南京仙林自行车赛场精密工程测量技术应用研究

张开坤，朱俊逸，袁清龙

(南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏南京 210005)

南京仙林自行车赛场精密工程测量技术应用研究

张开坤∗，朱俊逸，袁清龙

(南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏南京 210005)

随着社会经济和科学技术的不断发展，各种特殊工程的出现和新技术新工艺的采用，精密工程测量得到了迅速的发展。本文结合南京国际自行车赛场工程建设，设计了整个项目的具体测量实施方案，从前期设计数据的验算分析、微型精密控制基准的建立、高精度三角高程测量方法分析应用以及赛场跑道线精密施工放样等方面进行系统的研究。

自行车赛场；精密工程测量；三角高程测量；跑道线放样

1 引 言

南京仙林国际自行车赛场位于南京仙林大学城内，是全国十运会的自行车比赛场地。参照了北京2008年奥运会赛场，按照国际标准兴建，由江苏省体育局投资建设，占地面积4 100 m2，建筑面积9 300 m2，有1 943个观众席位。该赛场设计跑道线(B轴线)长度为250 m，宽度为8 m(B轴线和C轴线间7.8 m)，由直线、缓和曲线、圆曲线组成，其中直线LG=56.632 m、缓和曲线LN=104 m、圆曲线LC=89.368 m、圆曲线半径22.5 m，赛道面倾角从直线段13°经过缓和曲线逐渐过渡到圆曲线段45°，分别形成等倾平直面、倾角连续变化的螺旋面和等倾角锥面。赛道面的结构分为4层:0.13 m厚的结构层、0.06 m厚的找平层、0.02 m厚的面层(石英沙)、0.002 m厚的涂料层。

图1 自行车赛场平面图

根据体育赛场的规范要求，跑道线(B轴线)长度测设及标定不得小于250m，也不得大于250.012 5m，面层放样的点位中误差不大于±3mm，点位高程中误差不大于±3mm，要求达到国际自行车赛车场标准。

2 赛场设计数据的验算与分析

2.1 设计数据的验算

项目组对设计提供的赛道面跑道线(B轴线)的长度；C轴线(外沿线)的三维坐标；赛道面的竖曲线以及各结构层的标高进行了详细检查和验算。本项目中，项目组着重对测量线的标高和坐标进行了复核，其中也发现了设计中存在的一些问题，并及时反馈给了设计单位。设计图纸的复核是精密工程测量中最基础的环节，一般也是最容易忽视的一个环节，该环节控制的好坏直接影响工程质量，该环节的忽略，甚至会造成工程全面返工，带来不可弥补的损失。

2.2 跑道线的缩放

设计数据的调整是针对特殊的精度要求并结合测量原理而进行的[1]。本项目中设计方提出跑道线(内线)长度为:250 m≤s≤250.012 5 m，对于该项目的特殊要求，必须理解它的含义[2，3]，跑道的设计长度为250 m整，无论我们采用多高精度进行跑道坐标点放样，根据测量误差理论，跑道线长度永远为250 m正负几毫米，这将使测量工作无法开展，所以针对以上问题，需要对设计长度进行调整至250.006 25 m，即把测量线进行缩放，并把长度允许误差定为±6.25 mm。

根据测量误差理论，误差分布为正态分布，要保证跑道线的最终长度满足要求，必须要将跑道线的全长调整为标定范围的中间值，也就是:

3 微型精密控制基准的建立

同时，为了保证调整值的均匀分布，以赛场中心为基点，必须对跑道线进行整体缩放，缩放比例为:

3.1 控制网精度估算

根据测量误差的理论，放样点的精度分析包括测设放样元素的误差影响和控制点误差影响两部分:

根据工程测量的控制点误差忽略不计的原则，有:

以上精度估算，作为后续控制网的精度要求。

3.2 微型平面控制网建立

微网平面控制网为一个中心多边形，图形以赛车场纵轴线(B轴)对称共计5点。最大角约109°，最小角约31°，最大边长约41 m，最短边长约22 m，平均边长约30.5 m。当

图2 自行车赛场微型平面控制网图

微型平面控制网5个点位均建造观测墩，观测墩顶部埋设强制对中螺杆，同时强制对中螺杆顶部作为高程起算基面。强制观测墩规格为:底部90 cm× 90 cm，顶部60 cm×60 cm，深埋坚实土下350 cm。

根据对平面控制网精度估算，控制网最弱点点位中误差M控=±1.2 mm，定义了微型三角网精度要求，各项指标接近城市四等三角网的精度指标，观测使用徕卡TC1800全站仪(1″，±1 mm±2 ppm)，配备温度计、气压计等附件，记录采用武汉大学测绘学院研制开发HT-电子手簿。经使用科傻系统进行严密平差，最弱点精度±0.5 mm，达到预期要求。

3.3 高程控制网建立

在远离施工现场的办公区范围内，选择稳定且易于保存的位置深埋基本水准标石作为高程基准点，将高程按二等水准的精度引测至赛场内微型控制网点Z0上，水准线路构成一个闭合环线。

在首级二等水准控制网的基础上，以Z0作为起算点，采用二等水准的作业方法往返观测，联测至微型控制网其余各点。水准网为一个多节点网，网内有4条闭合水准线路，如图3所示。由于测量观测墩高度较高，现场条件受限，水准观测采用前后视距不相等的方法进行观测，在观测前应对仪器i角进行校正至6.0″以下。当使用仪器的i角小于6.0″，前后视距差小于10 m时，不等距观测对观测结果的影响甚微，可不予考虑。

图3 自行车赛场微网高程观测设计网图

观测使用徕卡N3水准仪(±0.3 mm/km)，配备因瓦尺、尺垫、撑杆等附件，记录采用武汉大学测绘学院研制开发HT-电子手簿。

3.4 控制网复测

根据赛程的施工进度确定了微型控制网首次测量和复测的时间，微型控制网的第一次观测是在赛场的结构层和找平层施工前，方便了施工方的放样和监理的检测工作。由于面层是赛场施工工艺要求最高，也是最复杂的一层，是决定赛道曲面平顺度的关键，所以微型控制网的第二次观测是在面层的施工前。微型控制网的第三次观测是在跑道线标记前，方便进行跑道线的放样工作。

4 三角高程测量方法及应用

由于设计方提出了赛道面±3 mm的平整度，采用常规全站仪测量的方法，难以保证高程精度，采用水准测量，工作量大，且作业现场很多地方不具备作业条件，所以，采用了不量仪器高和棱镜高的高程传递方法来控制高程，既能保证高程精度，又能高效率的完成各项工作。具体做法为将定长的棱镜杆分别安置于控制点和放样点位上，只通过测设斜距和垂直角，求得放样点位和控制点位之间的高差，从而消除丈量棱镜高和仪器高带来的误差。

4.1 三角高程测量方法的精度分析[2]

单向观测三角高程测量高差的计算公式:

式中:△h为三角高程测量的高差；S为仪器到棱镜的斜距；α为垂直角；k为大气垂直折射系数，k=0.14；R为地球平均曲率半径，R=6 370 km；i为仪器高；v为棱镜高。

由于不存在量取仪器高和棱镜高的误差，单向观测三角高程测量高差的误差公式:

当采用高精度的全站仪测量距离和垂直角，单向观测高差所能达到的精度(以TC1800为例)，令mα=±1″，mS=±1.0 mm，mk=0.05。

以自行车赛场的数据为例，定向点最远距离约为30 m，高度角在5°以内，最大的高差误差m△h1=±0.17 mm；检测点最远距离约为60 m，高度角在8°以内，最大的高差误差m△h2=±0.32 mm，所以，高差之差的最大误差为:由以上数据可以得出结论，采用不量仪器高和棱镜高的高程传递方法，使用徕卡TC1800仪器，完全能够能满足精度估算设计的±2.7 mm精度要求。

4.2 实验验证

为了验证该方法的可行性，在奥体中心主体育场观众席上进行实验，在最低一层且视野开阔处架设全站仪TC1800，选择不同高度的6层观众席作为平台，每个平台布设4个～6个距全站仪不同距离点的高程点，每个点上安置5 kg水准尺垫，按照二等水准的精度要求对相邻高程点进行高差测量，水准观测完成后，将定长棱镜整平安置在尺垫上，后用TC1800进行距离和角度测量，并记录现场温度、气压，每个高程点距离观测一测回，天顶距观测两个测回。本次实验共布设高程点29个，最大高度角为26°，最远距离为56 m。结果如下:

第一段:检测高度角从0°～12°，距离从4 m～56 m；

第一测回未加各项改正的高差权中误差: m=±0.39 mm；

第二测回未加各项改正的单位权中误差:

m=±0.41 mm；

两测回取平均值，加气象、温度、加乘常数的单位权中误差m=±0.37 mm；

第二段:检测高度角从0°～26°，距离从4 m～56 m；

第一测回未加各项改正的单位权中误差: m=±0.40 mm；

第二测回未加各项改正的单位权中误差:

m=±0.34 mm；

两测回取平均值，加气象、温度、加乘常数的单位权中误差m=±0.44 mm；

以上的实验场地位于奥体中心主体育场，模拟了自行车赛场的情况，选择的测试高度角与距离也基本和赛场情况一致。由以上结果可以看出实验的精度和理论推算的精度基本一致，该方法可用于赛场的实际工程。

4.3 工程实际应用

三角高程测量用于赛场各层的高程检测工作中，各层的高程放样由施工方采用水准测量的方法完成，项目组负责对施工放样高程进行抽测，抽测结果不满足精度要求的进行整改，情况如下:

结构层共检测高程点175个，其中0 mm～3 mm计147点，3 mm～12 mm计28点。找平层共计检测高程点420点，其中0 mm～3 mm计390点，3 mm～12 mm计30点。面层共计检测高程点833点，其中0 mm～3 mm计811点，3 mm～10 mm计22点。

赛道面竣工检测:涂料层粉刷完毕后，开始对涂料层跑道线进行放样，并对跑道线的高程进行随机抽测，共抽测点位493点，计算跑道线最后点位高程中误差: ±1.89 mm，满足设计的±3.0 mm的精度要求。

5 跑道线的放样和丈量

5.1 跑道线的放样

随着高精度全站仪的出现，采用极坐标法进行放样工作更加容易和方便[3]，本项目中，采用了徕卡TC1800，测角精度1″，测距1 mm+2 ppm进行跑道线的放样工作。

本项目测站距离待定P的最大距离为60 m，由以上可以得出测定精度为:mP=±1.04 mm。

同时，影响放样精度的还有控制点误差m控，仪器的对中误差m对，放样点的标定误差m标，放样的最终误差为:

m控跟控制网的精度有关，根据最后一次微网复测的结果，最弱点m控=±0.5 mm；由于采用强制对中装置，m对=±0.1 mm；m标主要误差为标定时人眼的分辨率m标=±0.2 mm，综合以上各种误差，放样误差m放=±1.2 mm。

5.2 跑道线的丈量

跑道线的丈量采用三等线纹米尺，其精度为0.02 mm，对250 m测量线进行了往返测丈量，丈量间距为1 m，单程估读2次，现场记录尺温，为防止手温对三等线纹米尺温度产生影响，丈量时需要戴手套，现场利用笔记本电脑对丈量距离进行温度改正，如果两次读数超限，立即进行重测。

通过对跑道线全长的丈量数据进行温度、尺长、圆曲线和缓和曲线的改正后，跑道线的最终长度为250.007 8 m。

6 验 收

2005年10月5日，中国自行车运动协会对仙林自行车赛程进行了验收，其中主要的验收项目有赛场的面层平顺度和测量线的长度，最终结果为仙林自行车赛程验收合格，满足国际自行车赛场的各项标准。

[1] 张正禄，李广云，潘国荣等.工程测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2005.

[2] 张仰浔，朱鹤，康明等.不量仪器高、棱镜高的三角高程测量[J].测绘通报，2002.

[3] 华锡生，黄腾.精密工程测量[M].南京：河海大学出版社，2002.

[4] 黄志文.自行车赛场工程精密工程测量[J].北京测绘，1990.

[5] 张正禄，邓勇，罗长林等.精密三角高程代替一等水准测量的研究[J].武汉大学学报，2006，31(1).

[6] 许国辉.高精度EDM三角高程测量的研究[J].测绘通报，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

张开坤(1981—)，男，工程师，现从事控制测量和精密工程测量工作。