測(cè)量用微型控制網(wǎng)在核電站中的優(yōu)化與分析

摘要：構(gòu)建微型控制網(wǎng)的目的在于控制各個(gè)廠房（尤其是核反應(yīng)堆廠房、輔助廠房等）重要構(gòu)筑物的施工放樣、精密設(shè)備安裝的定位、變形監(jiān)測(cè)及局部控制網(wǎng)的加密。文章基于核電項(xiàng)目建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，闡述了微型控制網(wǎng)構(gòu)建的主要方法，并列舉了典型實(shí)例進(jìn)行說明。通過網(wǎng)型優(yōu)化的深入分析，探討了主要構(gòu)建方法的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景，同時(shí)指出了網(wǎng)型設(shè)計(jì)中存在的問題并提出相應(yīng)的解決方案。結(jié)合網(wǎng)型優(yōu)化分析結(jié)果，提出提升微型控制網(wǎng)精度的方法和建議，以確保核島施工的順利進(jìn)行和整體建設(shè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提高。

關(guān)鍵詞：微型控制網(wǎng)；網(wǎng)型優(yōu)化；分析；精度

中圖分類號(hào)：TM6 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " "文章編號(hào)：1674-0688（2024）10-0109-04

0 引言

相較于傳統(tǒng)的核電建造方式，當(dāng)今核電站模塊化建造模式已成為主流，它通過多頭并進(jìn)的方式實(shí)施建設(shè)，極大地縮短了核電站的建設(shè)工期。然而，模塊化施工也帶來了施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境復(fù)雜化、通視情況不佳等問題，從而增加了核島各廠房，尤其是反應(yīng)堆內(nèi)部控制網(wǎng)建立的難度。傳統(tǒng)核電站中，通常通視條件較好，各廠房微型控制網(wǎng)的構(gòu)建多采用三角形網(wǎng)測(cè)量方法，這種方法能較好地滿足《核電廠工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50633—2023）的技術(shù)要求，而且其建立控制網(wǎng)的方法也相對(duì)成熟。在針對(duì)微型控制網(wǎng)的研究中，王偲迪等［1］ 闡述了微型控制網(wǎng)的建立過程，提出了結(jié)合秩虧自由網(wǎng)平差的擬穩(wěn)平差方法以及圓形控制網(wǎng)網(wǎng)點(diǎn)變形的切向偏差及徑向偏差公式，對(duì)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性分析；張磊［2］探究了核電站精密工程測(cè)量控制網(wǎng)的構(gòu)建原則和測(cè)量方法，為精密工程測(cè)量控制網(wǎng)的有效構(gòu)建提供了建議；劉晨等［3］以某核電工程微網(wǎng)的建立為例，分析了核電工程中應(yīng)用微網(wǎng)的作業(yè)方法及技術(shù)要求，并對(duì)影響微網(wǎng)精度的因素進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的對(duì)策。本文針對(duì)模塊化建造模式下核島廠房微型控制網(wǎng)建立面臨的問題，結(jié)合某核電項(xiàng)目中微型控制網(wǎng)建立的實(shí)例，進(jìn)行了網(wǎng)型優(yōu)化分析與對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，本文提出了核島廠房微型控制網(wǎng)的網(wǎng)型設(shè)計(jì)建議，以及提高微型控制網(wǎng)精度的方法。這些措施可滿足核島各廠房重要構(gòu)筑物對(duì)施工放樣、精密設(shè)備安裝的高精度要求，為模塊化建造的核電站各廠房微網(wǎng)的建立提供了重要的技術(shù)支持。

1 微網(wǎng)控制測(cè)量系統(tǒng)的建立

1.1 微型控制網(wǎng)布設(shè)原則與要求

為滿足細(xì)部施工的高精度要求，特別是核反應(yīng)堆廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精確施工，需在各重要廠房的砼基礎(chǔ)上布設(shè)微型控制網(wǎng)。該控制網(wǎng)建立的目的在于服務(wù)各廠房的施工放樣及設(shè)備安裝的定位和檢查，構(gòu)建的方式是在次級(jí)控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，于各廠房內(nèi)部底板上布設(shè)一組平面控制網(wǎng)點(diǎn)和至少3個(gè)高程控制網(wǎng)點(diǎn)［3］，并根據(jù)廠房內(nèi)各層標(biāo)高段的需求，逐層傳遞并布設(shè)平面和高程控制點(diǎn)。

在當(dāng)今核島的建設(shè)中，主要采用模塊化施工方法。然而，由于核島圓心并非總能作為建立微型控制網(wǎng)的基準(zhǔn)，加之模塊化施工環(huán)境復(fù)雜，特別是反應(yīng)堆廠房內(nèi)部的通視條件受限，并且設(shè)計(jì)方不允許預(yù)設(shè)預(yù)留洞，因此傳統(tǒng)布網(wǎng)方式不再適用。針對(duì)這一情況，本研究采取了隨混凝土澆筑的進(jìn)程，逐層進(jìn)行微型控制網(wǎng)的布置。

1.2 微型控制網(wǎng)布設(shè)方法

在核電項(xiàng)目的施工過程中，微型控制網(wǎng)主要采用導(dǎo)線測(cè)量和三角形網(wǎng)測(cè)量方法，其高程控制測(cè)量則主要采用水準(zhǔn)測(cè)量方法。

（1）導(dǎo)線測(cè)量：該方法將控制點(diǎn)用直線相連接形成折線，稱為導(dǎo)線。這些控制點(diǎn)稱為導(dǎo)線點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間的折線邊稱為導(dǎo)線邊，相鄰導(dǎo)線邊之間的夾角稱為轉(zhuǎn)折角。通過精確觀測(cè)導(dǎo)線邊的邊長和轉(zhuǎn)折角的大小，并結(jié)合已知的起算數(shù)據(jù)，可以計(jì)算獲得導(dǎo)線點(diǎn)的平面坐標(biāo) ［4］。

（2）三角形網(wǎng)測(cè)量：該方法在地面上選定一系列控制點(diǎn)，使它們相互連接形成若干個(gè)三角形，進(jìn)而構(gòu)成各種網(wǎng)狀圖形。通過觀測(cè)三角形的內(nèi)角或（及）邊長，結(jié)合已知控制點(diǎn)的坐標(biāo)、起始邊的邊長和坐標(biāo)方位角，解算三角形和推算坐標(biāo)方位角，可以得到三角形各邊的邊長和坐標(biāo)方位角。最終，利用直角坐標(biāo)公式計(jì)算出待定點(diǎn)的平面坐標(biāo)。

（3）高程控制測(cè)量：微型控制網(wǎng)的高程從選定的次級(jí)控制網(wǎng)高程基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行引測(cè)。觀測(cè)儀器采用 “NA2+GPM3”或同等精度的儀器，水準(zhǔn)尺使用銦瓦鋼尺。水準(zhǔn)線路通常布設(shè)成閉合環(huán)或附合水準(zhǔn)路線。關(guān)于高程控制測(cè)量的具體細(xì)節(jié)可參考國家測(cè)繪部門發(fā)布的相關(guān)規(guī)定，此處不做詳述。

2 幾種微型控制網(wǎng)網(wǎng)型優(yōu)化分析

在核電站建設(shè)中，采用隨混凝土澆筑逐層布網(wǎng)的方式布設(shè)微型控制網(wǎng)。然而，這種方式存在每層控制網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)不一致的問題，進(jìn)而可能導(dǎo)致誤差積累較大。為了減少誤差的積累，提高微型控制網(wǎng)的精度與穩(wěn)定性，確保施工質(zhì)量和進(jìn)度，需要優(yōu)選測(cè)量方法與網(wǎng)型。為此，現(xiàn)對(duì)幾種不同的微型控制網(wǎng)進(jìn)行分析與比較。

2.1 核島附屬廠房181′8″層微型控制網(wǎng)優(yōu)化分析

在核島附屬廠房181′8″層，控制網(wǎng)采用導(dǎo)線測(cè)量方法建立。通過對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平差處理發(fā)現(xiàn)，該網(wǎng)型的最大點(diǎn)位誤差為1.12 mm。為了優(yōu)化網(wǎng)型并減少誤差，本文改變了網(wǎng)型，在五邊形內(nèi)（由已知點(diǎn)和待測(cè)點(diǎn)構(gòu)成）增加一個(gè)待測(cè)點(diǎn)，并重新進(jìn)行測(cè)量。核島附屬廠房181′8″層微網(wǎng)網(wǎng)型圖見圖1。

已知點(diǎn)2HW40-39和2HW40-38位于154′0″處，待測(cè)點(diǎn)2HW40-41、2HW40-42和2HW40-43位于181′8″處。根據(jù)平差結(jié)果得知： 最弱點(diǎn)為2HW40-43，其點(diǎn)位誤差為0.112 cm（Mx：0.070 cm，My：0.087 cm，Mp：0.112 cm）。為了優(yōu)化網(wǎng)型，在五邊形內(nèi)（由已知點(diǎn)和待測(cè)點(diǎn)構(gòu)成）增加一個(gè)待測(cè)點(diǎn)TP1，并重新進(jìn)行平差。優(yōu)化后的平差結(jié)果顯示，最弱點(diǎn)仍為2HW40-43，但其點(diǎn)位誤差已降低至0.058 cm（Mx：0.041 cm，My：0.041 cm，Mp：0.058 cm）。

通過對(duì)比兩次平差結(jié)果發(fā)現(xiàn)，待測(cè)點(diǎn)2HW40-43因?yàn)榫嗥鹗歼吪c起始方位角最遠(yuǎn)，所以在兩種網(wǎng)型中均為最弱點(diǎn)，并且其點(diǎn)位誤差在優(yōu)化后顯著減小。兩次測(cè)量的最大點(diǎn)位誤差為0.054 cm。由此分析，三角網(wǎng)形測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)角精度高、幾何條件多，并且相鄰點(diǎn)的相對(duì)點(diǎn)位誤差較小。然而，該方法也存在缺點(diǎn)，即除起始邊與起始方位角外，其余各邊及其方位角是通過水平角推算得出的，因此測(cè)角精度不均勻。距離起始邊和起始方位角越遠(yuǎn)的點(diǎn)位，其測(cè)量精度越低。

2.2 核島反應(yīng)堆內(nèi)部80″6″層微型控制網(wǎng)優(yōu)化分析

核島反應(yīng)堆內(nèi)部80″6″層微網(wǎng)示意圖見圖2，該控制網(wǎng)的構(gòu)建，其核心目的是給核島反應(yīng)堆主設(shè)備的安裝提供精準(zhǔn)的控制點(diǎn)，特別是SG房間內(nèi)的4個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)（2CV08、2CV09、2CV12、2CV13）。由于主設(shè)備安裝過程中對(duì)精度的極高要求，因此其相應(yīng)控制點(diǎn)的精度標(biāo)準(zhǔn)亦極高。在網(wǎng)型設(shè)計(jì)中，探究了增加一條起算邊是否能夠有效提升待測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位精度。為了更具體地闡述這一點(diǎn)，以下通過實(shí)例進(jìn)行說明。

圖2中的控制網(wǎng)采用三角形網(wǎng)測(cè)量法，通過測(cè)量角度和距離確定目標(biāo)點(diǎn)位置。以圓心2CV00為已知點(diǎn)，定向N軸（90°），并設(shè)置一條起算邊。水平角采用方向法觀測(cè)，每個(gè)方向觀測(cè)4次測(cè)回，每次測(cè)回包含2次照準(zhǔn)和2次讀數(shù)。平差結(jié)果顯示，2CV11點(diǎn)位最弱，其點(diǎn)位誤差為0.093 mm（Mx：0.074 mm，My：0.056 mm，Mp：0.093mm）。

為優(yōu)化網(wǎng)型，在原網(wǎng)型基礎(chǔ)上增加了一條起算邊7軸（180°），仍以圓心2CV00為已知點(diǎn)，定向N軸（90°），并采用邊角測(cè)量法測(cè)量已知點(diǎn)與待測(cè)點(diǎn)、待測(cè)點(diǎn)與待測(cè)點(diǎn)之間的角度和距離。此時(shí)，控制網(wǎng)包含2條起算邊，水平角觀測(cè)條件保持不變。平差結(jié)果顯示，優(yōu)化后的2CV11點(diǎn)位仍為最弱，但其點(diǎn)位誤差已大幅度降至0.028 mm（Mx：0.023 mm，My：0.016 mm，Mp：0.028 mm）。

根據(jù)兩次不同網(wǎng)型的平差結(jié)果得知，待測(cè)點(diǎn)2CV11的點(diǎn)位誤差經(jīng)優(yōu)化后顯著減小。兩種網(wǎng)型下的2CV11點(diǎn)位最大差值為0.065 mm。由此可見，在設(shè)計(jì)網(wǎng)型時(shí)，多增加一套起算數(shù)據(jù)（即增加一條起算邊7軸），對(duì)網(wǎng)型起到了穩(wěn)定作用，并顯著提高了點(diǎn)位精度。

2.3 核島反應(yīng)堆內(nèi)部94′層微型控制網(wǎng)優(yōu)化分析

在測(cè)量微網(wǎng)構(gòu)建過程中，由于網(wǎng)型設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會(huì)出現(xiàn)“以短邊定長邊”的現(xiàn)象，即短邊的測(cè)量誤差對(duì)長邊的精度產(chǎn)生較大的影響，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)型中最長邊的點(diǎn)位精度無法滿足測(cè)量規(guī)范要求，進(jìn)而使得控制網(wǎng)的建立無法一次性完成，嚴(yán)重拖延施工進(jìn)度。為了更直觀地闡述這一問題，以下通過實(shí)例說明。該控制網(wǎng)采用邊角測(cè)量法獲取已知點(diǎn)與待測(cè)點(diǎn)、待測(cè)點(diǎn)與待測(cè)點(diǎn)之間的角度和距離，選取2CV34和2CV35作為已知點(diǎn)，2CV43和2CV44為待測(cè)點(diǎn)（見圖3）。水平角觀測(cè)遵循全圓觀測(cè)法，共進(jìn)行4次測(cè)回，每次測(cè)回包含2次照準(zhǔn)和2次讀數(shù)。

方向觀測(cè)值及邊長平差結(jié)果顯示：測(cè)站點(diǎn)2CV34照準(zhǔn)2CV43時(shí)，方向改正為8.98″，邊長改正為-0.586 cm（2CV34至2CV43的距離）。當(dāng)2CV43與2CV34兩個(gè)點(diǎn)不參與平差（即去除2CV43與2CV34形成的邊長）時(shí)，重新提取平差結(jié)果如下：測(cè)站點(diǎn)2CV34照準(zhǔn)2CV43時(shí)，方向改正為3.37″，邊長改正為-0.471 cm（2CV35至2CV43的距離）。

由此可以得出以下結(jié)論：當(dāng)2CV34、2CV35與2CV43之間的距離均參與平差計(jì)算時(shí)，最大改正值出現(xiàn)在最長邊上。根據(jù)誤差傳播定律，此現(xiàn)象表明存在“以短邊定長邊”的情況。因此，在設(shè)計(jì)網(wǎng)型時(shí)，應(yīng)合理布局控制點(diǎn)，避免“以短邊定長邊”的現(xiàn)象出現(xiàn)。

3 微網(wǎng)精度優(yōu)化方法

在核島工程施工中，施工測(cè)量是貫穿整個(gè)核島建設(shè)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)控制網(wǎng)的精度有著嚴(yán)格的要求?？刂凭W(wǎng)的精度直接決定了核島工程施工的限差，對(duì)整體施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生重要影響，甚至對(duì)工程進(jìn)度的順利推進(jìn)起著至關(guān)重要的作用?；趯?shí)踐經(jīng)驗(yàn)與網(wǎng)型優(yōu)化分析結(jié)果，提出幾點(diǎn)提高控制網(wǎng)精度的方法。

3.1 避免以短邊定長邊

根據(jù)誤差傳播定律，在僅考慮距離改正的情況下，假設(shè)最長邊2CV43與2CV34的距離D=13.0770 m，最短邊2CV34與2CV35的距離D=4.1416 m。通過2CV43與2CV34的距離改正數(shù)，可以計(jì)算出最長邊2CV43與2CV34的具體距離改正值，即

[-1.64.1416][′13.0770=5.05 mm]。 " " " " " " " "（1）

可見，“以短邊定長邊”會(huì)使距離的誤差成倍增加。在僅考慮角度改正的情況下，2CV43的偏移量計(jì)算如下：

[d=2×D×sinα2] ， " " " " " " " " " " （2）

其中：偏移量d與最長邊D成正比，[α]為偏移的角度，當(dāng)[α]值固定時(shí)，D值越大，偏移量越大。

3.2 增設(shè)起算數(shù)據(jù)

控制網(wǎng)中控制點(diǎn)坐標(biāo)由起算數(shù)據(jù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)平差計(jì)算得出。通常，控制網(wǎng)僅含一套必要的起算數(shù)據(jù)（即一個(gè)已知點(diǎn)坐標(biāo)、一條已知邊長和一個(gè)已知坐標(biāo)方位角）。開展網(wǎng)型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件盡量增設(shè)一套必要的起算數(shù)據(jù)，依據(jù)誤差傳播定律，該方法可提升最弱邊的測(cè)量精度。

3.3 增加觀測(cè)次數(shù)及檢核條件

采用模塊化模式施工的核電站，特別是反應(yīng)堆廠房內(nèi)部，當(dāng)層數(shù)達(dá)到一定高度，大型模塊安裝就位后，測(cè)量環(huán)境往往受到較大限制，并且通視條件不理想。此時(shí)，傳統(tǒng)的三角形網(wǎng)測(cè)量方法因環(huán)境限制而難以應(yīng)用，需改為采用導(dǎo)線測(cè)量法。相較于三角形網(wǎng)測(cè)量，導(dǎo)線測(cè)量具有布設(shè)簡便、選點(diǎn)靈活的優(yōu)勢(shì)，它要求每個(gè)測(cè)量點(diǎn)僅需與前后兩點(diǎn)保持通視，特別適用于隱蔽區(qū)域或建筑物密集、通視困難的場(chǎng)景。然而，導(dǎo)線測(cè)量的可靠性相對(duì)較低，多余觀測(cè)數(shù)較少，檢核條件有限，粗差不易被發(fā)現(xiàn)。

為提升導(dǎo)線測(cè)量的精度，可在水平角觀測(cè)中增加多余觀測(cè)次數(shù)，即在總測(cè)回中采用奇數(shù)測(cè)回的方式觀測(cè)導(dǎo)線的左角，偶數(shù)測(cè)回的方式觀測(cè)導(dǎo)線的右角。通過比較導(dǎo)線折角的左角與右角之和的理論值（360°）與觀測(cè)值之差，檢驗(yàn)角度測(cè)量的精確度。若該測(cè)站的比較差值較大，則表明可能存在照準(zhǔn)誤差、對(duì)點(diǎn)誤差等，需分析原因并重新進(jìn)行觀測(cè)。

3.4 提高控制點(diǎn)點(diǎn)位照準(zhǔn)誤差

控制網(wǎng)點(diǎn)位精度受照準(zhǔn)誤差的影響較大，當(dāng)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間距離過短（尤其是待測(cè)點(diǎn)與待測(cè)點(diǎn)或待測(cè)點(diǎn)與已知點(diǎn)之間的距離小于或等于3 m左右時(shí)），目標(biāo)照準(zhǔn)變得困難，有可能引起較大誤差。為解決此問題，可將大頭針置于待測(cè)點(diǎn)位上，并用橡皮泥固定。通過照準(zhǔn)大頭針的針尖，可有效降低照準(zhǔn)誤差。

3.5 棱鏡系數(shù)的改正

在精密工程控制測(cè)量中，全站儀得到了廣泛應(yīng)用，而反射棱鏡（簡稱棱鏡）作為全站儀的主要配套器具，其常數(shù)對(duì)于測(cè)量結(jié)果至關(guān)重要。不同品牌或型號(hào)的全站儀配套的棱鏡常數(shù)通常不相同，即便是相同品牌型號(hào)的全站儀，由于生產(chǎn)批次不同，棱鏡的固有常數(shù)也可能存在微小差異。這些差異會(huì)導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，進(jìn)而影響核島控制測(cè)量的精度。為消除這一誤差影響，必須對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的棱鏡常數(shù)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定后的棱鏡常數(shù)與棱鏡固有常數(shù)之間的差值，需在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)控制網(wǎng)的過程中修正。這一差值被稱為棱鏡常數(shù)改正數(shù)。通過計(jì)算棱鏡常數(shù)并應(yīng)用改正數(shù)，可以確保測(cè)量距離的一致性與可靠性，從而提高控制測(cè)量的精度，保證核島物項(xiàng)的精確安裝。

4 結(jié)論

根據(jù)網(wǎng)型優(yōu)化的分析結(jié)果，本文提出了提高微型控制網(wǎng)精度的方法，以確保核島各廠房內(nèi)主設(shè)備安裝和重要構(gòu)筑物施工放樣的限差要求得到滿足。在建立微型控制網(wǎng)時(shí)，應(yīng)采用三角網(wǎng)形測(cè)量方法。該方法具有測(cè)角精度高、幾何條件多的優(yōu)點(diǎn)，能有效減小相鄰點(diǎn)的相對(duì)點(diǎn)位誤差。在觀測(cè)外業(yè)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)盡量增加一套起始數(shù)據(jù)的觀測(cè)，以提升網(wǎng)型的穩(wěn)定性與點(diǎn)位精度。在網(wǎng)型設(shè)計(jì)時(shí)，需避免“以短邊定長邊”的現(xiàn)象。在通視條件不理想的情況下，建議采用導(dǎo)線測(cè)量方法，并應(yīng)對(duì)導(dǎo)線的左、右角進(jìn)行觀測(cè)，以增加檢核條件。下一步，可針對(duì)不同核島堆型進(jìn)行調(diào)研，采集測(cè)量微網(wǎng)數(shù)據(jù)，研究適用于不同核島堆型的最優(yōu)網(wǎng)型與測(cè)量方法，從而進(jìn)一步提高核島微型控制網(wǎng)的質(zhì)量，為后續(xù)微型控制網(wǎng)在不同核島堆型中的應(yīng)用提供參考和借鑒。

5 參考文獻(xiàn)

［1］王偲迪，單意志，陳建華.核電反應(yīng)堆微型控制網(wǎng)穩(wěn)定性分析［J］.工程勘察，2014，42（4）：84-86，98.

［2］張磊.淺談核電站廠區(qū)內(nèi)測(cè)量控制網(wǎng)的布設(shè)方法及原則［J］.中國科技縱橫，2015（20）：109.

［3］劉晨，董增勛.精密微型控制網(wǎng)在核電建設(shè)中的應(yīng)用［J］.科技傳播，2011（9）：187-188.

［4］鮑衛(wèi)鋒，黃介生，孔祥元.基于主成分分析法的流域水循環(huán)效應(yīng)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2007（2）：29-33.