隧道工程隧道測量知識詳解(一套.ppt

1 CH 14隧道測量 介紹 第1節(jié)概述第2節(jié)洞外控制測量第3節(jié)隧道進洞測量第4節(jié)隧道洞內(nèi)控制測量第6節(jié)隧道施工測量第7節(jié)隧道峻工測量 2 要點 1 隧道測量的目的 測量工作內(nèi)容 2 隧道貫通測量概念3 隧道貫通誤差 橫向貫通誤差4 洞外控制各方法比較5 洞內(nèi)導線控制的特點 P282 6 隧道貫通精度預計實質(zhì) 橫向貫通中誤差的估算 3 14 1概述14 1 1隧道測量的內(nèi)容和作用隧道工程施工主要測量工作 1 洞外控制測量 在洞外建立平面和高程控制網(wǎng) 測定各洞口控制點的位置 2 洞內(nèi)外聯(lián)系測量 將洞外的坐標 方向和高程傳遞到隧道內(nèi) 建立洞內(nèi) 洞外統(tǒng)一坐標系統(tǒng) 3 洞內(nèi)控制測量 包括隧道內(nèi)的平面和高程控制 4 隧道施工測量 根據(jù)隧道設計要求進行施工放樣 指導開挖 5 竣工測量 測定竣工后實際中線位置和斷面凈空及各建 構筑物的位置尺寸 4 鐵路隧道測量的主要目的 保證隧道相向開挖時 能按規(guī)定的精度正確貫通 并使各建筑物的位置和尺寸符合設計規(guī)定 不使侵入建筑限界 以確保運營安全 5 14 1 2隧道貫通測量的含義在長大隧道施工中 為加快進度 常采用多種措施增加施工工作面 如圖14 1所示 圖14 1增加施工工作面的方法 a 豎井 b 平洞 c 斜井 1 貫通測量 兩個相鄰的掘進面 按設計要求在預定地點彼此接通 稱為隧道貫通 為此而進行的相關測量工作稱為 貫通測量涉及大部分的隧道測量內(nèi)容 6 2 貫通誤差 由于各項測量工作中都存在誤差 導致相向開挖中具有相同貫通里程的中線點在空間不相重合 此兩點在空間的連接誤差 即閉合差 稱為 縱向貫通誤差 該線段在線路中線方向的分量稱為 橫向貫通誤差 在水平面內(nèi)垂直于中線方向的分量稱為 高程貫通誤差 在高程方向的分量稱為 縱向誤差 對貫通在距離上有影響 高程誤差 對坡度有影響 橫向誤差 對隧道質(zhì)量有影響 不同的隧道工程對貫通誤差的容許值有各自具體的規(guī)定 如何保證隧道在貫通時 兩相向開挖的施工中線的閉合差 包括橫向 縱向及高程方向 不超過規(guī)定的限值 成為隧道測量的關鍵問題 7 14 2洞外控制測量隧道的設計位置 一般是以定測的精度初步標定在地面上 在施工之前必須進行施工復測 檢查并確認兩端洞口的中線控制樁 也稱為洞口投點 的位置 它是進行洞內(nèi)施工測量的主要依據(jù) 一 控制點的設置 測規(guī) 規(guī)定1 在每個洞口應測設不少于2 3個平面控制點 包括洞口投點及其相聯(lián)系的三角點或?qū)Ь€點 2個高程控制點 2 直線隧道上 兩端洞口應各確定一個中線控制樁作為隧道的中線 在曲線隧道上 應在兩端洞口的切線上各確定兩個間距不小于200m的控制樁 以精確曲線元素 3 洞口傳算方位角的邊長不宜小于300m 4 避免使用高標 8 5 同時進行高程控制測量 聯(lián)測各洞口水準點的高程 以便引測進洞 保證隧道在高程方向準確貫通 6 主網(wǎng)與插網(wǎng) 點 作整體平差 二 隧道洞外控制測量的目的是 在各開挖洞口之間建立一精密的控制網(wǎng) 以便據(jù)此精確地確定各開挖洞口的掘進方向和開挖高程 使之正確相向開挖 保證準確貫通 三 洞外控制測量 主要包括平面控制測量和高程控制測量兩部分 9 14 2 1洞外平面控制測量洞外平面控制測量應結合隧道長度 平面形狀 線路通過地區(qū)的地形和環(huán)境等條件進行 可采用的方法有 中線法 精密導線法 三角鎖網(wǎng)法 GPS測量 1 中線法 平面控制簡單 直觀 精度不高 適用于長度較短或貫通精度要求不高的隧道 方法 就是將隧道中線的平面位置 測設在地表上 經(jīng)反復核對改正誤差后 把洞口控制點確定下來 施工時就以這些控制點為準 將中線引入洞內(nèi) 在直線隧道 于地表沿勘測設計階段標定的隧道中線 用經(jīng)緯儀正倒鏡延伸直線法測設中線 在曲線隧道 則按鐵路曲線測設方法 首先精確標出兩端切線方向 然后測出轉(zhuǎn)向角 將切線長度正確地標定在地表上 再把線路中線測設到地面上 經(jīng)反復校核 與兩端線路正確銜接后 再以切線上的控制點 或曲線主點及轉(zhuǎn)點等 為準 將中線引入洞內(nèi) 10 2 精密導線法在隧道進 出口之間 沿勘測設計階段所標定的中線或離開中線一定距離布設導線 采用精密測量的方法測定各導線點和隧道兩端控制點的點位 在進行導線點的布設時 除應滿足6 2節(jié)的要求外 導線點還應根據(jù)隧道長度和輔助坑道的數(shù)量及位置分布情況布設 導線宜采用長邊 且盡量以直伸形式布設 這樣可以減少轉(zhuǎn)折角的個數(shù) 以減弱邊長誤差和測角誤差對隧道橫向貫通誤差的影響 為了增加檢核條件和提高測角精度評定的可行性 導線應組成多邊形導線閉合環(huán)或具有多個閉合環(huán)的閉合導線網(wǎng) 測規(guī) 規(guī)定 在一個控制網(wǎng)中 導線環(huán)的個數(shù)不宜少于4個 每個環(huán)的邊數(shù)宜為4 6條 導線可以是獨立的 也可以與國家高等級控制點相連 導線水平角的觀測 宜采用方向觀測法 測回數(shù)應符合表14 1的規(guī)定 11 12 當水平角為兩方向時 則以總測回數(shù)的奇數(shù)測回和偶數(shù)測回分別觀測導線的左角和右角 左 右角分別取中數(shù)后應按式 14 1 計算圓周角閉合差 其值應符合表14 2的規(guī)定 再將它們統(tǒng)一換算為左角或右角后取平均值作為最后結果 這樣可以提高測角精度 左角 中 右角 中 360 14 1 表14 2測站圓周角閉合差的限差 13 導線環(huán)角度閉合差 應不大于按下式計算的限差 式中m 設計所需的測角中誤差 n 導線環(huán)內(nèi)角的個數(shù) 導線的實際測角中誤差應按下式計算 并應符合控制測量設計等級的精度要求 式中f 每一導線環(huán)的角度閉合差 n 每一導線環(huán)內(nèi)角的個數(shù) N 導線環(huán)的總個數(shù) 14 導線環(huán) 網(wǎng) 的平差計算 一般采用條件平差或間接平差 當導線精度要求不高時 亦可采用近似平差 用導線法進行平面控制比較靈活 方便 對地形的適應性強 我國長達14 3km的大瑤山隧道和8km多的軍都山隧道 采用光電測距儀導線網(wǎng)作控制測量 均取得了很好的效果 3 三角鎖網(wǎng)法將測角三角鎖布置在隧道進出口之間 以一條高精度的基線作為起始邊 并在三角鎖的另一端增設一條基線 以增加檢核和平差的條件 三角測量的方向控制較中線法 導線法都高 如果僅從提高橫向貫通精度的觀點考慮 它是最理想的隧道平面控制方法 15 由于光電測距儀和全站儀的普遍應用 三角測量除采用測角三角鎖外 還可采用邊角網(wǎng)和三邊網(wǎng)作為隧道洞外控制 但從其精度 工作量等方面綜合考慮 以測角單三角形鎖最為常用 經(jīng)過近似或嚴密平差計算可求得各三角點和隧道軸線上控制點的坐標 然后以這些控制點為依據(jù) 可計算各開挖口的進洞方向 4 GPS測量GPS是全球定位系統(tǒng)的簡稱 它的原理和使用方法 可參閱本書第16章有關內(nèi)容 隧道洞外控制測量可利用GPS相對定位技術 采用靜態(tài)測量方式進行 測量時僅需在各開挖洞口附近測定幾個控制點的坐標 工作量小 精度高 而且可以全天候觀測 因此是大中型隧道洞外控制測量的首選方案 16 14 2 2洞外高程控制測量洞外高程控制測量 是按照設計精度施測各開挖洞口附近水準點之間的高差 以便將整個隧道的統(tǒng)一高程系統(tǒng)引入洞內(nèi) 以保證在高程方向按規(guī)定精度正確貫通 并使隧道各附屬工程按要求的高程精度正確修建 高程控制方法 1 常采用水準測量方法 2 四 五等高程控制亦可采用光電測距三角高程的方法進行 但當山勢陡峻采用水準測量困難時 高程控制路線 應選擇連接各洞口最平坦和最短的線路 以期達到設站少 觀測快 精度高的要求 每一個洞口應埋設不少于2個水準點 以相互檢核 兩水準點的位置 以能安置一次儀器即可聯(lián)測為宜 方便引測并避開施工的干擾 高程控制水準測量的精度 一般參照表14 3的洞外部分即可 17 表14 3各等級水準測量的路線長度及儀器等級的規(guī)定 18 14 3隧道進洞測量隧道進洞測量 隧道洞外和洞內(nèi)的聯(lián)系測量 在隧道開挖之前 必須根據(jù)洞外控制測量的結果 測算洞口控制點的坐標和高程 同時按設計要求計算洞內(nèi)待定點的設計坐標和高程 通過坐標反算 求出洞內(nèi)待定點與洞口控制點 或洞口投點 之間的距離和夾角關系 可按極坐標方法或其它方法測設出進洞的開挖方向 并放樣出洞門內(nèi)的待定點點位 19 14 3 1正常進洞關系的計算和進洞測量洞外控制測量完成之后 應把各洞口的線路中線控制樁和洞外控制網(wǎng)聯(lián)系起來 如若控制網(wǎng)和線路中線兩者的坐標系不一致 應首先把洞外控制點和中線控制樁的坐標納入同一坐標系統(tǒng)內(nèi) 即必須先進行坐標轉(zhuǎn)換 一般在直線隧道以線路中線作為X軸 曲線隧道上以一條切線方向作為X軸 建立施工坐標系 用控制點和隧道內(nèi)待測設的線路中線點的坐標 反算兩點的距離和方位角 從而確定進洞測量的數(shù)據(jù) 把中線引進洞內(nèi) 可按下列方法進行 1 直線隧道進洞 2 曲線隧道進洞 20 1 直線隧道進洞直線隧道進洞計算比較簡單 常采用撥角法 如圖14 2所示 A D為隧道的洞口投點 位于線路中線上 當以AD為坐標縱軸方向時 可根據(jù)洞外控制測量確定的A B和C D點坐標進行坐標反算 分別計算放樣角 1和 2 測設放樣時 儀器分別安置在A點 后視B點 安置在D點 后視C點 相應地撥角 1和 2 就得到隧道口的進洞方向 圖14 2 21 2 曲線隧道進洞曲線隧道每端洞口切線上的兩個投點的坐標在平面控制測量中已計算出 根據(jù)四個投點的坐標可算出兩切線間的偏角 為兩切線方位角之差 值與原來定測時所測得的偏角值可能不相符 應按此時所得 值和設計所采用曲線半徑R和緩和曲線長l0 重新計算曲線要素和各主點的坐標 22 1 曲線進洞測量方法 1 洞口投點移樁法即計算定測時原投點偏離中線 理論中線 的偏移量和移樁夾角 并將它移到正確的中線上 再計算出移樁后該點的隧道施工里程和切線方向 于該點安置儀器 就可按第11章的曲線測設方法 測設洞門位置或洞門內(nèi)的其它中線點 2 洞口控制點與曲線上任一點關系計算法將洞口控制點坐標和整個曲線轉(zhuǎn)換為同一施工坐標系 無論待測設點位于切線 緩和曲線還是圓曲線上 都可根據(jù)其里程計算出施工坐標 在洞口控制點上安置儀器用極坐標法測設洞口待定點 23 14 3 2輔助坑道的進洞測量1 由洞外向洞內(nèi)傳遞方向和坐標如圖14 3所示 當用斜井 橫洞或豎井來增加隧道開挖工作面時 都要布設導線 把洞內(nèi)外控制測量聯(lián)系起來 從而把洞外控制的方向和坐標傳遞給洞內(nèi)導線 構成一個洞內(nèi) 外統(tǒng)一的控制坐標系 保證各施工段正確貫通 這種導線稱為聯(lián)系導線 聯(lián)系導線是一種支導線 其測角誤差和邊長誤差將直接影響洞內(nèi)控制測量并進而影響隧道的貫通精度 故必須進行多次重復精密測定 圖14 3聯(lián)系導線 24 當經(jīng)由豎井傳遞方向和坐標 進行聯(lián)系測量時 由于不能直接布置聯(lián)系導線 過去一直采用聯(lián)系三角形法 此法設備笨重 勞動強度大 效率低 精度差 已逐步被淘汰 現(xiàn)多采用垂準儀光學投點 陀螺經(jīng)緯儀定向的方法 向地下傳遞坐標和方位 若相近鄰的豎井投點能夠通過平洞相互通視 則可大大提高定向精度 此方法在地鐵隧道和其他管線的盾構施工中已廣泛采用 2 由洞外向洞內(nèi)傳遞高程1 經(jīng)由斜井或橫洞傳遞高程 水準測量方法 由于斜井坡度較陡 使觀測視線很短 測站數(shù)增多 加之觀測環(huán)境差 故誤差累積較大 應每隔10站在斜井邊腳設一臨時水準點 以便往返測量時校核 用以減少返工的工作量 近年來采用光電測距三角高程測量的方法 在斜井內(nèi)傳遞高程 大大提高了工作效率 使工作既簡便快捷 又能滿足精度要求 顯示出很大的優(yōu)越性 25 2 經(jīng)由豎井傳遞高程的方法 懸掛鋼尺方法 即在井上懸掛一根帶標準重錘的經(jīng)過檢定的長鋼尺或者鋼絲 井上需有比長器 至井下 并在井上 井下各安置一臺水準儀 同時讀取鋼尺讀數(shù)l1和l2 然后再讀取井上 井下水準點的標尺讀數(shù) 由此求得井下水準點的高程 可參閱第10章內(nèi)容 井下水準點B的高程HB可用式 14 4 計算 HB HA a l1 l2 t十 k b 14 4 式中HA 井上水準點A的高程 a b 井上 井下水準尺讀數(shù) l1 l2 井上 井下鋼尺讀數(shù) L l1 l2 t 鋼尺溫度改正數(shù) t L t均一t0 鋼尺的線膨脹系數(shù) 取1 25 10一5 t均 井上 井下的平均溫度 t0 鋼尺檢定時的溫度 k 鋼尺尺長改正數(shù) 26 光電測距儀傳遞高程如果在井上安裝光電測距儀 裝配一托架 使照準頭向下直接瞄準井底的反光鏡 測出井深Dh 然后在井上 井下分別同時用兩臺水準儀 測定井上水準點A與測距儀照準頭轉(zhuǎn)動中心的高差 a上 b上 井下水準點B與反射鏡轉(zhuǎn)動中心的高差 b下 a下 即可將井上水準點A的高程HA傳遞至井下 求得井下水準點B的高程HB 如圖14 4所示 HB HA a上 b上 Dh b下 a下 14 5 用光電測距儀測井深的方法優(yōu)點 比懸掛鋼尺的傳統(tǒng)方法快捷 精確 大大減輕了勞動強度 提高了工效 圖14 4光電測距儀傳遞高程 尤其是對于50m以上的深井測量 更顯示出它的優(yōu)越性 27 14 4隧道洞內(nèi)控制測量在隧道施工中 隨著開挖的延伸進展 需要不斷給出隧道的掘進方向 為了正確完成施工放樣 防止誤差積累 保證最后的準確貫通 應進行洞內(nèi)控制測量 此項工作是在洞外控制測量和洞 內(nèi)外聯(lián)系測量的基礎上展開的 包括洞內(nèi)平面控制測量和洞內(nèi)高程控制測量 14 4 1洞內(nèi)平面控制測量隧道洞內(nèi)平面控制測量應結合洞內(nèi)施工特點進行 由于場地狹窄 施工干擾大 故洞內(nèi)平面控制常采用 中線法或?qū)Ь€法兩種形式 28 1 中線法 適用于小于500m的曲線隧道和小于1000m的直線隧道 中線法是指采用直接定線法 即以洞外控制測量定測的洞口投點為依據(jù) 向洞內(nèi)直接測設隧道中線點 并不斷延伸作為洞內(nèi)平面控制 這是一種特殊的支導線形式 即把中線控制點作為導線點 直接進行施工放樣 一般以定測精度測設出待定中線點 其距離和角度等放樣數(shù)據(jù)由理論坐標值反算 若將上述測設的中線點 輔以高精度的測角 量距 可以計算出新點實際的精確點位 并和理論坐標相比較 根據(jù)其誤差 再將新點移到正確的中線位置上 這種方法也可以用于較長的隧道 缺點 受施工運輸?shù)母蓴_大 不方便觀測 點位易被破壞 29 2 導線法 洞內(nèi)導線平面控制方法適用于長大隧道 導線法 是指隧道洞內(nèi)平面控制采用布設精密導線進行 導線特點 較中線形式靈活 點位易于選擇 測量工作也較簡單 而且可有多種檢核方法 當組成導線閉合環(huán)時 角度經(jīng)過平差 還可提高點位的橫向精度 施工放樣時的隧道中線點依據(jù)臨近導線點進行測設 中線點的測設精度能滿足局部地段施工要求即可 洞內(nèi)導線與洞外導線相比 具有以下特點 洞內(nèi)導線是隨著隧道的開挖而向前延伸 因此只能敷設支導線或狹長形導線環(huán) 而不可能將貫穿洞內(nèi)的全部導線一次測完 測量工作間歇時間取決于開挖面的進展速度 導線的形狀 直伸或曲折 完全取決于坑道的形狀和施工方法 支導線或狹長形導線環(huán)只能用重復觀測的方法進行檢核 定期進行精確復測 以保證控制測量的精度 洞內(nèi)導線點不宜保存 觀測條件差 標石頂面最好比洞內(nèi)地面低20 30cm 上面加設堅固護蓋 然后填平地面 注意護蓋不要和標石頂點接觸 以免在洞內(nèi)運輸或施工中遭受破壞 30 洞內(nèi)導線可以采用下列幾種形式 1 單導線導線布設靈活 但缺乏檢測條件 測量轉(zhuǎn)折角時最好半數(shù)測回測左角 半數(shù)測回測右角 以加強檢核 施工中應定期檢查各導線點的穩(wěn)定情況 2 導線環(huán)如圖14 5所示 是長大隧道洞內(nèi)控制測量的首選形式 有較好的檢核條件 而且每增設一對新點 如5和5 點 可按兩點坐標反算5 5 的距離 然后與實地丈量的5 5 距離比較 這樣每前進一步均有檢核 如圖14 5 31 3 主 副導線環(huán)如圖14 6所示 圖中雙線為主導線 單線為副導線 主導線既測角又測邊長 副導線只測角不測邊 增加角度的檢核條件 在形成第二閉合環(huán)時 可按虛線形式 以便主導線在3點處能以平差角傳算3 4邊的方位角 主副導線環(huán)可對測量角度進行平差 提高了測角精度 對提高導線端點的橫向點位精度非常有利 圖14 6 此外 還有交叉導線 旁點閉合環(huán)等布線方式 當有平行導坑時 還可利用橫通道形成正洞和導坑聯(lián)系起來的導線閉合環(huán) 重新進行平差計算 可進一步提高導線的精度 32 在洞內(nèi)進行平面控制時應注意 1 每次建立新點 都必須檢測前一個舊點的穩(wěn)定性 確認舊點沒有發(fā)生位移 才能用來發(fā)展新點 2 導線點應布設在避免施工干擾 穩(wěn)固可靠的地段 盡量形成閉合環(huán) 導線邊以接近等長為宜 一般直線地段不短于200m 曲線地段不宜短于70m 3 測角時 必須經(jīng)過通風排煙 使空氣澄清以后 能見度恢復時進行 根據(jù)測量的精度要求確定使用儀器的類型和測回數(shù) 4 洞內(nèi)邊長丈量 用鋼尺丈量時 鋼尺需經(jīng)過檢定 當使用光電測距儀測邊時 應注意洞內(nèi)排煙和漏水地段測距的狀況 準確進行各項改正 33 14 4 2洞內(nèi)高程控制測量洞內(nèi)高程控制測量是將洞外高程控制點的高程通過聯(lián)系測量引測到洞內(nèi) 作為洞內(nèi)高程控制和隧道構筑物施工放樣的基礎 以保證隧道在豎直方向正確貫通 洞內(nèi)水準測量與洞外水準測量的方法基本相同 但有以下特點 1 隧道貫通之前 洞內(nèi)水準路線屬于水準支線 故需往返多次觀測進行檢核 2 洞內(nèi)三等及以上的高程測量應采用水準測量 進行往返觀測 四 五等也可采用光電測距三角高程測量的方法 應進行對向觀測 3 洞內(nèi)應每隔200 500m設立一對高程控制點以便檢核 為了施工便利 應在導坑內(nèi)拱部邊墻至少每100m設立一個臨時水準點 34 4 洞內(nèi)高程點必須定期復測 測設新的水準點前 注意檢查前一水準點的穩(wěn)定性 以免產(chǎn)生錯誤 5 因洞內(nèi)施工干擾大 常使用掛尺傳遞高程 如圖14 7所示 高差的計算公式仍用hAB a b 但對于零端在頂上的掛尺 如圖中B點掛尺 讀數(shù)應作為負值計算 記錄時必須在掛尺讀數(shù)前冠以負號 B點的高程 HB HA a b HA a b 14 6 圖14 7掛尺高程傳遞 35 當隧道貫通之后 求出相向兩支水準路線的高程貫通誤差 在允許誤差以內(nèi)時可在未襯砌地段進行調(diào)整 所有開挖 襯砌工程應以調(diào)整后的高程指導施工 洞內(nèi)高程控制測量的作業(yè)要求 觀測限差和精度評定方法符合洞外高程測量的有關規(guī)定 洞內(nèi)測量結果的精度必須符合洞內(nèi)高程測量設計要求或規(guī)定等級的精度 參見表14 3 36 14 5隧道貫通精度的預計 略 14 5 1貫通精度預計的意義為了加快隧道的施工進度 增加了開挖面 這就必需嚴格保證其施工質(zhì)量 特別是各開挖面的貫通質(zhì)量 由于隧道施工是在洞內(nèi) 外控