工程测量学第十三章

地下工程测量《工程测量学》第十三章地下工程测量主要内容地下工程的种类、特点及对测量的要求隧道贯通误差预计地面和地下控制测量联系测量陀螺经纬仪及定向测量隧道施工与竣工测量13.1概述（地下工程的种类、特点及对测量的要求）13.1.1地下工程的种类地下工程根据工程建设的特点可分为三大类：一、地下通道工程，如隧道工程(包括铁路隧道、公路隧道以及输水隧洞)、城市地下铁道工程等；二、地下建(构)筑物，如地下工厂、仓库、影剧院、游乐场、舞厅、餐厅、医院、图书室、地下商业街、人防工程以及军事设施等；三、为开采各种矿产而建设的地下采矿工程。2006年8月23日，一列火车从乌鞘岭隧道中驶出。当日，中国最长的铁路隧道——20.05公里的乌鞘岭特长隧道实现双线开通，兰新铁路兰武段（兰州西至武威南）新增二线铁路全面建成，欧亚大陆桥通道上的“瓶颈”制约被消除，连云港至乌鲁木齐3651公里间全部实现双线通车。秦岭终南山公路隧道天府广场隧道13.1概述13.1.2地下工程测量的特点与地面工程测量相比，地下工程测量具有以下特点：(1)地下工程施工面黑暗潮湿，环境较差，经常需进行点下对中，有时边长较短，因此测量精度难以提高；(2)地下工程的坑道往往采用独头掘进，洞室之间互不相通，不便组织校核，出现错误不能及时发现。随着坑道的进展，点位误差的累积越来越大；(3)地下工程施工面狭窄，并且坑道往往只能前后通视，造成控制测量形式比较单一，仅适合布设导线；13.1概述13.1.2地下工程测量的特点(4)测量工作随着坑道工程的掘进，而不间断的进行。一般先以低等级导线指示坑道掘进，而后布设高级导线进行检核；(5)由于地下工程的需要，往往采用一些特殊或特定的测量方法（如为保证地下和地面采用统一的坐标系统，需进行联系测量）和仪器13.1概述13.1.3地下工程对测量的要求地下工程的测量环节包括:建立地面控制网、地面和地下的联系测量、地下坑道中的控制、竣工及施工测量。对测量的要求如下：（1）应严格按照先控制后碎部、高级控制低级、对测量成果逐项检核，测量精度必须满足规范要求等原则进行；13.1概述13.1.3地下工程对测量的要求（2）在隧道工程中，两个相向开挖的工作面的施工中线往往因测量误差产生贯通误差(分为纵向、横向和高程贯通误差)。对于隧道而言，纵向误差不会影响隧道的贯通质量，而横向误差和高程误差将影响隧道的贯通质量。因此应采取措施严格控制横向误差和高程误差，以保证工程质量；13.1概述13.1.3地下工程对测量的要求（3）为保证地下工程的施工质量，在工程施工前，应进行工程测量误差预计。预计中应将容许的竣工误差加以适当分配。一般来说，地面上的测量条件比地下好，故对地面控制测量的精度应要求高一些，而将地下测量的精度要求适当降低；13.1概述13.1.3地下工程对测量的要求（4）在地下工程中应尽量采用先进的测量设备。地面控制测量应采用GPS测量技术进行。平面联系测量应尽量采用陀螺定向。坑道内的导线测量应采用红外测距仪测距以加大导线边长，减少导线点数。为限制测角误差的传递，当导线前进一定距离后应使用高精度陀螺经纬仪加测陀螺定向边。隧道控制测量的主要作用是保证隧道的正确贯通（两个或两个以上的掘进工作面在预定地点彼此接通的工程）；其精度要求，主要取决于隧道贯通精度的要求、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称为纵向贯通误差，在垂直于中线方向的投影长度称为横向贯通误差，在高程方向上的投影称为高程贯通误差。一般取两倍中误差作为各项贯通误差的限差。13.2隧道贯通误差预计贯通误差概述隧道施工进度慢，往往成为控制工期的工程。为了加快施工进度，除了进、出口两个开挖面外，还常采用横洞、斜井、竖井、平行导坑等来增加开挖面。因此，不管是直线隧道还是曲线隧道，开挖总是沿线路中线不断向洞内延伸，洞内线路中线位置测设的误差，就逐步随着开挖的延伸而逐渐积累；另一方面，隧道施工时基本上都是采用边开挖、边衬砌的方法，等到隧道贯通时，未衬砌部分也所剩不多，故可进行中线调整的地段有限。于是，如何保证隧道在贯通时（包括横向、纵向、高程方向），两相向开挖施工中线的相对错位不超过规定的限值，是隧道施工测量的关键问题。在纵向方面所产生的贯通误差，一般对隧道施工和隧道质量不产生影响，从我国隧道施工调查中得知，一般不超过±320mm，即使达到这种情况，对施工质量也无影响，因此规定这项限差无实际意义；高程要求的精度，使用一般水准测量方法即可满足；而横向贯通误差（在平面上垂直于线路中线方向）的大小，则直接影响隧道的施工质量，严重者甚至会导致隧道报废。所以一般说贯通误差，主要是指隧道的横向贯通误差。对于纵向误差，通常都是按定测中线的精度要求给定：式中，L为隧道两开挖洞口间的长度。13.2隧道贯通误差预计对于横向贯通误差和高程贯通误差的限差，按《铁路测量技术规则》根据两开挖洞口间的长度确定：13.2隧道贯通误差预计两开挖洞口间长度（km）˂44-88-1010-1313-1717-20横向贯通误差（mm）100150200300400500高程贯通误差（mm）50表13-1影响横向贯通误差的因素有：洞外和洞内平面控制测量误差、洞外与洞内之间联系测量误差。《铁路测量技术规则》规定，洞外、洞内控制测量误差，对每个贯通面上产生的横向中误差不应超过表13-2的规定。测量部位横向中误差(mm)高程中误差(mm)两开挖洞口间长度(km)＜44～88～1010～1313～1717～20洞外3045609012015018洞内40608012016020017洞外、洞内总和507510015020025025表13-2洞外、洞内控制测量的贯通精度要求注：本表不适用于设有竖井的隧道13.2隧道贯通误差预计洞外、洞内控制测量，产生在贯通面上的横向中误差，按下列公式计算：1．导线测量（13-2）式中——由于测角误差影响，产生在贯通面上的横向中误差(mm)，（13-3）——由于测边误差影响，产生在贯通面上的横向中误差(mm)，即（13-4）22ylymmm2xyRmm2ylyldlmm13.2隧道贯通误差预计其中——由导线环闭合差求算的测角中误差（″）；——导线环在隧道相邻两洞口连线的一条导线上各点至贯通面的垂直距离（m）；——导线边边长相对中误差；——导线环在隧道相邻两洞口连线的一条导线上各边在贯通面上的投影长度（m）。mxRlmlyd13.2隧道贯通误差预计2．三角测量三角测量的计算公式可参考《铁路测量技术规则》中给出的有关公式，也可以按导线测量的误差公式计算。其方法是选取三角网中沿中线附近的连续传算边作为一条导线进行计算。但式（13-2）（13-3）（13-4）中：——由三角网闭合差求算的测角中误差（″）；——所选三角网中连续传算边形成的导线上各转折点至贯通面的垂直距离；——取三角网最弱边的相对中误差；——所选三角网中连续传算边形成的导线各边在贯通面上的投影长度。mxRlmlyd13.2隧道贯通误差预计例：现以导线为例，说明洞外、洞内控制测量误差对横向贯通精度影响值的估算方法。13.2隧道贯通误差预计图13-1首先按导线布点，绘出1：10000的导线平面图，如图13-1。0—1—2—3—4—5为单导线，0、5为洞外导线的始终点，使y轴平行于贯通面；由各导线点向贯通面方向作垂线，其垂足为0‘、1’、2‘、3’、4‘、5’；除导线点的始终点0、5之外，量出各点垂距Rx1、Rx2、Rx3、Rx4（用比例尺量，凑整到10m即可）。然后以同样精度量出各导线边在贯通方向上的投影长度，将各值填入表13-3。13.2隧道贯通误差预计各点的投影垂距各边的投影长度点名（m）(m2)线段(m)(m2)14001600000～1140196002150225001～24016003250625002～31602560044802304003～47049004～51301690022475400mdy22475400mRx表13-3洞外导线测量误差对横向贯通精度影响值计算表xR2xRyd2yd13.2隧道贯通误差预计设导线环的测角中误差为：式中——导线环的角度闭合差；——一个导线环内角的个数；N——导线环的个数。导线边长相对中误差为：则洞内控制无论是中线形式，还是导线形式，一律按导线看待，所以其估算方法与洞外导线测量完全相同，但有两点要注意：4]/[2Nnfmfn100001lmlmmRmmxy4.1347540020626542mmdlmmylyl2.26686001000012mmmmmylyy4.2922外13.2隧道贯通误差预计（1）两洞口处的控制点，在引入洞内导线时需要测角，其测角误差算入洞内测量误差。故计算洞外导线测角误差时，不包括始、终点的值，而计算洞内导线测角误差时，如下图中的、，它们应归入洞内估算值中。（2）两洞口引入的洞内导线不必单独计算，可以将贯通点当作一个导线点，从一端洞口控制点到另一端洞口控制点，当作一条连续的导线来计算，如下图中，从0到h看成一条导线，其计算值见表13-4。xRxoRxhR13.2隧道贯通误差预计13.2隧道贯通误差预计各点的投影垂距各边的投影长度点名（m）(m2)线段(m)(m2)06904761000～a00a510260100a～b00b330108900b～c00c11012100c～d00d00d～e00e17028900e～f00f350122500f～g00g510260100g～h603600h630396900221665600mRx223600mdyxR2xRyd2yd表13-4洞内导线测量误差对横向贯通精度影响值计算表13.2隧道贯通误差预计设洞内测角中误差洞内测边相对中误差则洞外、洞内测量误差，对隧道横向贯通精度的影响总值为：按《测规》要求，两开挖洞口间的长度小于4km时，横向贯通中误差应小于±50mm，现估算值为±40.4mm，故可认为设计的施测精度能够满足隧道横向贯通精度的要求，设计是合理的。4m50001lmlmmRmmxy0.25166560020626542mmdlmmylyl0.123600500012mmmmmylyy7.2722内mmmmmyyy4.4022内外13.2隧道贯通误差预计13.2隧道贯通误差预计13.2.4高程测量误差对高程贯通误差的影响高程测量误差对高程贯通误差的影响，可按下式计算：式中：L—洞内外高程线路总长（以km计）；—每公里高差中数的偶然中误差，对于四等水准，，对于三等水准，。需要指出，若采用光电测距三角高程测量时，L取导线的长度。若洞内外测量精度不同时应分别计算。Lmmhmkmmmm/5kmmmm/513.3地面和地下控制测量地下工程的地面平面控制测量可根据地下工程的特点、范围、地形条件，采用精密导线、三角测量及GPS技术进行。高程控制测量可采用精密水准测量或光电测距三角高程测量进行。地下控制测量可采用导线测量、水准测量和三角高程测量。洞外控制测量包括:洞外平面控制测量和洞外高程控制测量隧道平面控制测量的主要任务是:测定各洞口控制点的平面位置，以便根据洞口控制点将设计方向导向地下，指引隧道开挖，并能按规定的精度贯通。洞外平面控制就是要测出各洞口控制点的坐标，为洞内平面控制测量提供精确的起始数据13.3地面和地下控制测量13.3地面和地下控制测量13.3.1地下工程地面控制测量地下工程平面控制测量根据其工程范围（或长度）、工程类型、工程的施工方法可大致分为三类:现场标定法直伸法（导线、三角网等）区域精密控制法（GPS测量）（1）导线测量法在洞外沿隧道线形布设的一条或两条大致平行的光电测距导线，来测定各洞口控制点的平面坐标。导线的转折角通常用不低于DJ6级经纬仪或全站仪施测，各项限