隧道工程测量

1/28隧道测量第一节隧道施工测量的内容及其作用隧道施工测量一般是包括在地面上建立平面的与高程的控制网。随着施工的进展，将地面上的坐标、方向和高程传递到地下去，在地下进行平面的与高程的控制测量，再根据地下控制点进行施工放样，指导开挖、衬砌施工。进行这些测量工作的目的，就是要在地下标定出工程的设计中心线与高程，为开挖、衬砌指定出方向、位置；保证在两个相向开挖面的掘进中，施工中线及高程能够正确贯通，符合设计要求；保证开挖不超过规定界限；因为铁路隧道是整个铁路的一部分，所以当线路定测以后，隧道两端洞口的位置就确定下来，而用标桩固定在地面上。对于直线隧道来说，如图9－2，A、D为隧道两端洞口点，它们的位置是利用线路上的直线点ZD1、ZD2、及ZD3、用经纬仪以正倒镜法放样出来的。直线隧道的方向，就根据A、D两点来确定。因此，在建立地面控制网时，必须将它们作为控制点，如果因为地形的限制，不能将它们做为首级控制网的点子，也要用插入点的方法测定它们的位置。这样就可以根据控制点的坐标，求得在两端洞口处进洞拨角的数值，用以在施工时指导进洞的方向。对于曲线隧道而言，控制网的作用一方面要保证隧道本身的正确贯通，另一方面还要控制前后两条切线的方向，使它们不产生移动而影响前后直线线路的位置如图9-3。这时除了将洞口的两点A、D包括在控制网中以外，还应该将两切线上的点子ZD1、ZY、ZD3及ZD4也包括在2/28控制网内，这样就可以精确地测定两条切线的交角，从而精确地确定曲线元素，以保证在地下开挖中放样数据的正确性。隧道中线上各点的坐标都是根据地面控制网的坐标系统计算的。以后根据施工的进展，将地面上的坐标系统通过洞口、竖井或斜井传递到地下，在地下坑道中再用导线测量方法建立地下控制系统。隧道中线上各点的位置以及地下其它各种建筑物的位置，都根据地下控制点以及由它们的坐标所算得的放样数据进行放样。应用这种放样方法时，由于布设了地面和地下控制网可以控制误差的积累，从而保证贯通精度。第2节隧道贯通测量的要求1贯通误差的定义1)贯通误差在隧道施工中，由于地面控制测量、联系测量、地下控制测量以及细部放样的误差，使得两个相向开挖的工作面的施工中线，不能理想地衔接，而产生错开现象，即所谓贯通误差。2)纵向贯通误差贯通误差在线路中线方向的投影长度称为纵向贯通误差（简称纵向误差），3)高程贯通误差贯通误差在高程方向的投影长度称为高程贯通误差（简称高程误差）。4)横向贯通误差3/28贯通误差在垂直于中线方向的投影长度成为横向贯通误差（简称横向误差），在实际上最重要的是横向误差。因为横向误差如果超过了一定的范围，就会引起隧道中线几何形状的改变，甚至洞内建筑物侵入规定限界而使已衬砌部分拆除重建，给工程造成损失。2各项贯通误差的允许数值，《铁路测量技术规则》对于贯通误差规定为：1)横向误差规定当两向开挖的洞口间长度为4km及4km以下时为100mm（即中误差为±50mm）在4～8km时为150mm（即中误差为±75mm），在8km以上时应根据现有的测量水平另行酌定。2)高程误差规定对于高程误差规定不超过±50mm（即中误差为±25mm）。3)纵向误差的限值对于纵向误差的限值，一般都不作明确规定，如果按照定测中线的精度要求，则应小于隧道长度的1/2000。3贯通误差的分配系将地面控制测量的误差做为影响隧道贯通误差的一个独立因素，而将地下两相向开挖的坑道中导线测量的误差各为一个独立因素。设隧道总的横向贯通误差的允许值为⊿，则得地面控制测量的误差所引起的横向贯通中误差的允许值为：设用地下导线测得的工作面处控制点坐标，相对于支导线在洞口之起始点有横向误差m1，用地面控制网联测两洞口两点坐标的相对横向误差为m2。则有：2=212m+22m=3mq58.03qm对于通过竖井开挖的隧道，考虑到两个竖井定向的误差，上式为：2=212m+22m+223m=5mq4/2845.05qm设隧道的总的高度贯通中误差的允许值为⊿h，则地面水准测量的误差所引起的高程贯通中误差的允许值为hhhm71.02第二节地面控制测量的误差对于隧道贯通误差的影响隧道施工控制网的主要作用是保证地下相向开挖工作面能正确贯通。它们的精度要求，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。一导线测量隧道贯通误差的简明估算1．由于导线测角误差而引起的横向贯通误差为：2∑′′′′±=xββyRρmm（9-9）式中mβ为导线测角的中误差，以秒计算；2∑xR为测角的各导线点至贯通面的垂直距离的平方和；2．由于导线量边误差而引起的横向贯通误差为：2∑±=yllydlmm（9-11）式中lml为导线边长的相对中误差。2∑yd为各导线边在贯通面上投影长度平方的总和。即得导线测量的总误差在贯通面上所引起的横向中误差为：5/2822222∑)(+∑)′′′′(±=+±=ylxβzyβyydlmRρmmmm（9-13）二控制网的隧道贯通误差严密算法1先列出地下导线起始点横坐标误差函数式和地下导线起始方位角误差函数式，计算它们对横向贯通的综合影响，作为总的误差函数式。2按最小二乘法，顾及具体网形，计算该函数式误差的大小。第三节地面控制网的布设方案及布测精度洞口投点隧道洞外的控制测量，应在施工开始前布测。平面控制网可以结合隧道的长度和平面形状以及路线通过地区的地形情况，采用三角测量、三边测量、边角测量、导线测量、GPS测量。目前更多的是采用导线测量和GPS测量，三角测量、三边测量、边角测量己较少采用。无论用何种方法施测的隧道控制网，在隧道的每一个入口处，都要布测一个控制点，该点也可以是加密点(如图9-2中的A点和D点)。这些点称之为洞口投点，为了使洞内导线有起始方向和检测校核方向，在每个洞口还应至少再布测两个控制点，并且与洞口投点相互通视，与洞口投点的高差不宜过大。一、隧道三角测量布设精度：隧道三角网观测的精度要求，在《铁路测量技术规则》中列出了三角测量的等级，如表9-10所示。该表也可以作为实际工作的参考。表9-10三角测量等使用的隧道测角中误差边长相对中误差6/28级长度（km）（）基线起始边最弱边二6～8±1.01/100,0001/50,0001/30,000三4～6±1.81/100,0001/50,0001/25,000四2～4±2.51/100,0001/50,0001/25,0001.5～2±2.51/50,0001/25,0001/20,000五1.5±4.01/50,0001/25,0001/10,000二、地面导线测量精度对采用地面导线测量作为隧道独立的施工控制网。我国的《铁路测量技术规范》中作了表9-12中的规定，以为参考。表9-12导线测量等级适用的隧道长度（km）测角中误差（s）量边的相对中误差直线隧道曲线隧道二6-8±1.01/5,0001/10,000三4-6±1.81/5,0001/10,000四2-4±2.51/5,0001/10,000五2±4.01/5,0001/10,000三、地面GPS测量隧道控制网布测精度及要求1控制网应由洞口子网和子网间的联系网组成(图9-2、9-3)。洞口子网布设的控制点不得少于三个，其中至少一个点应为洞口投点。2布测洞口控制网时，洞口投点应布测在己定测的中线上，并要考虑洞内引测的实际需要。洞口子网每个控制点至少应与子网的其他两个控制点通视。3子网可布测成大地四边形，三角形的形状。子网之间的联系网最好布置成大地四边形的形状。7/284洞外与洞内测量连接边的边长应大于300米，连接边的两端控制点宜布置在洞口高程基本等高的地方，连接边的高度角不应大于5度，且与线路中线大至平行为最隹位置。5为了和原测控制网比较，复测网应具有原网相同基准的平差结果。6设计隧道工程坐标系的原则(1)坐标投影面为隧道施工平均高程面(2)高斯投影中央子午线应过测区的重心(3)各个隧道以隧道主轴线为X轴的施工坐标系，可由高斯平面直角坐标系平移和旋转一个角度得到，旋转角即是隧道主轴线的方位角，平移量要根据隧道的具体位置确定。7GPS隧道平面控制网的布网精度(1)参考下表常规方法的布网精度三角测量等级使用的隧道长度（km）测角中误差（）边长相对中误差基线起始边最弱边二6～8±1.01/100,0001/50,0001/30,000三4～6±1.81/100,0001/50,0001/25,000四2～4±2.51/100,0001/50,0001/25,0001.5～2±2.51/50,0001/25,0001/20,000五1.5±4.01/50,0001/25,0001/10,0008/28(2)GPS隧道平面控制网布测精度根据上表可规定：8公里以内的隧道可用C级网，长大隧道要用B级网布测，相应的施测要求应严格遵守国家GPS测量规范。8与国家网联测如果测区附近有国家点，GPS网应与国家点联测，选测区内一个点将连测结果转换为WGS84三维坐标作为GPS基线网平差的起算点，如果连测国家点很困难，可以选择测区内的稳定点连续观测12小时，取其单点定位WGS84三维坐标的均值作为基线网平差起算数据。用七参数法将WGS84坐标转换成北京54坐标，然后用高斯投影求得各控制点概略北京54平面坐标。但应建立隧道独立施工坐标系，控制隧道施工。四、地面水准测量作为高程控制的地面水准测量，其等级的确定，不单决定于隧道的长度，更重要的是取决于隧道地段的地形情况，亦即由它所决定的两洞口间水准线路的长度。表9-13为《铁路测量技术规范》对各级水准测量的规定。表9-13等级两洞口间水准线路长度（km）水准仪型号标尺类型二36S0.5S1线条式因瓦水准尺三13-36S1线条式因瓦水准尺S3区格式因瓦水准尺四5-13S3区格式因瓦水准尺进行地面水准测量时，利用线路定测水准点的高程作为起始高程，9/28沿水准路线在每个洞口至少应埋设两个水准点，水准路线应形成闭合环，或者敷设两条互相独立的水准线路，由已知的水准点从一端洞口测至另一端的洞口。第四节进洞关系数据的推算所谓进洞关系数据的推算，就是根据地面控制测量中所得的洞口投点的坐标和它与其他控制点连线的方向，来推算指导隧道开挖方向的起始数据（亦即进洞的数据）。推算方法随隧道的形状不同而不同，现在将直线进洞和曲线进洞的情况分别叙述如下。一、直线进洞1.正洞：如图9-12，如果两洞口投点A和D都在隧道中线上，则这时可按坐标反算的公式计算出两个坐标方位角aAN与aAD，它们的差数β，就是我们所要求的进洞关系数据。在A点后视N点，拨角β，即得进洞的中线方向。2.横洞：如图9-14，C为横洞的洞口投点，横洞中线与隧道中线的交点为O，交角为γ（其值系根据地形与地质情况由设计人员决定）。这时，β角以及横洞OC10/28的距离S就是我们所要求的进洞关系数据。由图中可以看出，只要求得O点的坐标，即可算得β与S数值。设O点的坐标为XO与YO，可得COCOCOAOAOAOxxyytgaxxyytga－－－－==式中aAO=aADaCO=aAO-γ;y=AADDADxxyarctga－－将这些已知数带入上面两个式子中进行联立解算，即可求得xO与yO，从而算得进洞关系数β角和距离S的值。二、曲线进洞曲线进洞的关系较为复杂。圆曲线进洞与缓和曲线进洞都需要计算曲线的资料以及曲线上各主点在隧道施工坐标系统内的坐标。1．曲线元素的计算：如图9-15，ZD1～ZD4为在切线上的隧道施工控制网的控制点，其坐标均已精确测出，这时根据这四个控制点的坐标即可算出两切线间的偏角a，此a的数值与原来定测时所测得的偏角值一般是不符合11/28的。为了保证隧道正确贯通，曲线元素应根据所算得的偏角值a重新计算。计算的位数也要增加。圆曲线半径R与缓和曲线长度lO为设计人员所定，一般都不予改变，而只是按新的偏角a值,用下列公式计算切线总长T与曲线总长L；002)2(180=2)+(+=lβaRπLatgPRmT＋－（8-10）上式中为偏俑(线路转向角)Я为园曲线半径L0为缓和曲