地下工程测量.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,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,隧道施工及竣工测量,13.1 地下工程的种类、特点及对测量的要求,种类,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；,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；,地下采矿工程,施工方式,明挖法（浅层）,矿山法（硬质）,盾构法（软质）,地下工程测量的特点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（常把点位设置在坑道顶部），并且有时边长较短，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，而洞室之间又互不相通，因此不便组织校核，出现错误往往不能及时发现。并且随着坑道的进展，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。,(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。,地下工程测量主要内容,建立地面控制网,地面和地下的联系测量,地下坑道中的控制测量,施工测量,竣工测量,安全监测,地下工程对测量的要求,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。,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。,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。,在地下工程中应尽量采用先进的测量设备。,13.2 隧道贯通误差预计,贯通误差,定义：施工中心线在贯通面处产生错开的现象称之。,分类：,纵向：中心线方向的贯通误差，仅影响线路的里程，要求较低。,横向：垂直于中心线方向的贯通误差，直接影响工程的质量，需重点考虑。,高程：铅垂线方向的贯通误差，利用水准测量方法，一般较容易满足要求。,贯通误差的分配,把测量误差分成：地面控制测量、两条地下导线，3个独立的影响因素来考虑。则每个因素的影响为：,当采用竖井开挖时，应同时考虑竖井的传递误差，并将其各作为一个独立的影响因素，此时每个因素的影响为：,高程方面，由于地面和地下的观测条件各有优缺点，因此，将洞内和洞外各作一个独立因素来考虑，即：,对于多个贯通面的情况，为保证线路中心线几何形状的完整性，测量精度应从严考虑，即只考虑有一个贯通面，总的误差不变，则每个贯通面的洞内测量允许误差影响为：,以上方法经实践证明，行之有效，但偏于安全。,严密方法,利用计算机模拟平差的方法，将地面控制网和地下导线进行联合精度估计，具体步骤如下：,确定地面和地下控制网的基本网形（注意将贯通面处的M点处理成M1和M2两个点）。,量取观测量的概略值。,确定观测精度和先验权。,控制网联合平差，求取M1、M2两个点的协方差子矩阵。,求取M1、M2两点的相对误差椭圆元素（E、F、）。,求横向贯通误差影响：,如果上述要求不满足，则应进一步进行控制网的优化处理。,13.3 地面和地下控制测量,地面控制的一般要求,控制网类型,由工程规模、地形、地质条件、测量仪器等因素决定。一般可采用三角网、边角网、导线网、网等。,平面网布设,收集资料：地形图、线路平面图等。,现场踏勘：查看测量控制点和线路控制桩。,布网选点：注意控制网的网形；控制点的稳定性、安全性和使用的方便性；洞口一般应有34个控制点；洞口点应通视良好，便于保存。,控制网精度一般根据规范的规定和工程的实际需要进行确定。,导线网具有灵活、方便、计算简单、受地形及通视条件影响小等优点。一般用主副导线法，主导线沿隧洞中心线布设成直伸形，副导线用于提高精度和可靠性。,高程控制一般用水准测量方法，并布设成环形，每个洞口至少有2个水准点，以便检核，埋设时，应注意点位的稳定性。,单一导线对横向贯通误差的影响,单一导线宜布设成紧靠中心线的直伸导线。,单一导线缺少必要的检核条件。,主副导线法作隧洞地面控制,利用两条导线构成两个闭合环，以主导线控制精度，副导线起到检核作用，利用闭合环作角度平差，以提高横向贯通精度。,采用条件平差方法，对两个闭合环的角度作平差。,主副导线有检核作用，且能提高横向贯通精度。,宜布设成两个环形，结点在贯通面附近。,单一环形的主副导线，提高精度少，一般不宜采用。,三角锁作地面控制对横向贯通误差的影响,利用计算机模拟方法，直接分析两个洞口点A、N的相对误差在贯通面上的投影即可。,地下控制测量,地下平面控制测量和地下高程控制测量。,地下平面控制测量由于受地下工程条件的限制，使得测量方法较为单一，只能敷设导线。,地下高程控制测量方法有水准测量、三角高程测量。,地下导线,地下导线测量的作用是以必要的精度，建立地下的控制系统。依据该控制系统可以放样出隧道中线及其衬砌的位置，从而指示隧道的掘进方向。,地下导线的起始点通常位于平峒口、斜井口以及竖井的井底车场，而这些点的坐标是由地面控制测量或联系测量测定的。,地下导线等级的确定，取决于地下工程的类型、范围及精度要求等。对此各部门均有不同的规定。,地下导线测量的特点,由于受坑道的限制，其形状通常形成延伸状。,地下导线不能一次布设完成，而是随着坑道的开挖而逐渐向前延伸。随着坑道的开挖，先敷设边长较短、精度较低的施工导线，指示坑道的掘进。而后敷设高等级导线对低等级导线进行检查校正。,导线点有时设于坑道顶板，需采用点下对中。,地下工作环境较差对导线测量干扰较大。,地下导线的布设,地下导线的类型有附合导线、闭合导线、方向附合导线、支导线及导线网等。,当坑道开始掘进时，首先敷设低等级导线给出坑道的中线，指示坑道掘进。,当巷道掘进300500m时，再敷设高等级导线检查已敷设的低等级导线是否正确，所以应使其起始边(点)和最终边(点)与低等级导线边(点)相重合。,当巷道继续向前掘进时，以高等级导线所测设的最终边为基础，向前敷设低等级导线和给中线。,施工导线：指导开挖，方便放样，精度较低，边长3050米，由基本导线控制。,基本导线：保证贯通，精度较高，边长100200米，当隧洞不超过2时，可作首级控制。,主要导线：保证贯通，边长150800米，由合适的基本导线点组成，应尽量靠近中心线布设。,导线的检核,往、返观测支导线，以检核错误。,增加新点时，对老点的变动检查可只查转折角，如无明显变动，则取两次成果的平均值为结果，若有变动，则取后一次的成果为结果。,控制导线遇横洞时，应及时组成闭合环，并重新测量，严密平差，计算新的坐标。,当隧洞全部贯通后，为确定隧洞的中心位置，测定贯通误差，应将各条支导线连接起来，精确求得各控制点的最终坐标值。,布设地下导线时应注意以下事项：,1、地下导线应尽量沿线路中线（或边线）布设，边长要接近等边，尽量避免长短边相接。导线点应尽量布设在施工干扰小、通视良好且稳固的安全地段，两点间视线与坑道帮的距离应大于02m。对于大断面的长隧道，可布设成多边形闭合导线或主副导线环。有平行导坑时，平行导坑的单导线应与正洞导线联测，以资检核。,2、在进行导线延伸测量时，应对以前的导线点作检核测量，在直线地段，只作角度检测，在曲线地段，还要同时作边长检核测量。,3、由于地下导线边长较短，因此进行角度观测时，应尽可能减小仪器对中和目标对中误差的影响。当导线边长小于15m时，在测回间仪器和目标应重新对中。应注意提高照准精度。,4、边长测量中，采用钢尺悬空丈量时，除加入尺长、温度改正外，还应加入垂曲改正。当采用电磁波测距仪时，应经常拭净镜头及反射棱镜上的水雾。当坑道内水汽或粉尘浓度较大时，应停止测距，避免造成测距精度下降。洞内有瓦斯时，应采用防爆测距仪。为保证测距精度，边长很短时应采用钢尺量边。在矿山的重要贯通工程中，还应对导线边长加入归化到投影水准面和投影到高斯-克吕格投影面的改正。,5、凡是构成闭合图形的导线网(环)，都应进行平差计算，以便求出导线点的新坐标值。,6、对于螺旋形隧道，不能形成长边导线，每次向前引伸时，都应从洞外复测。复测精度应一致，在证明导线点无明显位移时，取点位的均值。,导线的测角精度,洞内支导线测量所产生的横向贯通误差为0.58M，在直伸隧洞中，横向误差主要由测角误差引起，因此，可以认为角度观测所引起的横向贯通误差不应大于0.58M，假设支导线为等边直伸，则：,若导线形状曲折，则可采用下式：,由基本导线边长推算主要导线边长,主要导线边长一般不需要观测，而是采用基本导线的边长进行投影求得。,基本导线基本上等边直伸时，主要导线边长的精度与基本导线丈量的精度相同。,对于曲线形隧洞，不能用上面的公式进行精度估算。,洞内高程测量,地下高程控制测量的任务是，测定地下坑道中各高程点的高程，建立一个与地面统一的地下高程控制系统，作为地下工程在竖直面内施工放样的依据。解决各种地下工程在竖直面内的几何问题。,地下高程控制测量可分为：地下水准测量和地下三角高程测量。,特点,1、高程测量线路一般与地下导线测量的线路相同。在坑道贯通之前，高程测量线路均为支线，因此需要往返观测及多次观测进行检核。,2、通常利用地下导线点作为高程点。高程点可埋设在顶板、底板或边墙上。,3、在施工过程中，为满足施工放样的需要，一般是低等级高程测量给出坑道在竖直面内的掘进方向，然后再进行高等级的高程测量进行检测。每组永久高程点应设置三个，永久高程点的间距一般以300500m为宜。,施测,地下水准测量的作业方法同于地面水准测量，测量时应使前后视距离相等。由于坑道内通视条件差，仪器到水准尺的距离不宜大于50m。,为检查地下水准标志的稳定性，应定期地根据地面水准点进行重复的水准测量，将所测得的高差成果进行分析比较。根据分析的结果，若水准标志无变动，则取所有高差的平均值作为高差成果；若发现水准标志变动，则应取最近一次的测量成果。,对于水准支线，要进行往返观测，当往返测不符值在容许限差之内，则取高差平均值作为其最终值。,13.4 联系测量,设置竖井的主要目的是增加工作面。它需要将地面的坐标、高程和方位传递到地下，以方便开挖施工。,在地下工程中，可使用平峒、斜井及竖井进行地下的开挖工作。,为保证地下工程沿设计方向掘进，应通过平峒、斜井及竖井将地面的平面坐标系统及高程系统传递到地下。该项工作称为联系测量。,通过平峒、斜井的联系测量可由导线测量、水准测量、三角高程测量完成。,竖井联系测量工作分为平面联系测量和高程联系测量。平面联系测量又分为几何定向（包括一井定向和两井定向）和陀螺定向。,一井定向示意图,一井定向测量工作可分为投点和连接测量工作。,投点通常采用单重稳定投点或单重摆动投点。单重稳定投点只有当井筒中风流、滴水很小，垂球线基本稳定时才能应用。而单重摆动投点则让钢丝自由摆动，用专门的设备观测其摆动，从而求出它的静止位置并加以固定。,由地面向定向水平上投点时，由于井筒内气流、滴水等影响，致使井下垂球线偏离地面上的位置，该线量偏差e称为投点误差，由此而引起的垂球线连线的方向误差，叫做投向误差。,连接测量时，常采用连接三角形法。,联系三角形定位原理,C与C称为井上下的连接点，A、B点为两垂球线点,从而在井上下形成了以为公用边的三角形和。,连接测量,在连接点C和C点处用测回法测量角度、。当边小于20 m时，在C点进行水平角观测，其仪器必须对中三次，每次对中应将照准部(或基座)位置变换1200。,丈量井上下连接三角形的六个边长a、b、c、a、b、c。量边应用检验过的钢尺并施加比长时的拉力，并测记温度。在垂线稳定情况下，应用钢尺的不同起点丈量6次,读数估读到0.1。同一边各次观测值的互差不得大于2，取平均值作为丈量的结果。,在垂球摆动情况下，应将钢尺沿所量三角形的各边方向固定，用摆动观测的方法至少连续读取六个读数，确定钢丝在钢尺上的稳定位置，以求得边长。每边均须用上述方法丈量两次，互差不得大于3，取其平均值作为丈量结果。井上、下量得两垂球线距离的互差，一般应不超过2。,误差分析,分析上述误差公式可得出如下结论：,（1）连接三角形最有利的形状为锐角不大于20的延伸三角形。,（2）计算角（或）的误差，随角的误差增大而增大，随比值（和）的减小而减小。故在连接测量时，应尽量使连接点C和C靠近最近的垂球线，并精确地测量角度。,（3）两垂球线间的距离c越大，则计算角的误差越小。,（4）在延伸三角形中，量边误差对定向精度的影响较小。,联系三角形布设的要求,在选择井上下连接点C和C时应满足下列要求：,1、和CD的长度应尽量大于20 m；,2、应使C和C点处的锐角及小于20，构成最有利的延伸三角形；,3、点C和C应适当地靠近最近的垂球线，使和b之值尽量小一些。,根据分析可得，联系三角形应布设成直伸形状联系三角形定位中的误差,联系三角形观测误差,钢丝传递点位的误差（风力作用、单摆作用）,目标偏心对定位的影响,两井定向,在两个竖井中各悬挂一根垂球线A和B。,由地面控制点布设导线测定两垂球线A、B的坐标。,在地下用导线将A、B两垂球线连接起来。,布设连接导线时，应尽量使其长度最短并尽可能沿两垂球线连线方向延伸。,两井定向示意图,竖井高程的传递,基本原理,改正,尺段的温度改正,尺段的拉力改正,13.5 陀螺经纬仪及定向测量,概述,陀螺经纬仪是一种将陀螺仪和经纬仪结合在一起的仪器。,它利用陀螺仪本身的物理特性及地球自转的影响，实现自动寻找真北方向从而测定地面和地下工程中任意测站的大地方位角。,在地理南北纬度不大于75的范围内，它可以不受时间和环境等条件限制，实现快速定向。,发展情况,陀螺经纬仪的发展，大体可分为20世纪50年代前的液浮式陀螺仪、20世纪60年代的下架式陀螺经纬仪、20世纪70年代以来的上架式陀螺经纬仪和自动化陀螺经纬仪三个时期。,上架式陀螺经纬仪以其体积小、重量轻、便于操作和携带以及具有中等定向精度的特点，而被广泛应用于地下工程测量中。,瑞士厂生产的1型、匈牙利厂生产的11型、徐州光学仪器厂生产的5型等陀螺经纬仪均属于这一类型的仪器。,20世纪70年代后期，为了提高陀螺定向的精度和可靠性，减轻观测者的劳动强度，又研制了自动化陀螺经纬仪。,其特点是，定向过程采用积分法并以数字显示方位角，在观测过程中由于温升、震动和纬度产生的误差均可自动加入改正，全部操作过程由电子计算程序予以控制。,20世纪80年代，国外已研制成功数字化陀螺全站仪，如日本索佳厂生产的1型。,随着电子技术的发展，尤其是激光陀螺的出现，陀螺定向测量技术会有更大的发展。,陀螺仪的基本特性,凡是绕其质量对称轴高速旋转的物体均称为陀螺。因此陀螺仪的主要部件是一个匀质的转子，它的质量集中在边缘上，可绕其质量对称轴高速旋转。其转速达到每分钟20000转左右。,在没有任何外力作用，并具有三个自由度的陀螺仪称为自由陀螺仪。自由陀螺仪在高速旋转时具有两个重要特性：,1、陀螺仪自转轴在无外力矩作用时，始终指向其初始恒定方向。该特性称为定轴性。,2、陀螺仪自转轴受到外力矩作用时，将按一定的规律产生进动。该特性称为进动性。,目前上架（或下架）悬挂式陀螺仪是采用一根金属悬挂带将陀螺房悬挂起来，使陀螺仪的重心在Z轴上且位于自转轴下面，从而限制了绕Y轴旋转的自由度，使得X轴总是趋于水平状态。此时它具有两个完全的自由度和一个不完全的自由度（即陀螺可绕自转轴高速旋转，又能绕悬挂轴转动，绕Y轴的旋转受到限制）。,仪器构造,陀螺仪,精度4，纬度75，工作温度-4050，22000转/分钟。,经纬仪,T1、T2、T16等,电源逆变器,用于供电、仪器操作、电源的转换,陀螺仪,陀螺马达,陀螺房,陀螺房悬挂柱,悬带,导流丝,光学投射系统,目镜分划板,限幅制动机构,限幅手轮,桥型支架,压环,定向测量操作,安置经纬仪,安装陀螺仪,接通电源,启动马达,释放灵敏部,观测（逆转点法、中天法等）,按安装的反程序收仪器,陀螺仪定向原理,由于地球自转垂直分量的影响，子午面在不断地变换位置，造成陀螺仪轴与子午面之间产生相对运动。,地球自转角速度分量示意图,陀螺轴对子午面的相对运动示意图,悬带零位与仪器常数,悬带零位：悬带的无扭平衡位置。可利用公式进行改正。其测定方法为取多个逆转点的苏勒平均值。,仪器常数：观测所得的陀螺方位角与大地方位角之间的差值，每个地点不一样，需测定后再改正。关系式见教材。,陀螺仪定向示意图,逆转点法,安置仪器,接通电源,测前零位测定,观测,测后零位测定,收仪器,数据计算处理（苏勒平均值）,中天法定向,要求：与北方向偏差不超过10，有分划板。,基本思想：利用马表记录陀螺每次中天的时间，并记录陀螺的摆幅，利用公式计算出真北方向的水平度盘读数。,观测步骤：概略定向，读出水平度盘读数；启动陀螺仪；观测，测中天时间和摆幅；计算（见教材）,C的测定：在一条已知大地方位角的固定边上，以中天法分别观测两次，第1次偏东，第2次偏西。公式见教材。,（1）灵敏部指标线经过分划板零刻线时启动专用秒表，读取中天时间t1；,（2）灵敏部指标线到达逆转点时，在分划板上读取摆幅读数；,（3）灵敏部指标线返回零刻线时读取秒表读数t24）灵敏部指标线到达另一逆转点时读摆幅读数；,（5）灵敏部指标线返回零刻线时再次读取秒表上的中天时间t3；,摆动半周期：,时间差：,摆幅值：,近似北方偏离平衡位置的改正数为：,摆动平衡位置在水平度盘上的读数(陀螺北方向值)应为：,陀螺经纬仪的近似定向,两逆转点法,四分之一周期法,陀螺经纬仪定向误差来源,仪器误差,观测误差,外界条件影响（温度、风力、湿度等）,仪器误差,零位漂移,受导流丝的温度影响及动力作用。零位的变化并不是随时间呈线性变化。零位的变化可用均方连差的方法进行检验。,仪器常数变化,有多种影响因素，一般采用测前、测后与高精度边比测的方法进行解决。,灵敏部摆动平衡位置的变化,观测误差,主要指读数误差，可利用误差传播定律推导。,自动化陀螺经纬仪,自动化陀螺经纬仪在无需人工任何干预的情况下可快速高精度地实现定向观测。如2000陀螺经纬仪，在不足10分钟的时间内可达到优于3.2的定向精度。,自动化陀螺经纬仪一般由自动陀螺仪和电子经纬仪组成。陀螺经纬仪按灵敏部的结构方式，可分为悬挂式、液体漂浮式及混合式，近代陀螺经纬仪大都采用悬挂式。,对于悬挂式的陀螺经纬仪按结构可分为两类：一类是陀螺仪架在经纬仪之上，陀螺仪作为上架附件，不定向时可将其卸下，经纬仪可单独使用；另一类是将陀螺仪安装在经纬仪的下部，两者紧密相连，经纬仪不能单独使用。,自动化陀螺仪一般通过数据电缆与电子经纬仪联接，并在计算机程序的控制下自动完成定向的整个操作过程。,2000陀螺经纬仪的自动定向主要是依靠步进测量（概略寻北）和自动积分测量系统实现。步进测量的目的是减小陀螺在静态摆动下的摆幅，使摆动的信号处于光电检测元件的感光区内，同时在陀螺启动状态下也使摆动平衡位置最终接近于北。,2000自动陀螺经纬仪定向的主要操作步骤如下：,1、将陀螺经纬仪安置到三脚架上，对中、整平；,2、连接自动陀螺仪与电子经纬仪之间的数据通信电缆；,3、经纬仪开机，陀螺仪开机；,4、启动测量程序进行定向测量：,（1）将仪器从任意初始位置依靠步进测量自动实现概 略寻北；,（2）测定测前悬带零位；,（3）仪器预定向，使概略指北方向小于0.05g（242）；,（4）按积分测量精确定向，并显示照准部零位与真北方向的偏角；,5、经纬仪照准测线目标，盘左、盘右观测两测回，将结果输入到陀螺仪中，即可计算并显示测线方位角。,13.6 隧道施工与竣工测量,主要任务,在隧道施工过程中，确定平面及竖直面内的掘进方向,定期检查工程进度(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,洞口联系数的计算,直线进洞 控制点在中心线上,参照图4-9，利用A、B、P三个点的坐标，计算、的方位角，从而进一步计算进洞联系数角。控制点不在中心线上。首先根据转点与A点的坐标，以及隧道中心线的设计方位角反算归化元素，将A归化到中心线上（A），再由A定向指导开挖。,横洞进洞 利用洞口点A、B、C三个点的坐标和设计角，可求得O点的坐标，从而求得联系数和S。,曲线进洞,中线法标定方向,洞内开挖方向的标定,隧道竖直面掘进方向的标定,在隧道开挖过程中，除标定隧道在水平面内的掘进方向外，还应定出坡度，以保证隧道在竖直面内 贯通精度。通常采用腰线法。隧道腰线是用来指示隧道在竖直面内掘进方向的一条基准线，通常标设在隧道帮上，离开隧道底板一定距离（该距离可随意确定）。,贯通误差的测定和调整,测定：,1、直接标定法,2、解析法（测定贯通面上同一点坐标）,调整：,1、直线调整,2、曲线调整,地下洞室测量,激光经纬仪交会法,免棱镜全站仪测绘法,断面仪测绘法,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。,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、轨顶水平宽度、铺底或抑拱高程。,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，收到了很好的效果。,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。,隧道净空断面测量,隧道竣工测量后，应对隧道的永久性中线点用混凝土包埋金属标志。,在采用地下导线测量的隧道内，可利用原有中线点或根据调整后的线路中心点埋设。,直线上的永久性中线点，每200m至250m埋设一个，曲线上应在缓和曲线的起终点各埋设一个，在曲线中部，可根据通视条件适当增加。,在隧道边墙上要画出永久性中线点的标志。,洞内水准点应每公里埋设一个，并在边墙上画出标志。,永久中线点及水准点的测设,