工程测量技术毕业设计（论文）全站仪在隧道地表沉降观测中的应用.doc

毕业设计全站仪在隧道地表沉降观测中的应用学生姓名 * 系（部） 勘测工程系 专 业 工程测量技术 指导教师 * 二零一二年四月二十三日摘 要 本文以丹东到通化高速公路第十六合同段五道岭隧道地表沉降监测为研究对象，探讨了全站仪的三角高程测量方法，分析结果表明该方法具有快速、高效、可靠的优点，测得的结果能较好地反映出施工过程地表的沉降规律。关键词 全站仪；隧道地表；沉降；三角高程目 录前言1第一章 全站仪的使用原理2第二章 全站仪的操作与使用3第一节 水平角测量3第二节 距离测量3第三节 坐标测量4第四节 全站仪在工程测量中应用4第三章 三角高程测量原理及精度分析6第一节 三角高程测量原理6第二节 三角高程测量的新方法7第三节精度分析8第四章 工程实例10第一节建立工作基点网10第二节外业数据采集10第三节 用全站仪与水准仪的差别11设计总结12致 谢13参考文献14前言 电子全站仪是一种集光、机、电及精密机械加工等高精尖技术于一体的先进测量仪器，用它可准确、高效、方便地完成多种工程测量工作。它不仅精度高，而且速度快、操作简便，还带有丰富的内置软件，具有常规测量仪器无法比拟的优点，在测绘、测试、监测等领域应用日渐广泛。本文就拓普康全站仪来简述一下全站仪在工程测量中的应用。拓普康公司2002年最新推出的全中文化全站仪GTS-330系列全站仪。其机身小、画面大、全中文显示，最适合一线作业的需求。它的特点是：GTS-330W是世界首创采用蓝牙无线通讯技术的全站仪，野外使用更方便，数字输入更简单。优越的距离和角度测量功能：测角精度：±2”/5”，绝对法测角，无需过零检验；测距精度：±（2mm+2ppm*D）；测程：3km/一块棱镜；高速测距：精测1.2秒、粗测0.7秒、跟踪0.4秒。装有双轴补偿器，可提供电子气泡用于整平，并可自动改正由于整平误差对水平角和竖直角观测的影响。装有应用测量程序，可做偏心测量、对边测量、后方交会以及面积测算等项目。特别耐用，防尘等级达IP66级。结构紧凑，重量轻（主机含电池仅4.9KG），携带方便。充足的内存空间供数据存储用，可存储8000个观测点16000个坐标点。装备长效电池（BT-52QA），作业时间达10小时。操作面板简单，屏幕显示全中文化，易学易用。在隧道工程施工工程中进行沉降观测时通常采用精密水准仪进行测量。水准测量方法具有数据稳定、精度高的优点，但同时也存在着不易操作和易受干扰的缺陷。例如在对隧道地表进行沉降监测时，由于地表高程变化大，采用传统的水准方法测量施测线路复杂，效率极低且工作强度大1。在上述情况下，采用全站仪在规定精度内对隧道地表沉降测量与水准方法比较具有效率高、方便实用、测量结果受人为因素影响小的优势，能较好的满足现代测量高效、精确、低强度的要求。第一章 全站仪的使用原理全站仪是全站型电子测速仪的简称，又被称为“电子全站仪”，是指由电子经纬仪、光电测距仪和电子记录器组成的，可实现自动测角，自动测距、自动计算和自动记录的一种多功能高效率的地面测量仪器。电子全站仪进行空间数据采集与更新，实现测绘的数字化。它的优势存在于数据处理的快速与准确性。全站仪自身带有数据处理系统，可以快速而准确的对空间数据进行处理，计算出放样点的方位角与该点到测距点的距离，全站型电子速测仪简称全站仪。它是一种可以同时进行角度（水平角、竖直角）测量、距离（斜距、平距、高差）测量和数据处理，由机械、光学、电子元件组合而成的测量仪器。由于只需一次安置，仪器便可以完成测站上所有的测量工作，故被称为“全站仪”。全站仪上半部分包含有测量的四大光电系统，即水平角测量系统、竖直角测量系统，水平补偿系统和测距系统。通过键盘可以输入操作指令、数据和设置参数。以上各系统通过I/O接口接入总线与微处理机联系起来。微处理机（CPU）是全站仪的核心部件，主要有寄存器系列（缓冲寄存器、数据寄存器、指令寄存器）、运算器和控制器组成。微处理机的主要功能是根据键盘指令启动仪器进行测量工作，执行测量过程中的检核和数据传输、处理、显示、储存等工作，保证整个光电测量工作有条不紊地进行。输入输出设备是与外部设备连接的装置（接口），输入输出设备使全站仪能与磁卡和微机等设备交互通讯、传输数据。 第二章 全站仪的操作与使用电子全站仪装备有中央处理单元、存储单元和输入输出单元等等，可以根据田野测量的水平角、竖直角、倾斜距离等数据，实时计算、显示和输出所需要的点与点之间的方位角、水平距离、高差或点的三维坐标等测量成果。通过输入输出单元，能够输入测站点坐标、起始方向的方位角等基础数据，并将测量结果直接输出到电子计算机中进行计算、编辑和自动成图，同时可以根据需要自动生成等高线。测量的图形既可以存储在计算机中，也能够根据需要以多种比例尺打印输出，同时还能够输入到地理信息系统等软件中作进一步的加工、处理和应用，生成数字地面模型.所以电子全站仪配合计算机测图能够提高测量和成图的精度，实现测量的高度自动化。第一节 水平角测量1 按角度测量键，使全站仪处于角度测量模式，照准第一个目标A。2 设置A方向的水平度盘读数为0°0000。3. 照准第二个目标B，此时显示的水平度盘读数即为两方向间的水平夹角。第二节 距离测量1. 设置棱镜常数 测距前须将棱镜常数输入仪器中，仪器会自动对所测距离进行改正。2. 设置大气改正值或气温、气压值 实测时，可输入温度和气压值，全站仪会自动计算大气改正值（也可直接输入大气改正值），并对测距结果进行改正。 3. 量仪器高、棱镜高并输入全站仪。4. 距离测量 照准目标棱镜中心，按测量键，距离测量开始，测距完成时显示斜距、平距、高差。应注意有些型号的全站仪在距离测量时不能设定仪器高和棱镜高，显示的高差值是全站仪横轴中心与棱镜中心的高差。第三节 坐标测量1. 设定测站点的三维坐标。2 设定后视点的坐标或设定后视方向的水平度盘读数为其方位角。当设定后视点的坐标时，全站仪回自动计算后视方向的方位角，并设定后视方向的水平度盘读数为其方位角。3 设置棱镜常数。4 设置大气改正值或气温、气压值。5. 量仪器高、棱镜高并输入全站仪。6. 照准目标棱镜，按坐标测量键，全站仪开始测距并计算测点的三维坐标。第四节 全站仪在工程测量中应用全站仪在工程测量中的应用，不仅提高了工作效率，而且还提高精度。应用有很多种，例如：施工放样、后方交会、导线测量、对边测量、悬高测量等。本文简单介绍施工放样、后方交会。1. 施工放样 在现代交通土木建设中随着测量仪器的不断发展和更新，从而使测量技术人员的工作强度越来越小而工作效率越来越高，就施工放样这方面，由过去的经纬仪交会法到运用全站仪直接输入坐标放样，工作效率的提高是不言而喻的，近几年出现的自带中桩边桩计算软件的一系列全站仪在放样过程中只需输入曲线要素就可以直接进行放样了，使测量工作基本实现了傻瓜化。拓普康GTS-330系列就具有此项功能，全站仪可以进行三维x、y、z的放样，通过已知点建站和后视点（或后视方位角）进行坐标的放样。操作程序：施工放样模式输入站点坐标输入后视点 坐标输入放样点坐标实施放样。 放样时应注意：在一点放样完毕后应进行放样点坐标测量工作，测出x、y、z与放样点原始数据进行比较，应做到步步校核。另外，在整个放样结束后，需再测一次其他导线点的 x、y、z坐标，比较所测数据，以保证仪器在放样中没有错误。2. 后方交会 一般可由二个以上已知点建站，输入仪器高，依次输入已知点坐标及高程，并用全站仪测出未知点与已知点的水平距离。当已知点全部输入后，全站仪会自动计算出建站点坐标、高程以及自动保存计算结果。测站点坐标由多个已知点计算而得，要获得坐标，至少必须两个水平角，一个距离或三个水平角，否则就会显示“计算所需数据不足！需要2个角和1个距离或者3个角”。全站仪在工程测量中的应用不仅提高了工作效率，减少了外业计算、记录和外业工作时间，而且提高了作业精度。提高了人们对全站仪的认识，使全站仪更好的应用于工程测量。 第三章 三角高程测量原理及精度分析第一节 三角高程测量原理在工程的施工过程中，常常涉及到高程测量。传统的测量方法是水准测量、三角高程测量。两种方法虽然各有特色，但都存在着不足。水准测量是一种直接测高法，测定高差的精度是较高的，但水准测量受地形起伏的限制，外业工作量大，施测速度较慢。三角高程测量是一种间接测高法，它不受地形起伏的限制，且施测速度较快。在大比例地形图测绘、线型工程、管网工程等工程测量中广泛应用。但精度较低，且每次测量都得量取仪器高，棱镜高。麻烦而且增加了误差来源。 一、三角高程测量的传统方法如图一所示，设A，B为地面上高度不同的两点。已知A点高程HA，只要知道A点对B点的高差HAB即可由到B点的高程HB。图   一图中：D为A、B两点间的水平距离为在A点观测B点时的垂直角i为测站点的仪器高，t为棱镜高HA为A点高程，HB为B点高程。V为全站仪望远镜和棱镜之间的高差（）首先我们假设A，B两点相距不太远，可以将水准面看成水准面，也不考虑大气折光的影响。为了确定高差HAB，可在A点架设全站仪，在B点竖立跟踪杆，观测垂直角，并直接量取仪器高i和棱镜高t，若A，B两点间的水平距离为D，则故        （1）这就是三角高程测量的基本公式，但它是以水平面为基准面和视线成直线为前提的。因此，只有当A，B两点间的距离很短时，才比较准确。当A，B两点距离较远时，就必须考虑地球弯曲和大气折光的影响了。这里不叙述如何进行球差和气差的改正，只就三角高程测量新法的一般原理进行阐述。我们从传统的三角高程测量方法中我们可以看出，它具备以下两个特点：1、全站仪必须架设在已知高程点上2、要测出待测点的高程，必须量取仪器高和棱镜高。第二节 三角高程测量的新方法如果我们能将全站仪象水准仪一样任意置点，而不是将它置在已知高程点上，同时又在不量取仪器高和棱镜高的情况下，利用三角高程测量原理测出待测点的高程，那么施测的速度将更快。如图一，假设B点的高程已知，A点的高程为未知，这里要通过全站仪测定其它待测点的高程。首先由（1）式可知:   （2）上式除了即V的值可以用仪器直接测出外，i,t都是未知的。但有一点可以确定即仪器一旦置好，i值也将随之不变，同时选取跟踪杆作为反射棱镜，假定t值也固定不变。从（2）可知：  （3）由(3)可知，基于上面的假设，在任一测站上也是固定不变的.而且可以计算出它的值W。这一新方法的操作过程如下:1、仪器任一置点，但所选点位要求能和已知高程点 通视。2、用仪器照准已知高程点，测出V的值，并算出W的值。（此时与仪器高程测定有关的常数如测站点高程，仪器高，棱镜高均为任一值。施测前不必设定。）3、将仪器测站点高程重新设定为W，仪器高和棱镜高设为0即可。4、照准待测点测出其高程。下面从理论上分析一下这种方法是否正确。结合（1），（3）     (4)HB为待测点的高程W为测站中设定的测站点高程D为测站点到待测点的水平距离为测站点到待测点的观测垂直角从(4)可知,不同待测点的高程随着测站点到其的水平距离或观测垂直角的变化而改变。将（3）代入（4）可知：     （5）按三角高程测量原理可知    (6)将（3）代入（6）可知： (7)所以:      (8)由(5),(8)可知,两种方法测出的待测点高程在理论上是一致的。也就是说我们采取这种方法进行三角高程测量是正确的。综上所述：将全站仪任一置点，同时不量取仪器高，棱镜高。仍然可以测出待测点的高程。测出的结果从理论上分析比传统的三角高程测量精度更高，因为它减少了误差来源。整个过程不必用钢尺量取仪器高，棱镜高，也就减少了这方面造成的误差。同时需要指出的是，在实际测量中，棱镜高还可以根据实际情况改变，只要记录下相对于初值t增大或减小的数值，就可在测量的基础上计算出待测点的实际高程。第三节 精度分析三角高程测量来代替水准测量进行高程控制，但在使用时应注意以下几个问题：1）视线路的具体情况，三角高程路线一般布设成附合、闭合形式，必要时可布设成网状；2）根据道路、桥梁等的等级与精度要求，路线长度、布网方案等，按（1）式或（3）式进行误差预计，以选用合适的仪器及施测方法；3）直返觇法通常在与作平面控制导线时同时进行。而需单独布设三角高程控制时易采用中点单觇法，如道路定测阶段的基平测量。为提高精度并作为相互检核，也可对同一控制网分别采用上述两种方法各自进行独立施测；4）应注意仪器高、觇标高的量取精度并避免粗差的出现，这也是在进行三角高程测量，特别是高程放样时最容易出错的地方。第四章 工程实例五道岭隧道净高9.46m，净宽12.3m。洞口上覆黄土，局部有碎石裸露，洞口段埋深5.4m，覆盖层为湿陷性黄土，风化严重，稳定性差，洞口开挖后易导致滑坡，且进口段存在严重的偏压现象。进洞后造成隧道地表开裂现象严重，虽然施工方采取了喷浆及其它加固措施，但为了安全起见，有必要对隧道地表进行实时监测。第一节 建立工作基点网首先，在较稳定的区域埋设水准基点2 个，均埋设在进洞口左侧的山洼里，离进洞口约200m 左右，基础较为稳定，用混凝土现浇。进洞口监测点布设，按照业主、施工方负责人要求，根据现场实际情况，在上边坡布设11 个监测点，编号为Y1 至Y11。监测点埋设牢固稳定。第二节 外业数据采集首先对各监测点进行逐点人工观测，取得坐标X、Y、H，建立概略坐标数据库。概略坐标X、Y、H 越精确，以后各期自动观测精确照准速度越快。在监测点变形累积一定程度后，要及时修正概略坐标数据库。坐标精度与基站至监测点和参考站的距离有很大关系。在观测中，尽量选择离监测部位近的基准网点做为基准站和参考站。将SOKKIA SET1X 置于基准站观测墩上，精确整平，设置好观测点集、顺序和测回数；仪器根据内置点位概略坐标数据库的坐标，自动进行目标判断、精确照准，并测量方位角、天顶距和斜距，并将读数存储于内置SRAM 卡中。2.3 监测结果分析图2 隧道地表沉降实测结果图2 为采用二角高程法测量得到的隧道出口地表沉降曲线，测量结果较好地显示了地表沉降随着开挖面的逼近而逐步增加，其后又逐步趋于稳定的过程。第三节 用全站仪与水准仪的差别本文通过对全站仪三角高程法测量隧道地表沉降的方法进行了分析，分析结果表明该方法的精度能满足对规范规的要求。通过具体的工程实践的结果表明，基于全站仪的三角高程测量方法能较好地满足隧道施工中地表沉降监测的需要。但由于三角高程测量在基本水准点上达不到四等水准测量的精度要求，所以各监测点的精度难以保证。因此，在，在路基交验及大桥高程控制时，还必采用水准仪进行高程测量设计总结这次毕业设计，让我受益良多。通过近5个月的实习，我们掌握了课本外的实际知识，将书本上理论的知识运用到了实际当中，2011年3月底，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了近一个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。 设计开始，我当时在武汉太阳路测绘进行销售方面的工作，由于我们当时的公司也具备测量队伍，我当时便立刻着手向一些测量同事收集资料，在收集工作过程中，当时面对浩瀚的书海和他们的一些口头上的资料真是有些茫然，不知如何下手。在搜集资料的过程中，我认真准备了一个笔记本。我认真在同事当中搜集测区资料，还在网上查找各类相关资料，尽量使我的资料完整、精确、数量多，这有利于论文的撰写。然后我将收集到的资料仔细整理分类。4月中旬，资料已经查找完毕了，我开始着手论文的写作。在写作过程中遇到困难我就及时请教所里师傅领导，并和同学互相交流，请教专业课老师。在大家的帮助下，困难一个一个的解决了，论文也慢慢成型。当我终于完成了所有打字、绘图、排版、校对的任务后整个人都很累，但同时看着电脑荧屏上的毕业设计稿件我的心里是甜的，我觉得这一切都值了。这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。我不会忘记这难忘的近一个月的时间。毕业设计的制作给了我难忘的回忆。在我徜徉书海查找资料的日子里，面对无数书本的罗列，最难忘的是每次找到资料时的激动和兴奋；记忆最深的是每一步小小思路实现时那幸福的心情；为了论文我曾赶稿到深夜，但看着亲手打出的一字一句，心里满满的只有喜悦毫无疲惫。这段旅程看似荆棘密布，实则蕴藏着无尽的宝藏。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。 脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。致 谢从踏入校门到如今已经快三年了，借此设计完成之际，谨向老师致以忠心的感谢。感谢你们三年来的关心与帮助！我首先要感谢我的指导老师罗陈志兰，感谢他在百忙之中抽出时间对我的设计进行指导、修改，并提出宝贵的意见。罗勇老师严谨的治学态度，以及敏锐的学术眼光，对设计中问题的独到见解深深感染了我，为我的论文完成起到了至关重要的作用，感谢他在这三年中对我们孜孜不倦的教诲。其次，我要感谢我的辅导员及各科任课老师。在学习期间，由于时间短、课业多，各位老师总是合理安排，不辞辛劳，一丝不苟地给我传授知识，使我的专业理论水平有了很大的提高。感谢老师们对我的栽培与信任，使我在同学当中树立了一定的威信，同时还要感谢同学对我工作的支持以及平时在生活学习上帮助！最后，再一次向给过我无私的关心和帮助的指导老师、辅导员、任课老师、同学和朋友表示深深的谢意！谢谢你们！参考文献1熊飞,王耀辉,唐新建.基于全站仪的隧道拱顶沉降测量方法研究.城市勘测信息化,湖北省测量学会,2008,32(2).2李青岳.工程测量M.测绘出版社,2005.3李厚芝.应用智能全站仪的隧道进口边坡监测研究J.科技资讯,2009(31).4 姜晨光.水准式光电测距三角高程的再认识与反思5. 测绘工程 20056 姜晨光等. 测量中地球曲率改正的严密计算方法7 CJJ8-99城市测量规范S. 8 翟翊等. 三角高程测量计算公式的讨论J. 测绘通9 郭宗河. 电磁波测距三角高程测量公式误差的研究J.