13_第十三章 地下工程测量

第十三章地下工程测量1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213.1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。313.1地下工程的种类、特点及对测量的要求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；413.1地下工程的种类、特点及对测量的要求13.1.2地下工程测量的特点(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；(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。513.1地下工程的种类、特点及对测量的要求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。（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。613.1地下工程的种类、特点及对测量的要求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。（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。713.2隧道贯通误差预计隧道控制测量包括地面和洞内两部分，每一部分又分平面控制测量和高程控制测量。地面平面控制测量常采用三角网、电磁波测距导线、GPS网。地下平面控制测量主要采用钢尺量边导线和电磁波测距导线进行。另外还可对某些边加测陀螺方位角。地面和洞内的高程控制，一般都采用水准测量的方法。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。813.2隧道贯通误差预计对于纵向误差，通常都是按定测中线的精度要求给定:l=2m12000L(131)式中，L为隧道两开挖洞口间的长度。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：两开挖洞口间的长度(km)44-88-1010-1313-1717-20横向贯通限差（mm）5002007-5-9100150200300400913.2隧道贯通误差预计13.2.1地面边角网测量误差对横向贯通精度影响在隧道的地面三角测量中常采用三角锁，因此主要讨论三角锁测量误差所引起的横向贯通误差。1013.2隧道贯通误差预计13.2.1.1简化为导线的近似估算将三角锁的边看做为导线边，选择最靠近隧道中线的一条线路，将其做为导线。13.2.1.2按方向的间接平差估算在方向间接平差中，可按求平差未知数函数的精度的方法估算横向贯通误差，另外还有零点误差椭圆法，上述两种方法都属于严密估算方法。可利用控制网通用平差程序（可考虑基本条件）在微机上进行，能适合各种网形，使用简便，具有普遍推广意义。1113.2隧道贯通误差预计1按求平差未知数函数的精度的方法估算横向贯通误差如图13-1所示，GJ、GC分别表示由进出口点通过联系角和边长SJG、SCG计算的贯通点。在计算地面控制网测量误差对横向贯通误差的影响时，应将βJ、βC、SJG、SCG视为不含误差的量。由图可知横向贯通误差即贯通面上两点GJ、GC的横坐标差△YG的中误差。J、C、A、B、G分别表示进、出口点、向点和贯通点。2007-5-9图13-1隧道贯通误差预计图12(132)2213.2隧道贯通误差预计因此应首先列出计算△YG的公式，然后对△YG全微分，可得权函数式：d(YG)=aJAXJGdxJ+(1+bJAXJG)dyJaJAXJGdxAbJAXJGdyAaCBXCGdxC(1+bCBXCG)dyc+aCBXCGdxB+bCBXCGdyB其中aJA=YJA/SJA，bJA=XJA/SJA因此，只要能计算出进出口点及其定向点的协方差阵（可由通用平差程序求得），即可按广义误差传播律计算出的方差。2007-5-91313.2隧道贯通误差预计由（13-2）式不难看出，影响值与贯通点G的位置有关（G应位于进出口点之间的中部），且与定向点的位置和精度也有关。若进出口分别有m、n个定向点，则有m×n个影响值。测量设计时，可计算出最小影响值所对应的定向点组。由洞外向洞内作进洞测量时，应优先考虑这一组定向点作联系方向点，并以其它定向点检核。14TT13.2隧道贯通误差预计进一步还可将影响值的权函数式表示为观测值的线性函数，即d(YG)=DRdlR+DRdlS(133)式中：dlR、dlS—分别为方向、边长观测值的微分向量；DR、DS—为相应的系数向量；由上式可研究每一观测值误差对横向贯通精度的影响，这对网的优化设计具有意义。1513.2隧道贯通误差预计2零点误差椭圆法若将βJ、βC、SJG和SCG视为不含误差的虚拟观测值，并将GJ、GC作为控制网的点纳入一起计算，在通用平差程序中，可计算GJ、GC、两点的相对误差椭圆，该椭圆长半轴在贯通面上的投影即为影响值，即：mq=E2cos2=F2sin2(134)式中：—以椭圆长半轴为起始方向时Y轴的方位角：=900(090)或=2700(090)上面公式中，E、F、0为零点相对误差椭圆的元素。用该法所计算的影响值综合了所有的测量误差，其影响值是唯一的，其值不同于坐标差权函数法的任一结果，相当于用所有的定向点进行多点定向进洞。2007-5-91613.2隧道贯通误差预计用上述两种方法计算影响值时，需要给出网的近拟坐标、观测方案以及观测精度等值，用通用平差程序计算坐标未知数向量的协因数阵，乘以先验单位权方差得协方差矩阵。地面网施测之后，也可以按上述方法用验后单位权方差计算实测网的影响值。1713.2.2导线测量误差引起的横向贯通误差13.2.2.1地面导线测量误差引起的横向贯通误差如图13-2所示，为测定曲线隧道两个洞口点A和F的相对位置，沿着隧道延伸的方向，在地面上布设了一条支导线，引起隧道横向贯通误差的地面导线测量误差包括，导线测角误差mβ、导线量边误差ml和洞口两端起始边方位角误差。2007-5-9图13-2地面贯通导线误差预计图18222mR+l2xm012m0222y22l219x02R01、R13.2.2导线测量误差引起的横向贯通误差则由于地面导线测量误差而引起的横向贯通误差可以表示为：mq上=±my+myl+my=±ml22d+R01+R02（135）my、myl、my—测角、量边和洞口两端起始边方位角误差所引起的横向贯通误差；m—地面导线的测角中误差，以秒计；ml—导线边长的相对中误差；R2—各导线点至贯通面的垂直距离的平方和；dy—各导线边在贯通面上投影长度平方的总和；m01、m—洞口两端起始边方位角误差；2007-5-902—洞口两端点至贯通面的垂直距离；22=±+2213.2.2导线测量误差引起的横向贯通误差13.2.2.2洞内导线测量误差引起的横向贯通误差mq下=±my下+myl下m下Rx2下ml下l2dy下（136）式中，各符号的含义同上。2007-5-9202213.2.2导线测量误差引起的横向贯通误差13.2.2.3导线测量误差引起的横向贯通误差由(13-5)式和(13-6)式可得：mq=mq上+mq下（137）上式即为导线测量误差对横向贯通误差的影响值的近似公式。因为它是按支导线推导的，而实际工作中，总是要布设为环形或网形，通过平差，测角测边精度都会产生增益，故按上式进行横向贯通误差估算将偏于安全。2007-5-92122mn13.2.2导线测量误差引起的横向贯通误差13.2.2.3导线测量误差引起的横向贯通误差对于等边直伸的地下导线来说，导线的测角误差引起横向误差，而量边误差与横向误差无关。因地下导线一般为支导线，由测角引起的横向贯通误差可表示为：mq下=n2s2mn+1.53（138）式中：q以米为单位，s为导线边长(单位为米)，为导线的边数。2007-5-92213.2.3GPS网对贯通误差影响的估算方法由GPS网的测量误差所引起隧道贯通误差，可以根据进、出口点及其定向点的坐标值及其协方差矩阵，由贯通点的设计坐标、贯通面的方位角等信息，编写一段专门计算贯通误差影响值的程序，在微机上进行。2313.2.3GPS网对贯通误差影响的估算方法图13-3GPS网贯通误差影响图如图13-3所示，J、C为进出口点（不一定在中线上），A、B为定向点（可能有多个），G为贯通点，在不考虑边长SJG、SCG和连结角和的误差的情况下，由进、出口推算出贯通点的坐标差XG、YG的权函数式（见13-2式）2007-5-9241TqΔxy13.2.3GPS网对贯通误差影响的估算方法设未知数函数的线性化权函数式为：dF(X)=fTdX,dG(X)=gTdX（139）则由协因数传播律可得权函数的权倒数（协因数）和互协因数，即：=qF=fQxxf,PF1PFG=fTQxxgXG（1310）YGqΔxqΔy因此，由（13-2）式，可计算出数、以及它们的互协因数、的协因，乘以GPS网的验后单位权方差，即可得到贯通点坐标差的方差和协方差，由它们可以计算贯通点的零点相对误差椭圆，该椭25L13.2.4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：mh=±m（1311）式中：L—洞内外高程线路总长（以km计）；mh—每公里高差中数的偶然中误差，对于四等水准，m=±5mm/km，对于三等水准，m=±3mm/km。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。2007-5-92613.3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。2713.3.1地下工程地面控制测量地下工程