桥梁测量放样.doc

桥梁测量放样
1．桩基测量放样
1）首先要根据设计院提供曲线要素进行中线桩复测，然后根据墩台里程桩号及相关尺寸进行桩基中心坐标计算，坐标计算成果要由两人以上核对无误后报测量监理工程师审批，审批合格后，坐标成果方可用于施工测量。
2）桩基中心坐标测量时，根据本工程特点和施工方法需要做到以下几点：
a)在工程施工过程中，桩基中心放样可采用天宝GPS-RTK,利用至少3个以上平面控制点进行点校正，点校正后应查看点校正残差，单位校正残差应小于1cm，GPS-RTK使用要符合《高速铁路工程测量规范》（TB10601-2009）中关于GPS-RTK测量相关规定。在施工放样前，仪器安置好后GPS-RTK应到放样桩基附近已知控制点进行测量复核，RTK手持杆水泡居中要使用竹竿支撑，复核精度要小于1cm。才能开始桩基测量放样。
b)桩基放样前，准备好木桩和小钉子，当桩位中心坐标施测出来后，要打上木桩，直到木桩稳固为止，并再木桩顶面精确放出桩位中心坐标后，钉上小钉子。RTK手持杆水泡居中要使用用竹竿支撑，放样误差要小于1cm，桩位中心坐标放样完毕后应实际丈量桩中心间距进行复核，确定无误后每根桩位中心都要做两个以上保护桩，以便随时校核桩位正确性。
c)桩基护筒埋设完成后再用GPS-RTK对桩基中心位置进行复测，使用竹竿支撑使RTK手持杆水泡居中，平面测量误差控制在1cm以内，并对护筒标高进行测量，测量合格后，经测量监理确认后以书面技术交底交予现场技术员，方能进行桩基开钻施工。
2.承台测量放样
1）承台基坑开挖前要在原地面测出高程控制点以指导基坑开挖，当基坑开挖到位后，使用水准仪测出桩基顶面高程，以便破除钻孔灌注桩桩头。
2）破除桩头后，要对每根成桩中心位置再进行一次测量，检查成桩中心位置及设计中心位置是否满足规范要求小于5cm限差，并做好原始数据记录。
3）使用天宝GPS-RTK或全站仪（徕卡1201+）极坐标法测量承台底4个角点或测量承台底十字中心线控制点。使用竹竿支撑RTK手持杆使水泡严格居中，平面严格误差控制在5mm以内。
4）测量完毕后用钢尺丈量各点间距离及对角线距离，确认准确无误后，经测量监理确认后以书面技术交底给予现场技术员，方可进行下道工序施工。
5）承台模板立模后，及时对承台模板进行检查，采用全站仪极坐标法测放承台十字中心线或各承台角点控制点，采用棱镜支架杆，平面误差控在3mm以内，用红油漆做标志点在模板上，根据各点拉线检查模板各部位几何尺寸。并要测出承台顶面高程，并要在模板上标出承台混凝土顶高程。高程误差控制在3mm以内，确认准确无误后，经测量监理确认后再以书面技术交底交予现场技术员。
6）承台放样示意图

3.墩柱测量放样
1）使用全站仪（徕卡1210）极坐标法在承台顶面测出墩柱底部角点或十字中心线控制点，模板固定后使用全站仪测量模板顶口平面位置，采用棱镜支架杆，平面测量误差要小于3mm。使用水准仪测量墩柱顶面高程，高程测量误差要小于3mm。当水准仪施测无法满足要求时，使用全站仪三角高程测量方法测量墩柱顶面高程，要采用全站仪正倒镜法取中值，测量方法及精度要符合三角高程测量规范要求。
2）全站仪对墩柱平面位置放样，每次都必须复核后视角度和距离；水准仪进行墩柱高程放样时每次测量必须依据两个控制点。
3）测量时要由两个以上测量人员分别放样相互检校，以确保测量质量。
4）确认准确无误后，经测量监理确认后再以书面技术交底给予现场技术员。
4支座垫石测量放样
1） 在支座施工前，必须进行平面控制点，高程点复测及墩顶高程复测，并要及相邻标段联测平面和高程控制点。
2） 在墩顶测设出支座垫石角点位置，支座垫石顶面高程可通过各墩顶水准标志高程测设。
3） 采用全站仪（徕卡1201+）极坐标法测量放出支座垫石平面位置，采用棱镜支架杆，平面测量误差要小于3mm。并使用全站仪或钢尺复核相邻支座垫石间距；支座垫石顶部高程使用精密水准测量法控制，将平整度相对误差控制在2mm以内。确认准确无误后，经测量监理确认后再以书面技术交底交予现场技术员。
5.梁安装测量定位
1）梁架前要垫石顶面高程进行复测和支座中心进行测量。高程测量采用DSZ2水准测量，当水准测量精度不能满足要求时，利用全站仪（徕卡1201+）正倒镜测法在墩顶测出一个高程控制点，然后以高程控制点为基准用水准仪测量支座顶面高程。
2）箱梁安装控制测量：先利用墩帽顶部加密控制点架设全站仪及水准仪来控制箱梁轴线及梁顶高程，箱梁安装后，可以在箱梁顶布设加密控制点用来架设仪器控制箱梁安装轴线及顶部高程。
6.现浇箱梁测量放样
1）现浇箱梁模板拼装完成后要用全站仪（徕卡1201+）进行测量放样，采用棱镜支架杆，测定出现浇箱梁轴线位置和平面控制位置及翼缘板位置，再测设现浇箱模板顶面高程。两者相互交替，直到平面位置和高程误差都要小于3mm。确认准确无误后，经测量监理确认后再以书面技术交底交予现场技术员。
2)根据设计要求做好现浇箱梁施工过程预拱度控制，通过箱梁浇筑施工前后沉降观测，得出浇筑施工前后变形量，以摘要：本文结合自已工作体会，总结了AutoCAD、全站仪在工程测量中内业资料计算及管理应用以及全站仪和编程计算器在外业中应用，并结合一些工作中实例作了简略阐述，并对目前工程测量作业提出了自已一些看法。
关键词：AutoCAD 全站仪 编程计算器 坐标图解 资料管理

一、引言
在工程测量中，内业资料计算占有很重要比重，内业资料计算准确无误及速度直接决定了测量工作是否能够快速、顺利地完成。而内业资料计算方法及其所需达到精度，则又直接取决于外业所用仪器及具体放样目标和内业计算所用到办公软件和计算方法。计算机辅助设计（Computer Aid Design 简写CAD，常称AutoCAD）是20世纪80年代初发展起来一门新兴技术型应用软件。如今在各个领域均得到了普遍应用。它大大提高了工程技术人员工作效率。AutoCAD配合AutoLisp语言，还可以编制一些常用计算程序，得到计算结果。AutoCAD特性提供了测量内业资料计算另外一种全新直观明了图形计算方法。
结合我们现正使用徕卡全站仪情况，其可以很方便地进行三维坐标测量，通过AutoCAD内业计算，①、在放样过程中，可以用编程计算器结合全站仪，非常方便地、快速地进行作业；②、运用AutoCAD进行计算结果验证；③、随着全站仪推广和普及，极坐标放样越来越成为众多放样方法中备受测量人员青睐一种，而坐标计算又是极坐标放样中重点和难点，由于一般红线放样，工程放样中元素多为点、直线（段）、圆（弧）等，故可以充分利用AutoCAD设定坐标系、绘图和取点功能，以及结合我们外业所用计算器功能，从而大大减轻我们外业工作强度及内业工作量。以下以冶勒电站厂区枢纽工程一些实例来说明三者在工程测量中应用。

二、测区概况
冶勒电站厂址位于石棉县李子坪乡南桠村，距坝址11KM，距石棉县城40KM。厂区枢纽工程主要包括通风洞、交通洞、出线洞、尾水洞及尾水明渠、主厂房、副厂房、安装间及压力管道、母线道、变电站等分部工程，地下洞长近1600米，涉及到两台（单机为12万kw）机组安装定位。测量区域高程在海拔1990~2200米之间，高差起伏大，夜晚及洞内外作业温差较大，给测量作业带来了一定困难。
三、AutoCAD典型内业资料计算及管理
在测区内加密控制点，经常使用测角交会或测距交会或两者相结合方法，如果我们运用数学公式来计算，则非常繁琐，而且不易检查错误，例如在后方交会中危险圆上。相反，如果我们利用AutoCAD来绘图计算，就简单多了。现针对测角和测距两种方法分别作如下说明：
1、前方测角交会:
如图一所示，A、B为坐标已知控制点，P为待求点，在A、B两点已观测了角度a和b。

我们就可以利用AutoCAD系统软件，根据A、B两点坐标在桌面绘制出A、B两个点，连接AB点得到AB线段，然后分别以A点和B点为基点旋转AB线段a,b角（从图上可直观地分辩方向）。使用ID命令选择交点P，就可以得出P点坐标了。如果图形有检校条件，仍然可以进行坐标差计算。如果在近似平差情况下能满足需要，则可以在图形上进行平均计算并作出标记。
2、前方距离交会：
如图二所示，A、B为坐标已知控制点，P为待求点，在A、B两点已分别利用全站仪测了距离Sa和Sb。

我们就同样可以利用AutoCAD系统软件，根据A、B两点坐标绘制出A、B两个点，连接AB点得到AB线段，然后分别以A点和B点为圆心，以Sa和Sb为半径作圆，则得到P点和P’点（对照现场方位情况，从图上可直观地分辩出其中一点P为所求，而另一点P’则是虚点，是我们不需要）。使用ID命令选择交点P，就可以得出P点坐标了。在实际工作过程中，我们通常会将前方测角交会及前方距离交会进行组合应用，当然那就不一定要将所有条件都完成测量了。另外对于以上几项对坐标应用，应该注意就是AutoCAD中坐标顺序及我们测量中大地坐标系是有区别，也就是要注意X坐标和Y坐标对应关系。
3、对作业资料管理：
AutoCAD在工程中除对测量内业资料计算有其优势一面，在外业资料管理方面，同样有着非常广泛应用。AutoCAD作为有名工程系列应用软件平台，已经为广大工程技术人员所熟悉并掌握。在测量外业资料中，主要是控制点网略图及其计算资料管理，另一方面是各种开挖横断面、纵断面图绘制，以及横断面面积计算，以及其它一些需要图纸绘制。由于AutoCAD已经有很强数学计算功能和很高数学精度，其有效位数已完全能够满足我们在工程测量中需要了。在冶勒电站工作期间，我们就将所有图纸、所有工程量表格及文档进行分类，其重点是对图纸文件利用AutoCAD进行总图绘制，在以后工作中，就可以在总图上进行查找了。
4、应用实例：
现结合我们工作实际，作一些实际应用上说明：我们承担了冶勒水电站厂区枢纽工程施工测量工作，进场之际我们就建立了一级导线闭合环，观测资料经平差后，将坐标点大地坐标输入AutoCAD平台，得到图三所示，以后随着工程进行，我们陆续加密了一些支导线点，同样将坐标成果录入，这样从真正意义上，实现了坐标资料数字化管理，这也方便了以后坐标管理，同时也方便了以后在一些特殊情况下图形应用。具体地讲就是，依据设计提供结构关系，在图中设立足够施工坐标系（以我们在外业放样中设站所需为准）并保存之。在以后工程应用中，我们只需打开对应坐标系，利用ID命令点取我们需要点，其对应坐标也就出来了。

下面举例给予说明：在尾水洞、尾闸室交叉段工程中，存在一个三直段夹两弧段情形，如图四所示：

当时设计代表提供了如图示图形尺寸关系，以及C点大地坐标和其以外段大地方位角，尾闸室以内段一些结构关系。如果单凭以往经验和仪器条件，需要建立圆方程，求解二元二次方程，才能求出圆弧对应圆心大地坐标，之后才可进行下面计算并结合仪器考虑放样方法。但是，我们将这个问题放到AutoCAD软件平台上来看，就变得非常简单了。具体操作如下：
先在AutoCAD软件平台上，依据C点大地坐标将C点录入，并依据过C点直段洞轴线方位角及其长度绘出过C点洞轴线，依据设代提供尺寸关系，得到P1、P2点，然后利用AutoCAD绘制圆弧，使其分别过P1、C点和P2、C点，使之满足R=28.00米，并符合图形方向。再利用AutoCAD标注功能，分别进行两段圆弧圆心标注O1、O2点，利用AutoCADID命令就可以得到O1、O2点大地坐标了。将之分别及P1、P2用直线段连接。考虑洞室方向，再分别过P1、P2点作P1O1、P2O2垂线P1X1、P2X2，利用AutoCAD方便坐标系设置功能，分别建立以P1点、P2点为坐标系原点，P1X1、P2X2为X轴测量施工坐标系然后再将其坐标系移到（0，-N）处并分别命名保存。到此，则我们两个辅助施工坐标系建立完成，这两个坐标系保证了X轴及过P1（或P2）圆弧相切（这一点将非常有利于我们下一步全站仪及编程计算器应用）。将我们测得控制点大地坐标输入图形中，直接就可以得到该控制点相应施工坐标和施工坐标方位角了。

四、全站仪和编程计算器在外业中应用
我们目前使用全站仪为瑞士产徕卡605L型全站仪，其本身已具备利用坐标进行工作能力。对我们实际工作中一些三维坐标放样，就可以利用AutoCAD建立数字化模型，先用编程计算器在计算机AutoCAD平台上进行模拟检验，经检验程序正确后，再将之用于外业放样。对于露天点线，我们就可以尽量直接利用全站仪坐标放样功能，将所需放样点施工坐标输入全站仪，正确操作就可以得到正确所需点位了。现在讨论重点是针对地下工程中一些特殊情况下点位放样。例如：地下厂房开挖红线放样和有关结构点放样，地下洞室开挖红线放样，又特别是地下转弯段开挖红线及其相关一些结构点放样。对地下厂房而言，其顶拱跨度大，主厂房达24.36m，其顶拱半径也有17m。在施工过程中，业主、监理、设代及施工四方均提出明确要求，要严格控制超挖，禁止欠挖，这就从放样方法上对我们测量人员提出了更高要求。经过我们反复比较，最后决定利用全站仪结合编程计算器，在现场进行三维施工坐标测量，再进行相关计算，从而放出所需红线点，事实证明，我们方法是得当、合理，取得效果也是较为理想。下面分分两个方面来说明。

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1、 无平面转弯情况下计算：
如图五所示，其具体编程思路如下：
首先，我们建立以Ｂ1Ｂ2机组中心线为Ｅ方向，垂直Ｂ1Ｂ2方向向下游方向为Ｎ方向，以Ｂ1点坐标原点建立施工坐标系。

   现假定我们要放顶拱开挖红线，实测点P坐标为（E，N，H），则利用几何关系，可以计算其对应N坐标下设计H坐标或对应H坐标下设计N坐标，这就及我们实测坐标产生了H坐标差ΔH或N坐标差ΔN。则
ΔH1 =2036.368-17.00+√（17.002-(N+1.55)2）-H
ΔＬ2＝17.00-√（(N+1.55)2+(H-2019.368)2）
ΔH3=2035.368-(15.36-√（15.362+(N+1.55)2）)-H
ΔＬ4＝15.36-√（(N+1.55)2+(H-2020.008)2）
ΔN=T×（N+1.55-T×√（17.002-(17.0-（2036.68-H）)2））
上述诸式中，ΔH1 、ΔＬ2分别为开挖红线高程差值和径向方向上差值，ΔH3、ΔＬ4分别为顶拱混凝土结构表面高程差值和径向方向上差值。
在ΔN式中：T=1,代表N≥-1.55，即厂房下游侧；T=-1，代表N＜-1.55 ，即厂房上游侧（如图示，厂房中心线及机组中心线平行距为1.55m。
ΔH为正，测点应上移ΔH距离即为红线，反之ΔH为负，测点应下移ΔH距离即为红线；
ΔN为正，测点应向靠近厂房中心线方向移ΔN距离即为红线，反之ΔN为负，测点应向远离厂房中心线方向移ΔN距离即为红线。同样，在厂房顶拱混凝土衬砌过程中，我们需要对顶拱立模线进行放样和模板检查，其混凝土结构下边沿线半径为R=15.36米，有跨度大和难度大重要特点。在模板放样过程中，其情况及开挖红线放样又有一些不同点，我们没有将其作出相对厂房轴线上下游之分，根据施工现场实际情况看来，其只有铅垂方向调整。在做模板检查时，相对来说，我们作业环境将更加不利（有时可能无法通视），针对实际情况，我们一般采用将反光三棱镜高度保持某一定值或者者使用微棱镜，将其沿顶拱模板圆弧径向方向上放置，然后在计算时针对模板只有径向上上下移动调整。在模板放样及检查中，我们同样要利用编程计算器进行现场计算，其计算原理类似于开挖红线放样计算，只不过进行模板检查计算时，其计算程序中高程基准应以其混凝土结构面圆弧对应圆心高程为基点，再结合其半径求其差值作调整。在AutoCAD软件平台上，可以非常方便地进行放样点坐标和模板点坐标有效验证。即通过在AutoCAD应用平台上建立地下厂房三维模型，在这个三维坐标系中，我们直接任意输入一个在厂房平面范围内三维点坐标，从应用平台上可以直观地看到该点是否为红线或及红线或是否为模板点线关系，同时我们用编程计算器对该输入三维点坐标进行计算，得出一个结论，就可以作为互相验证依据了。
针对冶勒电站情况及其在地下洞室设计上要求，一般都有一定坡度以利排水等，传统洞室开挖放样是在洞外或已开挖段布设基本导线，然后运用经纬仪和水准仪、钢尺配合，在掌子面上寻出开挖断面圆心、中心线、腰线等。这种传统作业方法在实际操作过程中很不易操作，而且误差较大，也易出错。一般情况下，掌子面不会是一个标准铅垂面，而通常隧洞都具有一定坡度，有时甚至坡度很大，这时应该先考虑将非铅垂面设计开挖（结构）线进行相关转换，具体操作可在AutoCAD软件平台上进行，也可直接在编程计算器上进行。如通风联系洞，坡度达0.3039。其设计开挖顶拱为圆弧，而在铅垂面则为椭圆弧了，则我们可以利用AutoCAD软件平台建立其纵横断面空间模型，求出该椭圆弧长、短半轴，从而得到其对应椭圆方程，再利用编程计算器编写相应程序，之后在AutoCAD软件平台进行验证，结果符合良好。这样就可以充分避免一些特殊情况下易造成欠挖（如，掌子面不平整等）。
2、有平面转弯情况下计算：
而对稍复杂一点情况，如通风洞转弯段、尾水洞三叉口段，在开挖过程中，掌子面根本没法保证是同桩号，及砼衬砌过程中为保证各仓号端面均为同桩号，则必须利用编程计算器在现场施工坐标系间坐标转换计算。对于地下洞室转弯段，则主要应考虑其施工坐标平面转换，假如要采用一些传统放曲线方法，众所周知，由于地下通视不好，则很可能是没办法放样，而利用全站仪结合编程计算器，进行一些优化后施工坐标测量，则变得容易多了。从冶勒水电站厂区枢纽工程施工情况来看，运用上述组合方法，能够较好地控制超挖和保证开挖效果。
参见图四，以尾水洞转弯段为例：通过前述坐标设站，待测得坐标点，应用编程计算器将之转化成洞轴线（曲线）上坐标，再以之进行相关对应断面高程和平面坐标计算。其具体编程思路如下（以P1C段为例）：
利用解析几何关系，求出O1P点平面距离SO1P，则E’=28.00-SO1P。计算出O1P1，O1P夹角，则可以得到N’，再以E’、N’代入洞挖空间模型计算程序中，计算出高程位移ΔH和平面位移ΔE就可以了。其程序关键式如下：
Q=tan-1((L-37.35)÷（28-D）)
N=37.35+Q×π÷180×28
E=28-√（（28-D）2+(L-37.35)2）
I=2002.86+(343.947-N) ×.003-(3.2-√(3.22-E2))-H
J=1999.66+(343.947-N) ×.003+√(2.82-E2)-H
上述诸式中，直接数据为设计提供图形尺寸，L、D为我们对纵、横坐标观测值，N、E为我们根据曲线关系计算而得纵、横坐标值，I、J为我们以所测点高程对应根据设计断面图形计算顶拱开挖和顶拱结构混凝土表面高程差值，即ΔH。而ΔE就应以所计算E及设计值进行比较而得，这里就不再赘述了。
五、结束语
针对地下洞室施工环境，如果能够运用更先进，具有无标志测距，红外线导向功能全站仪，如TCRA1100系列全站仪配合TMS断面测量系统后处理软件。目前较为先进多功能全站仪断面测量系统是专为地下工程施工测量中断面测量及炮孔测设而研制开发软硬件结合自动化系统，它就充分利用了徕卡TCRA型全站仪激光无棱镜测距和马达驱动等功能，实现了断面测量野外数据采集软件控制和自动采集，从而达到在地下洞室断面测量自动化、数据化及计算机化。这套系统组合优点是：采用最新无反射棱镜技术和伺服马达技术，全自动完成断面测量、围岩变形测量、炮孔定位、容积测量等多项工作，真正做到一机多用、功能强大、品质卓越、经济实用。它们将可以更好地减轻测量人员外业劳动强度，更好地提高测量作业效率和作业精度，但是随着更先进仪器投入，必然存在成本增加，对我们测量人员能力要求必然也将更高。有理由相信，随着全站仪开发技术提高和工程技术人员素质提高，作为施工测量必将拥有更加广阔发展空间。

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圆弧拱（等截面或变截面）放样计算
1、使用说明
1.1小跨径拱圈采用半径放样；
1.2中、大跨径拱圈（肋），采用坐标放样。
2、功能及适用范围
2.1 拱圈弧长、半径、及拱脚坐标计算；
2.2 拱圈内弧线上任意点坐标计算。
3、程序清单

File  YUAN HU GONG
L“L0”：F“F0”←
R“R1”=（L^2+4F^2）/8F◢
Z=0=＞Goto 1：≠＞Goto 2⊿
Lbl 1←
J=sin-1(L/2R)←
S“S1”=2RJπ/180◢
K=L+HsinJ←
E“R0”=K/2sinJ◢
G“S0”=2EJπ/180◢
N“R2”=E+H/2◢
S“S2”=2NJπ/180◢
X“X0”=HsinJ◢
Y“Y0”=HcosJ◢
Goto 3←
Lbl 2←
C“LY”←
I=180C/Rπ←
X“X”=R sinI◢
A“Y”=R（1-cosI）◢
B=D（1+4（L/2-X）^2/L^2）←
Y“GY”=A+B◢
Lbl 3←
“END”

符号意义：

Z=0 ——拱圈半径、弧长及拱脚坐标计算；
Z≠0——拱圈内弧线上任意点坐标计算；
D  ——拱顶预拱度（L0/400~ L0/800）；
LY ——从拱脚至计算点拱圈内弧长度；
X，Y——及LY相应纵横坐标；
F  ——矢高；
F0 ——净矢高；
X0，Y0——拱脚纵横坐标；
H  ——拱圈厚度（变截面拱脚处）；
GY ——加预拱后纵坐标；
L0 ——净跨径；
S1、S2——拱圈内外弧长度；
R1、、R2——内外弧半径；

下面是一个等截面圆弧拱EXCEL计算实例，可用来检核上述CASIO4800P程序计算结果。

便后期现浇箱梁预拱度调整。
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