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1、工程测量的基本内容和方法 (江西九江 332000)摘 要：工程测量一词具有十分广泛的内涵，它贯穿于工程建设项目的全过程。从工程建设立项到工程建设项目竣工投入使用及在使用过程中的质量安全监测的全部过程都伴随着工程测量。它是实现工程建设项目规划设计和结构设计意图的最有力的工具和保障。工程测量的基本程序包括基点控制测量和规划图、结构图的放样测量。基点控制测量和规划图、结构图放样测量均包括水平控制、放样测量和高程控制、放样测量。关键词：工程测量、基点控制测量、放样测量、水平测量、高程测量1工程测量的基本内容及特点工程测量(engineering survey)一词具有较为广泛的内涵。在测绘界，人们把
2、工程建设中的所有测绘工作统称为工程测量。实际上它包括了工程建设的全过程，即从勘测、设计、施工和竣工后使用管理的各个阶段所进行的各种测量工作。它是直接为各种建设项目的勘测、设计、施工、安装、竣工、监测以及营运管理等一系列工程所有工序服务的。可以这样说，没有测量工作为工程建设提供数据和图纸，并及时与之配合和进行指挥，任何工程建设都无法进行和完成。任何一个建设项目的最初阶段都必须进行基础测量工作，基础测量又可分为项目准备阶段的规划测量、地基勘察测量、场地平整测量和项目施工阶段的基础(桩位)放样测量和其他结构放样测量。这两个阶段的工程测量过程实际上就是将规划设计和结构设计意图进行实地放样的过程。这一系
3、列的工程测量工作所要贯穿的一个重点，那就是准确。工程测量的主要任务是采用专用测量器具，通过一定的技术方法把设计图纸的标定的位置、数据、几何形状真实的放样到实地。测量放样的成果直接影响到工程建设项目的质量等级、结构安全及建成后的使用功能。工程测量的最基本的出发点就是控制点。在测量工作开始之前施工方必须从建设方得到由相关机构提供的两个以上的精确的已知坐标点作为场内控制点。而这样的坐标点通常是相关机构由2级（省市级）控制网引出的3级甚至是4级控制点。施工方得到的控制点将被视为基准点，并忽略其误差产生的影响。当然，一般情况下这样的控制点的精确度足够满足相关规范要求。为了限制误差的累积和传播，保证测图和
4、施工的精度及速度，测量工作必须遵循“从整体到局部，先控制后碎部”的原则。即先进行整个测区的控制测量，再进行碎部测量。控制测量的实质就是测量控制点的平面位置和高程。测定控制点的平面位置工作，称为平面控制测量；测定控制点的高程工作，称为高程控制测量。2工程测量的程序和基本方法2.1. 控制网的布设形式控制网具有控制全局，限制测量误差累积的作用，是各项测量工作的依据。对于地形测图，等级控制是扩展图根控制的基础，以保证所测地形图能互相拼接成为一个整体。对于工程测量，常需布设专用控制网，作为施工放样和变形观测的依据。2.1.1水平控制网的布设形式2.1.1.1三角网 网形 在地面上选定一系列点位1，2，
5、使互相观测的两点通视，把它们按三角形的形式连接起来即构成三角网。如果测区较小，可以把测区所在的一部分椭球面近似看做平面，则该三角网即为平面上的三角网（如图2-1）。三角网中的观测量是网中的全部（或大部分）方向值。图2-1中每条实线表示对向观测的两个方向。根据方向值即可算出任意两个方向之间的夹角。 若已知点1的平面坐标（），点1至点2的平面边长，坐标方位角，便可用正弦定理依次推算出所有三角网的边长、各边的坐标方位角和各点的平面坐标。这就是三角测量的基本原理和方法。 以图2-1为例，待定点3的坐标可按下式计算：图2-1 （2-1） （2-2） （2-3） （2-4）即由已知的，和各角观测值的平差值
6、,可推算求得，同理可依次求得三角网中其他各点的坐标。 起算数据和推算元素 为了得到所有三角点的坐标，必须已知三角网中某一点的起算坐标（）,某一起算边长和某一边的坐标方位角，我们把它们统称为三角测量的起算数据（或元素）。在三角点上观测的水平角（或方向）是三角测量的观测元素。由起算元素和观测元素的平差值推算出的三角形边长、坐标方位角和三角点的坐标统称为三角测量的推算元素。 工程测量中三角网起算数据的获得 在工程测量中，三角网起算数据可由下列方法求得： a.起算边长 当测区内有国家三角网（或其他单位施测的三角网）时，若其精度满足工程测量的要求，则可利用国家三角网边长作为起算边长。若已有网边长精度不能
7、满足工程测量的要求（或无已知边长可利用）时，则可采用电磁波测距仪直接测量三角网某一边或某些边的边长作为起算边长。 b.起算坐标 当测区内有国家三角网（或其他单位施测的三角网）时，则由已有的三角网传递坐标。若测区附近无三角网成果可利用，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设坐标系统。 c.起算方位角 当测区附近有控制网时，则可由已有网传递方位角。若无已有成果可利用时，可用天文测量方法测定三角网某一边的天文方位角再把它换算为起算方位角。在特殊情况下也可用陀螺经纬仪测定起算方位角。 d.独立网与非独立网 当三角网中只有必要的
8、一套起算数据（例如一条起算边，一个起算方位角和一个起算点的坐标）时，这种网称为独立网。图2-2中各网都是独立网，其中（a）称为中点多边形，是三角网中常用的一种典型图形。 如果三角网中具有多于必要的一套起算数据时，则这种网称为非独立网。例如图2-3为相邻两三角形中插入两点的典型图形。和都是高级三角点，其坐标、两点间的边长和坐标方位角都是已知的。因此，这种三角网的起算数据多于一套，属于非独立网，又称为附合网。图中的、为待定点。 2.1.1.2导线网 导线网是目前工程测量控制网较常用的一种布设形式，它包括单一导线和具有一个或多个结点的导线网。网中的观测值是角度（或方向）和边长。独立导线网的起算数据是
9、：一个起算点的坐标和一个方向的方位角。 导线网与三角网相比，主要优点在于： a.网中各点上的方向数较少，除结点外只有两个方向，因而受通视要求的限制较小，易于选点和降低觇标高度，甚至无须造标。 b.导线网的图形非常灵活，选点时可根据具体情况随时改变。 c.网中的边长都是直接测定的，因此边长的精度较均匀。 导线网的缺点主要是：导线网中的多余观测数较同样规模的三角网要少，有时不易发现观测值中的粗差，因而可靠性不高。 由上述可见，导线网特别适合于障碍物较多的平坦地区或隐蔽地区。 2.1.1.3边角网和三边网 边角网是指测角又测边的以三角形为基本图形的网。如果只测边而不测角即为三边网。实际上导线网也可以
10、看做是边角网的特殊情况。 上述3种布设形式中，三角网早在17世纪即被采用。随后经过前人不断研究、改进，无论从理论上还是实践上逐步形成为一套较完善的控制测量方法，这就是“三角测量”。由于这种方法主要使用经纬仪完成大量的野外观测工作，所以在电磁波测距仪问世以前的年代，三角网是布设各级控制网的主要形式。三角网的主要优点是：图形简单，网的精度较高，有较多的检核条件，易于发现观测中的误差，便于计算。缺点是：在平原地区或隐蔽地区易受障碍物的影响，布网困难大，有时不得不建造较高的觇标。 随着电磁波测距仪的不断完善和普及，导线网和边角网逐渐得到广泛的应用。尤其是前者，目前在平原或隐蔽地区已基本上代替了三角网作
11、为等级控制网。由于完成一个测站上的边长观测通常要比方向观测容易，因而在仪器设备和测区通视条件都允许的情况下，也可布设完全的测边网。在精度要求较高的情况下（例如精密的变形监控测量），可布设部分测边、部分测角的控制网或边、角全测的控制网。2.2高程控制网的布设形式 国家高程控制网是用水准测量方法布设的，其布设原则与平面控制网布设原则相同。根据分级布网的原则，将水准网分成四个等级。一等水准路线是高程控制的骨干，在此基础上布设的二等水准路线是高程控制的全面基础；在一、二等水准网的基础上加密三、四等水准路线，直接为地形测量和工程建设提供必要的高程控制。按国家水准测量规范规定，各等级水准路线一般都应构成闭
12、合环线或附合于高级水准路线上。 工测高程控制网的布设也应遵守分级布设的原则。 关于工测高程控制网的布设方案，城市测量规范规定，可以采用水准测量和三角高程测量。水准测量分为二、三、四等，作为工测高程控制网或专用高程控制网的基础。首级水准网等级的选择应根据城市面积的大小、城市的远景规划、水准路线的长短而定。首级网应布设成闭合环线，加密网可布设附合路线、结点网和闭合环。只有在山区等特殊情况下，才允许布设水准支线。三角高程测量主要用于山区的高程控制和平面控制点的高程测定。应特别指出的是电磁波测距三角高程测量，近年来经过研究已普遍认为该法可达到四等水准测量的精度，也有人认为可以代替三等水准测量。因而城市
13、测量规范规定：根据仪器精度和经过技术设计认为能满足城市高程控制网的基本精度时，可用以代替相应等级的水准测量。2.2.施工放样 施工放样（construction layout）一词的涵义是把设计图纸上工程建筑物的平面位置和高程，用一定的测量仪器和方法测设到实地上去的测量工作称为施工放样(也称施工放线)。 测图工作是利用控制点测定地面上地形特征点，缩绘到图上。施工放样则与此相反，是根据建筑物的设计尺寸，找出建筑物各部分特征点与控制点之间位置的几何关系，算得距离、角度、高程等放样数据，然后利用控制点，在实地上定出建筑物的特征点，据以施工。 施工放样主要有：平面位置的放样、高程放样，以及竖直轴线放样
14、。平面位置和高程均通过对每个特征点的放样实现。特征点的放样通常采用极坐标法，也可用直角坐标法和交会法，高程放样则常用水准测量方法。当待放样点同附近控制点的高差较大（如放样高层建筑某层或井下某点的高程）时，常用长钢尺代替水准尺测设高程，或用电磁波测距三角高程测量方法；放样竖直轴线可用吊锤、光学投点仪或激光铅垂仪等。除使用经纬仪、水准仪、全站仪外，还可以选择使用激光指向仪、激光铅垂仪、激光经纬仪、激光水准仪等，以提高放样速度和精度。 做为地基基础施工方用的最多的就是平面放样和高程放样。平面放样多用于桩位点的放样，高程放样多用于桩顶标高的控制。 而在诸多放样工作展开之前必须对图纸深入的了解，并对所要
15、放样的对象进行实地勘察，即放样场地情况，桩位的坐标及控制点的位置等。 一个测量工作的关键词是坐标值为已知点，所以得到平面布置图后测量员一般都要将桩位坐标计算核实，以便后期工作的展开。2.2.1平面位置的放样方法2.2.1.1直角坐标法坐标法放样是我们对坐标放样测量的习惯叫法。现代公路施工中应用计算机进行辅助计算，由设计单位提供的施工设计图表：直线、曲线及转角表、导线点坐标及逐桩坐标表等均给出了交点、导线点坐标，直线及曲线也给出每隔一定距离的中线桩位坐标值以及曲线要素。据此，我们可根据实际施工需要计算出加桩及左右边桩的坐标值。本法适用条件：在施工场地预先布设了建筑基线、建筑方格网或矩形控制网时。
16、如图2-4所示，QRST是建筑场地上已有的矩形控制网。ABCD是需放样的建筑物，它们的坐标分别注于图中。其操作步骤如下：（1） 放样时，将经纬仪安置于控制点Q上，瞄准R点，沿此方向线从Q量20定出a点。（2）由a点向前接量60m定出b点。（3）搬仪器至a点，使度盘读数为零瞄准R点，望远镜向左转90，沿视线方向从a点量30m得A点，再从A点向前量40m得D点。（4）把仪器搬至b点，使度盘读数为零瞄准Q点，将望远镜向右转90，在此视线方向上从b点量30m得B点，再从B点向前量40m得C点。（5）检查建筑物的角点D和C是否为90，边长AB和CD是否为60m，误差应在允许范围之内。2.2.1.2极坐标
17、法适用条件：极坐标法适用较广，特别是在具有电磁波测距时，更加方便、快捷。放样原理：由一个角度和一段距离测设点的平面位置的一种方法。数据计算：如图2-5所示，A、B为控制点，其坐标已知，P为欲放样点，其坐标可由设计图上求得。欲将P点测设于地面，首先应由坐标反算公式求得放样数据和DAP (2-5)则 (2-6) (2-7)放样方法：先按角度放样法放样出方向，然后按距离放样法放样出距离。2.2.1.3角度交会法适用条件：在没有测距仪时，应用角度交会法可以放样不便于钢尺量距的点。放样原理：角度交会法是根据测设角度的方向线交会得出点的平面位置的一种方法。数据计算：如图2-6所示，A、B、C为三个控制点，
18、其坐标已知，P为待放样点，其坐标为设计所给。采用角度交会法欲定出P点的实地位置，首先要计算放样数据1、2、3，即 (2-8)放样方法：将经纬仪分别安置于A、B、C三个控制点上，先用盘左测设角1、2、3，交会出P点的大致位置，在此位置上打一个大木桩，然后在桩顶平面上按角度放样的一般方法画出AP、BP、CP的方向线ap、bp、cp，示误三角形的最长边一般不得超过4cm，如在允许范围内，则取三角形内切圆圆心作为P点的点位。2.2.1.4距离交会法适用条件：距离较短（不超过一个尺段），地面较平坦时。放样原理：以两个已知点为圆心，以各自所要测设的距离画圆弧，圆弧交点即为所测点。数据计算：计算放样点距已知
19、点的距离。放样方法：如图2-7所示，用钢尺分别以A、B为圆心，以S1、S2为半径在地面上画弧，其交点即为P1点的位置；同样以C、D为圆心，以S3、S4为半径交出P2点的位置。最后，量取P1P2的实地长度，并与设计长度相比较，其误差应在允许范围以内，以检核放样精度。2.2.1.5方向线交会法 适用条件：在工业厂房柱列轴线的测设及桩基施工测量等细部放样中。放样原理：利用两条视线交会定点。放样方法：如图2-8所示，某厂房内设计有两排柱子，每排6根，共计12根。为了将这12根柱子的中心测设于地面上，事先可按照其间距在施工范围以外埋设距离控制桩11、22、66和aa、bb，然后利用方向线即可交会出柱子的
20、中心位置。 2.2.2高程放样的方法高程放样主要是采用水准测量方法。高程放样时，首先需要在测区内按必要精度布设一定密度的水准点作为放样的起算点，然后根据设计高程在实地标定出放样点的高程位置。高程位置的标定措施可根据工程要求及现场条件确定，土石方工程一般用木桩固定放样高程位置，可在木桩侧面划水平线或标定在桩顶上，混凝土及砌筑工程一般用红漆做记号标定在他们的面壁或模板上。2.2.2.1一般高程放样 一般情况下，放样高程位置均低于水准仪视线高且不超出水准尺的工作长度。为提高放样精度，放样前应字次检校水准仪和水准尺，放样时应尽可能使前后视距相等；放样后可按水准测量的方法观测已知点与放样点之间的实际高差
21、，并以此对放样点进行检查和必要的归化改正。 测设已知高程就是根据已知点的高程，通过引测，把设计高程标定在固定的位置上。如图2-9所示，已知高程点A，其高程为HA，需要在B点标定出已知高程为HB的位置。方法是：在A点和B点中间安置水准仪，精平后读取A点的标尺读数为A，则仪器的视线高程为HI=HA+A，由图可知测设已知高程为HB的B点标尺读数应为：HB=HA-HB将水准尺紧靠B点木桩的侧面上下移动，直到尺上读数为B时，沿尺底画一横线，此线即为设计高程HB的位置。测设时应始终保持水准管气泡居中。 2.2.2.2深基坑的高程放样当基坑开挖较深时，基底设计高程与基坑边已知水准点高程相差较大并超出水准尺的
22、工作长度，这时可采用水准仪配合悬挂钢尺的方法向下传递高程。当待测设点于已知水准点的高差较大时，则可以采用悬挂钢尺的方法进行测设。如图所2-10所示，钢尺悬挂在支架上，零端向下并挂一重物，A为已知高程为HA的水准点，B为待测设高程为HB的点位。在地面和待测设点位附近安置水准仪，分别在标尺和钢尺上读数A1、B1和A2。由于 (2-10)则可以计算出B点处标尺的读数B2=HA+A-(B1-A2)-HB。2.2.2.3高墩台的高程放样当桥梁墩台高出地面较多时，放样高程位置往往高于水准仪的视线高,这时可采用钢尺直接量取垂距或“倒尺”工作。3. 变形观测变形观测主要包括沉降观测、位移观测、挠度观测、转动角
23、观测和振动观测等。 沉降观测 测定建筑物或其基础的高程随时间变化的工作。建筑物在施工和运营期间，对埋设在基础和建筑物上的观测点，定期用精密水准测量的方法测定它们的高程，比较观测点不同周期的高程即可求得其沉降值。有时也可用地面立体摄影测量的方法及液体静力水准测量的方法测定沉降值。在液体静力水准测量中，可采用探针探测液面高程，也可采用将液面高程的变化用传感器输出等方法实现自动化观测。 位移观测 测定建筑物上某些点的平面位置随时间变化的工作。建筑物位移可能是任意方向的，也可能发生在某一特定方向。任意方向位移的测定常用前方交会法，或地面立体摄影测量的方法测定(见地面摄影测量)；对某些不宜用交会法观测的
24、建筑物，也可采用导线测量方法。位移值均由比较不同观测周期所得的观测点坐标求得。特定方向位移的测定常用基准线法，即以垂直于位移方向的固定不变的铅垂面为观测基准面，定期测定建筑物相对于它的偏离值，以计算位移值。此外，还可采用视准线法 此法的观测基准面由经纬仪的视准线和仪器竖轴建立。根据测定观测点偏离值的方法不同，视准线法又分为测小角法和活动觇牌法。20世纪60年代初，又采用了以激光束代替经纬仪视准线的激光经纬仪准直法和利用光干涉原理的波带板激光准直法。这些方法虽然大大提高了照准精度，但仍不能克服大气折射的影响。在某些特定条件（如水坝的廊道内）下，可采用引张线法，即用拉紧的钢丝作为基准线。近年来在激
25、光准直法和引张线法中已采用光电传感技术，实现了观测的自动化。 挠度观测 测定建筑物受力后挠曲程度的工作。观测方法是测定建筑物在铅垂面内各不同高程点相对于底部的水平位移值。高层建筑物通常采用前方交会法测定。对内部有竖直通道的建筑物，挠度观测多采用垂线观测，即从建筑物顶部附近悬挂一根不锈钢丝，下挂重锤，直到建筑物底部。在建筑物不同高程上设置观测点，以坐标仪定期测出各点相对于垂线最低点的位移。比较不同周期的观测成果，即可求得建筑物的挠度值。如果采用电子传感设备，可将观测点相对于垂线的微小位移变换成电感输出，经放大后由电桥测定并显示各点的挠度值。 转动角观测 观测建筑物或机械设备倾斜度的变化，计算其转
26、动角的工作。对某些建筑物，例如水坝，转动角的大小反映了它不均匀沉降的情况。同沉降观测一样，可用精密水准测量或液体静力水准测量方法测定。对一些精密机械设备，则需采用专门的转动角观测仪。这类仪器主要由一个高灵敏度的气泡水准和一套精密的测微仪器组成。当气泡居中时利用测微仪器进行读数，即得该处的倾斜度。比较不同周期的倾斜度，可以求得观测周期间机械设备的转动角。 4. 结语 在测绘工程中，绝大部分工作量主要为放样测量。作为施工方，布网测量工作极少接触，但也必须有所了解。而在地基基础工程施工过程中，除了平面放样和高程放样之外，还有伴随整个工程过程的桩机偏移等情况的测量。所以在工程中测量永远是一个关注的重点。
