工程测量学.ppt

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1、2019年10月23日星期三,第1页，共96页,2019年10月23日星期三,隧道工程测量 Tunnel Engineering Surveying,2019年10月23日星期三,第2页，共96页,2019年10月23日星期三,一.概述,二.地面控制测量,三.进洞关系计算和进洞测量,四.竖井联系测量,五.洞内控制测量,六.隧道开挖中的测量工作,七.贯通误差的测定与调整,2019年10月23日星期三,第3页，共96页,2019年10月23日星期三,一、概述,1. 隧道工程测量综述,隧道可分为超长隧道、长隧道和短隧道。对于直线隧道，其长度在3000m以上的属超长隧道；长度在10003000m的属长

2、隧道；长度在5001000m的属中长隧道；长度在500m以下的属短隧道。对于同等级的曲线隧道，其长度界限为直线形隧道的一半。,开挖顺着中线不断地向洞内延伸，衬砌和洞内建筑物（避车洞、排水沟、电缆槽等）的施工紧跟其后，不等贯通，隧道内的大部分建筑物已经建成；,特点：,2019年10月23日星期三,第4页，共96页,2019年10月23日星期三,2. 隧道工程测量的任务,勘测设计阶段是提供选址地形图和地质填图所需的测绘资料，以及定测时将隧道线路测设在地面上，即在洞门前后标定线路中线控制桩及洞身顶部地面上的中线桩；,施工阶段是保证隧道相向开挖时，能按规定的精度正确贯通，并使建筑物的位置符合规定，不侵

3、入建筑限界，以确保运营安全。,2019年10月23日星期三,第5页，共96页,2019年10月23日星期三,3. 隧道工程测量的内容及作用,洞外平面控制测量；,洞外高程控制测量；,洞内平面控制测量；,洞内高程控制测量；,进洞测量；,洞内中线测设；,贯通误差调整；,竣工测量。,2019年10月23日星期三,第6页，共96页,2019年10月23日星期三,3. 隧道工程测量的内容及,（1）在地下标定出地下工程建筑物的设计中心线和高程，为开挖、衬砌和施工指定方向和位置；,（2）保证在两个相向开挖面的掘进中，施工中线在平面和高程上按设计的要求正确贯通，保证开挖不超过规定的界线，保证所有建筑物在贯通前能

4、正确地修建；,（3）保证各种设备的正确安装；,（4）为设计和管理部门提供竣工测量资料等。,作用,2019年10月23日星期三,第7页，共96页,2019年10月23日星期三,4. 隧道贯通误差的测量要求,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，其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），其允许值一般为20cm （与隧道长度有关） 。在垂直于中线方向的投影长度称为横向贯通误差（简称横向误差），其允许值一般为10cm（与隧道长度有关）。在高程方向的投影长度称为高程贯

5、通误差（简称高程误差），其允许值一般为5cm。,2019年10月23日星期三,第8页，共96页,2019年10月23日星期三,横向贯通误差,高程贯通误差,纵向贯通误差,2019年10月23日星期三,第9页，共96页,2019年10月23日星期三,影响贯通误差的主要因素及其分解,由于洞外控制测量、洞内外联系测量、洞内控制测量和洞内中线放样等项误差的共同影响。,一般将洞外平面控制测量的误差做为影响隧道横向贯通误差的一个独立的因素，将两相向开挖的洞内导线测量的误差各为一个独立的因素，按照等影响原则确定相应的横向贯通误差。,洞外（内）平面控制测量的误差所引起的横向贯通误差的允许值：,适用于无竖（斜）井

6、情况,2019年10月23日星期三,第10页，共96页,2019年10月23日星期三,高程控制测量中，洞内、洞外高程测量的误差对高程贯通误差的影响，按相等原则分配。,洞外（内）高程测量的误差对高程贯通误差的允许值：,对于纵向贯通精度而言，它主要影响隧道中线的长度，只要求满足定测中线的精度，即：,2019年10月23日星期三,第11页，共96页,2019年10月23日星期三,无竖井公路铁路隧道控制测量的误差对于贯通误差所容许的影响值,2019年10月23日星期三,第12页，共96页,2019年10月23日星期三,横向误差17.3毫米高程误差4.6毫米,大瑶山隧道(14.3公里),隧道工程举例,2

7、019年10月23日星期三,第13页，共96页,2019年10月23日星期三,西康铁路 秦岭特长隧道(18.4公里),纵向误差125毫米横向误差12毫米高程误差1毫米,2019年10月23日星期三,第14页，共96页,2019年10月23日星期三,二、地面控制测量,对于直线隧道，洞外平面控制测量的目的主要是获取两端洞口较为精确的点的平面位置和引测进洞的方向；,对于曲线隧道，洞外平面控制测量除具有与直线隧道相同的目的外，还在于间接求算隧道所在曲线的转向角及两端洞口控制桩与交点的相对位置，进而按设计选配的圆曲线半径和缓和曲线长重新确定隧道中线的位置。,2019年10月23日星期三,第15页，共96

8、页,2019年10月23日星期三,直线隧道长度大于1000m，曲线隧道长度大于 500 m，均应根据横向贯通精度要求进行隧道平面控制测量设计。,两相邻开挖洞口（包括横洞口、斜井口）高程路线长度大于5000m，应根据高程贯通精度要求进行隧道高程控制测量设计。,2019年10月23日星期三,第16页，共96页,2019年10月23日星期三,1. 中线法（现场标定法）,中线法一般只能用于短于1000 m的直线隧道和短于500 m的曲线隧道的洞外平面控制。,建立洞外平面控制的常用的方法有：中线法、精密导线法、三角网和GPS网等。,先将洞内线路中线点的平面位置测设于地面，经检核确认该段中线与两端相邻线路

9、中线能够正确衔接后，方可以此作为依据，进行引测进洞和洞内中线测设。,2019年10月23日星期三,第17页，共96页,2019年10月23日星期三,假设A、D两点为隧道中线在洞口处的已知点，由于不能通视，因此要在中间定出B、C两点，作为向洞内引线的依据。标定时可按设计图纸求得AD的概略方位角，然后在现场按此方向用经纬仪以正倒镜延长直线的方法，将中线从A点延长至B、C，最后至D 点，并量出DD 间的距离。另外用视距法求得AB 、B C 、C D 等距离，这时CC 的距离可用下式求得：,2019年10月23日星期三,第18页，共96页,2019年10月23日星期三,中线法简单、直观，但其精度不太高

10、。,然后将经纬仪移到C，后视D点，再用上法延长直线至A，若直线不通过A点，再按上述方法计算在B点的偏距，并将仪器移至B点，依此方法，直至使B、C二点都在AD直线上为止。最后将B、C二点在地面上标定出来，作为向洞内引线的依据。,若用于曲线隧道，则应首先精确标出两切线方向，然后精确测出转向角，将切线长度正确地标定在地表上，以切线上的控制点为准，将中线引入洞内。,2019年10月23日星期三,第19页，共96页,2019年10月23日星期三,隧道洞外导线测量和经纬仪（或全站仪）导线测量方法相同，但它的精度要求较高，所以测角和量边均用较精密的仪器和方法。,2. 导线法,（1）在直线隧道的设计中，导线应

11、尽量沿两洞口连接的方向布设成直伸形式。因为直伸导线量距误差只影响隧道的长度，而对垂直隧道中线方向上的误差（即横向贯通误差）影响较小。,2019年10月23日星期三,第20页，共96页,2019年10月23日星期三,（2）在曲线隧道的测设当中，当两端洞口附近为曲线而中部为直线的隧道，两端曲线部分可沿切线、中部直线部分沿中线布设导线点；当整个隧道在曲线上时，宜沿两端洞口的连接线布设导线点，如受地形地物限制，可离开中线或两洞口的连接线，但不宜过远。同时，曲线隧道的导线还应尽可能通过洞外曲线起讫点或交点桩，这样曲线交点上的总偏角可根据导线测量结果计算出来，据此可将定测时所测得的总偏角加以修正，用得到的

12、较精确的数值来求算曲线元素。,2019年10月23日星期三,第21页，共96页,2019年10月23日星期三,（3）导线应尽可能通过隧道两端洞口及各辅助坑道口的进洞点，使这些点能够成为主导线点。有时受条件限制，辅助坑道口的进洞点不便直接联系为主导线点时，可作为支导线点，这些点至少与两个主导线点联测，以保证其精度。,（4）在确定控制点位置时，应使每个洞口不少于三个能彼此联系的平面控制点（包括洞口插点及附近的三角点，导线点）。以便于进洞时进行检测，或某个点在施工过程中被破坏后，便于补测。,2019年10月23日星期三,第22页，共96页,2019年10月23日星期三,（5）为了提高导线测量的精度和

13、增加校核条件，一般都将导线布置成多边形闭合环。当量距困难时，可布设成主副导线闭合环，副导线只测其转角而不量距。,（6）导线最短边长不应小于300m，相邻边长的比不应小于1：3，并尽量采用长边，以减小测角误差对导线横向误差的影响。,2019年10月23日星期三,第23页，共96页,2019年10月23日星期三,（7）隧道洞外导线应组成闭合环，一个控制网中导线环的个数应不少于 4 个；每个环的边数约为 46 条，应尽可能将两端洞口控制点纳入到导线网中。,2019年10月23日星期三,第24页，共96页,2019年10月23日星期三,（8）导线的水平角一般采用方向观测法。当水平角只有两个方向时，可按

14、总测回数的奇数和偶数测回分别观测导线的左角和右角，以检查测角错误；将它们换算为左角或右角后再取平均值，可以提高测角精度。,导线测量的优点是选点布网较自由、灵活，对地形的适应性较好。目前光电测距导线已成为隧道平面控制测量的主要布设方案之一。光电测距导线的布设形式可分为附合导线、闭合导线和直伸形多环导线锁等。,2019年10月23日星期三,第25页，共96页,2019年10月23日星期三,三角测量的方向控制较中线法、导线法都高，如果仅从横向贯通精度的观点考虑，则它是最理想的隧道平面控制方法。三角测量除采用测角三角锁外，还可采用边角网和三边网。但从精度、工作量、经济方面综合考虑，以测角三角锁为好。,

15、3. 三角网法,2019年10月23日星期三,第26页，共96页,2019年10月23日星期三,直线隧道以单锁为主，三角点尽量靠近中线，条件许可时，可利用隧道中线三角锁的一边，以减少测量误差对横向贯通的影响。曲线隧道三角锁以沿两端洞口的连线方向布设较为有利，较短的曲线隧道可布设成中点多边形锁，长的曲线隧道，包括一部分直线，一部分曲线的隧道可布设成任意三角形锁。,2019年10月23日星期三,第27页，共96页,2019年10月23日星期三,三角锁一般布置一条高精度的基线作为起始边，并在三角锁另一端增设一条基线，以资检核；其余仅只有测角工作，按正弦定理推算边长，经过平差计算可求得三角点和隧道轴线

16、上控制点的坐标，然后以控制点为依据，确定进洞方向。,三角锁的优点是图形结构坚强、布点少、推进快、精度高、多余观测数据较多，可以检查判断明显的粗差和系统误差，其缺点是测角工作量大，受图形传距角大小的限制以及基线丈量困难。但目前由于高精度光电测距仪的应用，测量边长已不再困难。所测边长根据其测距精度的高低，可作为基线使用也可当作观测值参与平差。,2019年10月23日星期三,第28页，共96页,2019年10月23日星期三,4. GPS法,用全球定位系统GPS技术作洞外平面控制时，只需在洞口处布点，对于直线隧道，洞口点选在线路中线上，另外再布设两个定向点，除要求洞口点与定向点通视外，定向点之间不要求

17、通视。对于曲线隧道还应把曲线的主要控制点如始终点，切线上的两点包括在网中。,2019年10月23日星期三,第29页，共96页,2019年10月23日星期三,由上述各种方法比较看出：,中线法控制形式最简单，但由于方向控制较差，故只能用于较短的隧道；,三角测量方法其方向控制精度最高，故在光电测距仪未广泛使用之前，是隧道控制最主要的形式，但其三角点的布设要受到地形、地物条件的限制，而且基线边要求精度高，使丈量工作复杂，平差计算工作量大；,精密导线法，在光电测距仪的测程和精度不断提高的今天，由于布设简单、灵活、地形适应性强、外业工作量少，因而逐渐成为隧道控制的主要形式，只要在水平角测量时适当增加测回数

18、，就可弥补其方向控制不如三角测量之不足。而且光电测距导线和光电测距三角高程可以同时进行，大大减少了野外工作量，是隧道控制中应首选的方案之一；,GPS测量是目前的一种全新控制形式，随着其价格的降低、精度的提高、理论的完善，已经成为使用最广、效率最高的控制形式。,2019年10月23日星期三,第30页，共96页,2019年10月23日星期三,5. 高程控制测量,洞外高程控制测量的任务，是按照设计精度施测两相向开挖洞口附近水准点之间的高差，以便将整个隧道的统一高程系统引入洞内，同时在每一个洞口应埋设不少于2个水准点，两水准点之间的高差，以安置一次水准仪即可测出为宜。保证按规定精度在高程方面正确贯通，

19、并使隧道工程在高程方面按要求的精度正确修建。,隧道高程控制测量一般采用水淮测量，对于四、五等高程控制测量也可采用光电测距三角高程测量。,2019年10月23日星期三,第31页，共96页,2019年10月23日星期三,等级水准测量的路线长度和仪器精度,2019年10月23日星期三,第32页，共96页,2019年10月23日星期三,洞外控制测量完成以后，应把各洞口的线路中线控制桩和洞外控制网联系起来。由于控制网和线路中线两者的坐标系不一致，应首先把洞外控制点和中线控制桩的坐标纳入同一坐标系统内，故必须先进行坐标变换计算，得到控制点在变换后的新坐标。一般在直线段以线路中线作为x轴；曲线上则以一条切线

20、方向作为x轴。用线路中线点和控制点的坐标，反算两点的距离和方位角，即洞内中线点与洞口控制点之间的距离、角度和高差关系。测设洞内中线点位。从而确定进洞测量的数据。把中线引入洞内。,三、进洞关系计算和进洞测量,2019年10月23日星期三,第33页，共96页,2019年10月23日星期三,进洞关系计算和进洞测量的主要任务：,1.确定隧道中线与平面控制网之间的关系；,2.在洞内控制建立之前，指导中线进洞和洞内开挖。,2019年10月23日星期三,第34页，共96页,2019年10月23日星期三,1.直线隧道,如图所示一直线隧道的平面控制网，A、B、C、G为地面平面控制点。其中A、G为洞口点，Sl、S

21、2为设计进洞的第1、第2个中线里程桩。为了求得A点洞口中线掘进方向及掘进后测设中线里程桩S1，用坐标反算公式求测设数据。,2019年10月23日星期三,第35页，共96页,2019年10月23日星期三,2.曲线隧道,对于中间具有曲线的隧道，如图所示，隧道中线转折点C的坐标和曲线半径已由设计文件给定。因此，可以计算两端进洞中线的方向和里程并测设。当掘进达到曲线段的里程以后，按照测设线路工程平面圆曲线的方法测设曲线上的里程桩。,2019年10月23日星期三,第36页，共96页,2019年10月23日星期三,3.洞口掘进方向的标定,隧道贯通的横向误差主要由隧道中线方向的测设精度所决定，而进洞时的初始

22、方向尤为重要。因此，在隧道洞口，要埋设若干个固定点，将中线方向标定于地面，作为开始掘进及以后与洞内控制点联测的依据。如图所示，用1、2、3、4标定掘进方向，再在洞口与中线垂直方向上埋设5、6、7、8桩。所有固定点应埋设在不易受施工影响的地方，并测定A点至2、3、6、7点的平距。这样，在施工过程中可以随时检查或恢复洞口控制点的位置和进洞中线的方向及里程。,2019年10月23日星期三,第37页，共96页,2019年10月23日星期三,四、竖井联系测量,在隧道施工中，除了通过开挖平洞、斜井以增加工作面外，还可以采用开挖竖井的方法来增加工作面，将整个隧道分成若干段，实行分段开挖。例如，城市地下铁道的

23、建造，每个地下站是一个大型竖井，在站与站之间用盾构进行开挖，并不受城市地面密集的建筑物和繁忙交通的影响。,2019年10月23日星期三,第38页，共96页,为了保证地下各方向的开挖面能准确贯通，必须将地面控制网中的点位坐标、方位和高程，通过竖井传递到地下，这项工作称为竖井联系测量。,2019年10月23日星期三,按照地下控制网与地面上联系的形式不同，定向的方法可分为下列四种： 经过一个竖井定向（简称一井定向） 经过两个竖井定向（简称两井定向） 经过横洞（平坑）与斜井的定向； 应用陀螺经纬仪定向。,2019年10月23日星期三,第39页，共96页,a,b,c,a,b ,c,(1)投点及连接测量方

24、法,联系三角形,1、一井定向,目的：将地面点坐标和方位角传递到地下,2019年10月23日星期三,第40页，共96页,2019年10月23日星期三,(2)联系三角形平差计算,b,c,a,边长检核要求在地面及地下所量得的吊锤线间距离之差不超过2mm,（1）计算两吊垂线间距。,（2）检核计算。,（3）计算三角形边长改正数。,（4）计算角和角。,（5）求闭合差并进行改正。,2019年10月23日星期三,第41页，共96页,2019年10月23日星期三,(3)地下导线起始边方位角推算,2019年10月23日星期三,第42页，共96页,2019年10月23日星期三,P,Q,2、 竖井高程传递,（1） 钢

25、尺传递法,l,2019年10月23日星期三,第43页，共96页,2019年10月23日星期三,检核,注意事项,钢尺改正,2019年10月23日星期三,第44页，共96页,2019年10月23日星期三,（2）测距仪传递法,2019年10月23日星期三,第45页，共96页,2019年10月23日星期三,五、地下控制测量,地下控制测量的目的是以必要的精度，按照与洞外控制测量统一的坐标系统，建立洞内的控制系统。根据洞内导线的坐标，就可以放样出隧道中线及其衬砌的位置，指出隧道开挖的方向，保证相向开挖的隧道在所要求的精度范围内贯通。,2019年10月23日星期三,第46页，共96页,2019年10月23日

26、星期三,1、地下平面控制测量,网形：导线(网）,地下导线系随着隧道的开挖而向前延伸，因此只能敷设支导线（导线环），而不是将整条导线一次测完。支导线只能用重复观测的方法进行检核。,应考虑的因素：,1）在贯通面处，其横向误差不能超过容许的数值,2）地下导线点的位置应保持在隧道内能以必要的精度进行放样,2019年10月23日星期三,第47页，共96页,2019年10月23日星期三,采用分级布设的方法,解决办法：,（1）施工导线：在开挖面向前推进时，用以进行放样而指导开挖的导线测量，一部分施工导线的点，将作为以后敷设基本导线的点，施工导线的边长为2550m。,（2）基本导线：当掘进100300m时，为

27、了检查坑道的方向是否与设计的相符合，就要选择一部分施工导线点敷设边长较长（50100m）精度要求较高的基本导线。,（3）主要导线：当坑道掘进大于1km时，基本导线将不能保证应有的贯通精度，这时就要选择一部分基本导线点来敷设主要导线，主要导线的边长为150800m。为了改善通视条件，主要导线点应尽量靠近隧道中线。,2019年10月23日星期三,第48页，共96页,2019年10月23日星期三,2019年10月23日星期三,第49页，共96页,2019年10月23日星期三,2、地下高程控制测量,洞内应每隔200500m设立一对高程控制点（永久）。高程控制点可选在导线点上，也可根据情况埋设在隧道的顶

28、板、底板或边墙上。,洞内高程控制测量的目的，是由洞口高程控制点向洞内传递高程，即测定洞内各高程控制点的高程，做为洞内施工高程放样的依据。,三等及以上的高程控制测量应采用水准测量，四、五等可采用水准测量或光电测距三角高程测量;,2019年10月23日星期三,第50页，共96页,2019年10月23日星期三,有时由于隧道内施工场地狭小，工种繁多，干扰较大，所以洞内水准测量还常使用倒尺法传递高程。,对于倒尺的读数应作为负值计算,2019年10月23日星期三,第51页，共96页,2019年10月23日星期三,六、隧道开挖中的测量工作,在隧道施工过程中，测量人员的主要任务是随时确定开挖的方向，此外还要定

29、期检查工程进度（进尺）及计算完成的土石方数量。在隧道竣工后，还要进行竣工测量。,2019年10月23日星期三,第52页，共96页,2019年10月23日星期三,1、中线放样,2、坡度放样,3、断面放样,在隧道施工过程中，根据洞内布设的地下导线点，经坐标推算而确定隧道中心线方向上有关点位，以准确知道较长隧道的开挖方向和便于日常施工放样。,为了控制隧道坡度和高程的正确性，通常在隧道岩壁上每隔510m，标出比洞底地坪高出1m的抄平线，又称腰线，腰线与洞底地坪的设计高程线是平行的。施工人员根据腰线可以很快地放样出坡度和各部位高程。,2019年10月23日星期三,第53页，共96页,2019年10月23

30、日星期三,1、中线放样,（1）中线法,2019年10月23日星期三,第54页，共96页,2019年10月23日星期三,A,D,P4,P5,L,操作过程,标定中线上的点A;,标定开挖方向(定D点),中线点向前延伸,180o,2019年10月23日星期三,第55页，共96页,2019年10月23日星期三,2、断面放样,每次开挖钻爆前，应在开挖断面上根据中线和规定高程标出预计开挖断面轮廓线。,有两次测量:第一次是衬砌前,确定没有欠挖.第二次是衬砌后,确定是否符合设计.,一般给出数据：断面宽度b、拱高d、拱弧半径R，以及设计起拱线的高度L等数据。,首先在中线桩上安置经纬仪，在工作面上标定出断面中垂线。

31、然后测定中垂线下部的地面高程，令其与该处洞底设计高程之差为h，则拱弧圆心在中垂线上离地面的高度应为L+d-R- h，用钢尺从地面顺中垂线向上竖直量取这一长度，定出拱弧圆心的位置。然后根据拱弧半径R，起拱线高度L及断面宽度b，便可按几何作图的方法将断面形状在工作面上画出来。,2019年10月23日星期三,第56页，共96页,2019年10月23日星期三,半径法放样断面,B,B,l,b1,b2,l,支距法测量断面原理,2019年10月23日星期三,第57页，共96页,现代的断面测量方法是采用极坐标测量设备和计算机的集成断面测量系统来实现，如下图：,极坐标系统架设于隧道内，通过激光测距光束对隧道内壁

32、进行测距，并同时测角，得到隧道轮廓一个点的三维极坐标值，即一个空间距离值，水平角度值 ，竖直角度值。如果极坐标系统中本身有数据处理程序，便可在极坐标系统内部将这个极坐标数据进行处理，直接得到三维迪卡尔坐标数据。,2019年10月23日星期三,第58页，共96页,2019年10月23日星期三,3、隧道竣工测量,隧道竣工后，为检查主要结构及线路位置是否符合设计要求，应进行竣工测量。该项工作包括，隧道净空断面测量、永久中线点及水准点的测设。,2019年10月23日星期三,第59页，共96页,2019年10月23日星期三,隧道净空断面测量时，应在直线地段每50m、曲线地段每20m或需要加测断面处测绘隧

33、道的实际净空。,测量时均以线路中线为准，包括测量隧道的拱顶高程、起拱线宽度等。近年来许多施工单位已开始应用便携式断面仪进行隧道的净空断面测量，该种仪器可进行自动扫描、跟踪和测量，并可立即显示面积、高度和宽度等测量结果，测量速度快、精度高。,2019年10月23日星期三,第60页，共96页,2019年10月23日星期三,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。,七、贯通误差的测定与调整,2019年10月23日星期三,第61页，共96页,2019年10月23日星期三,（1）高程贯通误差,1、分类,使用一般水准测量方法即可满足,2019年10月23日星期三,第62页，共96页,2019年10月23日星期三,（2）纵向贯通误差,一般对隧道施工和隧道质量不产生影响，一般不超过320mm,2019年10月23日星期三,第63页，共96页,2019年10月23日星期三,（3）横向贯通误差,直接影响隧道的施工质量，严重者甚至会导致隧道报废,