全站仪对边测量在跨河水准测量中的应用.doc

中铁二十四局集团福建公司QC成果 全站仪对边测量在跨河水准中的应用

中铁二十四局集团
福建铁路建设有限公司QC成果

全站仪对边测量
在跨河水准中的应用

中铁二十四局集团福建公司测量QC小组
2006年2月20日

第 2 页 共 17 页

目 录

一、 课题介绍 ………………………………………………… 1
二、 小组概况 ………………………………………………… 2
三、 选题理由 ………………………………………………… 3
四、 确定目标 ………………………………………………… 3
五、 方案选择 ………………………………………………… 4
六、 制定对策 ………………………………………………… 7
七、 实施阶段 ………………………………………………… 8
八、 效果检查 ………………………………………………… 12
九、 巩固措施和标准化 ……………………………………… 13
十、 总结及今后的打算 ……………………………………… 14
十一、 附录：小组活动记录一览表 ………………………… 15

第 1 页 共 1 页

一、 课题介绍
1、 名词解释
(1) 全站仪对边测量：根据三角高程测量原理和余弦定理，用全站仪间接地测定远处两测点间的斜距、平距、高差，如图1所示。在P点安置全站仪，测量P至P1、P2的斜距S1、S2和竖直角α1、α2，以及水平角β，即可求得P1P2的平距D和高差h。

制 图：洪 淮 斌 日 期：2004年12月16日
(2) 跨河水准：利用各种技术测量江河两岸水准点间高差的过程。
2、 工程概况
福州市湾边大桥是福（州）至厦（门）高速公路复线工程的配套控制工程，是福建省重点工程。大桥位于福州市湾边和闽侯县南屿，跨越福州市两大河流之一的乌龙江，大桥全长1874m，其中跨江部分1500m，主航道宽约500m。
该桥桥位靠近闽江口，每天受两次潮汐影响，退潮时除主航道外均为沙滩，徒步可通行。主航道水深且急，徒步无法通行。
为了保证大桥施工放样的精度，保证大桥顺利合龙，必须对设置在两岸上的水准基点进行联测。
3、 课题难点和特点
(1) 河面宽：既使在完全退潮期间，河面宽度仍有500m左右；
(2) 精度高：《规范》规定——桥梁高程施工控制网中，跨河两水准点间高差的中误差≯2mm；
(3) 仪器少：公司没有跨河水准测量所需的高精度水准仪和特制觇牌；
(4) 时间紧：建设单位要求在1月28日前举行开工典礼，为此项目部要求在1月21日前完成大桥的平面、高程控制测量及施工复测工作。
二、 小组概况
1、 小组概况
小组名称
中铁二十四局集团福建公司测量QC小组
注 册 号
FTJS:2005-010-012
小组类型
创 新 型
成立日期
2004年12月 1日
登记日期
2004年12月 1日
重新登记日期
2005年 1月10日
小组人数
5人
QC教育时间
平均48小时以上
活动时间
2004.12.10～2005.3.10
活动次数
8次
制 表：洪 淮 斌 日 期：2004年12月 1日
2、 主要成员
序
姓 名
性别
年龄
职 称
文化程度
组内职务及分工
1
洪淮斌
男
32
工程师
大学
组 长
2
王 澄
男
28
助 工
大学
副 组 长
3
林 凡
男
29
助 工
中专
对策实施／记录整理
4
戴天荣
男
34
工程师
大专
对策实施／资料收集
5
刘传标
男
62
高 工
大学
技术顾问
制 表：洪 淮 斌 日 期：2004年12月 1日
三、 选题理由
(1) 湾边大桥是福建省重点工程，业主、公司、项目部对该工程的施工提出了很高的要求；
(2) 湾边大桥主桥为45+90+106+90+45m单肋拱加劲V型撑刚构－连续梁，引桥为预应力连续箱梁，高程控制是施工的关键之一；
(3) 《规范》对跨河水准点间高差提出了很高的要求；
(4) 公司目前没有配备跨河水准测量所需的高精度水准仪。
四、 确定目标
1、 活动目标
活动目标
精确：跨河水准点间高差中误差＜2mm
高效：按业主要求的时间完成测量

制 图：洪 淮 斌 日 期：2004年12月13日
2、 可行性分析
(1) 小组成员具有丰富的工程测量经验，扎实的理论基础；
(2) 小组成员具有良好的团队精神和很强的创新能力；
(3) 公司和项目部领导非常重视工程实施的每一个环节，并且在人员、设备等方面给予大力支持。
经过分析论证，小组成员一致认为此目标能够实现。
五、 方案选择
1、 制定方案
通过熟读《规范》、查阅各种专业测量书籍、向兄弟单位咨询，结合现场地形条件和以往的施工测量经验，我们初步拟定了三种可行的跨河水准测量方案。
跨河水准测量方案
编号
测 量 方 案
所 需 的 仪 器 设 备
一
传统的跨河水准测量
S1或S0.5高精度水准仪，特制觇牌
二
光电测距三角高程测量
全站仪或光电测距仪
三
全站仪对边测量
全 站 仪
制 表：王 澄 日 期：2004年12月17日
2、 方案比选
为了保证跨河水准测量方案经济可行、结果准确可靠，并能如期完成，我们运用头脑风暴法，对三个方案的优、缺点进行细致、全面的分析讨论，为下一步方案评估以及确保方案顺利实施打下坚实的基础。
跨河水准测量方案优、缺点对照表

优 点
缺 点
方 案 一
Ø 《规范》及各专业书籍中对观测的等级、方法、限差均有明确规定，按部就班即可顺利完成测量任务；
Ø 有成熟的经验可供借鉴；
Ø 结果的可靠性和准确性较高；
Ø 需购置两台高精度水准仪；
Ø 需专门制作观测用的觇牌；
Ø 需两台仪器同步对向观测；
Ø 测量操作较为繁琐，而且要求严格，对观测者、立尺者均有较高要求；
方 案 二
Ø 不需要另购仪器，可直接利用公司现有的仪器；
Ø 可收集到相关的经验供参考；
Ø 需对向观测，要求对向观测的大气条件相同或相近，受天气尤其是大气折光的影响很大；
Ø 测量时间较长；
Ø 测角的精度要求很高，远距离的高差精度很难保证；
Ø 可供参考的成功经验不多；
方 案 三
Ø 不需要另购仪器，可直接利用公司现有的仪器；
Ø 一次置镜即可完成观测，受天气和环境条件的影响小；
Ø 结果直接显示，人为误差小；
Ø 测量操作简单、快捷；
Ø 结果的可靠性和准确性较高；
Ø 可供参考的资料很少；
Ø 棱镜高度的量取误差较大；
Ø 对全站仪的精度、稳定性、可靠性要求较高；
制 表：洪 淮 斌 日 期：2004年12月23日
3、 方案分析及评估
为了保证测量结果准确可靠，并用最经济的方案顺利完成跨河水准测量任务，我们在对三个测量方案的优、缺点进行比较的基础上，进一步对其可行性进行分析，并在小组内采用民主的方法对这三个方案进行评估，由此得出最终的结论。
方案评估时我们借鉴了加权平均的做法，经过充分的讨论，我们筛选出下4个因素作为测量方案评估的主要因素，并根据测量专业的特点确定了各因素的权重，具体如下：a——可靠性，权重为5；b——准确性，权重为4；c——易操作性，权重为2；d——经济性，权重为1。每个因素的满分为5分。
跨河水准测量方案评估表

可行性分析
评 估
结论
方 案 一
ü 多年总结形成的成熟的测量方案，结果的可靠性、准确性都较高，是跨河水准测量的首选；
ü 购置仪器需投入2～3万元，还要制作专用的观测觇牌；
ü 测量过程较为繁琐；
ü 公司缺少这方面的成功经验；

洪
王
林
戴
刘
得分
备选
a
5
5
4
4
5
115
b
5
5
4
4
5
92
c
2
2
1
2
4
22
d
1
1
1
1
2
6
合 计
235
方 案 二
ü 在理论上是可行的，但影响因素太多，包括大气条件等；
ü 测量结果的误差与距离成正比，测量结果的精度不易保证；
ü 测量过程最为繁琐；
ü 无需增加投入；

洪
王
林
戴
刘
得分
否定
a
3
3
3
2
2
65
b
3
3
3
3
2
56
c
4
3
3
3
2
30
d
5
5
5
5
4
24
合 计
175
方 案 三
ü 在理论上是可行的；
ü 各影响因素的影响值可控制在一定范围内；
ü 测量结果可靠性、准确性较高；
ü 测量方案简单，易于掌握；
ü 无需增加投入；

洪
王
林
戴
刘
得分
首选
a
5
4
4
3
3
95
b
5
5
4
4
3
84
c
5
5
4
5
3
44
d
5
5
5
5
4
24
合 计
247
制 表：洪 淮 斌 日 期：2004年12月23日
4、 结论
经过综合分析和民主评估，方案三即全站仪对边测量方案以其较高的可靠性和准确性、实施简单、无需增加投入，并可充分挖掘全站仪的潜力等优点受到了小组成员的青睐，一致同意将该方案定为首选方案。
六、 制定对策
方案确定后，我们应用5W1H方法，分析论证该方案实施中存在的问题和难点，并制定了相应的对策，具体如下表：
全站仪对边测量方案对策表
序
问 题
对 策
目 标
措 施
负责人
时 间
1
测角精度对测量结果影响大
提高角度测量精度
测角精度的影响值控制在可接受的范围内
使用经检定合格的高精度的全站仪；选择合适的天气和地形；减少仪器系统误差
洪淮斌
林 凡
2004.12.31
～
2005. 1.20
2
棱镜高度误差大、棱镜下沉
提高棱镜量高精度，降低下沉影响
误差控制在1mm以内
采用水准仪测量棱镜高度；观测过程中多次量取棱镜高；优化对边测量观测顺序
洪淮斌
王 澄
2004.12.31
～
2005. 1.20
3
大气折光、地球曲率及环境的影响
降低影响的程度
将影响降低到可接受的程度
通过查阅资料、现场调查，借鉴他人成功经验；优化跨河位置；
洪淮斌
戴天荣
2004.12.31
～
2005. 1.10
4
应观测多少测回，限差如何控制
确定观测的测回数和限差计算公式
保证测量结果的准确性和可靠性
从理论上分析计算所需测回数；通过查阅资料，确定观测限差的计算公式
洪淮斌
2004.12.31
～
2005. 1.20
制 表：林 凡 日 期：2004年12月31日
七、 实施阶段
1、 实施一：制定措施，提高测角精度，保证成果精度
为了保证所制定的措施更有针对性，我们首先从对边测量的原理入手，运用误差理论对其进行分析。
根据全站仪对边测量原理，由误差传播定律可得，全站仪对边测量高差的中误差公式如下：

其中，，。则由此可知，高差误差的主要来源是距离、和测角精度，为此我们采取了如下措施：
(1) 使用公司拥有的测角精度为1″的全站仪TOPCON GTS601。
(2) 确保仪器处于正常的合格状态：该仪器1个前刚刚经省计量检定站检定合格，各项技术指标均符合其标称值。
(3) 选择合适的天气施测对边测量：选择在风力微弱以及气温变化较小、呈像清晰稳定的阴天进行。
(4) 选择最佳的地形：经过多次实地踏勘，我们巧妙地利用北岸河堤丁坝和码头这些有利地形（如图2），不仅缩短了跨河的距离，而且使前、后视边长接近，两岸临时水准点高程相近且与置镜点的高差都很小。这避免了观测过程中全站仪多次调焦所带来的影响，提高了测角、测距的精度。
制 图：戴 天 荣 日 期：2005年 1月12日
(5) 观测时，全站仪微调螺旋最后旋转方向均为“旋进”，并严格按有关操作要求进行作业。
2、 实施二：采用水准仪量高法，提高棱镜高测量精度
如果采用钢尺按斜量法量取棱镜高度，其精度约为±2～3mm，对于高精度的跨河水准来说，这个精度显然是无法接受的。同时，主航道南侧的临时水准点设在沙滩上，观测过程中棱镜的下沉是在所难免的，如何减少这方面的影响这也是我们应考虑和研究的问题。
(1) 经过查阅资料和论证，我们采用水准仪法测量棱镜的高度，将其精度提高到±0.2mm。具体做法如下：
在离棱镜2.5～3.5m处安置水准仪，用直尺（毫米刻划）的零点对准棱镜觇牌中心，用水准仪读出直尺上的读数，估读至0.1mm。对边观测前、后及观测半数测回时各读取一次直尺的读数，取其平均值；移去棱镜后，立即在转点上立水准尺，并用直尺对准水准尺的整数刻划，用水准仪读出直尺上的读数，估读到0.1mm，再加上水准尺的整数刻划。这两个数值之差即为棱镜高。
(2) 对边测量观测前、后及观测到半数测回时各用水准仪测量一次棱镜，取其平均值。
(3) 对边测量的观测顺序进行优化调整：奇数测回的观测顺序为“后－前－前－后”，偶数测回的观测顺序为“前－后－后－前”。
3、 实施三：优化跨河方案，减少大气、环境的影响
全站仪对边测量的基本原理还是三角高程测量，因此大气折光、地球曲率等因素对测量结果的影响是不容忽视的。为此，我们采取了如下措施：
(1) 查阅大量的资料，借鉴三角高程测量的成功经验。
(2) 采用推荐的大气折光系数0.13，并输入全站仪中实时进行改正。
(3) 测量全站仪仪器中心附近的温度（读记至0.2℃）和大气压（读记至1Pa），并输入全站仪中实时进行改正。
(4) 观测前打开仪器箱半小时以上，以使仪器温度与环境温度一致。
(5) 前后视边长、高差相近，减少地球曲率、大气折光的影响。
(6) 两岸的临时水准点到水边的距离、距水面的高度相近，保证前后视线通过的环境相近，降低环境条件的影响。
4、 实施四：理论分析计算，确定对边测量的测回数和限差
由于规范中没有全站仪对边测量用于跨河水准测量的资料，仅有光电测距三角高程应用于四、五等测量的资料。为了保证测量成果的可靠性和准确性，我们从理论上进行分析计算。
(1) 测回数的确定：
我们拟采用的全站仪测角精度为1″，测距精度为2mm+2ppm，根据现场情况，前、后视的竖直角均不会大于5°，距离均不大于600m，分析时我们取，，根据对边测量高差的中误差计算公式有：

也就是说，在此条件下，全站仪对边测量观测一测回的高差值的中误差为4.14mm，如果观测5个测回，其高差中误差为，就完全能够满足《规范》中“桥梁高程施工控制网中，跨河两水准点间高差的中误差不应大于2mm”的要求。
(2) 测量限差的确定
《规范》规定光电测距三角高程对向观测较差的限差为：

《规范》规定水准仪跨河水准测量各测回高差互差的限差为：

经过分析比较，我们采用后者作为高差观测一测回较差的限差。
八、 效果检查
1、 实测结果
根据分析论证结果，我们于2005年1月20日组织实测，经过计算和验证，测量取得了成功。测量结果如表1所示。
湾边大桥对边测量(跨河水准)成果表
测回
对 边 测 量 结 果
棱 镜 高 度
高 差
（m）
dD
dh
高 差互 差
高 差
均 值
LBM1
LBM2
1
402.6840
1.3912
-10.0
1.3962

402.6748
-1.4012

2
402.6766
1.3948
-6.0
1.3978

402.6672
-1.4008

3
402.6840
1.3900
-8.6
1.3943

402.6772
-1.3986

4
402.6814
1.3880
-9.2
1.3926

402.6770
-1.3972

5
402.6792
1.3930
-9.6
1.3978

402.6762
-1.4026

6
402.6798
1.3986
-9.4
1.4033

402.6802
-1.4080

均值
402.6781

±19.8
1.3970
1.4265
1.5092
1.3143
制 表：林 凡 日 期：2005年 1月20日
实测D1＝501.3638m，D2＝458.6422m，，，则实测的高差中误差为：

计算结果表明，测量结果满足规范要求，达到了我们预期的目标。我们的测量结果同时也通过了监理单位的验证。
2、 经济效益
通过此次QC活动，一方面节省了购置高精度水准仪的费用2万多元；另一方面，本方案大大缩短了水准路线的长度，仅用时一个半小时就完成了全桥的高程控制测量，大大提高了工作效率。
3、 技术效益
通过此次QC活动，我们对全站仪的应用有了进一步的认识，改变了一些组员“全站仪就是测角、测距和坐标放样的工具”的片面看法。同时，总结出一种新的跨河水准测量方法，这让我们在今后的工程实践中又多一种选择。
4、 社会效益
我们的跨河水准测量方案得到了监理单位的好评，监理单位对我们的工作态度、业务能力给予了充分肯定。
本次QC活动的成功，极大地鼓舞了小组的每一个成员，增强了大家的自信心，也进一步增强了团队的凝聚力和创造力，培育了小组成员勇于开拓、敢于创新的精神。了强代行箱半小时以上以使仪器适应环境温度，挖掘全站仪的潜力，受到
九、 巩固措施与标准化
我们已将本次测量的方案形成《作业指导书》，并被收编到公司的《工程施工测量指导书》中，在公司内推广。另外还撰写发表论文一篇“全站仪对边测量技术在跨河水准中的应用”，详细介绍了测量的实施、精度的控制以及测量中应注意的事项，供广大同行在类似工程中借鉴。
十、 总结及今后打算
通过本次QC活动，完成了我们制定的“精确、高效”的目标，为湾边大桥的如期顺利开工创造了有利条件；进一步挖掘和发挥了施工单位的常规武器——全站仪的功能；增强了小组成员对QC知识的了解和应用，以及综合运用专业知识的能力。从小组的自我评分表也可以看出每个组员对本次活动的真正体会！
小组自我评分表
项 目
质量改进意识
解决问题能力
QC知识水 平
顾客满意程度
团 队
精 神
自我评价
活动前（分）
2
2
2
4
3
活动后（分）
4
4
4
5
5
制 表：洪 淮 斌 日 期：2005年 3月10日
这次QC活动虽然达到了预期的目标，结果令人满意，但我们在实施过程中也发现了一些问题，比如：棱镜高度的量取方式虽然精度高，但操作略嫌麻烦，而且这各方法需要的人员、工具也较多，有没有更合适的方法呢？还有能否采用GPS（全球卫星定位系统）实现跨河水准测量呢？这些将是我们测量QC小组今后要重点攻关课题！
附：
小组活动记录一览表
序号
活动时间
活动内容
参加人数
主持人
1
2004.12.10
确定课题、人员分工、活动计划
5
洪淮斌
2
2004.12.13
确定活动目标及目标可行性分析
5
洪淮斌
3
2004.12.17
提出各种测量方案
5
洪淮斌
4
2004.12.23
研究、分析、确定最佳测量方案
5
洪淮斌
5
2004.12.31
制定对策，研究实施方案
5
洪淮斌
6
2005. 1.20
方案实施
5
洪淮斌
7
2005. 1.21
实施效果检查
5
洪淮斌
8
2005. 3.10
制定巩固措施及活动总结
5
洪淮斌
制 表：洪 淮 斌 日 期：2005年 3月10日

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