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2023年测量技术在土木工程中的应用 中南大学测绘0803班 闵启忠 测量技术在土木工程中的应用 土木工程是一门古老的学科，我想，自从人类诞生开始，我们的祖先就在耕耘着这一项文明的事业，直到今天，它依然展现出一幅蓬勃的姿态，昂扬向前飞速发展。然而在这个过程中一门新的学科也默默地产生了，那就是今天的测量工程。测量工程它发源与土木工程，并在这个过程中不断的得到发展，同时它也服务于土木工程的各个角落。随着土木工程的发展，测绘工程也在这个过程中不断提升，在如今，很多人都把测绘工程划分到土木工作之下。我想，在如今，随着测量技术在各个领域说起的作用不断加重，他已经开成为了一门独立的学科，当然测绘工程很大一部分还是服务于土木工程。如果把土木工程比作大海上行驶的一艘轮船，那么测量工程就是它的一个导航灯，没有测量技术为其服务，不管它有多么强劲的动力，它都寸步难行。在工程建设的各个阶段，无处不渗透着测量技术的痕迹，在工程设计阶段，我们需要引用到已有的地形图，以使设计人员根据地表形态和各种地物的分布做出合理地规划设计。在工程建设阶段，我们选用将已经设计好的建筑物放到实地去，这也需要测量技术为其导航。在工程的建设和运营阶段，也密切的和测量工程联系在一起，为了保证建筑物的安全使用，我们需要定期的对其进行沉降观测，以提供第一手的资料，对建筑物做出分析，必要时采取合适的措施。 测绘科学和技术是一门具有悠久历史和现代发展的一级学科。该学科无论怎样发展，服务领域无论怎样拓宽，与其他学科的交叉无论怎样增多或加强，学科无论出现怎样的综合和细分，学科名称无论怎样改变，学科的本质和特点都不会改变。总的来说，测绘科学与技术主要包含以下几个学科： 大地测量学、工程测量学、航空摄影测量与遥感学、地图制图学、不动产地籍与土地整理。在土木工程的各个领域它都离不开我们的测量技术，而在整个测绘工程领域与工程测量学联系极为紧密。在我们测绘领域工程测量主要研究的是在各种工程的规划设计、施工建设和营运管理阶段所进行的各种测量工作。在此我们所提到的工程包括：工业建设、城市建设、交通工程（铁路、公路、机场、测站、桥梁、隧道等）、水利电力工程（河川枢纽、大坝、船闸、电站、渠道）地下工程、管线工程（高压输电线、输油送气管道）、矿山工程等。它涵盖了我们土木工程的各个领域。因此在土木工程中我们说应用的测量技术主要研究的学科应该是我们的工程测量了。下面我就从测量仪器，运用的测量理论，在施工的各个阶段测量技术所起的作用吧！ 在土木工程测量中我们所应用的测量仪器情况： 用于建立水平的或竖直的基准线或基准面，测量目标点相对于基准线(或基准面)的偏距(垂距)，称为基准线测量或准直测量。这方面的仪器有正、倒锤与垂线观测仪，金属丝引张线，各种激光准直仪、铅直仪(向下、向上)、自准直仪，以及尼龙丝或金属丝准直测量系统等。 在距离测量方面，包括中长距离(数十米至数公里)、短距离(数米至数十米)和微距离(毫米至数米)及其变化量的精密测量。精密激光测距仪和双频激光测距仪，中长距离测量精度可达亚毫米级；可喜的是，许多短距离、微距离测量都实现了测量数据采集的自动化，石英伸缩仪，各种光学应变计，位移与振动激光快速遥测仪等。采用多谱勒效应的双频激光干涉仪，能在数十米范围内达到0.01m的计量精度，成为重要的长度检校和精密测量设备；采用CCD线列传感器测量微距离可达到百分之几微米的精度，它们使距离测量精度从毫米、微米级进入到纳米级世界。 高程测量方面，最显著的发展应数液体静力水准测量系统。这种系统通过各种类型的传感器测量容器的液面高度，可同时获取数十乃至数百个监测点的高程，具有高精度、遥测、自动化、可移动和持续测量等特点。两容器间的距离可达数十公里，如用于跨河与跨海峡的水准测量；通过一种压力传感器，允许两容器之间的高差从过去的数厘米达到数米。 土木工程中所应用的测量理论： 测量平差理论 最小二乘法广泛应用于测量平差。最小二乘配置包括了平差、滤波和推估。附有限制条件的条件平差模型被称为概括平差模型，它是各种经典的和现代平差模型的统一模型。测量误差理论主要表现在对模型误差的研究上，主要包括：平差中函数模型误差、随机模型误差的鉴别或诊断；模型误差对参数估计的影响，对参数和残差统计性质的影响；病态方程与控制网及其观测方案设计的关系。由于变形监测网参考点稳定性检验的需要，导致了自由网平差和拟稳平差的出现和发展。观测值粗差的研究促进了控制网可靠性理论，以及变形监测网变形和观测值粗差的可区分性理论的研究和发展。针对观测值存在粗差的客观实际，出现了稳健估计(或称抗差估计)；针对法方程系数阵存在病态的可能，发展了有偏估计。与最小二乘估计相区别，稳健估计和有偏估计称为非最小二乘估计。 工程控制网优化设计理论和方法 网的优化设计方法有解析法和模拟法两种。解析法是基于优化设计理论构造目标函数和约束条件，解求目标函数的极大值或极小值。一般将网的质量指标作为目标函数或约束条件。网的质量指标主要有精度、可靠性和建网费用，对于变形监测网还包括网的灵敏度或可区分性。对于网的平差模型而言，按固定参数和待定参数的不同，网的优化设计又分为零类、一类、二类和三类优化设计，涉及到网的基准设计，网形、观测值精度以及观测方案的设计。在工程测量中， 施工 控制网、安装控制网和变形监测网都需要作优化设计。由于采用GPS定位技术和电磁波测距，网的几何图形概念与传统的测角网有很大的区别。除特别的精密控制网可考虑用专门编写的解析法优化设计程序作网的优化设计外，其他的网都可用模拟法进行设计。模拟法优化设计的 软件功能和进行优化设计的步骤主要是：根据设计资料和地图资料在图上选点布网，获取网点近似坐标(最好将资料作数字化扫描并在微机上进行)。模拟观测方案，根据仪器确定观测值精度，可进一步模拟观测值。计算网的各种质量指标如精度、可靠性、灵敏度。精度应包括点位精度、相邻点位精度、任意两点间的相对精度、最弱点和最弱边精度、边长和方位角精度。进一步可计算坐标未知数的协方差阵或部分点坐标的协方差阵，协方差阵的主成份计算，特征值计算，点位误差椭圆、置信椭圆的计算等。可靠性包括每个观测值的多余观测分量(内部可靠性)和某一观测值的粗差界限值对平差坐标的影响(外部可靠性)。灵敏度包括灵敏度椭圆、在给定变形向量下的灵敏度指标以及观测值的灵敏度影响系数。将计算出的各质量指标与设计要求的指标比较，使之既满足设计要求，又不致于有太大的富余。通过改变观测值的精度或改变观测方案(增加或减少观测值)或局部改变网形(增加或减少网点)等方法重新作上述设计计算，直到获取一个较好的结果。 工程工程测量按工程建设的规划设计、施工设计和营运管理三个阶段分为“工程勘测”、“施工测量”和“安全检测”。在土木工程建设中也不例外，在这三个阶段对测绘工作有不同的要求。 工程建设规划阶段的测量工作。每项工程建设都必须按照自然条件和预期目的进行规划设计。在这个阶段中的测量工作，主要是提供各种比例尺的地形图，另外还要为工程地质探测、水文地质探测以及水文测验的进行测量。对于重要的工程，例如某些大型特种工程，或在地质条件不良的地区进行建设，这还有对地层的稳定性进行测量。 工程建设阶段的测量工作。每项工程建设的设计经过讨论、审查和批准之后，即进入施工阶段。这时，首先要将所建设的工程建筑物按照施工的要求在现场标定出来（即所谓定线放样），作为实地修建的依据。为此，要根据工地的地形，工程的性质以及施工组织和计划等，建立不同形式的施工控制网，作为定线放样的基础。然后再按照施工的需要，采用各种不同的放样方法，将图纸上所建设的内容转移到实地。此时，还需进行施工质量控制，这里主要是几何尺寸如工程建筑的竖直角、地下工程的断面等的监控。为检测工程进度，还要进行开挖与与建筑方测绘以及工程竣工测量、变形测量以及设备的安装测量等。 施工建设营运鼓励阶段的测量工作。在运营期间，为检测工程建筑物的安全情况，了解设计是否合理，验证设计理论是否正确，需要对工程建筑物的水平位移，沉陷、倾斜以及摆动等进行定期或持续的检测。这些工作，就是通常所说的变形检测。对于大型的工业设备，还要进行经常性的检测和调校，以保证其设计安全运行。为了对工程进行有效的管理、维护，为了日后扩展的需要，还应建立工程信息系统。 土木工程勘测设计阶段测量工作 任何一项工程都必须按照自然条件和预期目的进行选址和勘测设计。在此阶段的测量工作，主要是提供各种比例尺的地形图勘测设计人员进行规划设计。随着一体化设计软件和地理信息系统的发展及其在国土资源、能源、交通、人口、市政、生态环境和综合管理的方面的广泛应用，不仅给各类规划人员提供了更好的辅助工具，而且也可以让决策者据此对勘测设计做出客观的评价。 在以往设计人员规划选址首先是收集各种比例尺的地形图，如城市规划主要采用大比例吃地形图，在结合各方面的资料和规范要求，选出几条可能的方案，然后下达勘测设计任务委托测量人员进行初步勘测。因此勘测的任务说到底就是为设计人员提供各种设计用图。随着数字测图技术和GIS的逐步推广和使用，设计人员能利用野外数据和室内数据一体化软件以及GIS强大的空间分析功能，修改设计方案。勘测设计阶段的测量工作更加工程性质的不同而不同。下面简要的以工业企业勘测设计阶段和线路勘测设计阶段测量工作来说明测量技术的应用。 工业企业勘测设计阶段测量工作 工业企业不同于铁路和公路呈现状地形，它是面装地形，因此它需要的图也是呈面装特特征。要进行勘测设计必须有设计地底图，而该阶段测量工作的任务是向设计者提供所需要的地形图。地形图主要使用在平面运输设计部门。该部门的设计任务，就是根据地形图等各种基础资料和工业企业生产特点，综合设计解决主要车间、辅助车间、动力设施、运输设施、等在厂内的平面与竖直布设。 工业厂地竖向布设就是将区域的自然地形加以平整改造，以保证生产运输在竖向的良好的结合，合理地组织排水，而且是建设中天文土石方工程保持平衡，降低工程造价。场地平整和设计高程确定后，即进行建筑物的地坪高程，铁道轨顶高程、道路中心线高程以及工程管网高程的设计。这些高程的设计原则仍然是要使其尽量与自然相适应。在一般情况下，1：5000比例尺地形图可用以勘测设计，例如厂址选择、总体规划、方案比较等；1:2000比例尺地形图可用于初步设计；1:1000比例尺地形图可用于施工设计；对于新建厂或比较简单的扩建厂、改建厂。可与初步设计共用同一比例尺的地形图；1：500比例尺地形图可用于地形复杂，建筑物密集、精度要求较高的工业企业的施工设计。 对于目前的测绘技术而言，大多采用野外实测数字化测图技术，故数字化测图已被设计者广泛使用。数字化地形图的优点在于，成图速度快，修改，备份，存储容易，其最大的优点是不限于比例尺，而可以根据不同的需要选用不同比例尺地形图。由于采用数字化成图技术，设计人员在电脑上可以方便地进行设计和修改，使的前面所提到的总体规划，方案比较，施工设计等均可在同一幅地图上完成。另外，以往从图上图解设计元素存在误差均不存在，提高了设计和获取放样元素的精度。从某种程度上讲，工业企业勘测设计阶段的测量工作任务就是根据设计任务的性质选择适当的成图比例尺，野外实测数字化地形图或航测数字化地形图，并制作各种专题图，为设计者提供设计底图。 线路勘测设计阶段测量工作 铁路、公路、架空送电线路以及输油管道等均属于线性工程。一条线路的勘测设计工作，主要是根据一定的计划与自然地理条件，确定线路经济合理地位置，为达此目的，必须进行反复的实际和比较。线路在勘测设计阶段的测量工作称线路勘测。这项工作的任务是为线路设计收集一切必要的地形资料。线路除了地形资料外，还必须考虑线路所经过地区的工程地质、水文地质已经经济等方面的问题，所以线路设计一般分阶段进行，其勘测工作也分阶段进行。各种线形工程的勘测工作的任务基本都一样，但随着工程的不同有以下差异，我们以铁路设计为例，说明测量在铁路勘测中的各项任务。 线路工作分为处测和定测两个阶段进行。初测是在设计人员根据已有的资料和有关部门对线路要求，在小比例尺地形图上选出几个可能的线路方案，经过全面的分析比较后，提出对主要方案的初步意见下达勘测设计任务后进行的测量工作。初测是对方案研究中认为有价值的几条线路后一条主要线路，结合现场的实地情况，在实地进行选点，标出路线方向。然后根据实地上选出的点进行平面控制测量和水准测量，测出个点的平面位置和高程。在以初测控制点为图根点，测绘一定比例尺的带状地形图供编制初步设计使用。定测是对已批准的初步设计方案选定的路线，利用带状地形图上初测导线和纸上线路的几何关系，将选定的线路勘测设到实地上去。测设时应结合现场的地形、水文、地质等实地情况，尽量改善线路的位置，力求选出最经济合理地路线。测定工作包括中线测量、曲线设计、纵横断面测量以及局部的地形图测绘，并为施工设计收集资料。 以上的测量工作，现在又很大部分如平面控制，带状地形图的测绘等均可应用GPS、RTK技术完成，其不设速度快、精度高、成图周期短等特点成为各测量单位测量的重要手段。数字化测图技术的发展以及摄影测量技术的发展，时候的线路勘测成果更加丰富多样，特别是数字高程模型为线路设计提供了形象逼真的地面立体模型，为设计人员进一步设计提供了良好的平台。 桥梁勘测设计阶段测量工作 桥梁勘测设计阶段主要有以下测量工作： 桥位平面和高程控制测量：建立平面和高程控制网，要求与国家和地方高程等级已知三角点和水准点联测。桥址定线测量：在等级控制点基础上按I级导线测量精度与实地测设中线控制点，包括交点等。断面测量：在桥址定线范围内，按有关规范要求施测全桥中线断面，编制断面资料，绘制断面图，根据设计要求测绘若干桥墩台的断面图。河床地形测量：桥位大比例尺的陆地地形测绘，准确反映地形、地物现状、测量与桥址中线交叉的道路及平面位置、高程及悬空高度等。流量测量：采用前方交会法测量浮标，施测桥址中线上下游一定范围内水流流向和流速，并按照大比例尺测绘流量图。 土木工程施测阶段的量测工作 工程施测阶段的测量工作主要是按照设计要求将设计好的建（构）筑物的位置、形状、大小及高程在实地标定出来，以便进行施工；另一方面作为施工质量方面的监督，还需进行工程质量方面监理。工程监理是指独立于业主和承包方的第三方对基础设施施工项目建设过程的监督和管制，他是监理工程师依照施工合同，在业主授权范围内，对施工现场进行监督管理，对施工进度、质量和费用进行控制，对合同执行中出现的问题进行处理，是工程施工按照施工合同要求进行，并获得预期的建筑产品；测量工作是工程施工的眼睛，在工程建设中起到至关重要的作用。 施工测量工作：施工单位作为工程建设者，主要任务是按照设计和施工要求，将图纸上设计计好的建（构）筑物的位置、形状、大小及高程在实地标定出来，这种标定任务称为施工放样。施工放样也可以说是将图纸上的建构筑物放到地面上去的工作过程。施工放样与测量的程序恰好相反，但工作方法和原理都是一样。工程建筑物的放样，同样必须遵循从整体到局部、先控制和碎步的原则和工作程序。首先，根据工程平面图和地形条件建立施工控制网，根据施工控制点在实地定出各个建筑物的主轴线和辅助轴线；在根据主轴线和辅助轴线标定出建筑物的各个细部点。采用这样的工作程序，能保证建筑几何关系的正确性，而且是施工放样工作可以有条不紊的进行，避免误差的积累。 由于施工的对象不同，施工测量方案也有所区别，但其工作程序基本是一致的。主要的测量工作有施工控制网的建立与施工放样。施工控制网根据施工对象的不同有所区别。一般来说，建筑物和厂区的控制网布设成矩形控制网，即所谓的建筑方格网；对于地形平坦但通视比较困难的地区，这可采用GPS与全站仪结合布设的导线网；对于地形起伏较大的山区及跨越江河的工程，一般采用GPS网或边角位；对于线状工程多采用GPS与全站仪结合所布设的导线网，地下工程一般采用导线网。施工放样的主要内容是，放样依据的选择及放样已知点的选择；选择放样方法；计算放样元素，根据已选定的放样方法和已知点坐标和高程以及设计坐标和高程，计算出需要测设的水平角、边长值和高差值，这些元素称为放样元素。根据设计图和控制点分布情况的不同，放样方法也有时区别。随着全站仪和GPS的逐步普及和推广，传统的放样方法正逐步被淘汰，现阶段我国的大型工程建设中已全部采用全站仪和GPS进行高精度定位放样。 监理测量工作 建筑工程的测量工作不仅是工程建设的基础，而且是设计工程质量的关键。近几年随着社会经济快速发展，充适应现代化城市环境需求来考虑，建筑师在建筑设计中既要满足使用功能要求，又要注重建筑物外观造型，许多外观造型复杂的超大超高规模的建筑物应用而生，在这些建筑施工过程中，测量工作尤为显得重要。施工单位的测量方案是否合理，测量数据是否准确可靠，测量人员专业水平都直接影响到工程质量，因此，监理工程师切实做好测量监理工作室施工质量和控制的一项重要环节。监理工程师必须对工程建设过程中测量方案、测量数据进行审查、复核签证。由于测量监理师检查、验收的最后一道程序这样就对监理工程师的测量专业方面提出了很高的要求。监理工程师应结合工程特点，编制相应的测量监理实施细则，以保证监理测量工作的质量。 工程运营管理阶段的测量工作 工程运营管理阶段测量工作的主要任务是工程建筑物的变形观测。在工程建筑物运营期间，为了监视器安全和稳定情况，了解其设计是否合理，验证设计理论是否正确，需要定期对其位移、沉降、倾斜以及摆动等进行观测。 由于在各种因素的影响下，工程建筑物及其设备在运营过程中都会产生变形，这种变形若在一定限度之内，认为是正常现象，但如果超过了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重之时还会危及建筑物的安全，因此在工程建筑物的施工和运营期间，必须对其进行监视观测，及变形观测。监测其在施工和运营期间是否存在超出设计要求的变化量。因此在工程建筑物的施工和运营期间，必须进行监视观测，通过变形观测取得第一手的资料，可以监视工程建筑物的状态变化和工作情况，在发现不正常现象时，应及时分析原因，采取措施，防止事故发生并改善运营方式以保证安全。另外通过在施工和运营期间对工程建筑物原体进行观测，分析研究，可以验证地基与基础的计算方法，工程结构的设计方法，对不同的地基与工程结构规定合理的允许沉陷与变形的数值，为工程建筑物的设计施工管理和科学研究工作提供资料。 变形观测的任务是长期而具有周期性的工作，对观测点进行重复性观测，求得其在两个观察周期期间的变化量。而为了求得瞬时变形，则采用各种自动记录仪器记录其瞬时位置。目前，随着测绘仪器、网络技术、信息技术的不断发展，各种监测仪器应运而生，最具代表性的仪器设备是全站仪和时事动态技术。变形观察的内容，应根据建筑物的性质地基情况来定。要求有明确的针对性，既要有重点，又要做到全面考虑，以便能正确反映建筑物的变化情况，达到监测建筑物的安全运营了解其变形规律。 为了更全面地了解影响工程建构筑物变形原因及其规律，以及有些特种工程建构筑物的要求，有时在勘察阶段就要进行地表形变观测，以研究地层的稳定性。通过变形观察取得第一手资料，可以监视工程建筑物的状态变化及工作情况，在发现不正常现象时应及时分析原因，采取措施，防止事故发生。例如我国某水电厂的混凝土大坝，根据多年的观测结果，表明坝体渗流量、坝基场压力以及坝体的水平位移都很大，按这些观测资料的计算分析，在发生百年一遇的洪水时，大坝将有倾覆的危险，因此，对大坝进行紧急加固，从而提高了它的稳定度，保证了安全。其次，通过在施工和运营阶段对工程构建筑物原体进行观测，分析研究，可以验证地基的基础的计算方法，为工程建筑物的设计、施工、管理和科学研究工作提供资料。例如某水库的土坝，由变形观测资料的分析表明，其变形量不大，而且日趋稳定，与设计相;坝体清润线的实测资料也与设计接近，这就是说，该坝设计正确，施工质量良好，可以按照设计能力运营。当然，上述的分析研究工作应该有工程地质、土力学、工程结构等专业人员共同进行，其中，测量人员要对变形资料提供几何解释。 为了达到上述目的，通常建筑物的设计阶段，调查建筑物地基负载性能、研究自然因素对建筑物变行影响的同时，就应着手拟订观测的设计方案，并将其作为工程建筑物的一项设计内容，一边在施工时就将标志和设备埋设在设计位置上。从建筑物开始施工就进行观测了，一直持续到变形终止。 在我们的土建的各个环节，都留下了我们测量人的足迹，正是有了我们这些测量工作者不懈的努力，时刻保持一颗严谨的工作态度，为土建打开了一盏导航灯灯，伴随着土建工程健康蓬勃的成长着。同时我们的测量技术理论也得到了检验和提升。我想不管土建工程怎么发展，我们的测量技术永远都会陪伴着它走下去，并不断的发展和改善自己！在工程建设的各个环节，测量任务都是艰巨而重要的，他可能直接威胁到整个工程的正常建设。这是对我们测量工作者的一次巨大的挑战和考验，这就需要我们从现在开始培养一颗严谨的工作态度，更好发挥测量技术的作用，为社会发展做出一份贡献！ 测量技术在土木工程中的应用 测绘技术在土木工程中的应用 测量在土木工程中的作用 土木工程测量 土木工程测量 智能材料在土木工程中的应用 工程测量在土木工程中的地位和作用 土木工程测量总结 土木工程测量实习 土木工程测量总结