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武汉市过江隧道控制测量技术设计书

编写：安永强
审核：彭青山
审定：杨祥平

武汉市勘测设计研究院
二〇〇五年一月

武汉市过江隧道控制测量技术设计书
一、任务概况
（一）工程概况
受铁四院委托，我院承接了武汉市过江隧道的控制测量任务。武汉市过江隧道江北部分从大智路与铭新街交汇口起，沿大智路穿过中山大道，转向北京路，再穿过沿江大道，从汉口江滩与武汉港间入江。江南部分从交通部长江船舶设计院出江，穿过和平大道、武汉理工大学（原航运学院）、友谊大道，最后止于沙湖，全长约3.6公里（不含匝道）。本项目布设的控制测量网是作为隧道井口开挖、路线放线、中桩测量、横断面测量作业的平面、高程起算依据。
（二）可利用资料情况
经全面收集资料，我院现有城市二等平面控制点ⅡΔ船舶设计院、ⅡΔ岱家山、ⅡΔ禁口、ⅡΔ湖北医学院等4点，可作为平面精密导线控制网起算依据。沿线有我院2001年经复测检测的二等水准点ⅡCH010、Ⅱ37-1、Ⅱ77、Ⅱ79等4点，可作为高程控制网起算依据。以上控制点经调查标石稳固，成果可靠。沿线我院已有的1：2000地形图及铁四院提供的隧道平面设计图可做工作底图；沿线原有各等级平面、高程控制点可供选点参考利用。
二、技术要求
（一）作业依据：
（1）《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》（GB50308-1999）
（2）《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T 18314-2001）
（3）《城市测量规范》（CJJ8-99）
（4）《公路勘测规范》JTJ061-99
（5）《国家一、二等水准测量规范》GB 12897-91
（6）招标单位提供的有关资料
（7）本项目技术设计书
实施中以《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》（GB50308-1999）为主，其未列内容参照其它规范执行。
（二）坐标系统及高程系统：
平面坐标系采用1954年北京坐标系，高程系统采用1985国家高程基准。
（三）布网原则：
布网以点位稳固、方便施工使用为原则，沿线路独立布设。GPS点至少有一个以上通视方向；隧道洞口、竖井应设置三个平面控制点及两个以上水准点。
（四）精度规格：
平面控制网主要精度指标见表1、表2
表1 GPS控制网的主要技术指标
平均边长(km)
最弱点的点位
中误差(mm)
相邻点的相对点位
中误差(mm)
最弱边的
相对中误差
与原有控制点的
坐标较差(mm)
2
±12
±10
1/90000
<50
注：限于城市通视条件限制，GPS网边长要求可适当放宽，但不应短于1500米。
表2 精密导线测量的主要技术要求
平均
边长
(m)
导线
总长
(km)
每边测距
中误差
(mm)
测距
相对
中误差
测角
中误差
(")
测回数
方位角
闭合差
(")
全长
相对
闭合差
相邻点的
相对点位
中误差(mm)
Ⅰ级
全站仪
Ⅱ级
全站仪
350
3~5
±6
1/60000
±2.5
4
6
±5
1/35000
±8
n为导线的角度个数；Ⅰ级全站仪：±1"，1+1ppm; Ⅱ级全站仪：±2"，3+2ppm;
注：1）精密导线网的平均边长、总长度与城市一级光电测距导线类似，精度要求与四等导线类似，施测方法按四等导线观测方法实施。
2）精密导线网的总长度小于3公里时，其绝对闭合差应不超过±16mm。
3）精密导线网的平均边长大于350米或总长度大于5公里时，其绝对闭合差应不超过±32mm。
精密水准网主要技术要求见表3
表3 精密水准网的主要技术要求
每千米高差
中数中误差(mm)
附合水准路线平均长度(km)
水准仪等级
水准尺
观测次数
往返较差、附合或环线闭合差(mm)
检测已测段高差之差
与已知点联测
附合或环线
偶然中误差
全中误差
±1
±2
2~4
DS1
配套铟瓦尺
往返测各一次
往返测各一次
±4
±6
注：1）精密水准网外业观测参照城市测量规范中二等水准测量的要求进行。
2）对起算水准控制薄弱地区，水准路线长度可适当放宽，其最弱点高程中误差应不超过±4。
三、工程实施
（一）埋石规格及点号编制：
根据武汉市实际情况，平面控制点埋石种类分为地面标石和建筑物上标石两种，并应充分利用沿线标志完好的原有控制点（含前期控制网的控制点）。精密水准点在标志稳固、符合要求前提下，应充分利用原有城市控制点点位；应充分利用沿线联测方便，基础稳固的、建成1年以上的多层（高层）建筑的沉降监测点；平面控制点标志也可作为水准点。
点号由北至南依次编制：GPS点采用GP××（01~99），精密导线点采用CP××（01~99），精密水准点采用LP×××（01~99）。
埋石时应现场绘制点之记，详细说明点位的交通路线及地理名称等。
各类标志示意图见下图：

(二)控制网的布设：
平面控制网在城市二等网下，分两级沿线路布设：一级为GPS控制网，联测原城市平面二等控制点禁口、岱家山、船舶设计院、湖北医学院4点做为起算。由于线路为条状，点位以沿线路成对布设为主；在一级GPS控制网的基础上布设二级精密导线，主要按附合导线形式布设。
沿线路有我院城市二等水准点ⅡCH010、Ⅱ汉岱2、Ⅱ37-1、Ⅱ77、Ⅱ79等5个，本次精密水准网起迄于以上城市二等水准点，按附合路线、闭合路线形式布设。
1）GPS控制网： GPS控制点选点应考虑点间通视，每点应有至少一个以上通视方向，点位能置镜，且以布设在偏离隧道线路中心约100m以外的固定建筑物上为主（困难条件下，偏离隧道线路中心应大于50m）。点位应远离高压输电线和无线电发射装置，并应充分利用沿线城市控制点。每隔2—4km布设一个（困难条件下，两点间最短距离不小于1.5km）。
本工程拟布设GPS控制点6个：汉口（江北）部分拟布设GPS控制点3个，其中拟利用原城市控制点标志2点，联测二等点2个；武昌（江南）部分拟布设GPS控制点3个，其中拟重合原城市控制点3点，联测二等点2个。具体点位以实地选点结果为准。GPS网布设方案详见附图。
2）精密导线网：精密导线沿线路方向在GPS控制网下布设，应采用附合导线的导线网，不得布设为无定向单线导线和单一闭合环。平均点间距宜控制在350m左右，相邻边长相差不宜过大（边长之比不超过1：3），个别短边不宜短于150m；应在每个井（洞口）或车站附近布设至少三个平面控制点。点位应选在施工沉降变形区外，并充分考虑施工引测方便，应充分利用沿线标志完好城市控制点。精密导线线路设计详见附图。
3）精密水准网：精密水准网不仅是工程施工的高程控制依据，也是日后沉降监测的依据，点位的选择必须充分考虑施工变形的影响。沿线路每个隧道洞口及竖井口布设2个以上水准点，站间平均约300m布设1个水准点。水准点设置可与GPS点、导线点共点，也可单独设置。单独设置的水准点一般距线路中心线100m以外，以避免施工干扰破坏精密水准线路设计详见附图。
（二）外业观测：
1、GPS控制网施测
采用静态观测模式进行，采用单频GPS接收机4台套、双频GPS接收机4台套。具体而言，采用单频GPS接收机4台套施测短边网，沿线路依次观测；采用双频GPS接收机4台套施测长边网，构建“GPS框架网”。
观测采用边联式（如下图所示，A、B、C、D为仪器编号），每次保持两台接收机与前一时段架设同一点位，另两台向前滚动作业，确保每点重复设站率大于2.0。
A D A

B C B
作业前应按有关规定对GPS接收机和天线、基座等进行全面检验（校）。
观测前应编制出GPS卫星可见性预报表。作业前应编制作业计划表，作业中严格按照作业计划表执行，情况变化时应及时通知调度员，作业员不得擅自更改作业计划。
GPS控制网采用WGS-84坐标系，二维（平面）配置，归算至地面网，采用1954年北京坐标系；外业观测手簿统一采用UTC（UTC=BST-8h）记录，可不观测气象要素，但应记录雨、晴、阴、云等天气状况。
观测基本参数需满足表4要求：
表4 GPS观测基本参数
观测量
载波相位
卫星高度角
≥15°
有效观测卫星数
≥4
“短边网”观测时段长度
≥60min
“长边网”观测时段长度
≥90min
数据采样间隔
10~60s
PDOP
≤6
重复设站数
≥2
闭合环中的边数
≤6
同步观测接收机台数
≥3
作业中天线应严格整平、对中，对中误差不应大于1mm；每时段观测前后各量取天线高一次，两次互差小于3mm时，取均值作为最终结果；应按规定逐项填写外业观测手簿。每天观测数据应及时下载，将数据统一转换为Rinex格式，并进行预处理，确认为不合格观测值的要及时返测。
2、精密导线网施测
精密导线施测前，须按规范对所用仪器、测具进行全面检校，特别是全站仪加、乘常数的测定。
精密导线水平角观测参考城市四等导线要求进行，可采用方向观测法，观测按《城市测量规范》2.3章有关规定执行。当方向数不多于3个时，可不归零。精密导线点上只有两个方向时，宜按左、右角观测，在总测回数中应以奇数测回和偶数测回（各为总测回数的一半）分别观测导线前进方向的左角和右角。观测右角时仍以左角起始方向为准变换度盘位置，左右角平均值之和与360º的较差应小于4"。
方向观测法各项限差应符合表5的规定
表5
测微器两次重合读数差
半测回归零差
一测回内2C较差
同一方向值各测回较差
1
6
9
6
在附合导线两端的GPS点上观测时，应联测两个高级方向，若只联测一个高级方向，应适当增加测回数。
精密导线边长测量，应根据表2中规定执行。每条边应往返观测各2测回，每测回间应重新照准目标，每测回应3次读数，其较差应小于3mm，测回间平均值较差应小于3mm，往返平均值较差应小于5mm；气象数据每条边在一端测定一次。加常数、乘常数、气象元素可实时予以改正，但应现场记录原始数据以备查验。
由于精密导线边长较短，联测时导线边数不宜过少。施测过程中，必须严格整平、对中；观测应在大气稳定和成像清晰的条件下进行，晴天作业时仪器需打伞；作业时使用的棱镜宜与检验时使用的一致。
GPS点、导线点按委托方要求定期复测。
3、精密水准网的施测
作业前必须对水准仪、水准尺进行全面检校包括标尺的检视、标尺上的圆水准器的检校、标尺分划面弯曲差的测定、标尺名义米长及分划偶然中误差的测定、一对水准标尺零点不等差及基辅分划读数差的测定；水准仪的检视、水准仪上概略水准器的检校、光学测微器隙动差和分划值的测定、i角检校（作业开始后一周内应每天检校i角，若i角较为稳定时，以后每隔1天检校一次，i角≤15″）、双摆位自动安平水准仪摆差2C角的测定（2C≤40″）。采用不轻于5kg铸铁尺垫。
精密水准施测，采用单线路往、返测。一条线路的往返测须使用同一类型的仪器和尺垫，沿同一线路进行。附合线路以由北往南方向为往测方向，环线以顺时针方向为往测方向。在每一环（或区段）内，先连续进行所有测段的往测（或返测）随后再连续进行该环（或区段）的返测（或往测）。
精密水准测站观测顺序：
往测时奇数测站顺序：后—前—前—后，偶数测站顺序：前—后—后—前。
返测时奇数测站顺序：前—后—后—前，偶数测站顺序：后—前—前—后。
由往测转向返测时，两根标尺必须互换位置。同一测段的往测（或返测）与返测（或往测）分别在上午和下午进行。在日间气温变化不大的阴天和观测条件较好时，若干里程的往返可同时在上午和下午进行。但这种里程的总站数，不应超过该区段总站数的30%。
测站视线长度，前后视距差，视线高度按表6规定执行。
表6
视线长度(m)
前后视距差(m)
任一站前后视距差累积(m)
视线高度(下丝读数)(m)
≤50
≤1.0
≤3.0

视线长度≥20m
视线长度<20m
≥0.5
≥0.3
间歇与检测：
(1)观测间歇时，最好在水准点上结束。否则，应在最后一站选择两个坚稳可靠、光滑突出、便于放置标尺的固定点，作为间歇点。
(2)间歇后应对间歇点进行检测，比较任意两尺承点间歇前后所测高差，符合表6要求时，可起测；若超过限差，可变动仪器再检测一次，如仍超限，则须从前一水准点起测。
(3)检测成果应保留，但计算高差时不采用。
测站观测限差：测站观测限差不得超过表7的规定
表7 测站观测限差 （单位mm）
上下丝读数平均值与中丝读数的差
基辅分划读数差
基辅分划所测
高差的差
检测间歇点
高差的差
0.5cm刻划标尺
1cm刻划标尺
1.5
3.0
0.5
0.7
1.0
注：使用双摆位自动安平水准仪观测时，不计算基辅分划读数差。
往返测高差不符值，环闭合差和检测高差较差的限差不得超过表8的规定。
表8 （单位mm）
测段、测区、路线往返测高差不符值
附合路线闭合差
环闭合差
检测已测测段高差之差
（mm）
4
4
4
6
注：K—测段、区段或路线长度，单位km； L—附合路线长度，单位km；
F—环线长度，单位km； R—检测测段长度，单位km；
跨河水准测量：
跨河水准测量采用测距三角高程法。即使用两台徕卡TC-2003全站仪（精度指标：测角——0.5″；最小显示——0.1″；测距——1+1ppm）对向观测，用垂直度盘测定对岸砧板标志的倾角，精确测出跨河两点的水平距离，求出两岸高差。
砧板的制作与安装：砧板可用铝板或钢板制作，形状呈矩形，涂成红色或黑色，砧板上下两边缘（即为上下两标志线）应严格平行。矩形标志线的宽度按跨河点间的距离而定，一般取跨河点间距离的1/25000，如跨越距离为250m，则矩形标志线的宽度为1cm。砧板的长度约为宽度的5倍。砧板下边缘焊接两根可调节水平和竖直方向的调节杆，并可以固定在选用的仪器上。当仪器在观测台上架设水平后，通过调节砧板水平和竖直方向的调节螺丝，使得砧板上下两标志线保持水平，上下两标志线所组成的面与全站仪横轴和竖轴所组成的面也应重合完好。
场地的选定与布设：场地应选于测线附近，利于布设工作场地与观测的较窄河段处。跨河视线距水面的高度应不低于4m（S为跨河视线长度公里数）。两岸仪器位置至水边的距离应大致相等，地貌、土质、植被也应相似。布设跨河水准测量的场地，应使两岸仪器及标尺构成如下图所示的平行四边形、等腰梯形或大地四边形。

上图中：A、B、C、D为两岸安置仪器的位置，架设平台时，应保持平台严格水平以提高观测精度。AC与BD（或AD、与BC）为跨河视线长度，两者应近似相等； AB和CD为两岸观测台长度，一般应在10m左右，亦应相等。A、B、C、D四点位置选定时，注意跨河视线垂直角应小于1°。
跨河水准测量取用的全部测回数，上、下午应各占一半。如有夜间观测时，白天与夜间测回数之比应接近1.3：1。一测回观测完成后，应间歇15-20min，再开始下一测回的观测。
本岸测站点间高差测定采用水准仪法，将AB和CD作为一个测站，按同等级水准测量要求进行往返观测，并取往返高差中数作为测站点间高差的正式成果。如确信A、B、C、D四点水准标石稳定，观测过程中可不进行检测，只须在结束时进行一次检测。若检测超限，应沿路线再检测一个测段。如证明水准标石无变动，则所测成果采用。若标石变动，应加固水准标石后重新进行跨河观测。
距离测量：跨河测站点间的距离DAC、DAD、DBC、DBD采用徕卡TC-2003全站仪测定，测距的准备工作，观测方法和作业要求、气象、加常数、乘常数修正值的计算及边长归算等，均按ZB A76 002的相应规定执行。跨河距离测量的技术要求和观测限差按表9规定执行。
表9
跨河水准等级
测距仪精度等级
观测时间段
一个时间段内测回数
一测回读数间较差
测回中数间较差
往返或时间段测距中数的较差
往
返
二
Ⅱ
1
1
6
≤10mm
≤15mm
≤（a+b.D.10-6）
注：a、b为测距仪标称参数值。
每照准一次，读4次数为一测回。当进行对向观测确有困难时，可以单向观测，但总的观测时间段不能减少。
垂直角观测：
跨河水准测量的时间段数，测回数及组数按表10规定执行。
表10
跨河视线长度（m）
Ⅱ等
最少时间段数
双测回数
半测回中的组数
1001～1500
6
12
8
1501～2000
8
16
8
垂直角观测程序：
（1） 在A、C设站，进行对向观测；
（2） A站不动，C站仪器搬迁至D站，进行对向观测；
（3） D站不动，A站仪器搬迁至B站，进行对向观测；
（4） B站不动，D站仪器搬迁至C站，进行对向观测；
（5） 两岸仪器调岸，在C、A设站，进行对向观测；
（6） A站不动，C站仪器搬迁至D站，进行对向观测；
（7） D站不动，A站仪器搬迁至B站，进行对向观测；
（8） B站不动，D站仪器搬迁至C站，进行对向观测。
至此，两台仪器共完成一个双测回。
本次跨河水准测量每个双测回观测过程中，严格保持全站仪与砧板固定在一起。并且全站仪在一个观测台上调节水平后三个脚螺旋也应用胶布固定。
观测方法：在盘左位置用望远镜中丝精确照准对岸砧板标志四次，四次照准读数之差不应大于3″。纵转望远镜，在盘右位置按盘左操作方法同样进行照准和读数。以上观测为一组垂直角观测。依同法进行其余各组的观测。各组垂直角观测的限差：指标差互差≤8″；同一标志垂直角互差≤4″。在调岸过程中观测员、仪器、记录员需一起调岸。
各单、双测回的互差△H，应不大于按下式计算的限值：△H限=4·M△。式中：M△为每公里水准测量的偶然中误差限值，单位为毫米；N为测回数；S为跨河视线长度，单位为公里。
由大地四边形组成各个独立闭合环，用同一时段的各条边高差计算闭合差。各环线的闭合差W应不大于以下限值：
W=6.MW
式中：MW为每公里水准测量的全中误差限值，mm；s为跨河视线长度，km。
观测成果的重测和取舍：
（1）测回间互差超限，首先应重测孤立值。若无孤立值应重测一大一小。如出现分群现象，则应分析是否因时间段不同而分群，并应计算环线闭合差加以分析，若确属时间不同而产生分群，同时环线闭合差无超限现象，该成果可不重测。如有闭合差超限的测回，此测回应重测，直到所测成果全部符合要求为止。
（2）环线闭合差超限，而测回间互差较小，如无其他情况，此成果可以采用。若测回间互差大或超限，则成果应重测。
（三）数据处理及平差计算
1．GPS控制网数据处理及平差计算采用商用软件进行。计算过程按数据预处理，环路及复测边检核，三维无约束平差，在城市坐标系中的约束平差，精度评定，重合点比较，改变约束条件组合重新平差的步骤进行。数据预处理基线全部采用双差固定解做为最终结果；全部外业观测数据均进行同步环、独立环及复测基线检核。
同步环各坐标分量及全长闭合差应满足
Wx≤σ Wy≤σ Wz≤σ W≤σ
N—同步环中基线边个数 W—环闭合差 σ—标准差
独立环各坐标分量及全长闭合差应满足
Wx≤2σ Wy≤2σ Wz≤2σ W≤2σ
n—独立环中基线边的个数
复测基线的长度较差应满足
ds≤2σ n—同一边复测次数
检核后将全部独立基线构成闭合图形，以城市二等平面控制点ⅡΔ船舶设计院的WGS—84系的三维坐标作为起算数据，进行全网WGS—84系的三维无约束平差。基线向量改正数的绝对值应满足：
V⊿x≤3σ V⊿y≤3σ V⊿z≤3σ
而后进行城市坐标系的约束平差。进行约束平差后，当GPS点与原城市控制点的重合点的坐标较差大于表1规定时，应对约束控制点和控制方位角进行筛选，重新进行约束平差。
　2．精密导线网数据处理及平差计算采用严密平差程序进行，按平均边长、导线总长度、每边测距中误差、测距相对中误差、测角中误差、方位角闭合差、全长相对闭合差、相邻点的相对点位中误差逐项进行精度评定。
精密导线网测角中误差按下式计算：
M0=±
式中： fβ—导线方位角闭合差、n—计算fβ时的角度个数、N—导线个数
测距边水平距离归化到线路平均高程面上的测距边长度，按下式计算：
D=S[1+]
式中： S—测距边水平距离(m)；Ra—参考椭球在测距边方向法截弧的曲率半径(m)；
Hp—测区的平均高程(m)；Hm—测距边两端点的平均高程(m)；
测距边在高斯投影面上的长度，按下式计算：
Dz=D[1++]
式中：Ym—测距边两端点横坐标平均值(m); Rm—测距边中点的平均曲率半径(m)；
⊿Y—测距边两端点近似横坐标的增量(m)
3．高程控制网：
精密水准网数据的处理分为预处理与平差计算两部分。预处理内容包括：水准高差的尺长改正、正常水准面不平行改正；高程网的平差计算应采用严密平差法。数据预处理方法及平差计算方法均符合规定要求。并计算每千米高差偶然中误差、每千米高差全中误差、最弱点高程中误差和相邻点的相对高差中误差。
每千米高差偶然中误差M△按下式计算：
M△=±
式中：△—水准路线测段往返测高差不符值(mm) n—往返测水准路线测段数
L—测段长度(km)
每千米高差全中误差MW按下式计算：

式中：W—附合线路或环线闭合差 N—附合线路或闭合路线的个数
L—计算W时的相应路线长度(km)
四、质量保证措施
过江隧道是武汉市重点项目，控制测量网是确保工程质量的基础保障。在本项目实施过程中，按我院质量保证体系相关要求建立并保持符合ISO9001：2000标准的质量保证体系，成立项目部负责本项目的具体组织实施，确保各项测量成果满足技术设计及规程、规范的要求。
1、本工程实行项目工程负责人制，工程负责人对提供的产品质量实行终身负责制。
2、本工程测量应做到事前有计划，事后有总结，施测前编写详尽工程测量的技术设计书，验收后编写本项工程测量的技术报告，并随测绘产品一并提交委托方。
3、严格落实我院测绘产品的质量保证措施，提供的测绘产品必须通过“三检两审”即自检、互检、室检、室审、院审，方可放行。
4、本次工程测量任务作为院管工程，室主任工程师和院总工办专业工程师全程监控施测过程，并提交产品验收报告。
五、提交成果的资料目录
1、技术设计书
2、平面控制网展点网图
3、精密水准网线路图
4、等级点点之记
5、外业观测记录及观测手簿（含数据盘）(此项资料由我院留存)
6、数据处理文件、计算成果、精度评定资料
7、控制点成果表
8、技术报告书