施工控制网的建立及测量技术探讨

何中元，高英志

(1.湖北省地球物理勘察技术研究院，湖北武汉 430056;2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430056)

0 引言

在工业及民用建设项目中，施工控制网是建筑施工测量及安装定位精度的基础，同时施工控制网的点位选择及精度确定又受到建设项目平面及空间布置和建筑安装限差的约束。合理确定控制网的点位及精度，对保证建设项目的竣工质量及施工速度具有重要意义。本文将结合秦山核电二期工程施工控制网的建立过程，对施工控制网的建立及测量技术作以简要阐述。

1 秦山核电二期工程概况

秦山核电二期工程是中国自行设计建造的大型商用压水堆核电项目，国家“九五”重点工程。总装机容量2×600 MW，包括核岛、常规岛及BOP三部分，工程总占地面积365 km2，总建筑面积175 603 m2。其厂址位于浙江省海盐县城西南约10 km的秦山镇杨柳村，总体规划图见图一。至1996年2月底，即施工控制网建立前夕，现场土石方开挖及场地平整已完成，通视条件较好。厂区周边地带可供使用的测量控制点共有4个，为前期勘察时建立，点号分别为Ⅲ15，Ⅲ17，Ⅲ19和Ⅲ20。

现有的控制点虽基本上覆盖了施工厂区，但相互间距离太远，精度较低，数量也无法满足施工需要。因此。为保证工程建设需要，厂区应及时建立施工测量控制网。

2 施工控制网的布设

2.1 施工控制网的布设要求

施工控制网采用三等平面控制网、观测墩的桩顶高程采用四等水准测量(高程起算点均采用各观测墩旁的二等水准点)、高程控制网采用二等水准测量。建成后的施工控制网应同时满足以下条件:

(1)控制点的点位布置合理，其精度及数量应满足工程建设的需要;

(2)控制点间应保持良好的通视条件，每一控制点应有两个以上控制点与之相互通视;

(3)控制点应稳定可靠，施工期内不发生自身的位移、沉降变形;

(4)为方便施工，施工控制网一般采用独立坐标系和自由边角网，以保证控制网的相对定位精度。

2.2 控制点的勘察与布设

2.2.1 控制网的点位选择与布设

控制网的点位选择应结合工程场地的实际情况，以方便施工为原则，同时应顾及施工过程中的通视条件变化和可能遇到的破坏情况，在数量上应布设备用点位。在二期施工控制网的勘察及布设过程中，因厂区大部分为海滩回填区或建筑及管沟规划带，同时厂区各建筑物高度尚未最终明确，给控制网的选点及布设带来了很大困难。平面布设见图1，其中高程点与平面控制点建立在同一混凝土基础上。

图1 控制网点位的平面布置示意图Fig.1 Schematic diagram of layout of control net point

由图1中可以看出，由于受厂区地形及总平面规划的制约，各控制点之间间距较大(平均边长超过300 m)，点位数量也稍显不足，在使用过程中会遇到因控制点数量不足、建筑密集而导致通视不畅的问题。

为保证控制网建成后的稳定性，并有效降低控制网测设过程中的仪器对中误差。各控制点在建立时均埋设于原始基岩上，并浇注成高于地表1.25 m的钢筋混凝土观测墩，墩顶设强制归心板，归心板与测量仪器通过螺栓连接，稳定可靠。在钢筋混凝土观测平台上埋设水准点，同期建立高程控制网。控制点的结构如图2所示。

图2 控制点埋设及制作示意图Fig.2 Schematic diagram of burying control points

2.2.2 施工控制网的精度确定与估算

在控制网选点的同时，还应根据工程需要确定控制网的精度。在施工控制网的建立过程中，正确确定控制网的精度是一项极其重要的工作，如果精度定的过低，虽减少了控制网的观测工作量，却难以满足施工放样精度，从而导致施工放样工作量加大，也就无法满足现代化高速施工的需要，甚至因此而导致施工质量事故;反之，如果精度定得过高，虽有益于施工放样的顺利实现，却加大了控制网的观测难度，因为在控制网精度达到一定高度时，控制网的精度每提高0.1 mm，将大量增加人力、物力及工期的投入，是极不经济的。

控制网的精度，应根据建设项目主要物项的验收限差来确定。有些物项，如气轮机样板架地脚螺栓孔中心定位精度要求很高(0.5 mm)，但它不是根据控制点直接进行放样的，而是根据气轮机主轴线来放样的，因此，在确定控制网精度时不予考虑。控制网精度的确定，主要依据各建筑物及设备基础轴线的允许偏差来进行。至于要求更高的设备及工艺系统定位精度，可根据需要，采用加密网的形式来实现。在二期工程建设中，主厂房及各辅助厂房的建筑及设备基础轴线允许偏差5～20 mm不等(《秦山核电二期工程厂房建筑及设备基础安装精度要求》)，其中以10 mm为主，在确定控制网精度时，我们将以此作为控制网精度确定依据，对少部分精度要求较高的轴线定位，可根据施工情况，采用附合导线的形式来完成。据此，我们对控制网的精度确定做如下分析。

建筑物轴线允许偏差为10 mm，则其轴线定位中误差应为限差的一半，即5mm。设M为施工放样点位总误差，m控为控制点误差引起的定位误差，m放为放样过程所产生的误差，则有:

显然，m控＜m放，故m控/m放＜1，将上式展开为级数，并略去高次项得:考虑到施工过程中，放样点距控制点的距离较远，同时核岛厂房内部结构复杂，放样时测量作业环境较恶劣，因而放样误差会较大;同时考虑到放样工作应及时配合施工，经常在有干扰的环境下高速施工，不大可能用增加测量次数的方法提高放样精度，而在建立施工控制网时，有较为充足的时间和有利条件来提高控制网精度。因此，在确定控制网精度时，应使m控相对于m放来说，小到可以忽略的程度，为日后的放样工作提供便利条件，所以这里取:m控2/2m放2=0.1，即控制点误差所产生的影响仅占总误差的10%，由此得:m控2=0.2m放2，带入式(1)得:

m控≈0.4M=2.18 mm由此可见，当控制点误差引起的误差m控为放样点总误差的0.4倍时，m控仅使放样点总误差增加10%，这说明为保证施工放样的精度及施工速度，适当提高控制点精度的设想是可行的。二期工程实践中，控制点精度确定为2 mm，是比较合理的。

在确定了控制网的点位精度后，还应及时估算控制网的边长中误差和角度中误差，这两项误差虽不作为控制网测设的限差指标，但它将为控制网测设过程中仪器选择及测回数确定提供依据。

如图3所示［1］，控制点A2相对于A1的点位误差可分解为m横和m纵，则有:

图3 点位误差分析Fig.3 Error analysis of point position

从误差椭圆的分布理论考虑，若使m控最优，则有:

对于边角而言，式(3)中m纵是由边长误差引起的，可以认为m纵=m边，m横是由控制网测角中误差引起的，

其中ma为测角中误差，S为控制网平均边长。取m控=2 mm，s=300 m，将式(2)、(3)、(4)联立求解得:

m边=1.4 mm，ma=0.97″

这是国家二等三角网的测角精度。由于当前光电测距仪的精度很高(1+1 ppm)，对边长1 km之内的控制网，测距精度满足1.4 mm是较为容易的。但是，由于二期工程控制网受场地限制，不仅控制网平均边长较大(300 m以上)，且边长长短相差悬殊(最长1 200 mm，最短150 m)，对角度观测极为不利，若依据误差椭圆分布最优原则，使测边与测角对控制点的误差影响相同，则势必大量增加测角工作量，同时使测距仪的性能不能得到充分发挥。因此，在控制网建立过程中，在满足控制网设计精度的前提下，应坚持综合工程量最小的原则，依据这一原则，并结合现场的实际情况，我们可适当提高测距精度的方式，以求大幅降低角度观测工作量。若取 m纵=0.5 m横，则有:

m纵=0.9 mm;m横=2m纵=ma*S/ρ=1.8 mm，即ma=1.24″，此精度是可以实现的。

2.2.3 平面控制网观测方案选择

为便于工程建筑的安装施工，二期施工控制网采用独立工程坐标系，并将1#反应堆厂房中心坐标定为(X=3 000，Y=6 000)。为保证控制网的相对精度，控制网采用自由边角网，其观测方案如图4所示。其中起算点C1由原首级网的Ⅲ17、Ⅲ19、Ⅲ20三点，通过三角形插点的方法确定，同时以C1为测站点，与首级网联测C1-C10的方位角，作为控制网的起算方位角。

图4 平面控制网观测示意图Fig.4 Observation schematic diagram of horizontal control network

2.2.4 平面控制网观测仪器的选用

从施工控制网的精度确定可以看到，由于控制网的测角及测边精度要求都很高，观测难度较大，同时考虑到在工程建设中，还要依据施工控制网建立精度更高的安装基准点及进行局部高精度的施工放样工作，因此本工程选用了精度相对较高的TCR2003全站仪，其测角精度为0.5″，测距1+1 ppm。

2.2.5 控制网观测测回数的确定

施工控制网的边长及角度观测精度，除与控制网的边长、角度中误差及测量仪器精度直接相关外，还与测量作业环境、测量人员的技术熟练程度、控制点的平面及空间布局、控制点中心制作误差以及测量作业时的气象条件等多种因素有关。二期工程施工控制网角度观测测回数是根据实际采用的仪器精度、现场控制点布设特点以及角度及边长测量应达到的精度，并参考《工程测量规范》中二、三等三角测量测角中误差及测回数确定原则，以及相关的三角测量及边角侧量统计资料后确定的。本施工控制网角度及边长观测测回数均定为6测回，其中边长观测要进行往返观测，从实践效果来看，这种规定还是比较合理的。

2.3 高程控制网的布设与精度确定

与平面控制点相比，高程控制点具有相对独立性。二期工程高程控制网以远离施工区的原首级控制点IV27号点为起算点，布设一条二等闭合水准路线，以保证安装施工及厂区变形观测的精度要求，其高程误差要求＜1 mm。测量仪器采用WILD N3+线条式因瓦合金水准尺。按《工程测量规范》中二等水准测量规定实施，进行分段往返观测。高程控制点的布设如图 5 所示［2］。

图5 高程控制网的布设示意图Fig.5 Layout schematic diagram of elevation control network

3 施工控制网的优化

在施工控制网方案确定后，应对控制网观测方案进行精度估算，并根据估算结果对控制网进行优化，使控制网在满足设计精度的前提下，力求控制网内部符合性好，点位误差均匀，同时测量外业观测工作量趋于最小。

施工控制网的优化措施主要有以下几种:①增减某些方向及边长观测值;②改变某些观测值的权;③调整局部点位，改善控制网图形结构。由于受现场地形及施工平面布置的约束，第三种措施在施工中很少用到。在二期施工控制网的建立过程中，由于受到当时施工工期的限制，同时现场缺少应有的数据处理软件，控制网的优化工作基本上未能进行。为保证施工控制网的精度，现场实践中采取了较为保守的观测方案，具备通视条件的各方向基本上都进行了边角观测，整个控制网的外业观测共计6 d。其观测方案如图6所示。事后经过分析计算，若控制网适当减少某些方向及边长观测值，采用如图6所示的观测方案，精度同样可以保证2 mm的点位误差要求，内部符合性也较好，而同期外业观测工作量降低近60%。由此可见，施工控制网的优化设计是非常必要的。

图6 施工控制网的优化观测方案Fig.6 Observation plan of construction control network

4 控制网的外业观测及数据处理

4.1 平面控制网外业观测及数据处理

在施工控制网布设方案确定，同时控制点的埋设完成及混凝土的强度达到设计要求的条件后，即可进行控制网外业观测工作。在进行外业观测之前，应首先对所用测量仪器及其配件进行全面检查校正，确保测量仪器性能可靠。根据控制网布设特点，二期平面控制网观测采用了“全圆方向观测法”，每测回按“正、倒;倒、正;……”的镜位顺序进行水平角观测，以消除因测站边长长短相差悬殊而引起的视差误差。其各方向观测限差按《工程测量规范》三等三角测量规范执行，各项观测限差如表1所示。

表1 水平角观测限差规定Table 1 Limited error regulations of horizontal angle observation

为保证测距精度，各边均进行往返观测，观测时采用“电照准”，每测回6次读数，读数保留到小数点后4位，各观测限差如表2所示。

表2 电磁波测距限差规定Table 2 Limited error regulations of electromagnetic wave observation

在测距过程中，应同时记录测站及照准点的温度和气压，测量完毕后，各测回观测值取中数并加入温度气压改正，规划到+11 m平面(施工场地±0m的海拔高程为11.23 m)，再进行控制网平差计算。

二期施工控制网共计观测了77个三角形，最大闭合差 －5.51″，最小 0.02″，平均闭合差 1.78″，按菲列罗公式计算的三角形测角中误差mβ=±1.3″。测距边共计32条，测距中误差md=0.73 mm。此结果与角度及边长估算精度基本一致。

在控制网各外业观测完毕，且观测值满足各项观测限差后，即可进行控制网平差计算。在平差计算时，控制网先验测角中误差应取实际观测结果，此处取1.3″。二期施工控制网平差计算采用的是南方公司的平差计算程序，按间接平差进行的。平差结果为:测角中误差 mβ=1.09″，测距中误差 ms=0.96 mm，最大点位中误差mp=1.5 mm，最小点位中误差mp=0.5 mm，平均点位中误差mp=0.8 mm。可见，本控制网的各项测量指标精度均满足了设计要求。

4.2 高程控制网外业观测及数据处理

与平面控制网相比，高程控制网外业观测及数据处理较为简单。待水准点埋设完毕且混凝土养护条件达到设计规定标准后，即可按二等水准要求进行分段往返观测。观测前应对水准仪及其附件进行检验、校正，其中水准仪i角不得＞15″，水准仪补偿器补偿误差不应＞0.2″。因瓦标尺米间隔平均真长与名义长度不应＞0.15 mm。其主要观测技术要求如表3所示。

表3 水准测量主要技术要求Table 3 Main technical requirement of leveling

高程控制网外业观测共分9段，往返测最大较差－1.01 mm，最小较差为0，往返测平均较差为0.31mm。图六中 C1-C8-C5-C4-C3-C2-C1闭合差为0.4 mm，每公里高差中数偶然中误差m=±0.46 mm。完全满足1 mm的高程精度要求。

5 结束语

通过秦山核电二期工程施工控制网的建立过程和数据处理结果，可以看到该控制网精度较高，数据可靠，本工程施工测量控制网的建立是成功的。这与控制网布设过程中的精度设计以及对现场不利因素的充分估计与研究是分不开的，因此根据现场实际情况、建立正确合理的施工测量控制网，是保证施工进度和测量精度的关键，通过上述施工控制网的建立，有效地保证了施工测量精度，各项限差均符合规范要求，在工程主体施工过程中和竣工后保证了施工测量的可靠性。其中控制点埋设过程中，灵活采用强制归心板来降低测量仪器对中误差的措施，对有效保证控制网的观测精度起到了积极作用，同时也为工程建设过程中的施工放样带来了便利条件，这也是一条非常值得总结的经验。

［1］李青岳.工程测量学［M］.北京:测绘出版社，1984:118.

［2］GB50026—2007，工程测量规范［S］.