第10章-道桥隧工程测量

《测量学》

第十章

道路桥梁隧道工程测量

193§10-1道路工程测量概述道路工程包括铁路和公路工程。铁路工程分为高速铁路、主干铁路、地方铁路，道路工程分为联系城市之间的公路(包括国道和高速公路)、城市道路(包括高架道路地下铁路)、工矿企业的专用道路以及为农业生产和农民生活服务的农村道路,由此组成全国道路网。道路工程测量也应遵循“先控制后细部”的原则。道路工程为线形工程，控制网只沿线路方向布设，是一个长度达数公里、数十公里甚至数百公里而宽度只有数十米或数百米的狭长带状控制网，并且需要与国家或城市控制网联测，以纳入统一的大地坐标系统。传统上用导线布设道路工程的平面控制网，用水准路线布设高程控制网。全球导航卫星系统（GNSS）技术为道路测量建立控制网提供了新的方法。293道路GNSS控制网某高速公路中的一段的GNSS控制网图393初测

—在路线范围内，测绘带状地形图、纵断面图，收集地质、水文等资料，为初步设计提供依据。定测

—在选定设计方案的路线上进行中线测量、纵、横断面测量、带状地形图测绘。为道路工程建立高程控制的路线水准测量称为基平测量，常用三﹑四等水准测量来建立。GNSS高程测量也可用于路线测量中的基平测量。路线勘测一般分为“初测”和“定测”两个阶段。道路经过定测后进行技术设计，它的平面线型、纵坡、横断面等已有设计数据和图纸，即可进行道路施工。施工前和施工中，需要恢复中线、测设路基边桩和竖曲线等。这些测量工作总称为道路施工测量。以下主要介绍道路定测和施工测量。493§10-2道路中线测量道路中线的平面几何线型由直线和曲线组成。中线测量工作主要包括：测设中线上各交点(JD)和转点(ZD)、量距和钉桩、测量交点上的偏角、测设圆曲线和缓和曲线的主点(直圆ZY,曲中QZ,圆直YZ,圆缓YH,缓圆HY)和细部点等。ZY—直线和圆曲线连接点QZ—圆曲线的中点YZ—圆曲线和直线连接点YH—

圆曲线和缓和曲线连接点HY—缓和曲线和圆曲线连接点593上图的圆曲线和缓和曲线组成一组反向曲线段山区道路的反向曲线段693一、路线的交点和转点测设交点—路线的相邻直线段的相交之点。是详细测设道路中线的控制点。在初测的带状地形图上进行纸上定线，设计交点的位置，然后实地测设。转点—路线直线段上的点。定线测量中，当相邻两交点互不通视或直线段较长时，每隔200～3O0m设一转点,以便在交点测量转折角和直线量距时作为照准和定线的目标。(－)交点测设

图上量得与地物的关系测设路线交点

(例如用距离交会法)道路中线道路中线交点房屋电线杆793根据导线点测设路线交点893穿线法测设路线交点导线导线道路中线道路中线导线点交点测设的转点不严格在一条直线上。用目估法或经纬仪视准法定出一条直线，使尽可能靠近这些测设点，这一工作称为穿线。测设点P1P2P3P4不在一直线上导线沿道路中线布设，可按邻近的导线点用极坐标法测设交点。路线的相邻直线段(AB,CD)用穿线法定出后,可用延长相交法测设交点(JD)。方法：将经纬仪安置于B点，瞄准A点，倒转望远镜，在视线方向上,接近交点JD的概略位置前、后打下两个桩（称为骑马桩）采用延长直线的“正倒镜分中法”在该两桩上定出a，b两点，并钉以小钉,拉上细线；将经纬仪搬至C点,后视D点,同法在交点概略位置前,后打下两个骑马桩,定出c,d两点,拉上细线；在两条细线相交处打下木桩,并钉以小钉,得到交点JD。DJDABC993abcd二、路线转折角的测定

路线前进方向1093在路线的交点上，应根据交点前、后的转点测定路线的转折角。通常测定路线前进方向的右角β，用DJ2或DJ6级经纬仪观测一个测回。按β角计算出路线交点处的偏角α，当β＜180°时，为右偏角（路线向右转折），当β＞180°时，为左偏角（路线向左转折）。最后定出转折角的分角线方向三、里程桩的设置

里程桩的作用：标定路线中线的位置,注明类别和离起点的距离；

(例:

JD

3+135.12

—交点,离起点3135.12m)测量路线纵、横断面的依据；便于计算工程量。1193距离为50m整数的整桩地物加桩(涵洞)曲线主点桩(ZY)方桩(标明点位)扁桩(指明方桩所在和性质)§10-3道路圆曲线的测设一、圆曲线主点测设主点测设元素的计算:1293切线长曲线长外矢距曲切差根据主点元素测设圆曲线主点桩号的计算计算检核：YZ桩号=

JD桩号+T-J1393桩号计算：道路中线不经过交点,圆曲线中点和终点的桩号必须从圆曲线起点的桩号沿曲线的长度推算而得。而交点桩的里程已由中线测量获得,因此可根据交点的里程桩号及圆曲线测设元素计算出各主点的里程桩号。一、圆曲线主点的测设1.曲线起点(ZY)的测设经纬仪安置在JD点,后视相邻交点,按视线方向测设切线长T，即为ZY点。2.曲线终点(YZ)的测设经纬仪前视相邻交点,按视线方向测设切线长T,即为YZ点。3.曲线中点(QZ)的测设测设路线转折角的分角线方向(曲线中点方向),测设外矢距E,即为QZ点1493（用极坐标法测设—方向,距离）二、圆曲线的细部点测设偏角法测设数据计算:(偏角即弦切角)细部点P1P2P3P4(整桩),l0整桩间弧长(整弧),l1

ln+1(非整弧)所对圆心角分别为φ0

φ1

φn+1：

1593（一）偏角法(曲线上的细部点为应设置的里程桩)9316根据弦切角为同弧所对圆心角之半：同弧所对的弦长为：根据弦切角和弦长,以切线为起始方向,用极坐标法测设Pi9317曲线里程桩号相邻桩点弧长

(m)偏角△弦长C(m)相邻桩点弦长c

(m)ZY3+091.05P13+100P23+120P33+140P43+160YZ3+175.528.9520.0020.0020.0015.520°00’00”2°08’12”6°54’41”11°41’10”16°27’39”20°10’00”08.9528.8848.6168.0182.748.9519.9819.9819.9815.51QY3+133.2910°05’00”42.02表10-1圆曲线细部点偏角法测设数据(R=120m)测设方法：经纬仪(或全站仪)置于ZY点,以JD定向,转过偏角按短弦c(相邻点距离)测设点位Pi。(二)圆曲线细部点测设的极坐标法1893计算各细部点坐标,置全站仪于控制点,用极坐标法测设点位是功效最高的方法。主点和细部点坐标计算方法：1.按交点坐标和圆曲线元素计算曲线主点坐标；2.按圆曲线起点坐标根据偏角Δ和长弦C计算Pi点坐标。9319曲线里程桩号偏角

方位角α弦长C(m)坐标x(m)y(m)ZY3+091.05P13+100P23+120QZ3+133.29P33+140P43+160YZ3+175.520°00’00”2°08’12”6°54’41”10°05’00”11°41’10”16°27’39”20°10’00”52°16’30”54°24’42”59°11’11”62°21’30”63°57’40”68°44’09”72°26’30”8.9528.8842.0248.6168.0182.746821.356826.566836.156840.856842.696846.026846.315599.385606.665624.185636.605643.065662.765678.27

表10-2圆曲线细部点坐标计算(按偏角和长弦)§10-4道路缓和曲线的测设一、缓和曲线计算2093车辆在平面线型为圆曲线的公路或铁路上行驶，会产生离心力,正比于车速,反比于曲线的半径。离心力影响行车安全，须用公路外侧超高或铁路外轨超高使车辆向曲线内侧倾斜来抵消这种离心力。超高不应突然产生，因此需要在直线段与曲线段之间插入一段“缓和曲线“作为过渡。高速公路的圆曲线两端必须设置缓和曲线

使外侧超高均匀地增加2193曲线部分的路基横断面（一）缓和曲线的理论2293圆曲线半径R缓和曲线半径r

=∞→R缓和曲线弧长l

i缓和曲线全长l

S任意常数C缓和曲线的数学关系式：r

=Rr

=8半径与弧长成反比缓和曲线和圆曲线的独立坐标系2393为了求得缓和曲线长度与点位的关系,建立以ZH为原点,以切线方向为纵轴的独立坐标系。

β为缓和曲线上任一点的切线方位角βo

为HY点的切线方位角,Β

j

为圆曲线点的切线方位角缓和曲线圆曲线缓和曲线点和圆曲线点的独立坐标系坐标2493缓和曲线点坐标：9325HY点坐标：圆曲线点坐标：切垂距：内移距：9326

缓和曲线原素的计算公式：切线长外矢距圆曲线长曲线全长曲线独立坐标与大地坐标的变换：式中：Xi

Yi为大地坐标,

Xo

Yo为ZH或HZ点坐标,

xi

yi

为独立坐标系坐标。五、缓和曲线利用AutoCAD计算与绘图2793在AutoCAD系统软件中，用Visual-LISP语言编制“具有缓和曲线的圆曲线计算程序”(E-CURVE.LSP

)，有计算、绘图和数据文件输出功能，其框图如下：*原程序在本CD-ROM“7.工程测量LISP程序及应用”具有缓和曲线的圆曲线计算程序(E-CURVE.LSP）

执行程序时的数据输入对话框28932993具有缓和曲线的圆曲线计算程序(E-CURVE.LSP）

执行程序后的图形屏幕输出*路线中桩及边桩的坐标输出见书附CD-ROM“7.工程测量LISP程序及应用”§10-5路线纵横断面测量一、路线纵断面测量（一）基平测量—高程控制测量（按四等水准测量）（二）中平测量—按桩号依次测定中桩的地面高程(路线水准测量,两端附合于基平水准点)30939331（三）全站仪路线纵断面测量在道路工程测量中，应用全站仪的三维坐标测量和测设的方法，在测设道路中桩的同时，测定其高程，并自动记录这些点的桩号和三维坐标等。这些数据可与计算机联机通讯，实现路线测量的自动化和路线纵断面图的机助成图。（四）纵断面图的绘制及施工量计算纵断面图是以中桩的里程为横坐标、以其高程为纵坐标而绘制的。常用的里程比例尺有1∶5000、l∶2000和l∶1000几种。为了明显地表示地面起伏，一般取高程比例尺比里程比例尺大10倍或20倍。例如里程比例尺用1∶1000时，则高程比例尺取1∶100或l∶50。道路设计纵断面3293二、路线横断面测量（一）横断面测量方法3393路线横断面测量的主要任务是在各中桩处测定垂直于道路中线方向的地面起伏，然后按每一中桩桩号绘成横断面图。横断面图是设计路基横断面、计算土石方和施工时确定路基填挖边界的依据。横断面测量的宽度一般在中线两侧各测15～50m。二、横断面图的绘制3493一般采用1∶100或l∶200的比例尺绘制路线横断面图。绘制时，先标定中桩位置(图虚线)，由中桩开始逐一将地形特征点画在图上，用线连接而成地面线，地面线上注记桩号，地面线下注记地面高程。中桩位置地面高程桩号3593

横断面图上进行路基断面设计：图(a)为设计路基面高于地面,为路堤断面(填方断面)图(b)为设计路基面低于地面,为路堑断面(挖方断面)图(c)为半填半挖的路基断面图。根据横断面的填、挖面积及相邻中桩的桩号(相减即得两断面间的水平距离),可以算出施工的土、石方量(填、挖的土石方体积)。填方断面挖方断面半填半挖断面§10-6道路施工测量一、施工控制桩测设(一)平行线法测设施工控制桩道路边桩道路中心线1+2601+2201+2403693道路边桩平行线法是在设计的路基宽度以外,测设两排平行于中线的施工控制桩,控制桩的间距一般取10～20m。设计道路边线设计道路边线（二）延长线法测设施工控制桩3793延长线法是在路线转折处的中线延长线上以及曲线中点至交点的延长线上测设施工控制桩，量出控制桩至交点的距离并作记录。必要时可以随时恢复JD,ZY,QZ,YZ等点的位置。施工控制桩JD1JD2施工控制桩二、路基边桩测设

（一）平坦地段路基边桩测设3893路基施工前要把设计路基的边坡与原地面相交的点测设出来。该点对于设计路堤为坡脚点，对于设计路堑为坡顶点。路基边桩的位置按填土高度或挖土深度、边坡设计坡度及横断面的地形情况而定,设计数据可从CAD图上量测。设计路堤设计路堑坡脚点边桩坡顶点边桩（二）山坡地段路基边桩测设3993山坡地段测设路堑的路基左、右边桩离中桩的距离分别为：边沟宽边坡中桩挖深左边桩右边桩l左，l右的数值可以从CAD设计图上量测而得。在实地从中桩沿横断面方向量距测设路基边桩。路面宽三、竖曲线的测设4093在设计路线纵坡的变更处，考虑行车的视距要求和行车的平稳,在竖直面内用圆曲线连接,这种曲线称为竖曲线。如图所示：路线上有三条相邻的纵坡，其坡度分别为：i1(+

—上坡)、i2（-

—下坡）、i3(+

—上坡)在坡度为i1和i2的纵坡之间设置凸形竖曲线，在坡度为i2和i3的纵坡之间设置凹形竖曲线。路线前进方向三、竖曲线的测设

4193竖曲线的设计半径为R,

竖曲线的计算元素:

竖向偏角α,切线长T,曲线长L,外矢距E,高差改正yi。可以采用与平面圆曲线计算主点测设元素同样的公式。竖曲线的设计半径R

较大，而α角又较小，因此可以用下列近似公式计算：偏角：切线长：曲线长：外矢距：按yi在曲线范围内里程桩上测设竖曲线的高程§10-7

桥梁工程控制测量4293在铁路公路和城市道路等的线路上，通过河流、山谷或与其他道路立交需要修建桥梁。有铁路桥梁,公路桥梁,铁路公路两用桥梁等。高架道路也是属于桥梁结构。桥梁工程在勘测设计建筑施工和运营管理阶段都需要进行测量工作。南京长江大桥—铁路公路两用桥9343一、桥梁平面控制测量桥梁平面控制网的图形一般为包含桥轴线的双三角形、具有对角线的四边形或双四边形。桥梁平面控制网的观测可以采用常规观测角度和边长的边角网，计算各平面控制点的坐标。大型桥梁平面控制网也可以采用GNSS方法测定。桥梁轴线桥梁平面控制网（一）过河水准测量4493过河水准测量主要问题:①前后视距不等②远尺距离过长解决方法:①测站河立尺点布设对称图形,采用对向观测；②远尺上加装觇牌,有利于远距离瞄准；③用多测回观测取平均值,提高精度。测站近尺视线远尺视线

二、桥梁高程控制测量4593由观测者根据水准仪横丝指挥远尺立尺者上下移动觇牌，使觇牌中部的横条或三角形图案被水准仪的横丝所平分。由立尺者根据觇牌中心孔的指标线在水准尺上读数。觇牌上图案设计成有利于瞄准9346（二）电磁波测距三角高程测量（三）GNSS高程测量用全站仪可进行电磁波测距三角高程测量。在河的两岸布置A、B两个临时水准点,在A点安置全站仪,量取仪器高

i；在B点安置棱镜，量取棱镜高l；全站仪瞄准棱镜中心,测观天顶距Z和斜距S,计算出A,B点间的高差。由于过河的距离较长,高差测定受到地球曲率和大气垂直折光的影响。应采用对向观测的方法,能抵消地球曲率和大气垂直折光的影响。用GNSS测量布设的桥梁平面控制网也可以用GNSS高程测量的方法进行两岸控制点高程的联测。河面宽阔的特大桥梁，用过河水准测量和三角高程测量有困难时更为合适。§10-7

桥梁工程施工测量4793一、中小型桥梁施工测量（一）桥梁中轴线和施工控制桩测设

根据道路中线上的桥位施工控制桩k1,k2,k3,k4，测设出桥台和桥墩的中心桩位A,B,C,D点,然后分别在这些点上安置全站仪，在与桥梁中轴线垂直的方向上测设桥台和桥墩的施工控制桩位a1,a2,b1,b2,…，每侧要有两个控制桩。（二）桥梁基础施工测量根据桥台和桥墩的中心线定出基坑开挖边界线。基坑上口尺寸应根据坑深、边坡坡度、土质情况和施工方法而定。基坑挖到一定深度后，应根据水准点高程在坑壁测设距基底设计面为一定高差（例如1米）的水平桩,作为控制挖深及基础施工的高程依据。9348基础完工后，应根据上述的桥位控制桩和墩、台控制桩用经纬仪或全站仪在基础面上测设墩、台中心及其相互垂直的纵、横轴线，根据纵、横轴线即可放样桥台、桥墩的外廓线，作为砌筑桥台和桥墩的依据。（一）桥梁墩台定位测量9349二、大中型桥梁施工测量大型桥梁的施工必须布设平面控制网和高程控制网。控制网布设后,用较精密的方法进行墩台定位和架设梁部结构的定位。大桥的水中桥墩大桥的梁部结构方向交会法测设桥墩9350A-B为桥轴线，C,D为桥梁平面控制网中的控制点，Pi点为第i个桥墩设计的中心位置。用方向交会法测设桥墩中心位置时，需要计算在桥梁控制点上的交会角：α

,

β,

γ,

δ。桥梁轴线控制点控制点方向线相交的角度应近于90°方向交会法的误差三角形5193由于测量误差的影响，从C,A,D点指来的三条方向线一般不可能正好交会于一点，而构成方向交会定点位的“误差三角形”(Pa-Pb-Pc)。如果误差三角形在桥轴线上的边长(Pa-Pb)为容许范围之内(一般规定：对于墩底放样,为2.5cm;对于墩顶放样，为1.5cm），则取C,D

两点指来方向线的交点PC在桥轴线上的投影点Pi作为桥墩放样的中心位置。误差三角形桥墩中心点极坐标法测设桥墩

在使用全站仪进行桥梁墩台定位时，用极坐标法放样桥墩中心位置，则更为方便。对于极坐标法，原则上可以将仪器放于任何控制点上，按计算的放样数据（角度和距离）测设点位。9352测设桥墩中心位置，最好是将仪器安置于桥轴线点A或B上，瞄准另一轴线点作为定向，然后指挥棱镜安置在该方向上测设APi或BPi的距离,即可定出桥墩中心位置Pi点。（二）桥梁梁部架设施工测量

桥梁的梁部结构一般较为复杂,要求对墩台的方向、距离和高程用较高精度测设，作为架梁的依据。9353桥梁中心线方向测定,在直线部分采用准直法,用经纬仪或全站仪正倒镜分中法,刻划方向线。如果跨距较大(＞100m),应逐个桥墩观测左、右角。在曲线部分则采用偏角法或极坐法。相邻桥墩中心点间距离用测距仪观测，在中心标板上刻划里程线,与已经刻划的墩台方向线正交,形成代表墩台中心的十字。墩台顶面高程用精密水准测定,构成水准路线,附合到两岸水准点上。如果梁的拼装系自两端悬臂、跨中合拢，则合拢前的测量重点应放在两端悬臂的相对关系上。中心线方向偏差,高程差和距离差要符合设计和施工的要求。三、大型斜拉桥施工测量大型斜拉桥主要由索塔

(墩塔)、斜拉索、主梁三大部分组成，塔、索、梁三者之间的联系一般常用双塔三跨连续梁布置。9354固定于索塔的斜拉索每隔一定索距对梁进行提拉，将梁的荷载传至索塔，再传至塔墩基础。斜拉桥的结构特点有利于用悬臂法架设主梁。(包括预制拼装或现场浇注)双塔三跨连续梁的斜拉桥上海杨浦大桥5593下图的上半部分为斜拉桥完成索塔建造后主梁开始用悬臂法施工,下半部分为悬臂施工,中间合拢后的示意图。斜拉桥的施工施工中的斜拉桥预制梁块的分段吊装5693两端悬臂施工逐步向中间合拢9357竣工后的斜拉桥—典型的双塔三跨连续梁（一）塔柱施工测量

索塔的下半部分为基础和塔墩，其施工定位测量同一般大桥的定位。其上半部分为塔柱，其结构较为复杂，一般由下塔柱、下横梁、中塔柱、上横梁、上塔柱等几部分组成，如右图所示。5893塔柱施工测量的重点是保证塔柱各部分的倾斜度、铅垂度和外形几何尺寸以及一些构件的空间位置等符合设计要求。索塔平面基准投影

索塔建造的平面基准是塔墩的中轴线和桥梁的中轴线(相互垂直),塔墩中心点的垂直投影是塔柱施工测量的关键。在墩中心点及两边平面控制点的旁边预留有垂准孔，垂直投影(铅垂线测设)的方法有垂准仪法和全站仪天顶观测法。5993通过垂准孔向上垂直投影施工索塔上部结构桥梁中轴线索塔中轴线6093（二）主梁施工测量

斜拉桥的主梁施工是由索塔下双向对称悬臂架设、跨中合拢的动态施工方法。主梁架设分为现场浇注和预制标准构件拼装两种基本方法。主梁施工是从索塔下的“零号梁块”开始,向两侧悬臂伸展。主梁施工测量是保证斜拉桥成桥线型符合设计要求。零号梁块零号梁块矩形控制网

主梁横断面线型测量

主梁横断面的梁底线型是每一节段由前端梁底1，2，3，4四个测点的标高来表示。用水准测量方法测定梁顶面上高程线性点2’3’点的标高，推算出梁底测点的标高,用斜拉索调整。6193梁体中轴线主梁横断面斜拉索斜拉索6293索道管定位测量斜拉索是连接索塔和主梁并使之构成整体斜拉桥的重要组成部分，而索道管是将缆索两端分别锚固在索塔和主梁上的重要构件。为了使缆索能正确定位，对索道管顶口和底口中心的三维坐标位置的定位提出了很高的精度要求（例如±5mm）9363

1.塔柱索道管定位测量塔墩靠近岸边，可以在岸上布置平面控制点，建立通过塔柱中线和墩中线的竖直基准面。在控制点上安置经纬仪或全站仪，瞄准基准点的方向后，利用望远镜视准轴的上、下转动建立上述基准面，再用测距、方向交会等方法测设待放样的索道管口中心点的三维坐标。

远离岸边的塔墩，可以利用塔柱施工测量时留下的控制点和垂准孔建立垂准线和竖直基准面。高程测设可以采用高层建筑高程传递的方法。

2.主梁索道管定位测量利用主梁施工矩形控制网,用经纬仪或全站仪,水准仪和钢卷尺测设索道管口中心的三维坐标。§10-9桥梁工程变形观测

桥梁工程在施工和建成后的运营期间，由于各种内在因素和外界条件的影响，会产生各种变形。例如，桥梁的自重对基础产生压力，引起基础、墩台的均匀沉降或不均匀沉降，从而会使墩柱倾斜；梁体在动荷载的作用下产生挠曲；高塔柱在日照和温度的影响下会产生周期性的扭转或摆动；等等。为了保证工程施工质量和运营安全，验证工程设计的效果，应对大型桥梁工程定期进行变形观测。93649365一、桥梁变形观测内容垂直位移观测—对各桥墩、桥台进行沉降观测水平位移观测—对桥墩、桥台在水平方向位移的观测（桥轴线方向和垂直于桥轴线方向）倾斜观测—对高桥墩和斜拉桥的塔柱进行铅垂线方向的倾斜观测挠度观测—对梁体在静荷载和动荷载的作用下产生的挠曲和振动的观测二、桥梁变形观测方法常规测量仪器方法—用精密水准仪测定垂直位移,用全站仪测定水平位移，用垂准仪作倾斜观测专用仪器测量方法—用流体静力水准仪测定挠度等摄影测量方法—用地面近景摄影测量方法

GNSS方法—桥梁的变形观测已可用GNSS方法激光三维扫描法—采集桥梁的点云数据用于变形分析§10-10