南京仙林自行車(chē)賽場(chǎng)精密工程測(cè)量技術(shù)應(yīng)用研究

張開(kāi)坤，朱俊逸，袁清龍

(南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇南京 210005)

南京仙林自行車(chē)賽場(chǎng)精密工程測(cè)量技術(shù)應(yīng)用研究

張開(kāi)坤?，朱俊逸，袁清龍

(南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇南京 210005)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種特殊工程的出現(xiàn)和新技術(shù)新工藝的采用，精密工程測(cè)量得到了迅速的發(fā)展。本文結(jié)合南京國(guó)際自行車(chē)賽場(chǎng)工程建設(shè)，設(shè)計(jì)了整個(gè)項(xiàng)目的具體測(cè)量實(shí)施方案，從前期設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的驗(yàn)算分析、微型精密控制基準(zhǔn)的建立、高精度三角高程測(cè)量方法分析應(yīng)用以及賽場(chǎng)跑道線精密施工放樣等方面進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

自行車(chē)賽場(chǎng)；精密工程測(cè)量；三角高程測(cè)量；跑道線放樣

1 引 言

南京仙林國(guó)際自行車(chē)賽場(chǎng)位于南京仙林大學(xué)城內(nèi)，是全國(guó)十運(yùn)會(huì)的自行車(chē)比賽場(chǎng)地。參照了北京2008年奧運(yùn)會(huì)賽場(chǎng)，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)興建，由江蘇省體育局投資建設(shè)，占地面積4 100 m2，建筑面積9 300 m2，有1 943個(gè)觀眾席位。該賽場(chǎng)設(shè)計(jì)跑道線(B軸線)長(zhǎng)度為250 m，寬度為8 m(B軸線和C軸線間7.8 m)，由直線、緩和曲線、圓曲線組成，其中直線LG=56.632 m、緩和曲線LN=104 m、圓曲線LC=89.368 m、圓曲線半徑22.5 m，賽道面傾角從直線段13°經(jīng)過(guò)緩和曲線逐漸過(guò)渡到圓曲線段45°，分別形成等傾平直面、傾角連續(xù)變化的螺旋面和等傾角錐面。賽道面的結(jié)構(gòu)分為4層:0.13 m厚的結(jié)構(gòu)層、0.06 m厚的找平層、0.02 m厚的面層(石英沙)、0.002 m厚的涂料層。

圖1 自行車(chē)賽場(chǎng)平面圖

根據(jù)體育賽場(chǎng)的規(guī)范要求，跑道線(B軸線)長(zhǎng)度測(cè)設(shè)及標(biāo)定不得小于250m，也不得大于250.012 5m，面層放樣的點(diǎn)位中誤差不大于±3mm，點(diǎn)位高程中誤差不大于±3mm，要求達(dá)到國(guó)際自行車(chē)賽車(chē)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

2 賽場(chǎng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的驗(yàn)算與分析

2.1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的驗(yàn)算

項(xiàng)目組對(duì)設(shè)計(jì)提供的賽道面跑道線(B軸線)的長(zhǎng)度；C軸線(外沿線)的三維坐標(biāo)；賽道面的豎曲線以及各結(jié)構(gòu)層的標(biāo)高進(jìn)行了詳細(xì)檢查和驗(yàn)算。本項(xiàng)目中，項(xiàng)目組著重對(duì)測(cè)量線的標(biāo)高和坐標(biāo)進(jìn)行了復(fù)核，其中也發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)中存在的一些問(wèn)題，并及時(shí)反饋給了設(shè)計(jì)單位。設(shè)計(jì)圖紙的復(fù)核是精密工程測(cè)量中最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，一般也是最容易忽視的一個(gè)環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)控制的好壞直接影響工程質(zhì)量，該環(huán)節(jié)的忽略，甚至?xí)斐晒こ倘娣倒?，帶?lái)不可彌補(bǔ)的損失。

2.2 跑道線的縮放

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的調(diào)整是針對(duì)特殊的精度要求并結(jié)合測(cè)量原理而進(jìn)行的[1]。本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)方提出跑道線(內(nèi)線)長(zhǎng)度為:250 m≤s≤250.012 5 m，對(duì)于該項(xiàng)目的特殊要求，必須理解它的含義[2，3]，跑道的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為250 m整，無(wú)論我們采用多高精度進(jìn)行跑道坐標(biāo)點(diǎn)放樣，根據(jù)測(cè)量誤差理論，跑道線長(zhǎng)度永遠(yuǎn)為250 m正負(fù)幾毫米，這將使測(cè)量工作無(wú)法開(kāi)展，所以針對(duì)以上問(wèn)題，需要對(duì)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整至250.006 25 m，即把測(cè)量線進(jìn)行縮放，并把長(zhǎng)度允許誤差定為±6.25 mm。

根據(jù)測(cè)量誤差理論，誤差分布為正態(tài)分布，要保證跑道線的最終長(zhǎng)度滿(mǎn)足要求，必須要將跑道線的全長(zhǎng)調(diào)整為標(biāo)定范圍的中間值，也就是:

3 微型精密控制基準(zhǔn)的建立

同時(shí)，為了保證調(diào)整值的均勻分布，以賽場(chǎng)中心為基點(diǎn)，必須對(duì)跑道線進(jìn)行整體縮放，縮放比例為:

3.1 控制網(wǎng)精度估算

根據(jù)測(cè)量誤差的理論，放樣點(diǎn)的精度分析包括測(cè)設(shè)放樣元素的誤差影響和控制點(diǎn)誤差影響兩部分:

根據(jù)工程測(cè)量的控制點(diǎn)誤差忽略不計(jì)的原則，有:

以上精度估算，作為后續(xù)控制網(wǎng)的精度要求。

3.2 微型平面控制網(wǎng)建立

微網(wǎng)平面控制網(wǎng)為一個(gè)中心多邊形，圖形以賽車(chē)場(chǎng)縱軸線(B軸)對(duì)稱(chēng)共計(jì)5點(diǎn)。最大角約109°，最小角約31°，最大邊長(zhǎng)約41 m，最短邊長(zhǎng)約22 m，平均邊長(zhǎng)約30.5 m。當(dāng)

圖2 自行車(chē)賽場(chǎng)微型平面控制網(wǎng)圖

微型平面控制網(wǎng)5個(gè)點(diǎn)位均建造觀測(cè)墩，觀測(cè)墩頂部埋設(shè)強(qiáng)制對(duì)中螺桿，同時(shí)強(qiáng)制對(duì)中螺桿頂部作為高程起算基面。強(qiáng)制觀測(cè)墩規(guī)格為:底部90 cm× 90 cm，頂部60 cm×60 cm，深埋堅(jiān)實(shí)土下350 cm。

根據(jù)對(duì)平面控制網(wǎng)精度估算，控制網(wǎng)最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差M控=±1.2 mm，定義了微型三角網(wǎng)精度要求，各項(xiàng)指標(biāo)接近城市四等三角網(wǎng)的精度指標(biāo)，觀測(cè)使用徠卡TC1800全站儀(1″，±1 mm±2 ppm)，配備溫度計(jì)、氣壓計(jì)等附件，記錄采用武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院研制開(kāi)發(fā)HT-電子手簿。經(jīng)使用科傻系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)密平差，最弱點(diǎn)精度±0.5 mm，達(dá)到預(yù)期要求。

3.3 高程控制網(wǎng)建立

在遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場(chǎng)的辦公區(qū)范圍內(nèi)，選擇穩(wěn)定且易于保存的位置深埋基本水準(zhǔn)標(biāo)石作為高程基準(zhǔn)點(diǎn)，將高程按二等水準(zhǔn)的精度引測(cè)至賽場(chǎng)內(nèi)微型控制網(wǎng)點(diǎn)Z0上，水準(zhǔn)線路構(gòu)成一個(gè)閉合環(huán)線。

在首級(jí)二等水準(zhǔn)控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，以Z0作為起算點(diǎn)，采用二等水準(zhǔn)的作業(yè)方法往返觀測(cè)，聯(lián)測(cè)至微型控制網(wǎng)其余各點(diǎn)。水準(zhǔn)網(wǎng)為一個(gè)多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)有4條閉合水準(zhǔn)線路，如圖3所示。由于測(cè)量觀測(cè)墩高度較高，現(xiàn)場(chǎng)條件受限，水準(zhǔn)觀測(cè)采用前后視距不相等的方法進(jìn)行觀測(cè)，在觀測(cè)前應(yīng)對(duì)儀器i角進(jìn)行校正至6.0″以下。當(dāng)使用儀器的i角小于6.0″，前后視距差小于10 m時(shí)，不等距觀測(cè)對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響甚微，可不予考慮。

圖3 自行車(chē)賽場(chǎng)微網(wǎng)高程觀測(cè)設(shè)計(jì)網(wǎng)圖

觀測(cè)使用徠卡N3水準(zhǔn)儀(±0.3 mm/km)，配備因瓦尺、尺墊、撐桿等附件，記錄采用武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院研制開(kāi)發(fā)HT-電子手簿。

3.4 控制網(wǎng)復(fù)測(cè)

根據(jù)賽程的施工進(jìn)度確定了微型控制網(wǎng)首次測(cè)量和復(fù)測(cè)的時(shí)間，微型控制網(wǎng)的第一次觀測(cè)是在賽場(chǎng)的結(jié)構(gòu)層和找平層施工前，方便了施工方的放樣和監(jiān)理的檢測(cè)工作。由于面層是賽場(chǎng)施工工藝要求最高，也是最復(fù)雜的一層，是決定賽道曲面平順度的關(guān)鍵，所以微型控制網(wǎng)的第二次觀測(cè)是在面層的施工前。微型控制網(wǎng)的第三次觀測(cè)是在跑道線標(biāo)記前，方便進(jìn)行跑道線的放樣工作。

4 三角高程測(cè)量方法及應(yīng)用

由于設(shè)計(jì)方提出了賽道面±3 mm的平整度，采用常規(guī)全站儀測(cè)量的方法，難以保證高程精度，采用水準(zhǔn)測(cè)量，工作量大，且作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)很多地方不具備作業(yè)條件，所以，采用了不量?jī)x器高和棱鏡高的高程傳遞方法來(lái)控制高程，既能保證高程精度，又能高效率的完成各項(xiàng)工作。具體做法為將定長(zhǎng)的棱鏡桿分別安置于控制點(diǎn)和放樣點(diǎn)位上，只通過(guò)測(cè)設(shè)斜距和垂直角，求得放樣點(diǎn)位和控制點(diǎn)位之間的高差，從而消除丈量棱鏡高和儀器高帶來(lái)的誤差。

4.1 三角高程測(cè)量方法的精度分析[2]

單向觀測(cè)三角高程測(cè)量高差的計(jì)算公式:

式中:△h為三角高程測(cè)量的高差；S為儀器到棱鏡的斜距；α為垂直角；k為大氣垂直折射系數(shù)，k=0.14；R為地球平均曲率半徑，R=6 370 km；i為儀器高；v為棱鏡高。

由于不存在量取儀器高和棱鏡高的誤差，單向觀測(cè)三角高程測(cè)量高差的誤差公式:

當(dāng)采用高精度的全站儀測(cè)量距離和垂直角，單向觀測(cè)高差所能達(dá)到的精度(以TC1800為例)，令mα=±1″，mS=±1.0 mm，mk=0.05。

以自行車(chē)賽場(chǎng)的數(shù)據(jù)為例，定向點(diǎn)最遠(yuǎn)距離約為30 m，高度角在5°以?xún)?nèi)，最大的高差誤差m△h1=±0.17 mm；檢測(cè)點(diǎn)最遠(yuǎn)距離約為60 m，高度角在8°以?xún)?nèi)，最大的高差誤差m△h2=±0.32 mm，所以，高差之差的最大誤差為:由以上數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，采用不量?jī)x器高和棱鏡高的高程傳遞方法，使用徠卡TC1800儀器，完全能夠能滿(mǎn)足精度估算設(shè)計(jì)的±2.7 mm精度要求。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該方法的可行性，在奧體中心主體育場(chǎng)觀眾席上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在最低一層且視野開(kāi)闊處架設(shè)全站儀TC1800，選擇不同高度的6層觀眾席作為平臺(tái)，每個(gè)平臺(tái)布設(shè)4個(gè)～6個(gè)距全站儀不同距離點(diǎn)的高程點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)上安置5 kg水準(zhǔn)尺墊，按照二等水準(zhǔn)的精度要求對(duì)相鄰高程點(diǎn)進(jìn)行高差測(cè)量，水準(zhǔn)觀測(cè)完成后，將定長(zhǎng)棱鏡整平安置在尺墊上，后用TC1800進(jìn)行距離和角度測(cè)量，并記錄現(xiàn)場(chǎng)溫度、氣壓，每個(gè)高程點(diǎn)距離觀測(cè)一測(cè)回，天頂距觀測(cè)兩個(gè)測(cè)回。本次實(shí)驗(yàn)共布設(shè)高程點(diǎn)29個(gè)，最大高度角為26°，最遠(yuǎn)距離為56 m。結(jié)果如下:

第一段:檢測(cè)高度角從0°～12°，距離從4 m～56 m；

第一測(cè)回未加各項(xiàng)改正的高差權(quán)中誤差: m=±0.39 mm；

第二測(cè)回未加各項(xiàng)改正的單位權(quán)中誤差:

m=±0.41 mm；

兩測(cè)回取平均值，加氣象、溫度、加乘常數(shù)的單位權(quán)中誤差m=±0.37 mm；

第二段:檢測(cè)高度角從0°～26°，距離從4 m～56 m；

第一測(cè)回未加各項(xiàng)改正的單位權(quán)中誤差: m=±0.40 mm；

第二測(cè)回未加各項(xiàng)改正的單位權(quán)中誤差:

m=±0.34 mm；

兩測(cè)回取平均值，加氣象、溫度、加乘常數(shù)的單位權(quán)中誤差m=±0.44 mm；

以上的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于奧體中心主體育場(chǎng)，模擬了自行車(chē)賽場(chǎng)的情況，選擇的測(cè)試高度角與距離也基本和賽場(chǎng)情況一致。由以上結(jié)果可以看出實(shí)驗(yàn)的精度和理論推算的精度基本一致，該方法可用于賽場(chǎng)的實(shí)際工程。

4.3 工程實(shí)際應(yīng)用

三角高程測(cè)量用于賽場(chǎng)各層的高程檢測(cè)工作中，各層的高程放樣由施工方采用水準(zhǔn)測(cè)量的方法完成，項(xiàng)目組負(fù)責(zé)對(duì)施工放樣高程進(jìn)行抽測(cè)，抽測(cè)結(jié)果不滿(mǎn)足精度要求的進(jìn)行整改，情況如下:

結(jié)構(gòu)層共檢測(cè)高程點(diǎn)175個(gè)，其中0 mm～3 mm計(jì)147點(diǎn)，3 mm～12 mm計(jì)28點(diǎn)。找平層共計(jì)檢測(cè)高程點(diǎn)420點(diǎn)，其中0 mm～3 mm計(jì)390點(diǎn)，3 mm～12 mm計(jì)30點(diǎn)。面層共計(jì)檢測(cè)高程點(diǎn)833點(diǎn)，其中0 mm～3 mm計(jì)811點(diǎn)，3 mm～10 mm計(jì)22點(diǎn)。

賽道面竣工檢測(cè):涂料層粉刷完畢后，開(kāi)始對(duì)涂料層跑道線進(jìn)行放樣，并對(duì)跑道線的高程進(jìn)行隨機(jī)抽測(cè)，共抽測(cè)點(diǎn)位493點(diǎn)，計(jì)算跑道線最后點(diǎn)位高程中誤差: ±1.89 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的±3.0 mm的精度要求。

5 跑道線的放樣和丈量

5.1 跑道線的放樣

隨著高精度全站儀的出現(xiàn)，采用極坐標(biāo)法進(jìn)行放樣工作更加容易和方便[3]，本項(xiàng)目中，采用了徠卡TC1800，測(cè)角精度1″，測(cè)距1 mm+2 ppm進(jìn)行跑道線的放樣工作。

本項(xiàng)目測(cè)站距離待定P的最大距離為60 m，由以上可以得出測(cè)定精度為:mP=±1.04 mm。

同時(shí)，影響放樣精度的還有控制點(diǎn)誤差m控，儀器的對(duì)中誤差m對(duì)，放樣點(diǎn)的標(biāo)定誤差m標(biāo)，放樣的最終誤差為:

m控跟控制網(wǎng)的精度有關(guān)，根據(jù)最后一次微網(wǎng)復(fù)測(cè)的結(jié)果，最弱點(diǎn)m控=±0.5 mm；由于采用強(qiáng)制對(duì)中裝置，m對(duì)=±0.1 mm；m標(biāo)主要誤差為標(biāo)定時(shí)人眼的分辨率m標(biāo)=±0.2 mm，綜合以上各種誤差，放樣誤差m放=±1.2 mm。

5.2 跑道線的丈量

跑道線的丈量采用三等線紋米尺，其精度為0.02 mm，對(duì)250 m測(cè)量線進(jìn)行了往返測(cè)丈量，丈量間距為1 m，單程估讀2次，現(xiàn)場(chǎng)記錄尺溫，為防止手溫對(duì)三等線紋米尺溫度產(chǎn)生影響，丈量時(shí)需要戴手套，現(xiàn)場(chǎng)利用筆記本電腦對(duì)丈量距離進(jìn)行溫度改正，如果兩次讀數(shù)超限，立即進(jìn)行重測(cè)。

通過(guò)對(duì)跑道線全長(zhǎng)的丈量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度、尺長(zhǎng)、圓曲線和緩和曲線的改正后，跑道線的最終長(zhǎng)度為250.007 8 m。

6 驗(yàn) 收

2005年10月5日，中國(guó)自行車(chē)運(yùn)動(dòng)協(xié)會(huì)對(duì)仙林自行車(chē)賽程進(jìn)行了驗(yàn)收，其中主要的驗(yàn)收項(xiàng)目有賽場(chǎng)的面層平順度和測(cè)量線的長(zhǎng)度，最終結(jié)果為仙林自行車(chē)賽程驗(yàn)收合格，滿(mǎn)足國(guó)際自行車(chē)賽場(chǎng)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 張正祿，李廣云，潘國(guó)榮等.工程測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

[2] 張仰潯，朱鶴，康明等.不量?jī)x器高、棱鏡高的三角高程測(cè)量[J].測(cè)繪通報(bào)，2002.

[3] 華錫生，黃騰.精密工程測(cè)量[M].南京：河海大學(xué)出版社，2002.

[4] 黃志文.自行車(chē)賽場(chǎng)工程精密工程測(cè)量[J].北京測(cè)繪，1990.

[5] 張正祿，鄧勇，羅長(zhǎng)林等.精密三角高程代替一等水準(zhǔn)測(cè)量的研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，31(1).

[6] 許國(guó)輝.高精度EDM三角高程測(cè)量的研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2002(10).

Applied Research of Nanjing Xianlin Bicycle Stadium's Precision Engineering Surveying

Zhang Kaikun，Zhu Junyi，Yuan Qinglong
(Nanjing Institute Surveying，Mapping＆Geotechnical Investigation Co.，Ltd.Nanjing 210005，China)

With the development of science and technology，the emergence of a variety of special projects and the adoption of new technologies，precision engineering survey has been rapid developed.This paper takes Nanjing International Bicycle Stadium Precision Engineering as an example，describes the specific surveying implementation plan of the project，including checking and analysis of design data，the establishment of precise triangulation network，the applications of high-precision trigonometric leveling and the laying out and measuring of the track line.

bicycle stadium；precision triangulation surveying；trigonometric leveling surveying；measurement of track line

1672-8262(2013)02-146-04

P258

B

2012—07—11

張開(kāi)坤(1981—)，男，工程師，現(xiàn)從事控制測(cè)量和精密工程測(cè)量工作。