工程控制网的技术特点与建立综述

工程控制网的技术特点与建立综述

摘要：工程控制网的用途不一样，其精度指标要求不同，它们之间既相互关联，又有各自的特点，因此，在建立工程控制网时，首先是认真做好项目的优化设计，确定经济合理的技术方案，然后再实施过程中做好质量控制，才能确保为工程勘测设计、施工及安全监测等阶段提供可靠的测量基准。

关键词：工程控制网特点建立方法

1 引言

建立测量控制网是测绘工作的基础，其控制网按其用途不同分为两大类，即国家基本控制网和工程控制网。国家控制网的主要作用是提供全国范围内的统一坐标框架。其特点是控制面积大，控制点点间距较长，点位的选择主要考虑布网是否有利，不侧重具体工程利用时是否有利。它一般分级布设，共分一、二、三、四个等级。工程控制网是为某一项工程建设的需要而建立的，其作用是为工程各种大比例尺地形图和施工及安全管理服务，点位的选设是根据工程部位的分布来设计的。水利水电工程建设分为规划设计、建筑施工和运营管理三个阶段，在三个阶段需分别建立工程专用控制网；其对应的分为测图控制网、施工控制网、变形监测控制网等。只有掌握了专用控制网的特点，才能在工程建设不同阶段建立经济合理的测量控制网。

2 各类工程控制网的特点

2.1控制网的用途不同

（1）测图控制网是在工程施工前勘测设计阶段建立的。其目的主要是为测绘地形图服务。点位的选择是根据地形条件来确定的，并不考虑工程建筑物的总体布置，因而在点位分布和密度上都满足不了后续工程建设的需要。

（2）施工控制网是为工程建筑物的施工放样提供控制，其点位、密度以及精度取决于建设的性质。施工控制网点的精度一般要求高于测图控制网，它具有控制范围小（仅建筑物区域），控制点的密度大（密度要满足所有建筑物落地放样），精度要求高（放样位置准确），受施工干扰大（开挖放炮等因素）等特点。施工控制网与国家或城市控制网相比较，其最大的不同是：在精度上并不遵循“由高级到低级”的原则。

（3）变形监测控制网是在施工及运营期间为监测建筑工程对象的变形状况而建立的控制网；其精度是根据监测对象的允许变形量来确定，一般在2～3mm。

控制网用途不一样，那么布点密度、精度指标就不同。

2.2衡量控制网的精度指标及布设层次差异大

2.2.1测图控制网

测图控制网的精度是根据测图比例尺和地形图所采用的基本等高距、测图范围的面积大小、形状等因素来确定的。

（1）平面控制：

平面控制测量包括：基本平面控制、图根平面控制和测站点平面控制，基本平面控制最弱相邻点点位中误差要求不得大于（对应测图比例尺图上）±0.05mm,图根及像控点平面控制：最后一次图根点对于邻近基本平面控制点的点位中误差不得大于（对应测图比例尺图上）±0.1mm；测站点平面控制：测站点对于邻近图根点的点位中误差不得大于±0.2mm。当进行1:500比例尺测图时，其三、四、五等基本平面控制最弱相邻点点位中误差允许放宽到不超过±5cm。这里特别强调的是：不同比例尺地形图对应的点位中误差不同。

基本平面控制等级：视测图范围的面积大小、形状及长度可取二、三、四等。当地形图等高距为0.5m时，只允许布设一级加密控制；当地形图等高距为≥1.0m 时，加密控制允许布设二级。条件有利时，可以在基本平面控制的基础上直接加密测站点测图，较小测区，还可用图根控制作为首级控制。在满足规范精度指标的前提下，可逐级或越级布网。

（2）高程控制：

高程控制测量可分为基本高程控制、图根高程控制和测站点高程控制，基本高程控制最弱点高程中误差不得大于±h/20，当h=0.5m时，不得大于±h/16（h 为对应测图比例尺采用的基本等高距）；图根及像控点高程控制：最后一次加密的高程控制点对邻近的基本高程控制点的高程中误差不得大于±h/10，且最大不得大于±0.5m；测站点高程对邻近的图根高程控制点的高程中误差不得大于±h/6。

基本高程控制等级：视测图范围的面积大小、形状及长度可取一、二、三、四等。当地形图等高距为0.5m时，只允许布设一级加密控制；当地形图等高距为≥1.0m时，加密控制允许布设二级。条件有利时，可以在基本平面控制的基础上直接加密测站点测图，较小测区，还可用图根控制作为首级控制。在满足规范精度指标的前提下，可逐级或越级布网。

（3）在水电水利专题图的测图中，当设计需用较大比例尺图面，而精度要求低于图面比例尺精度时，可采用实测放大图，即按小一级比例尺的精度要求，施测大一级比例尺地形图。图幅内地物、地貌测量可按小一级比例尺精度要求施测，地形点密度和细致程度依图面比例尺要求表达，按图面比例尺执行国家现行地形图图式，并在地形图的下方注明精度比例尺和图面比例尺。

2.2.2枢纽工程施工控制网

根据建筑物分布、枢纽区地形地貌特征等因素来确定点位数量及网形；按照

枢纽工程等级、坝型及坝高、放样精度经过优化设计方案来确定控制等级、观测方案。

（1）枢纽区平面控制网的布设梯级，根据地形条件和放样需要决定，以1～2级为宜，最末级平面控制网相对于首级控制网的点位中误差不应大于±10mm，对于施工精度要求较低的工程项目，点位中误差可放宽至±20mm。

（2）枢纽区高程控制测量的精度应满足以下要求：

最末级高程控制点相对于首级高程控制点的高程中误差，对于混凝土建筑物不应大于±10mm，对于土石建筑物不应大于±20mm。在施工区以外布设较长距离的高程路线时，应按GB/T 12897 和GB/T 12898 规定的相应等级精度指标进行设计。

（3）输水隧洞工程测量施工控制包括应分别建立地面和地下平面与高程控制网。输水隧洞开挖的极限贯通误差是根据隧洞施工相向开挖长度来确定其值的，例如《水电水利工程施工测量规范》（DL/T 5173—2012）的规定如下表2.2.2-1。

表 2.2.2-1 输水隧洞开挖贯通测量容许极限误差值（mm）

注：相向开挖长度包括支洞的长度。

相向开挖长度大于50km 时应做专门技术设计。当在主斜地下贯通时，纵向误差按横向误差的要求执行。对于上、下两端相向开挖的竖井，其极限贯通误差，不应超过±200mm。

对于水工隧洞平面和高程控制测量的精度主要是用纵横向、竖向中误差来衡量，大小是根据相向开挖长度确定。在进行贯通测量设计时，可取极限误差的1/2，作为贯通面上的贯通中误差。地下控制观测条件差，一般要求地面控制精度要高于地下控制，使地面控制误差尽量小。

2.2.3监测控制网

监测控制网精度是根据工程允许变形量来确定的。对于水工建筑物，根据其

结构、形状不同，观测内容和精度也有差异。即使同一建筑物（如拱坝）的不同部位，其观测精度也不相同，变形大的部位（如拱冠）的观测精度可稍低于变形小的部位（如拱座）。例如：混凝土拱坝径向水平位移的位移量中误差限差值：①坝顶为±2.0mm,坝基±0.3mm；垂直位移的位移量中误差限差值：②坝顶为±1.0mm,坝基±0.3mm。

而土工建筑物变形监测的精度就低于混凝土建筑物。如《土石坝安全监测技术规范》（SL551—2012）规定为：

（1）坝体及近岸坡表面监测点，其垂直位移和水平位移监测精度相对于临近工作基点应不大于±3.0mm。

（2）经优化设计按最小二乘精度估算的最弱工作基点相对于邻近基准点的点位中误差不应大于±2mm，为保证其监测成果的可靠性，网的平均多余监测分量不应小于0.3。

（3）依据水准基点和水准工作基点位置拟定垂直位移监测网监测路线及图形，通过精度估计，确定水准测量的仪器设备及施测等级，要求最弱水准工作基点相对于邻近水准基点的高程中误差不应大于±2mm。

2.3施工控制网和监测控制网应重复观测

（1）为及时发现和改正控制网点可能发生的位移，应对施工和监测控制网的全部或局部进行定期的随机的复测。在下列情况下应进行复测：

a）平面控制网建成一年以后。

b）开挖工程基本结束，进入混凝土工程和金属结构、机电安装工程开始之前。

c）处于高边坡部位或离开挖区较近的控制点，应适当增加复测次数。

d）发现控制网点有被撞击的迹象或明显的沉降现象时。

e）控制网点周围有裂缝、沉陷或有新的工程活动时。

f)遇明显有感地震。

g）利用控制网点作为起算数据进行布设局部专用控制网时。

控制网复测的精度应与建网时的精度相同。

2.4建网基准有差异

2.4.1测图控制网。

（1）非枢纽区采用现行国家坐标系统，按统一的高斯正形投影3°分带，如中央子午线为108°、111°、…，其对应带号为36、37、…。

（2）枢纽区以及重要工程建筑物区测图，当测区内投影长度变形值不大于5.0cm/km时，一般按（1）款执行，当长度变形值大于5.0cm/km时，可采用：

a）高斯正形投影任意带平面直角坐标系统；

b）以一个国家大地点的坐标和该点至另一个大地点的方位角作起始数据的独立坐标系统。

2.4.2施工控制网一般是在测图控制网下建立相对独立的控制网，监测控制网一般在施工控制网下建立相对独立的控制网，这样，可以保证勘测设计、施工和监测控制网的系统衔接一致。建立独立网的目的是要满足工程枢纽局部内符合精度高的要求。

为了减少投影长度变形，工程区采用独立坐标系布设的控制网，一般通过改变投影中央子午线及投影高程的方法来消除或减弱投影长度变形。由于相对精度要求高，一般采用较高或高等级观测，在平差时多采用最小约束平差（固定一点一方位）的方法，以保证精度不受起算数据误差的影响。

2.5网精度的高低对气象条件的要求有差异

高精度控制网观测时，要求气象梯度变化较小，如阴天或夜间观测，隧洞进出口设站时，晴天前后视方向折光差大；气象梯度变化较大时观测影响观测成果精度。

2.6网精度差异对点位标志建造要求不同

测图控制网一般埋设固定标志，对仪器对中误差要求较低，而大中型水利水电枢纽工程施工和监测控制网精度要求高时，应建造混凝土观测墩，安置强制对中基座基座。

3 工程控制网的建立方法及过程

无论是测图控制网、施工控制网还是监测控制网，其建立的方法为：

（1）平面控制通常采用诸如：边角网、附合或闭合导线及导线网等形式的常规的大地测量方法；随着空间定位技术的迅速发展，采用GPS测量方法建立工程控制网具有更好的优越性，但在峡谷等隐蔽地区，受顶空遮挡因素影响，也有它的局限性。因此，布网方案要因地制宜的选取。

（2）高程控制网建立可根据地形地貌等自然地理条件，采用几何水准、光电测距三角高程、GPS拟合高程等。

工程控制网的建立过程：首先根据建立控制网的目的、要求和控制范围，经过图上规划和野外选点，确定控制网的图形并决定参考基准（起始点）；根据测量仪器条件拟定观测纲要（观测方法和观测值的预期精度）；根据观测所需的人力、物力进行成本预算；根据控制网图形和观测精度进行目标成果的精度估算与分析，并与预定的要求相比较，作必要的方案修正，以上称为控制网的设计工作。然后是付诸实施，埋设标志，建立观测墩、台和观测标志，按预定纲要进行观测，按观测数据评定观测精度。最后进行成果处理、平差计算，平差值及目标成果的精度评定，编制测量报告（技术总结）。

在控制网的建立过程中，除了外业测量、内业计算的仪器设备和人员的技术素质作为必要条件以外，控制网的优化设计起着十分重要的作用。

4 控制网优化设计

4.1优化设计的质量标准

控制网的质量是控制网设计的核心和宗旨。用什么标准来衡量控制网的质量好坏，它不仅取决于工程的性质和要求，而且取决于标准制定得合理与否。因此，标准的制定对控制网的设计十分重要。而这个标准就是控制网优化设计的质量标准，又称为质量指标或质量准则，其质量指标一般有下面4个方面：

（1）精度，描述误差分布离散程度的一种度量；

（2）可靠性，发现和抵抗模型误差的能力大小的一种度量；

（3）灵敏度，监测网发现某一变形的能力大小的一种度量；

（4）经济，建网费用。即用较少的人力、物力实现对控制网的精确性和可靠性要求。

4.2 控制网优化设计的主要内容

控制网优化设计一般分为四个方面内容：

（1）零类设计，也就是基准问题，即起始数据的设计；

（2）一类设计，即图形的设计，确定点位的最佳布设和采用最佳的观测方案；网形及等级的确定论证必须充分。

（3）二类设计，也就是权比问题，即观测值权的设计，包括仪器设备的最佳利用以及各种观测手段的合理组合；优化观测手段以保证经济合理。

（4）三类设计，即加密控制的设计。

4.3 各阶段测量的控制布设方案深度的把握

项目建议书、可研阶段基本控制布设方案一般应满足当前，兼顾下阶段加密的起始闭合及精度要求；初设及施工图设计阶段测量控制方案要做好与可研阶段控制的衔接，必须满足工程设计和施工需要。经济合理的网形应考虑的因素有以下4点。

（1）对现场地形地貌特征要装在心里。这就要求你必须身临测区详细查勘；

（2）对工程规模、布局等深入了解，尽可能搜集设计图件，与设计、地勘人员沟通；了解其意图。

（3）搜集测区已有地形图、平面和高程控制点资料，认真分析利用。

（4）精度估算的目的是确定等级和网形，如施工或监测网的点位中误差设计时是明确的，为了满足这个精度指标，就需精度估算，精度估算的工作内容及步骤主要是：根据初选图形概略坐标反算观测量，选取测角、测距中误差、再计算中误差；如果满足的话，就也意味着等级和图形的确定；否则，应重新调整图形或提高等级，这就是优化设计问题。

5 结束语

各类工程控制网的用途不一样，其精度指标要求不同，它们之间既相互关联，又有各自的特点，那么，在建立工程控制网时，首先是认真做好项目的优化设计，确定经济合理的技术方案，然后再实施过程中做好质量控制，才能确保为工程勘测设计、施工及安全监测等阶段提供可靠的测量基准。

参考文献：

①《工程测量学》，李青岳陈永奇主编，ISBN 978-7-5030-1867-1；

②《水电水利工程施工测量规范》（DL/T 5173—2012）

③《混凝土坝安全监测技术规范》（DL/T5178—2003）

④《土石坝安全监测技术规范》（SL551—2012）

作者：魏亚龙，男，1977年9月出生，陕西凤翔县人，助理工程师，一直从事水利水电工程测绘生产技术工作。