全站仪对边测量在跨河水准测量中的应用.docx
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全站仪对边测量在跨河水准测量中的应用
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
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
一十、总结及今后的打算………………………………………14
一十一、附录:
小组活动记录一览表…………………………15
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
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
✓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;
✓购置仪器需投入2~3万元,还要制作专用的观测觇牌;
✓测量过程较为繁琐;
✓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
✓在理论上是可行的,但影响因素太多,包括大气条件等;
✓测量结果的误差与距离成正比,测量结果的精度不易保证;
✓测量过程最为繁琐;
✓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
✓在理论上是可行的;
✓各影响因素的影响值可控制在一定范围内;
✓测量结果可靠性、准确性较高;
✓测量方案简单,易于掌握;
✓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TOPCONGTS601。
(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。
一十、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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- 全站仪 测量 河水 中的 应用