施工控制網的建立及測量技術探討

何中元，高英志

(1.湖北省地球物理勘察技術研究院，湖北武漢 430056;2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北武漢 430056)

0 引言

在工業及民用建設項目中，施工控制網是建筑施工測量及安裝定位精度的基礎，同時施工控制網的點位選擇及精度確定又受到建設項目平面及空間布置和建筑安裝限差的約束。合理確定控制網的點位及精度，對保證建設項目的竣工質量及施工速度具有重要意義。本文將結合秦山核電二期工程施工控制網的建立過程，對施工控制網的建立及測量技術作以簡要闡述。

1 秦山核電二期工程概況

秦山核電二期工程是中國自行設計建造的大型商用壓水堆核電項目，國家“九五”重點工程。總裝機容量2×600 MW，包括核島、常規島及BOP三部分，工程總占地面積365 km2，總建筑面積175 603 m2。其廠址位于浙江省海鹽縣城西南約10 km的秦山鎮楊柳村，總體規劃圖見圖一。至1996年2月底，即施工控制網建立前夕，現場土石方開挖及場地平整已完成，通視條件較好。廠區周邊地帶可供使用的測量控制點共有4個，為前期勘察時建立，點號分別為Ⅲ15，Ⅲ17，Ⅲ19和Ⅲ20。

現有的控制點雖基本上覆蓋了施工廠區，但相互間距離太遠，精度較低，數量也無法滿足施工需要。因此。為保證工程建設需要，廠區應及時建立施工測量控制網。

2 施工控制網的布設

2.1 施工控制網的布設要求

施工控制網采用三等平面控制網、觀測墩的樁頂高程采用四等水準測量(高程起算點均采用各觀測墩旁的二等水準點)、高程控制網采用二等水準測量。建成后的施工控制網應同時滿足以下條件:

(1)控制點的點位布置合理，其精度及數量應滿足工程建設的需要;

(2)控制點間應保持良好的通視條件，每一控制點應有兩個以上控制點與之相互通視;

(3)控制點應穩定可靠，施工期內不發生自身的位移、沉降變形;

(4)為方便施工，施工控制網一般采用獨立坐標系和自由邊角網，以保證控制網的相對定位精度。

2.2 控制點的勘察與布設

2.2.1 控制網的點位選擇與布設

控制網的點位選擇應結合工程場地的實際情況，以方便施工為原則，同時應顧及施工過程中的通視條件變化和可能遇到的破壞情況，在數量上應布設備用點位。在二期施工控制網的勘察及布設過程中，因廠區大部分為海灘回填區或建筑及管溝規劃帶，同時廠區各建筑物高度尚未最終明確，給控制網的選點及布設帶來了很大困難。平面布設見圖1，其中高程點與平面控制點建立在同一混凝土基礎上。

圖1 控制網點位的平面布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of layout of control net point

由圖1中可以看出，由于受廠區地形及總平面規劃的制約，各控制點之間間距較大(平均邊長超過300 m)，點位數量也稍顯不足，在使用過程中會遇到因控制點數量不足、建筑密集而導致通視不暢的問題。

為保證控制網建成后的穩定性，并有效降低控制網測設過程中的儀器對中誤差。各控制點在建立時均埋設于原始基巖上，并澆注成高于地表1.25 m的鋼筋混凝土觀測墩，墩頂設強制歸心板，歸心板與測量儀器通過螺栓連接，穩定可靠。在鋼筋混凝土觀測平臺上埋設水準點，同期建立高程控制網。控制點的結構如圖2所示。

圖2 控制點埋設及制作示意圖Fig.2 Schematic diagram of burying control points

2.2.2 施工控制網的精度確定與估算

在控制網選點的同時，還應根據工程需要確定控制網的精度。在施工控制網的建立過程中，正確確定控制網的精度是一項極其重要的工作，如果精度定的過低，雖減少了控制網的觀測工作量，卻難以滿足施工放樣精度，從而導致施工放樣工作量加大，也就無法滿足現代化高速施工的需要，甚至因此而導致施工質量事故;反之，如果精度定得過高，雖有益于施工放樣的順利實現，卻加大了控制網的觀測難度，因為在控制網精度達到一定高度時，控制網的精度每提高0.1 mm，將大量增加人力、物力及工期的投入，是極不經濟的。

控制網的精度，應根據建設項目主要物項的驗收限差來確定。有些物項，如氣輪機樣板架地腳螺栓孔中心定位精度要求很高(0.5 mm)，但它不是根據控制點直接進行放樣的，而是根據氣輪機主軸線來放樣的，因此，在確定控制網精度時不予考慮。控制網精度的確定，主要依據各建筑物及設備基礎軸線的允許偏差來進行。至于要求更高的設備及工藝系統定位精度，可根據需要，采用加密網的形式來實現。在二期工程建設中，主廠房及各輔助廠房的建筑及設備基礎軸線允許偏差5～20 mm不等(《秦山核電二期工程廠房建筑及設備基礎安裝精度要求》)，其中以10 mm為主，在確定控制網精度時，我們將以此作為控制網精度確定依據，對少部分精度要求較高的軸線定位，可根據施工情況，采用附合導線的形式來完成。據此，我們對控制網的精度確定做如下分析。

建筑物軸線允許偏差為10 mm，則其軸線定位中誤差應為限差的一半，即5mm。設M為施工放樣點位總誤差，m控為控制點誤差引起的定位誤差，m放為放樣過程所產生的誤差，則有:

顯然，m控＜m放，故m控/m放＜1，將上式展開為級數，并略去高次項得:考慮到施工過程中，放樣點距控制點的距離較遠，同時核島廠房內部結構復雜，放樣時測量作業環境較惡劣，因而放樣誤差會較大;同時考慮到放樣工作應及時配合施工，經常在有干擾的環境下高速施工，不大可能用增加測量次數的方法提高放樣精度，而在建立施工控制網時，有較為充足的時間和有利條件來提高控制網精度。因此，在確定控制網精度時，應使m控相對于m放來說，小到可以忽略的程度，為日后的放樣工作提供便利條件，所以這里取:m控2/2m放2=0.1，即控制點誤差所產生的影響僅占總誤差的10%，由此得:m控2=0.2m放2，帶入式(1)得:

m控≈0.4M=2.18 mm由此可見，當控制點誤差引起的誤差m控為放樣點總誤差的0.4倍時，m控僅使放樣點總誤差增加10%，這說明為保證施工放樣的精度及施工速度，適當提高控制點精度的設想是可行的。二期工程實踐中，控制點精度確定為2 mm，是比較合理的。

在確定了控制網的點位精度后，還應及時估算控制網的邊長中誤差和角度中誤差，這兩項誤差雖不作為控制網測設的限差指標，但它將為控制網測設過程中儀器選擇及測回數確定提供依據。

如圖3所示［1］，控制點A2相對于A1的點位誤差可分解為m橫和m縱，則有:

圖3 點位誤差分析Fig.3 Error analysis of point position

從誤差橢圓的分布理論考慮，若使m控最優，則有:

對于邊角而言，式(3)中m縱是由邊長誤差引起的，可以認為m縱=m邊，m橫是由控制網測角中誤差引起的，

其中ma為測角中誤差，S為控制網平均邊長。取m控=2 mm，s=300 m，將式(2)、(3)、(4)聯立求解得:

m邊=1.4 mm，ma=0.97″

這是國家二等三角網的測角精度。由于當前光電測距儀的精度很高(1+1 ppm)，對邊長1 km之內的控制網，測距精度滿足1.4 mm是較為容易的。但是，由于二期工程控制網受場地限制，不僅控制網平均邊長較大(300 m以上)，且邊長長短相差懸殊(最長1 200 mm，最短150 m)，對角度觀測極為不利，若依據誤差橢圓分布最優原則，使測邊與測角對控制點的誤差影響相同，則勢必大量增加測角工作量，同時使測距儀的性能不能得到充分發揮。因此，在控制網建立過程中，在滿足控制網設計精度的前提下，應堅持綜合工程量最小的原則，依據這一原則，并結合現場的實際情況，我們可適當提高測距精度的方式，以求大幅降低角度觀測工作量。若取 m縱=0.5 m橫，則有:

m縱=0.9 mm;m橫=2m縱=ma*S/ρ=1.8 mm，即ma=1.24″，此精度是可以實現的。

2.2.3 平面控制網觀測方案選擇

為便于工程建筑的安裝施工，二期施工控制網采用獨立工程坐標系，并將1#反應堆廠房中心坐標定為(X=3 000，Y=6 000)。為保證控制網的相對精度，控制網采用自由邊角網，其觀測方案如圖4所示。其中起算點C1由原首級網的Ⅲ17、Ⅲ19、Ⅲ20三點，通過三角形插點的方法確定，同時以C1為測站點，與首級網聯測C1-C10的方位角，作為控制網的起算方位角。

圖4 平面控制網觀測示意圖Fig.4 Observation schematic diagram of horizontal control network

2.2.4 平面控制網觀測儀器的選用

從施工控制網的精度確定可以看到，由于控制網的測角及測邊精度要求都很高，觀測難度較大，同時考慮到在工程建設中，還要依據施工控制網建立精度更高的安裝基準點及進行局部高精度的施工放樣工作，因此本工程選用了精度相對較高的TCR2003全站儀，其測角精度為0.5″，測距1+1 ppm。

2.2.5 控制網觀測測回數的確定

施工控制網的邊長及角度觀測精度，除與控制網的邊長、角度中誤差及測量儀器精度直接相關外，還與測量作業環境、測量人員的技術熟練程度、控制點的平面及空間布局、控制點中心制作誤差以及測量作業時的氣象條件等多種因素有關。二期工程施工控制網角度觀測測回數是根據實際采用的儀器精度、現場控制點布設特點以及角度及邊長測量應達到的精度，并參考《工程測量規范》中二、三等三角測量測角中誤差及測回數確定原則，以及相關的三角測量及邊角側量統計資料后確定的。本施工控制網角度及邊長觀測測回數均定為6測回，其中邊長觀測要進行往返觀測，從實踐效果來看，這種規定還是比較合理的。

2.3 高程控制網的布設與精度確定

與平面控制點相比，高程控制點具有相對獨立性。二期工程高程控制網以遠離施工區的原首級控制點IV27號點為起算點，布設一條二等閉合水準路線，以保證安裝施工及廠區變形觀測的精度要求，其高程誤差要求＜1 mm。測量儀器采用WILD N3+線條式因瓦合金水準尺。按《工程測量規范》中二等水準測量規定實施，進行分段往返觀測。高程控制點的布設如圖 5 所示［2］。

圖5 高程控制網的布設示意圖Fig.5 Layout schematic diagram of elevation control network

3 施工控制網的優化

在施工控制網方案確定后，應對控制網觀測方案進行精度估算，并根據估算結果對控制網進行優化，使控制網在滿足設計精度的前提下，力求控制網內部符合性好，點位誤差均勻，同時測量外業觀測工作量趨于最小。

施工控制網的優化措施主要有以下幾種:①增減某些方向及邊長觀測值;②改變某些觀測值的權;③調整局部點位，改善控制網圖形結構。由于受現場地形及施工平面布置的約束，第三種措施在施工中很少用到。在二期施工控制網的建立過程中，由于受到當時施工工期的限制，同時現場缺少應有的數據處理軟件，控制網的優化工作基本上未能進行。為保證施工控制網的精度，現場實踐中采取了較為保守的觀測方案，具備通視條件的各方向基本上都進行了邊角觀測，整個控制網的外業觀測共計6 d。其觀測方案如圖6所示。事后經過分析計算，若控制網適當減少某些方向及邊長觀測值，采用如圖6所示的觀測方案，精度同樣可以保證2 mm的點位誤差要求，內部符合性也較好，而同期外業觀測工作量降低近60%。由此可見，施工控制網的優化設計是非常必要的。

圖6 施工控制網的優化觀測方案Fig.6 Observation plan of construction control network

4 控制網的外業觀測及數據處理

4.1 平面控制網外業觀測及數據處理

在施工控制網布設方案確定，同時控制點的埋設完成及混凝土的強度達到設計要求的條件后，即可進行控制網外業觀測工作。在進行外業觀測之前，應首先對所用測量儀器及其配件進行全面檢查校正，確保測量儀器性能可靠。根據控制網布設特點，二期平面控制網觀測采用了“全圓方向觀測法”，每測回按“正、倒;倒、正;……”的鏡位順序進行水平角觀測，以消除因測站邊長長短相差懸殊而引起的視差誤差。其各方向觀測限差按《工程測量規范》三等三角測量規范執行，各項觀測限差如表1所示。

表1 水平角觀測限差規定Table 1 Limited error regulations of horizontal angle observation

為保證測距精度，各邊均進行往返觀測，觀測時采用“電照準”，每測回6次讀數，讀數保留到小數點后4位，各觀測限差如表2所示。

表2 電磁波測距限差規定Table 2 Limited error regulations of electromagnetic wave observation

在測距過程中，應同時記錄測站及照準點的溫度和氣壓，測量完畢后，各測回觀測值取中數并加入溫度氣壓改正，規劃到+11 m平面(施工場地±0m的海拔高程為11.23 m)，再進行控制網平差計算。

二期施工控制網共計觀測了77個三角形，最大閉合差 －5.51″，最小 0.02″，平均閉合差 1.78″，按菲列羅公式計算的三角形測角中誤差mβ=±1.3″。測距邊共計32條，測距中誤差md=0.73 mm。此結果與角度及邊長估算精度基本一致。

在控制網各外業觀測完畢，且觀測值滿足各項觀測限差后，即可進行控制網平差計算。在平差計算時，控制網先驗測角中誤差應取實際觀測結果，此處取1.3″。二期施工控制網平差計算采用的是南方公司的平差計算程序，按間接平差進行的。平差結果為:測角中誤差 mβ=1.09″，測距中誤差 ms=0.96 mm，最大點位中誤差mp=1.5 mm，最小點位中誤差mp=0.5 mm，平均點位中誤差mp=0.8 mm。可見，本控制網的各項測量指標精度均滿足了設計要求。

4.2 高程控制網外業觀測及數據處理

與平面控制網相比，高程控制網外業觀測及數據處理較為簡單。待水準點埋設完畢且混凝土養護條件達到設計規定標準后，即可按二等水準要求進行分段往返觀測。觀測前應對水準儀及其附件進行檢驗、校正，其中水準儀i角不得＞15″，水準儀補償器補償誤差不應＞0.2″。因瓦標尺米間隔平均真長與名義長度不應＞0.15 mm。其主要觀測技術要求如表3所示。

表3 水準測量主要技術要求Table 3 Main technical requirement of leveling

高程控制網外業觀測共分9段，往返測最大較差－1.01 mm，最小較差為0，往返測平均較差為0.31mm。圖六中 C1-C8-C5-C4-C3-C2-C1閉合差為0.4 mm，每公里高差中數偶然中誤差m=±0.46 mm。完全滿足1 mm的高程精度要求。

5 結束語

通過秦山核電二期工程施工控制網的建立過程和數據處理結果，可以看到該控制網精度較高，數據可靠，本工程施工測量控制網的建立是成功的。這與控制網布設過程中的精度設計以及對現場不利因素的充分估計與研究是分不開的，因此根據現場實際情況、建立正確合理的施工測量控制網，是保證施工進度和測量精度的關鍵，通過上述施工控制網的建立，有效地保證了施工測量精度，各項限差均符合規范要求，在工程主體施工過程中和竣工后保證了施工測量的可靠性。其中控制點埋設過程中，靈活采用強制歸心板來降低測量儀器對中誤差的措施，對有效保證控制網的觀測精度起到了積極作用，同時也為工程建設過程中的施工放樣帶來了便利條件，這也是一條非常值得總結的經驗。

［1］李青岳.工程測量學［M］.北京:測繪出版社，1984:118.

［2］GB50026—2007，工程測量規范［S］.