山区高速公路控制测量技术研究_吴迪军.pdf

第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：作者简介：吴迪军（），男，湖南涟源人，教授级高级工程师，博士，年毕业于武汉大学大地测量学与测量工程专业，主要从事工程测量应用技术研究工作。山区高速公路控制测量技术研究吴迪军，曹诗荣，鹿星亮（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉）摘要：针对山区高速公路路线长、地形复杂、桥隧占比大和施工周期长等特点，结合实例开展山区高速公路工程控制测量设计、观测和数据处理方法的研究，提出了首级平面控制网精度等级确定、路线平面控制网分级平差、各等级高程控制网平差及控制网衔接测量等技术方法，可供其他类似公路工程控制测量参考。关键词：山区高速公路；首级平面控制网；路线平面控制网；高程控制网；控制网衔接测量中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；引 言山区高速公路工程具有路线长、地形复杂、桥隧占比大和施工周期长等突出特点，对测量控制网的建立与复测提出了较高要求。现行公路勘测规范对各等级公路路线及大型构造物（如大桥、长隧等）的平面和高程控制网的等级、精度和测量方法等主要技术要求进行了相应规定，但关于独立坐标系的设计方法、首级平面控制网的技术要求、各等级控制网之间的连接及平差方法、路线控制网与外部控制网的联测等方面的技术要求不够详细和具体。为此，国内工程界和学术界对相关技术问题进行了有益的探索和实践。屈文强、吴迪军结合实例对山区高速公路控制测量技术方法进行了研究；熊伟等研究了基础控制点稀少且精度较低条件下的海外高等级公路控制测量技术；周长志等、黄元怀等分别研究了超长连续纵坡公路和高海拔地区公路抵偿坐标系的建立方法；林小勇将斜轴墨卡托投影应用于建立公路工程坐标系中；钱承军、王德义等和曹久慧等分别探讨了、和北斗卫星导航定位技术在公路控制网测量中的应用问题；廖建雄分析了长距离高速公路平面控制网系统差产生的原因及其处理方法；丁国华等探讨了无已知点的山区、高山区高等级公路高程控制网的建立方法。本文在同行研究的基础上，结合某工程定测实例，开展山区高速公路控制测量设计、观测和数据处理的技术研究，提出相关关键技术问题的解决思路和技术方案。平面控制测量 坐标系统设计一般而言，国家坐标系和地方坐标系无法满足公路工程投影长度变形限值的要求，必须建立工程独立坐标系。当沿线地面高程起伏较大、线路在东西方向上的跨度较大（如超过 ）时，可能需要分段建立多个基于高斯投影的独立坐标系，也可采用斜轴墨卡托投影的方法建立独立坐标系，以有效控制投影长度变形，减少独立坐标系的数目。某山区高速公路（区段）主线长度约，设置桥梁 座，包括长约 的跨江特大桥 座。该线路大体呈南北走向，东西方向的跨度 不 足，初测单位建立了一个基于 椭球的高斯投影抵偿坐标系，全线范围内的投影长度变形值介于 之间，符合公路勘测规范的相关规定。精度设计初测阶段沿线路按 间距布设了 个一级 平面控制点，与附近的 个国家 级 控制点联测，构成公路一级 平面控制网。为满足工程施工的需要，定测阶段的平面控制网按照“从整体到局部、从高级到低级”的原则分两级布设，第一级为首级控制网，按国家 级网精度施测；第二级为施工控制网，其中，跨江特大桥按三等网施测，其他区段均按一级控制网施测。首级、三等和一级网中最弱边边长相对中误差分别不应低于 、和 。网形设计首级 控制网由 个首级控制点（点号为）和 个国家 级控制点（点号为）联网构成，相邻控制点间距为 ，控制网示意图如图 所示。施工控制网中，跨江特大桥三等 控制网由 个控制点组成；江北一级 控制网包括 个一级控制点，联测 个首级控制点及江北 个三等控制点；江南一级 控制网由 个一级控制点组成，联测 个首级控制点、个三等控制点。相邻一级控制点的间距在 左右。跨江特大桥三等网及南、北一级控制网示意图如图 所示。图 首级 平面控制网示意图 外业观测采用 静态测量技术进行各等级平面控制网观图 三等平面控制网及一级平面控制网示意图 测，观测技术要求见表。表 观测技术要求 参数首级网三等一级卫星截止高度角（）同步观测有效卫星数观测时段长度（）数据采集间隔（）平均重复设站次数 值 数据处理 控制网基线解算和网平差分别采用 和武汉大学 软件进行。各等级平面控制网二维约束平差方法及精度结果如下：）首级 控制网以 个国家 级 点的 二维坐标作为起算数据进行二维约束平差，得到各首级控制点的 二维坐标，再使用 转换为工程坐标。二维平差后，最弱点 的点位中误差为 ，最弱边（边长为 ）的边长相对中误差为。）跨江特大桥三等平面控制网以 个首级控制点（、）的工程坐标作为起算数据进行二维约束平差。平差后，最弱点 的点位中误 差 为 ，最 弱 边 （边 长 为）的边长相对中误差为 。）江北一级控制网以江北 个首级控制点和 个三等点（、）的工程坐标作为起算数据进行二维约束平差。平 测绘与空间地理信息 年差后，最弱点 的点位中误差为 ，最弱边（边长为 ）的边长相对中误差为 。）江南一级控制网以江南 个首级控制点（）和 个三等控制点（、）的工程坐标起算进行二维约束平差。平差后，最弱点 的点位中误差为 ，最弱边（边长为 ）的边长相对中误差为 。对照技术设计的精度指标，除一级控制网中边长小于 的 条超短边外，各等级 平面控制网二维平差结果的精度均达到设计要求。高程控制测量 选点布网利用线路平面控制点标石埋设水准点标志，兼做高程控制点（亦称线路水准点）。全线高程控制点共计 个，其中初测控制点 个，定测新增 点。连测沿线附近 个国家等水准点（、和），构成本工程的高程控制网。精度等级选定高程控制网的精度等级根据工程结构类型、规模（如桥梁长度等）按现行公路勘测规范的相关规定确定。跨江特大桥按三等高程控制网精度施测，其余区段均按四等高程控制网精度施测。已知水准点高程引测按三等高程精度施测。外业观测及质量检查水准测量外业观测使用 电子水准仪进行。已知水准点与线路水准点之间的高程连测按三等水准测量要求进行往返观测，跨江特大桥水准网按三等水准要求进行往返观测并形成 个水准闭合环。其余区段水准点之间高程连测按四等水准要求进行，其中，初测水准点之间进行单程水准观测并与初测高差进行对比，高差较差较大者再进行往返观测；新设水准点高程按四等水准进行往返观测。为了检核四等水准测量成果的质量，根据需要进行水准环闭合差检验、定测高差与初测高差比较、四等单程水准测量抽检及已知水准点之间附合路线高差闭合差检验等多项检查。）初测、定测测段高差比较对初测、定测相同测段的水准观测高差进行比较分析，共计比较 个水准测段，按四等水准往返观测高差不符值的限差公式估算限差。个测段中，仅有 个测段的定测高差与初测高差之差超限（但仍在“检测已测测段高差的差”的限差以内），其余 个测段高差之差均在往返测高差不符值的限差以内，且不足限差一半的个数达，占检测总测段数的。检测结果表明：初测控制点稳定性良好，定测水准单程观测高差成果精度可靠，达到四等水准测量精度标准。）单程四等水准高差抽检对全线四等单程水准测量成果进行了抽检，共抽检 个测段，其中 个测段的往返测观测高差不符值均不足相应限差的，进一步验证了四等水准测量成果的可靠性。）已知水准点之间附合路线高差闭合差检验 个已知水准点之间通过水准测量形成附合水准路线，其高差闭合差及限差见表。表 附合水准路线高差闭合差统计 附合路线路线长度（）高差闭合差（）限差（）平差计算采用 数据处理软件进行平差计算。第一步：考虑到 个已知水准点全部位于江北，故首先以 个已知水准点的高程作为起算数据，进行江北四等水准网的平差计算；第二步：以第一步平差后（江北四等水准网与跨江特大桥三等水准网的公共点）的平差高程作为起算数据，进行跨江特大桥三等水准网的平差计算；第三步：以第二步平差计算得到的、的高程作为起算数据，进行江南四等水准网的平差计算。几个关键技术问题的讨论）首级控制网精度等级及点间距的确定本项目首级控制网按国家 级 控制测量精度施测，高于线路各区段施工控制网的精度要求，符合“先整体、后局部，分级布网、逐级控制”的基本原则。然而，这种布网方式也存在首级控制网精度偏高、工作量偏大等缺点，相对于工程需求来说，势必造成精度浪费。就本项目而言，总长的路线中，仅不足 长的跨江特大桥的施工平面控制网为公路三等，其余 长度的施工控制网全部为一级平面网，而首级网的精度（国家 级 网）明显高于公路一级网，由此造成首级网精度浪费的现象，这在经济上不是最优的方案。对此，作者认为首级控制网的精度等级应根据公路全线施工控制网等级的实际情况并兼顾经济合理性要求进行确定。具体来说，首级控制网的等级可高于、等于或低于最高精度施工控制网（如路线中的特大桥梁和长大隧道施工控制网）的等级。当首级控制网等级高于或等于最高精度施工控制网等级时，可按逐级平差或同级加密平差的方法进行路线平面控制网的平差计算；当首级控制网等级低于最高精度施工控制网等级时，各等级施工平面控制网的平差应在首级控制网平差后，以首级控制点平差坐标作为起算数据，按“由高至低、逐级平差”的原则进行，以确保高等级施工控制网的高精度，又保证各等级施工平面控制网之间的精准衔接。首级控制点沿线路方向的间距可根据路线地形及通视条件、特大桥隧工程在路线总长中的占比及分布情况、施工控制测量技术手段以及测量工作量大小等因素综合第 期吴迪军等：山区高速公路控制测量技术研究确定。本项目中首级 控制点的间距为 左右，符合本项目特点和实际情况。现行规范没有对首级控制点间距进行规定，作者建议一般可在 范围内选定。）不同等级高程控制网的连接和平差公路工程高程控制网分为二、三、四、五等 个级别，适用于不同等级公路和不同规模、不同复杂程度的构造物的工程施工。同一项公路工程的施工高程控制网通常由多个等级的控制网组成，必须正确处理好不同等级高程控制网之间的连接和平差问题。本项目中，先进行北岸四等水准网的平差，然后以四等网和三等网之间公共水准点（）的平差高程起算，进行跨江特大桥三等水准网的平差。从表面上看，这种平差方法存在“以低等级水准点作为高等级高程控制网的起算点”的问题，不符合控制网平差的一般性原则。但事实上，这也正是工程控制网与大地控制网的差别所在，即工程控制网的内部高精度是第一位的。就上面的实例而言，以一个四等水准点起算进行跨江三等水准网的平差，既确保了三等水准网内部的相对精度，又保证了高程传递的绝对精度，以及三等网和四等网之间的高程衔接精度，满足工程施工的需要。笔者提出公路工程高程控制网平差的两种思路：一种是根据控制网等级对观测高差定权，不同控制网进行整体混合平差；另一种思路就是首先进行全线高程控制网的统一平差，得到各路线水准点的高程初值；然后再按“先高级、后低级，高级控制低级”的原则逐次进行各等级高程控制网的平差，低等级网以相邻高等级网的水准点平差高程起算，得到全部路线水准点的最终高程值。第一种思路受已知水准点的精度及其可靠性制约，也就是说已知水准点的精度等级应高于路线高程控制网中的最高等级，并且已知水准点的间距和兼容性要满足相应等级的规定要求，否则就会造成“低级控制高级、高等级控制网精度不达标”的不合理情形。而实际情况是路线附近不一定有高等级的已知水准点，很多情况下已知水准点之间的兼容性也不满足要求，因此，第一种思路的可行性较低，工程实践中多数情况下需要采用第二种思路。本文实例采用第二种思路。）控制网衔接测量控制网衔接测量包括公路工程各等级控制网之间的内部衔接测量，以及公路控制网与其他相关工程控制网之间的外部衔接测量。前面已经讨论了有关内部衔接测量问题，外部衔接测量问题涉及与本项目相连接或交叉工程（如公路、铁路线路、桥梁和隧道等）的施工控制网，包括平面控制网的外部衔接测量和高程控制网的外部衔接测量两部分，衔接测量的精度等级以衔接控制网中的等级较高者为准。通过外部衔接测量，应建立衔接控制网之间的坐标（或高程）转换关系，供工程设计和施工使用，并应在控制测量成果报告中提出施工测量实地验证和放样复核的工作要求，确保相邻工程之间的平顺衔接。结束语）为了将控制网的边长变形控制在一定范围内，方