第十三章地下工程测量

第十三章地下工程测量第一节地下工程的种类、特点及对测量的要求一、地下工程的种类及特点1、种类：★地下隧道和地下地铁工程；★地下建筑；★地下采矿工程。2、与地面工程测量相比，地下工程测量的特点：★、地下工程施工面黑暗潮湿，环境较差，经常需进行点下对中，且有时边长较短，因此测量精度难以提高。★、地下工程往往采用独头掘进，洞室之间又互不通视，不便组织校核，出现错误不能及时发现。并且随着坑道的掘进，点位误差的累计越来越大。★、地下工程施工控制测量的形式单一，仅适合布设导线。★、测量工作随着坑道工程的掘进，而不间断的进行。★、由于地下工程的需要，常采用一些特殊或特定的联系测量方法和仪器。二、地下工程对测量的要求地下工程测量的环节包括：建立地面控制、地面和地下的联系测量、地下坑道中的控制、竣工和施工测量。对测量的要求如下：★、严格按照测量原则和规范、检查测量成果，精度必须满足规范要求；★、采取措施严格控制横向误差和高程误差，以保证工程质量；★、在工程施工前应进行工程测量误差预计，将允许的竣工误差适当分配；★、在地下工程中应尽量采用先进的测量设备。第二节隧道贯通误差预计隧道测量的主要作用是保证隧道的正确贯通，其精度要求主要取决于隧道贯通的精度要求、隧道长度与形状、开挖面的数量以及施工方法等。隧道贯通误差在线路中线方向上的投影长度称为纵向贯通误差；在垂直于中线方向上的投影长度称为横向贯通误差；在高程方向上的投影长度称为高程贯通误差。一般取两倍中误差作为各项贯通误差的限差，对于纵向误差，通常都是按着定测中线的精度要求给定，即：△l=2m1≤L/2000。对于横向贯通误差和高程贯通误差，见表13-1。一、地面边角网测量误差引起的横向贯通误差的估算方法1、简化为导线的近似估算方法2、按方向的间接平差估算方法1）、坐标未知数权函数法2）零点误差椭圆法二、导线测量误差引起的横向贯通误差1、地面导线测量误差引起的横向贯通误差如图、式为预计误差的图和计算式：2、导线测量误差引起的横向贯通误差（P387，13-8式）三、GPS网误差对贯通误差影响的估算方法四、高程测量误差对高程贯通误差的影响mh=±m△(L)1/2第三节地面和地下控制测量一、地下工程地面控制测量地下工程根据其工程范围、工程类型、施工方法大致可分为三类：一类是简单的小型地下工程，短而小的工程，可不进行控制测量而直接测量（现场标定法）。二类是大型的隧道工程，多呈直伸形，且有特殊要求。三类是地下矿山工程、城市地铁工程，此类工程涉及范围大，控制网覆盖面积大，精度要求高。1、现场标定法如图，A、D两点不通视，在地面的AD方向线上定出B、C两点，作为向洞内引线的依据。标定时，按图纸取得AD方向的方位，然后按正倒镜延线法定出B′、和C′点，直至D′点，并量出DD′的距离。2、隧道平面控制网隧道平面控制网多呈直伸形，传统布网方案有三角锁、导线、三角与导线联合布网等形式。如图为一三角锁，两个近井点必须在控制网中。3、地下矿山工程平面控制网常采用三角网、导线网、GPS网等形式建立。4、地下工程的高程控制网采用等级水准测量（平坦地区）、光电测距三角高程测量（山区或丘陵地区）。二、地下控制测量1、地下导线的特点和布设1）地下导线测量的作用是以必要的精度建立地下的控制系统。与地面导线测量相比，地下导线测量具有以下特点：►地下导线的起始点通常位于平峒口、斜井口以及竖井的井底车场，而这些点的坐标是由地面控制测量或联系测量测定的。►地下导线的形状完全取决于隧道的形状，通常形成延伸状。►地下导线随着隧道的开挖而向前延伸。►导线点有时设于坑道顶板上，需要采用点下对中。►随着导线的开挖，导线布设采用分级布设的方法，由低级到高级。►地下导线测量受施工干扰的影响比较大。2）地下导线的类型地下导线的类型有附合导线、闭合导线、方向闭合导线、支导线及导线网等，但在施工时主要有以下几种类型：►施工导线：边长25-50m，主要是指导施工；►基本导线：边长50-100m，主要是检查隧道方向是否与设计方向相符；►主要导线：边长150-800m，主要是提高精度，以保证导线终点的横向误差不致过大。3）选点（布设点）时的注意事项►地下导线点应尽量沿线路中线（或边线）布设，边长要接近等边，避免长短边相接。点位应设在施工干扰小、通视良好且稳固的安全地段，两点间视线与坑道的距离应不大于0.2m。有平行导坑时，其单导线应与正洞导线联测，以资检核。►在进行导线延伸测量时，应对以前的导线点作检核测量。►由于边长较短，在进行角度测量时，应尽可能减小仪器对中和目标对中误差的影响。当边长小于15m时，在测回间仪器和目标应重新对中，注意提高找准精度。►边长测量采用钢尺悬空丈量时，除加入尺长、温度改正外，还应加入垂曲改正。►构成闭合图形的导线网（环），都应进行平差计算，以便求出点的新坐标值。►对于螺旋形隧道，不能形成边导线，每次向前延伸时，都应从洞外复测。2、地下导线的精度平面误差包括了地面平面控制测量误差、联系测量误差以及地下导线测量误差，设地下工程的极限误差为△，则地面控制测量所允许的测量误差为：m上=±△/(5)1/2=±0.45△对于没有进行联系测量工作的地下工程，则地面控制测量所允许的测量误差为：m上=±△/(3)1/2=±0.58△对于直线隧道，量边误差对横向贯通误差的影响可忽略不计，由角度观测误差所引起的导线端点的横向误差应不大于±0.58△，故导线端点的横向误差为：mu2=((n2s2mβ2)/ρ2)×(n+1.5)/3设△=50mm时，地下导线的测角误差的设计值为：mβ=10000/(s×n(n+1.5)1/2)地下直伸导线的边长误差只对纵向贯通误差产生影响，当洞口间长度大于4km，且洞内具有边长通视条件时，采用在基本导线基础上在成洞部分组成主要导线的方法。这时，主要导线的边长精度与基本导线的边长精度相等，为：Ms=±µ(s*n)1/2式中Ms为主要导线的边长中误差，µ为边长丈量偶然误差系数，s为基本导线的平均边长。3、地下高程控制测量地下高程控制测量的任务（目的）是：测定地下坑道中各高程点的高程，建立一个与地面统一的地下高程控制系统，作为地下施工放样的依据。地下高程控制测量分为地下水准测量和地下三角高程测量，其特点是：☻高程路线一般与地下导线测量的线路相同；☻通常利用地下导线点作为高程点，这些点可在顶板、底板或边墙上；☻地下水准支线随着隧道的开挖而增长；☻在施工中，一般以低等级高程测量给出坑道在竖直面内的掘进方向，然后再用高等级的高程测量进行检测。地下水准测量时，仪器到水准尺的距离不宜大于50m，用单面尺测量，则应用两次仪器高进行观测，所求得的高差的差数不应超过±3mm。地下三角高程测量的作业方法同于地面，其高差计算公式为：h=lsinα+i-v计算工程中，当点在顶板时，i、v应加入负号后代入公式中进行运算。进洞关系数据推算一、直线进洞1、正洞如图，井点A在中线上，且A、D、N为已知点，只需求出β角即可确定出中线方向。如果A点不在中线上，按下图进行操作，计算出s和α，找到A΄点即可。2、横洞如图，C、N、A、D为已知点，进洞关系数据为β和s，（γ角为实测或设计），但需计算Xo、Yo，即COCOCOAOAOADAOXXYYtgXXYYtgtgADADADAOCOADAOXXYYarctg,,,二、曲线进洞1、圆曲线进洞如图，由于偏角α与定测时不一样，故A点就可能不在中线上，而A΄为中线点，因此进洞关系数据为SAA΄和β΄，只要知道A、A΄坐标即可，其中A为已知点，A΄点坐标由圆心坐标计算出来，即：OAOAOAOAOAOAOAXXYYarctgRYYRXXsincosANANNAOAAAANAAXXYYarctg9090-切切2、缓和曲线进洞如图，关系数据为SAA΄和β΄，以ZH为原点的坐标系中，有：30270320253366,,,,,,40lRlRllylRllx缓和曲线上任意一点的切线与ZH点的切线的交角为：为缓和曲线长）为缓和曲线长度，002(2llRll假设XA=XA΄，用逐渐趋近法求XA΄、YA΄，进而求出SA΄A与β΄。)(90ANANAAAAXXYYarctgXXYYarctg隧道内定线一、定中线两种方法：一是先在实地表面定出中线，再进洞；二是利用已知点求出进洞关系数据，然后再进洞。中线点每隔30m左右设置一组，每组有三个点，点间距不小于1.0m，在顶部或底部坚硬的地方设置。二、定腰线腰线离坑道底板高1.0m或1,2m，要求三个点为一组，组间距不大于30m，点间距不小于2m。1、用水准仪定腰线在精度要求较高，且倾角不大于8°的斜巷中标定时采用此法，方法如下：1）、将洞口中线点A投影到侧壁，并分别量取30米、32米、34米，定出1′、2′、3′三个点；2）、读取后视标尺读数，计算仪器视线高：H=HO+a3）、求各腰线点的设计高，即：Hj′=HO+hj+1.0hj=lj*i或hj=lj*tgα（j=1、2、3）4）、求视线高与腰线点设计高的差值：Δhj=H-Hj′5）、分别在1′、2′、3′点立尺，并读数bj，则（bj-Δhj）的分划即为腰线点的位置，在侧壁作记号，三个点连接即为腰线。2、用经纬仪标定腰线在精度要求不高的平巷中，或是倾斜角大于8°的斜巷里可用此法。主要采用的方法是”伪倾角法“。如图，A、B同高，OA΄为中线方向，则倾角为δ，”伪倾角“为δ΄，有关系式：tgδ΄=OA΄×tgδ/OB΄=cosβ×tgδ即有：δ΄=arctg(cosβ×tgδ)“伪倾角法”的具体方法步骤如下：1）、在隧道起点安置经纬仪，标定中线，并测出中线与腰线点之间的水平夹角β；2）、计算伪倾角：δ′=arctg(cosβ*tgδ)3）、在竖盘上配置δ′，并用中丝找准侧壁预定处，作记号，然后用倒镜检查；4）、从记号处垂直向下量取K=iA-1.0（当K为负值时向上量），即得腰线点1，按同法标定出2、3点；5）、当HA与HA′不一致时，K值应为：K=iA-1.0+（HA-HA′），按照第四步的做法标定腰线点。6）、将各腰线点连接起来即为腰线。第四节联系测量为保证地下工程沿设计方向掘进，应通过平峒、斜井及竖井将地面的平面坐标系统和高程系统传递到地下，该项工作称为联系测量。本节只介绍竖井联系测量工作。竖井联系测量工作分为平面联系测量和高程联系测量。平面联系测量又分为几何定向（包括一井定向和两井定向）和陀螺定向。一、一井定向一井定向是将地面上的坐标和方向通过一个竖井的平面联系测量传递到地下的测量工作，分为投点和连接测量两个环节。如右图1、投点与连接测量投点时，通常采用单稳定投点或单重摆动投点。由地面向定向水平上投点时，由于井筒内气流、滴水等影响，致使井下垂球线偏离地面上的位置，该线量偏差e称为投点误差，由此而引起的垂球线连线的方向误差θ，叫做投向误差，其中误差为：θ=±e×ρ˝/c当c=3m，e=1mm时，θ=±68.8˝。可见投点误差的影响是非常大的。连接测量时，常采用连接三角形，如下图，C与C΄称为井上下连接点，A、B点为两垂球线点，从而形成了以AB为公共边的三角形ABC和ABC΄。在选择井上下连接点C和C΄时应满足下列要求：★、CD和C΄D΄的长度应尽量大于20m；★、应使C和C΄点处的锐角γ及γ΄小于2˚，构成最有利的延伸三角形；★、点C和C΄应适当地靠近最近的垂球线，使a/c和b΄/c΄之值尽量小些。连接测量的外业工作：在地面上，测量CD边长，并丈量a、b、c三边，在连接点C用测回法测量角度φ、ψ、γ；在底下，测量C΄D΄边长，并丈量a΄、b΄、c΄三边，在连接点C用测回法测量角度φ΄、ψ΄、γ΄。在连接测量中，有下列三项检核：★、当DC边小于20m时，在C点进行水平角观测，其仪器必须对中三次，每次对中应将照准部（或基座）位置变换120˚；★、采用测回法测角φ、ψ、γ（地下为φ΄、ψ΄