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

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

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

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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。

2cos222S1S2cos1cos2cosDS12cos21S2 h(S2sin2v2)(S1sin1v1)P2P1V1S1S22DP图 1 对边测量原理制 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

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hV2S1β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

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 注 册 号 成立日期 小组人数 中铁二十四局集团福建公司测量QC小组 FTJS:2005-010-012 2004年12月 1日 重新登记日期 2005年 1月10日 5人 QC教育时间 平均48小时以上 8次 小组类型 创 新 型 登记日期 2004年12月 1日 活动时间 2004.12.10～2005.3.10 活动次数 制 表：洪 淮 斌 日 期：2004年12月 1日

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2、 主要成员

序 姓 名 性别 年龄 职 称 文化程度 1 2 3 4 5 洪淮斌 王 澄 林 凡 戴天荣 刘传标 男 男 男 男 男 32 28 29 34 62 工程师 助 工 助 工 工程师 高 工 大学 大学 中专 大专 大学 组内职务及分工 组 长 副 组 长 对策实施／记录整理 对策实施／资料收集 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

精确：跨河水准点间高差中误差＜2mm 活动目标 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

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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 一 二 三 测 量 方 案 传统的跨河水准测量 光电测距三角高程测量 全站仪对边测量 所 需 的 仪 器 设 备 S1或S0.5高精度水准仪，特制觇牌 全站仪或光电测距仪 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。

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跨河水准测量方案优、缺点对照表

优 点 缺 点  《规范》及各专业书籍中对观 需购置两台高精度水准仪； 方 测的等级、方法、限差均有明确 需专门制作观测用的觇牌； 规定，按部就班即可顺利完成测 需两台仪器同步对向观测； 量任务；  有成熟的经验可供借鉴；  测量操作较为繁琐，而且要求严格，对观测者、立尺者均有较 需对向观测，要求对向观测的案 一  结果的可靠性和准确性较高； 高要求； 大气条件相同或相近，受天气尤 不需要另购仪器，可直接利用其是大气折光的影响很大； 公司现有的仪器；  测量时间较长； 的高差精度很难保证；  可供参考的成功经验不多；  不需要另购仪器，可直接利用公司现有的仪器；  一次置镜即可完成观测，受天气和环境条件的影响小；  结果直接显示，人为误差小；  测量操作简单、快捷；  结果的可靠性和准确性较高； 制 表：洪 淮 斌 日 期：2004年12月23日

 可收集到相关的经验供参考；  测角的精度要求很高，远距离方 案 二 方  可供参考的资料很少；  棱镜高度的量取误差较大；  对全站仪的精度、稳定性、可靠性要求较高； 案 三

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

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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  多年总结形成的成熟的测量方评 估 洪 王 林 戴 刘 得分 115 92 22 6 a 5 5 4 4 5 b 5 5 4 4 5 c 2 2 1 2 4 d 1 1 1 1 2 合 计 洪 王 林 戴 3 3 3 2 3 3 3 3 4 3 3 3 5 5 5 5 合 计 洪 王 林 戴 5 4 4 3 5 5 4 4 5 5 4 5 5 5 5 5 合 计 刘 2 2 2 4 刘 3 3 3 4 结论 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；  在理论上是可行的，但影响因案 备选 一

a 方素太多，包括大气条件等；  测量结果的误差与距离成正b 案比，测量结果的精度不易保证； c 二 测量过程最为繁琐； d  无需增加投入； 方 各影响因素的影响值可控制在a 一定范围内； b 案 测量结果可靠性、准确性较高； c 三 测量方案简单，易于掌握； d  在理论上是可行的；  无需增加投入； 235 得分 65 56 否定 30 24 175 得分 95 84 首选 44 24 247 制 表：洪 淮 斌 日 期：2004年12月23日

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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 测角精1 度对测量结果影响大 棱镜高2 度误差大、棱镜下沉 大气折光、地降低影将影响降3 球曲率响的程低到可接及环境的影响 度 受的程度 措 施 负责人 时 间 测角精度使用经检定合格提高角的影响值的高精度的全站度测量控制在可仪；选择合适的精度 提高棱精度，降低下沉影响 在1mm以内 接受的范天气和地形；减围内 少仪器系统误差 采用水准仪测量过程中多次量取棱镜高；优化对边测量观测顺序 通过查阅资料、现场调查，借鉴洪淮斌 他人成功经验；戴天荣 优化跨河位置； 2004.12.31 ～ 2005. 1.10 洪淮斌 王 澄 2004.12.31 ～ 2005. 1.20 洪淮斌 林 凡 2004.12.31 ～ 2005. 1.20 镜量高误差控制棱镜高度；观测第 7 页 共 15 页

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序 问 题 对 策 目 标 应观测确定观多少测测的测4 回，限回数和差如何限差计控制 算公式 保证测量结果的准确性和可靠性 措 施 从理论上分析计算所需测回数；负责人 时 间 2004.12.31 ～ 2005. 1.20 通过查阅资料，洪淮斌 确定观测限差的计算公式 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：

m(sin1sin2)m2h222S2D12D2222 m2mv其中，D1S1cos1，D2S2cos2。则由此可知，高差误差的主要来源是距离D1、D2和测角精度m，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

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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

北岸(福州)置镜点乌龙江主航道丁坝码头LBM2LBM1沙滩(退潮期间)南岸(闽侯)图 2 湾边特大桥跨主航道水准测量方案示意图精度。

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

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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。

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(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125，D1D2600m，根据对边测量高差的中误差计算公式有：

(26002)22mh(2sin5)(220.5)120.24.14mm 2206.26522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4.1451.85mm，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：

dh限＝30D300.521.2mm

《规范》规定水准仪跨河水准测量各测回高差互差的限差为：

dh限4MNS43.040.516.97mm

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。

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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

对 边 测 量 结 果 棱 镜 高 度 高 差 测回 高 差高 差 dD dh LBM1 LBM2 （m） 互 差 均 值 402.6840 1.3912 1 -10.0 1.3962 402.6748 -1.4012 402.6766 1.3948 2 -6.0 1.3978 402.6672 -1.4008 402.6840 1.3900 3 -8.6 1.3943 402.6772 -1.3986 402.6814 1.3880 4 -9.2 1.3926 402.6770 -1.3972 402.6792 1.3930 5 -9.6 1.3978 402.6762 -1.4026 402.6798 1.3986 6 -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，101634，200735，则实测的高差中误差为：

(501.36382458.64222)22(sin01634sin0735)(220.5)mh120.2 206.26523.31mm222mhmh63.3161.35mm2mm

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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。

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。

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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

质量改解决问QC知识顾客满团 队 项 目 进意识 题能力 水 平 意程度 精 神 自我活动前（分）评价 活动后（分） 2 4 2 4 2 4 4 5 3 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！

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附：

小组活动记录一览表

序号 活动时间 活动内容 参加人数 5 5 5 5 5 5 5 5 主持人 洪淮斌 洪淮斌 洪淮斌 洪淮斌 洪淮斌 洪淮斌 洪淮斌 洪淮斌 1 2004.12.10 确定课题、人员分工、活动计划 2 2004.12.13 确定活动目标及目标可行性分析 3 2004.12.17 提出各种测量方案 4 2004.12.23 研究、分析、确定最佳测量方案 5 2004.12.31 6 7 8 2005. 1.20 2005. 1.21 2005. 3.10 制定对策，研究实施方案 方案实施 实施效果检查 制定巩固措施及活动总结 制 表：洪 淮 斌 日 期：2005年 3月10日

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