠部分，应至少各包含首级控制点3个（约6km的范围）。对采取区段建立的工程坐标系，其纵坐标和横坐标应以线路的前进方向和垂直其前进方向来确定。在不同的坐标系区段，也应建立相互的坐标转换关系。在坐标系统的转换时，必须建立双向转换关系，使每个点在坐标系中可自由转换。如在东海跨海大桥工程中，由于在水上、岛上及陆地间建设的不同，设计时采用的坐