顾恒李小桃:道路工程测量

第九章 道路工程测量 (road engineering survey)

 内容：理解线路勘测设计阶段的主要测量工作（初测控制测量、带状地形图测绘、中线测设和纵横断面测量）；掌握路线交点、转点、转角、里程桩的概念和测设方法；掌握圆曲线的要素计算和主点测设方法；掌握圆曲线的切线支距法和偏角法的计算公式和测设方法；了解虚交的概念和处理方法；掌握缓和曲线的要素计算和主点测设方法；理解缓和曲线的切线支距法和偏角法的计算公式和测设方法；掌握路线纵断面的基平、中平测量和横断面测量方；了解全站仪中线测设和断面测量方法。

重点：圆曲线、缓和曲线的要素计算和主点测设方法；切线支距法和偏角法的计算公式和测设方法；路线纵断面的基平、中平测量和横断面测量方法

难点：缓和曲线的要素计算和主点测设方法；缓和曲线的切线支距法和偏角法的计算公式和测设方法。

§ 9.1 交点转点转角及里程桩的测设

一、道路工程测量概述

　　分为：路线勘测设计测量 (route reconnaissance and design survey) 和道路施工测量 (road construction survey) 。

（一）勘测设计测量 (route reconnaissance and design survey)

　　分为：初测 (preliminary survey) 和定测 (location survey)

　　1、初测内容：控制测量 (control survey) 、测带状地形图 (topographical map of a zone) 和纵断面图 (profile) 、收集沿线地质水文资料、作纸上定线或现场定线，编制比较方案，为初步设计提供依据。

　　2、定测内容：在选定设计方案的路线上进行路线中线测量 (center line survey) 、测纵断面图 (profile) 、横断面图 (cross-section profile) 及桥涵、路线交叉、沿线设施、环境保护等测量和资料调查，为施工图设计提供资料。

（二）道路施工测量 (road construction survey)

　　按照设计图纸恢复道路中线、测设路基边桩和竖曲线、工程竣工验收测量。

　　本章主要论述中线测量和纵、横断面测量。

二、中线测量 (center line survey)

1、平面线型：由直线和曲线（基本形式有：圆曲线、缓和曲线）组成。

2、概念：通过直线和曲线的测设，将道路中心线的平面位置测设到地面上，并测出其里程。即测设直线上、圆曲线上或缓和曲线上中桩。

三、交点 JD(intersecting point) 的测设

（一）定义： 路线的转折点，即两个方向直线的交点，用 JD 来表示。

（二）方法：

1、等级较低公路：现场标定

2、高等级公路：图上定线——实地放线。

（三）实地放线的方法分类

1、放点穿线法

放直线点——穿线——定交点

（1）放点

　　可用支距法（垂直于导线边的距离）、导线相交法及极坐标法进行。如下图：

1、2、4、6 点——用支距法； 3 点——用导线相交法； 5 点——用极坐标法

（2）穿线

　　如图，定出一条尽可能多的穿过或靠近直线上点 P1 、 P2 、 P3 的直线 AB 。

（3）定交点

　　将穿出的直线延长，得交点 JD 。正倒镜分中法：

2）同理可定出 CD 方向可定出 c 、d 两点。（骑马桩）。

3）将线段 ab 、 cd 相交，得交点 JD 。

2、拨角放线法——极坐标法

　　如图，在利用导线点或已测设的 JD ，计算测设元素（β， S ）——拨角，量边，定出 JD 位置。

四、转点 ZD(turning point) 的测设

1、定义： 当相邻两交点互不通视时，需要在其连线测设一些供放线、交点、测角、量距时照准之用的点。

2、分为： 在两交点间测设转点、在两交点延长线上测设转点。

（1）在两交点间测设转点：

1）在 JD5 、 JD6 的大致中间位置 ZD' 架仪。瞄准 JD5 ，用正倒镜分中法定出 JD'6 。

2）测量出 a 、 b 距离。 有：

3）计算 e 值，在实地量取 e 值，得 ZD 点。有：

4）在 ZD 点架仪，检查三点在一直线上。有：

（2）在两交点延长线上测设转点

如图，有：

五、转角 (turning angle) 和分角线的测设

1、定义：指路线由一个方向偏向另一个方向时，偏转后的方向与原方向的夹角。当偏转后的方向在原方向的左侧，称为左转角；反之为右转角。

2、转角的测定

当β左 > 180°时，为右转角，有：αy= β左 -180°

当β左 <180°时，为左转角，有：αz=180°- β左

当β右 <180°时，为右转角，有：αy=180°- β右

当β右 >180°时，为左转角，有：αz= β右 - 180°

3、分角线的测定

若角度的 2 个方向值为 a 、 b ，则分角线方向 c=(a+b)/2

六、里程桩 (mileage peg) 的设置

　　又称中桩，表示该桩至路线起点的水平距离。如： K7+814.19 表示该桩距路线起点的里程为 7814.19m 。分为整桩和加桩。

1、整桩。 一般每隔 20m 或 50m 设一个。

2、加桩 分为地形加桩、地物加桩、人工结构物加桩、工程地质加桩、曲线加桩和断链加桩。（如：改 K1+100=K1+080 ，长链 20m 。）

§ 9.2 单圆曲线 (circle curve) 的测设

　　圆曲线测设的传统方法：主点测设——详细测设

一、主点 (major point) 的测设

1、曲线要素的计算

　　若已知：转角 α 及半径 R ，则：

切线长： ；

曲线长：

外距： ；

切曲差：

2、主点的测设

（1）主点里程的计算

（2）测设步骤：

1） JDi 架仪，照准 JDi-1 ，量取 T ，得 ZY 点；照准 JDi+1 ，量取 T ，得 YZ 点。

2）  在分角线方向量取 E ，得 QZ 点。

二、单圆曲线详细测设

　　有整桩号法和整桩距法。一般采用整桩号法。

1、切线支距法 (tangent off-set method)

(1) 以 ZY 或 YZ 为坐标原点，切线为 X 轴，过原点的半径为 Y 轴，建立坐标系。

(2) 计算出各桩点坐标后，再用方向架、钢尺去丈量。

　　特点： 测点误差不积累；宜以 QZ 为界，将曲线分两部分进行测设。

[ 例题 ] 设某单圆曲线偏角α =34°12′00″， R=200m ，主点桩号为 ZY ： K4+906.90 ， QZ ：K4+966.59 ， YZ ：K5+026.28 ，按每 20m 一个桩号的整桩号法，计算各桩的切线支距法坐标。

（一）主点测设元素计算

＝ 61.53m ；=119.38m ；=9.25m ；=3.68m 。

（二）主点里程计算

ZY=K4+906.90 ； QZ=K4+966.59 ； YZ=K5+026.28 ； JD= K4+968.43 （检查）

（三）切线支距法（整桩号）各桩要素的计算表

曲线桩号

ZY(YZ ）至桩

圆心角φ i

切线支距法坐标

(m)

的曲线长 (m)

小数度 ( ° )

X i (m)

Yi (m)

ZY K4+906.90

4906.9

0

0

0

0

K4+920

4920

13.1

3.752873558

13.090635

0.428871637

K4+940

4940

33.1

9.482451509

32.949104

2.732778823

K4+960

4960

53.1

15.21202946

52.478356

7.007714876

QZ K4+966.59

————

————

—————

—————

—————

K4+980

4980

46.28

13.25824338

45.868087

5.330745523

K5+000

5000

26.28

7.528665428

26.20444

1.724113151

K5+020

5020

6.28

1.799087477

6.2789681

0.098587899

YZ K5+026.28

5026.28

0

0

0

0

注：表中曲线长 。

2、偏角法 (method of deflection angle)

分为：长弦偏角法、短弦偏角法。

（1）长弦偏角法

2）再分别架仪于 ZY 或 YZ 点，拨角、量边。

特点：

测点误差不积累；宜以 QZ 为界，将曲线分两部分进行测设。

（2）短弦偏角法。 与长弦偏角法相比：

1）偏角Δi 相同。

2）计算曲线上各桩点间弦线长 ci

3）架仪于 ZY 或 YZ 点，拨角、依次在各桩点上在量边，相交后得中桩点。

此外还有极坐标法 (polar coordinate method) 、弦线支距法、弦线偏距法。

[ 例题 ] 偏角法详细测设单圆曲线（注：此题作为实习课测设内容 , 数据是假设的）

已知圆曲线的 R=200m ， ，交点 JD i 里程为 K10+110.88m ，试按每 10m 一个整桩号，来阐述该圆曲线的主点及偏角法整桩号详细测设的步骤。

解：

（一）主点测设元素计算

＝ 26.33m ； =52.36m ； =1.73m ； =0.3m 。

（二）主点里程计算

ZY=K10+84.55 ； QZ=K10+110.73 ； YZ=K10+136.91 ； JD= K10+110.88 （检查）

（三）偏角法（整桩号）各桩要素的计算表

桩号

曲线长

偏角值

偏角读数

弦长 （长弦法）

ZY K10+84.55

0

0 00 00

0 00 00

0

K10+90

5.45

0 46 50

359 13 10

5.45

K10+100

15.45

2 12 47

357 47 13

15.45

K10+110

25.45

3 38 44

356 21 16

25.43

QZ K10+110.73

K10+120

16.91

2 25 20

2 25 20

16.91

K10+130

6.91

0 59 23

0 59 23

6.91

YZ K10+136.91

0

0 00 00

0 00 00

0

注： ； ；

§ 9.3 缓和曲线 (spiral) 的测设

一、概念及基本公式

1、概念

为缓和行车方向的突变和离心力的突然产生与消失，需要在直线（超高为 0 ）与圆曲线（超高为 h ）之间插入一段曲率半径由无穷大逐渐变化至圆曲线半径的过渡曲线（使超高由 0 变为 h ），此曲线为缓和曲线。主要有回旋线、三次抛物线及双纽线等。

2、回旋型缓和曲线基本公式

——缓和曲线全长。

（1）切线角公式

（2）缓和曲线角公式

——缓和曲线全长 所对应的中心角亦称缓和曲线角。

（3）缓和曲线的参数方程

（4）圆曲线终点的坐标

二、主点的测设

1、测设元素的计算

（1）内移距 p 和切线增长 q 的计算

（2）切线长

曲线长 ，其中圆曲线长 。

外距 ；切曲差

2、主点的测设

（1）里程的计算

ZH=JD-T H ； HY=ZH+l s ； QZ=ZH+L H /2 ； HZ=ZH+L H ； YH=HZ-l s

（2）测设方法。 ( 见例题 )

例题： 如下图，设某公路的交点桩号为 K10+518.66 ，右转角 α y = 18°18'36 " ，圆曲线半径 R= 100m ，缓和曲线长 l s = 10m ，试测设主点桩。（作为实习课内容）

解：（一）计算测设元素

p= 0.04m ； q= 5.00m ；

；

（二）计算里程

ZH=K10+497.54 ； HY=K10+507.54 ； QZ=K10+518.52 ； HZ=K10+539.50 ； YH=K10+529.50

1、架仪 JDi ，后视 JDi-1 ，量取 TH ，得 ZH 点；后视 JDi+1 ，量取 TH ，得 HZ 点；在分角线方向量取 EH ，得 QZ 点。

2、分别在 ZH 、HZ 点架仪，后视 JDi 方向，量取 x0 ，再在此方向垂直方向上量取 y0 ，得 HY 和 YH 点。

三、带有缓和曲线的圆曲线详细测设

1、切线支距法 (tangent off-set method)

（1）当点位于缓和曲线上，有：

（2）当点位于圆曲线上，有：

其中， ， 为点到坐标原点的曲线长。

2、偏角法 (method of deflection angle) （整桩距、短弦偏角法）

（1）当点位于缓和曲线上，有：

；

距离：用曲线长 l 来代替弦长。放样出第 1 点后，放样第 2 点时，用偏角和距离 l 交会得到。

（2）当点位于圆曲线上

方法：架仪 HY ( 或 YH) ，后视 ZH( 或 HZ) ，拨角 b 0 ，即找到了切线方向，再按单圆曲线偏角法进行。

此外还有极坐标法、弦线支距法、长弦偏角法。

§ 9.4 路线纵断面测量 (route profile survey)

目的 ——测定线路中桩处的高程，绘制纵断面图 (profile) ，为线路设计提供基础资料。

工作步骤 ——“先基平 (principal leveling) 后中平 (profile leveling) ”

一、基平测量 (principal leveling)

1、水准点 (bench mark) 的设置。

（1）位置：埋设在距中线 50-100m ，且不易破坏之处。

相隔 0.5km-1km ——山区　　　　相隔 1km-2km ——平原区

每隔 5km 、路线起终点、重要工程处，设永久性水准点。

2、基平测量的方法

（1）路线——附合水准路线。

（2）仪器

水准仪——不低于 DS3 精度

全站仪——竖直角观测精度不大于 ，标称精度不低于（ 5+5 × 10 -6 D ） mm

（3）测量要求

水准测量——一般按三、四等水准测量规范进行。如：要进行往返测，闭合差不超过 mm

三角高程测量——一般按全站仪电磁波三角高程测量（四等）规范进行。

二、中平测量 (profile leveling)

1、定义：

在基平测量后提供的水准点高程的基础上，测定各个中桩的高程。

2、方法：

（1）水准仪法

从一个水准点出发，按普通水准测量的要求，用“视线高法”测出该测段内所有中桩地面高程，最后附合到另一个水准点上。

高差闭合差的限差为：

高速公路、一级公路： （mm）； 二级及以下公路： (mm)。

（2）全站仪法

先在 BM1 上测定各转点 TP1 、 TP2 的高程，再在 TP1 、 TP2 上测定各桩点的高程。其原理即为三角高程测量原理。

三、纵断面图的绘制

以横坐标为里程，纵坐标为高程。（详见《道路工程制图》课程）

§ 9.5 路线横断面测量 (route across-profile survey)

目的 ——测定线路各中桩处垂直于中线方向上的地面起伏情况，绘制横断面图，为线路设计提供基础资料。

方法 ——先确定横断面方向，再测定变坡点间的平距及高差。

一、横断面方向的确定

1、直线段——采用普通方向架。

3、缓和曲线段——该点的法线方向。

选取缓和曲线上的一点 N ——计算偏角值 δ1 ——后视 N 点，拨角 90°±δ1 。

θ12 为 P1 至 P2 点的方位角，可由 P1 、 P2 点的切线支距法坐标求得。

二、横断面的测量方法

（一）要求：

按前进方向分成左右侧，分别测量横断面方向上各变坡点至中桩的平距及高差。平距及高差的精度要求一般为 0.1m 。

（二）方法分类：

1、花杆皮尺法

适用于：山区低等级公路。精度低。

2、水准仪法

适用于：地形简单地区，精度高。

水准仪测高差、皮尺丈量平距。

3、经纬仪视距法

适用于：地形复杂地区。精度较高。

4、全站仪法

适用于：地形复杂地区，精度高。

用全站仪的斜距测量模式，即可自动显示出平距和高差。

三、横断面图的绘制

绘图时一般先将中桩标在图中央，再分左右侧按平距为横轴，高差为纵轴，展出各个变坡点。绘出的横断面图。

§ 9.6 全站仪中线测设及断面测量简介

一、基本原理

中线测设：计算中桩坐标——全站仪点位放样（极坐标法）

纵断面测量：全站仪测量点的高程（电磁波三角高程测量）

横断面测量：确定横断面点位——全站仪测量点的高程（电磁波三角高程测量）

二、全站仪点的放样功能

1、点位放样原理

（1）先在放样点的大致位置立棱镜。

（2）对其进行观测，测出当前棱镜位置的坐标。

（3）将当前坐标与放样点的坐标相比较，计算出其差值。距离差值 dD 和角度差 dHR 或纵向差值ΔX 和横向差值ΔY 。

（4）根据显示的 dD、dHR 或ΔX 、ΔY ，逐渐找到放样点的位置。

2、TOPCON全站仪放样点位的方法

具体操作，详见《测量课间实习指导书》。

三、中桩测设的基本程序

1、测定线路交点（JD）的（线路统一）坐标

（2）根据沿线布设的（导线）控制点，用全站仪“点的放样”功能，实地测设出交点。

（3）根据实地情况进行交点位置的调整。

（4）根据沿线布设的（导线）控制点，用全站仪“坐标测量”功能测量出交点（ JD ）的（线路统一）坐标。

若测出了交点的两条直线上的 4 个点坐标，可按数学方法计算出交点坐标。

2、中桩（线路统一）坐标的计算

（1）直线段中桩

由交点坐标和桩号里程，按“坐标正算”公式，可计算出各中桩的坐标。

（2）曲线段中桩

1）计算出曲线上各中桩在切线支距法坐标系中的坐标。

2）根据“坐标平移与旋转”公式，将切线支距法坐标转换成线路统一坐标。

3、中桩的实地放样

架全站仪在（导线）控制点或交点上，利用全站仪“点位放样”功能，放样出各中桩。

四、中桩高程测量（纵断面测量）

中桩高程测量是在中桩放样的同时进行的。在中桩位置立棱镜，输入仪器高和棱镜高，即可利用全站仪“三维坐标测量”功能，在（导线）控制点上，测出中桩处的地面高程。

五、横断面测量

横断面测量也可在中桩测设、纵断面测量的同时进行。关键在于如何将棱镜立在中桩的横断面方向上。其方法之一是：

1、大致横断面方向上的某变坡点 F' 处立棱镜，测出点 F' 的平面坐标。

2 、根据测站点 B 及点 F' 的坐标，计算出方位角αBF ，将其与方位角 αBA 相减，得角∠FBA 。

3、据中桩 A 处的切线角 φA 及切线支距法的 x 轴的坐标方位角，可得 A 处切线的方位角，进而得到 A 处法线方向的坐标方位角 αAF 。

4、由 αAF 和 αAB 可得角∠ BAF 。

5、根据角∠FBA 、∠BAF 和边长 DAB ，可计算出 DBF 。