第7章 隧道测量.ppt

CopyrightG.X.Liu,第七章隧道测量,我国目前拥有8600多座铁路、公路隧道，总长度约4370多公里，居世界第一。其中，铁路隧道6876座，总长3670公里，为世界第一；公路隧道总数1782座，总长704公里，是世界上公路隧道最多的国家。我国目前最长的隧道是铁路线上的秦岭隧道，全长18.456公里。近10年来，我国已修建了不少长隧道、特长隧道以及隧道群。其中，主要有：1995年建成的成渝高速公路上的中梁山隧道，长3公里多，解决了我国长大公路隧道的通风问题；1999年通车的四川省川藏公路上二郎山隧道，长4公里多，是连接西藏与内地的重点工程；1999年通车的四川广安地区华蓥山公路隧道，长4.53公里，是我国目前已通车的最长公路隧道。(来源：新华网),近年来，我国交通部门每年投入大量科研经费，已摸索出成套隧道施工技术。年通车的浙江省甬台高速公路大溪岭隧道，是我国自行设计施工，采用国产材料设备为主的现代化大型隧道，隧道内设置了照明、通风、防火、监控等完善的运营机电设施；长公里的北京八达岭高速公路潭峪沟隧道，单洞开挖宽度约米，为我国车道公路隧道修建积累了经验；沈大高速公路中一条隧道为单向车道行车，单洞开挖宽度约米；上海的车道沉管越江隧道即将建成，标志着我国在沉管隧道领域达到了国际先进水平。按照交通部规划，我国年内将新建成万公里新路，“五纵七横”国道主干线将贯通。年内，我国将再建设总长公里以上的公路隧道。正建设的终南山隧道全长公里，长度居亚洲第一，世界第二；湖南雪峰山隧道长公里多；西安汉中高速公路上穿越秦岭的三座特长隧道群总长公里，全线隧道总长公里；上海崇明岛和武汉的长江上将建设大型过江通道工程,公路隧道,海底公路隧道,海底公路隧道,铁路隧道,铁路隧道,2003年10月12日，青藏铁路最长隧道羊八井1号隧道胜利贯通。该隧道全长3345米，位于距拉萨90公里的羊八井，海拔4264米。,电站引水隧道,输水隧道,第七章隧道测量（TunnelSurvey）,概述7-1隧道贯通误差7-2洞外控制测量7-3洞外、洞内联系测量7-4洞内控制测量7-5洞内中线测量7-6施工测量,公路隧道分级,概述General,铁路、公路隧道(简称隧道)，长隧道往往是整个道路建设工期的控制工程。隧道工程勘测隧道控制测量和施工测量测量成果的精度至关重要,隧道测量技术和装备的发展标志：,国家基本地形图航测1:500比例尺地形图全站仪计算机技术陀螺经纬仪激光技术遥感技术GPS技术,Trimble5800GPSSystemGyro-theodoliteLeicaTotalStation,隧道施工的特点、任务和内容,为了保证工期，常利用增加开挖面的方法，将整个隧道分成若干段同时施工；,一、隧道施工的特点,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；,两个开挖面相向开挖，在预定位置挖通称为贯通。贯通后，由两端分别引进的线路中线，应按设计规定的精度正确衔接。,增加开挖面的主要方法有：设置平行导坑或在隧道中部设置横洞、斜井或竖井。,隧洞类型正洞portal平行导洞pilot横洞adit斜井skewwell竖井shaft,二、隧道施工测量的主要任务,保证洞内各项建筑物以规定的精度按照设计位置修建，不得侵入建筑限界。,保证相向开挖的工作面，按照规定的精度在预定位置贯通；,在勘测设计阶段是初测和定测；在施工阶段是保证隧道正确贯通，并放样建筑物的细部位置。,洞外总体控制作为指导隧道施工的测量工作，在隧道开挖前一般要建立具有必要精度的、独立的隧道洞外施工控制网，作为引测进洞的依据；对于较短的隧道，可不必单独建立洞外施工控制网，而以经隧道施工复测、调整后并确认的洞外线路中线控制桩为引测进洞的依据。,三、隧道施工测量的特点,2.洞内分级控制洞内控制点控制正式中线点（正式中线点是洞内衬砌和洞内建筑物施工放样的依据），正式中线点控制临时中线点；临时中线点控制掘进方向。,洞内高程控制与平面相仿，临时水准点控制开挖面的高低，正式水准点控制洞内衬砌和洞内建筑物的高程位置。,对于采用全断面开挖法开挖的隧道，其测量过程与先挖导坑后扩大成型开挖的隧道基本一样，不同的是对临时中线点、临时水准点的测设精度要求较高，或者是直接测设正式中线点、正式水准点。,3.开挖方法影响测量方式先导坑后扩大成型法对隧道的位置还有一定的纠正余地，隧道施工测量可先粗后精；,全断面开挖法一次成型，隧道施工测量必须一次到位。,4.隧道施工的特殊环境对控制点布设提出特殊要求隧道贯通前，洞内平面控制测量只能采用支导线的形式，测量误差随着开挖的延伸而积累。洞外控制网和洞内施工控制测量应保证必要的精度。控制点应设置在不易被破坏的位置处。,四、隧道施工测量的主要内容,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。,7-1隧道贯通误差EstimationofThroughError,一、贯通误差及其对隧道贯通的影响,相向开挖的两条施工中线上，具有贯通面里程的中线点不重合，两点连线的空间线段称为贯通误差。,实际的贯通误差只有在贯通后才能确定！,1.贯通误差的分类,贯通误差在水平面上的正射投影称为平面贯通误差；在铅垂面上的正射投影称为高程贯通误差，简称高程误差。,贯通面,平面贯通误差在水平面内可分解为两个分量：,与贯通面平行的分量，称为横向贯通误差，简称横向误差；与贯通面垂直的分量，称为纵向贯通误差，简称纵向误差。,贯通面,在隧道贯通面(ThroughPlane)附近打一临时桩，分别由两进测方向测定该点的平面坐标和高程，所得坐标差值投影至贯通面方向及其垂直方向的长度，即为隧道纵向(Longitudinal)贯通误差和隧道横向(Lateral)贯通误差，所得高程的差值即为隧道高程(Vertical)贯通误差。,2.贯通误差对隧道贯通的影响,高程误差主要影响线路坡度。,纵向误差影响隧道中线的长度和线路的设计坡度。,横向误差影响线路方向，如果超过一定的范围，就会引起隧道几何形状的改变，甚至造成侵入建筑限界而迫使大段衬砌拆除重建，既给工程造成重大经济损失又延误了工期。因此，必须对横向误差加以限制。,3.横向误差和高程误差的限差,贯通误差的限差ToleranceofEstimationThroughError,4.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。,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。,5.控制测量对贯通精度影响的限值,注：上表来自铁道部TB10101-99新建铁路工程测量规范，中国铁道出版社，1999下表来自交通部JTJ063-85公路隧道勘测规程，人民交通出版社，2000,洞外、洞内控制测量的贯通精度要求ThroughPrecisionDemandsinTunnelControlSurvey,二、贯通误差估算,1.导线测量误差对横向贯通精度的影响,（mm）,测角误差的影响设RX为导线环在隧道两洞口连线的一列边上的各点至贯通面的垂直距离（m），则导线的测角中误差m（）对横向贯通中误差的影响为：,贯通误差估算的方法因控制网的形式不同而异,（mm）,x,y,测距误差的影响设导线环在邻近隧道两洞口连线的一列测边上的各边对贯通面上的投影长度为dy(m)，导线边长测量的相对中误差为ml/l，则由于测距误差对贯通面上横向中误差的影响为：,受角度测量误差和距离测量误差的共同影响，导线测量误差对贯通面上横向贯通中误差的影响为：,方法1.按照严密公式计算(公式与方法见新建铁路测量规范（条文说明）),2.三角测量误差对横向贯通精度的影响估算,方法2.按导线估算（偏于安全，目前不提倡）,3.高程控制测量对高程贯通误差的影响估算,在贯通面上，受洞外或洞内高程控制测量误差影响而产生的高程中误差为：,式中，M为每千米水准测量的偶然中误差，以mm计；L为洞外或洞内两开挖洞口间高程路线长度的公里数。,洞外、洞内控制测量对横向贯通中误差的影响ImpactofTunnelControlSurveyonLateralThroughError导线测量三角测量洞内导线,算例,例7-1某铁路隧道为直线隧道，设计长度为L=1136.29m，洞外平面控制设计为单导线，其布设如图。试确定测量等级并判定该设计方案能否满足贯通的精度要求。,（1）图解相关数据A、F为导线的始、终点，亦为隧道洞口控制点。以洞外导线的始点A做为坐标系原点，以隧道中线按里程增加方向为X轴正向，建立测量坐标系。在地形图上，各导线点A、B、C、D、E、F在贯通面方向上的垂足分别为A、B，C、D、E、F，量算出各导线点的垂距RX及各导线边在贯通面方向上的投影长度dy，其结果于表7-3中。,解：,表7-3洞外导线测量误差对横向贯通影响,（2）确定隧道洞外平面控制测量等级本例隧道长度小于2km，根据表7-5洞外导线测量适用长度知，洞外导线可布设为五等，即导线测角中误差为m=4.0，边长相对中误差为ml/l=1/20000。,（3）估算洞外导线测量误差对贯通的影响洞外导线测量误差对贯通的影响列表计算如下：,=13.4（mm）,=13.1（mm）,=18.7（mm）,洞外导线测量中误差对隧道的影响预计是18.7mm，其允许值是30mm，显然该洞外导线测量设计可行。,注意：,计算洞外导线测角误差影响值时，不应计入始、终点（即洞口控制桩）。但在引入洞内导线时，两洞口控制桩上需测角，故其测角误差应计入洞内的测量误差。,7-2隧道洞外控制测量,直线隧道长度大于1000m，曲线隧道长度大于500m，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。,ControlSurveyontheGround,一、洞外平面控制测量,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。,GPS测量精密导线测量三角测量中线法,平面控制测量方法,1.中线法,中线法一般只能用于短于1000m的直线隧道和短于500m的曲线隧道的洞外平面控制。,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。,对于较短的直线隧道一般采用中线法，其优点是中线长度误差对贯通影响甚小。如图所示，A、B为两洞口中线控制点，但互不通视。中线法就是在AB方向间按一定距离将1、2等点在地表面标定出来，作为洞内引测方向的依据。,2.精密导线法,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。,用导线方式建立隧道洞外平面控制时，导线点应沿两端洞口的连线布设。,导线点的位置应根据隧道的长度和辅助坑道的数量及分布情况，并结合地形条件和仪器测程选择。,大瑶山隧道精密导线图,下图为我国已建成的长达14.295km的大瑶山隧道，其地面控制网就是采用了由5个闭合环组成的导线网。,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，可按奇数和偶数测回分别观测导线的左角和右角，这样可以检查出测角仪器的带动误差，数据处理时可以较大程度地消除此项误差的影响。,导线的内业计算一般采用严密平差法，对于四、五等导线也可采用近似平差计算,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。,3.三角网法,三角测量建立隧道洞外平面控制时，一般是布设成单三角锁的形式。,对于直线隧道，一排三角点应尽量沿线路中线布设。条件许可时，可将线路中线做为三角锁的一条基本边，布设为直伸三角锁。以减小边长误差对横向贯通的影响。,对于曲线隧道，应尽量沿着两洞口的连线方向布设，以减弱边长误差对横向贯通的影响。,4.GPS测量,隧道GPS控制网设计要求,每个开挖口至少应布测3个控制点，且其间高差不宜太悬殊；网的边长最长不宜超过30km，最短不宜短于300m；每个控制点应有3条或3条以上的边与其连接，极个别的点才允许由2个边连接；控制网要与线路中线连接，应把洞口1个控制桩或2个切线桩(曲线隧道)纳入主网；进口、出口、斜井或竖井的控制点之间不要求通视，但同一洞口控制点之间应当通视，以满足用常规测量方法复测、加密或恢复的需要；点位空中视野开阔，保证能接收到4颗以上卫星的信号；测站附近不应有对电磁波有强烈吸收、反射和干扰影响的物体。,某铁路隧道GPS洞外控制测量,GPS隧道洞外控制测量成果,二、洞外高程控制测量,洞外高程控制测量的任务，是按照测量设计中规定的精度要求，以洞口附近一个线路定测点的高程为起算高程，测量并传算到隧道另一端洞口与另一个定测高程点闭合。,闭合的高程差应设断高，或推算到路基段调整。这样，既使整座隧道具有统一的高程系统，又使之与相邻线路正确衔接，从而保证隧道按规定精度在高程方面正确贯通，保证各项建筑物在高程方面按规定限界修建。,洞外高程测量的等级划分,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。,隧道高程控制测量的技术设计TechniqueDesignofTunnelVerticalControlSurvey注：四、五等可采用光电测距仪三角高程测量,高程控制测量误差对高程贯通精度的影响,受洞外或洞内高程控制测量的误差影响，贯通面上所产生的高程中误差按下式估算：,式中：m为每千米水准测量高差中数的偶然中误差，以mm计；L为洞外或洞内两开挖洞口间水准路线长度，以km计。,每千米水准测量高差中数的偶然中误差计算,例72某铁路直线隧道，设计长度为5246m，分别由两端洞口相向开挖。两端洞口分别埋设四个水准点：BM23、BM231和BM24、BM241，其中BM23和BM24为定测线路水准点。洞外高程控制测量设计为四等水准测量，布设六个临时水准点。各测段水准路线长度、往返测高差观测值及高程计算列于表中，试计算每千米水准测量高差中数的偶然中误差m，并估算mh。,表711往返测高差观测值及高程计算,每千米水准测量高差中数的偶然中误差计算,高程贯通中误差为：,可见，该项洞外高程控制测量对贯通面上所产生的高程贯通中误差的影响满足精度要求。,7-3进洞关系计算和进洞测量,控制测量确认了隧道两端线路中线控制桩与洞外平面控制点的相对位置关系。,根据洞外控制测量成果，计算由洞外控制点引测进洞测设数据，据此指导隧道的进洞及洞内开挖，称为进洞关系计算。,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。,3.由洞外向洞内传递方向和坐标；由洞外向洞内传递高程。,坐标传递,钢尺高程传递,测距仪高程传递,隧道进洞测设的主要方法极坐标法,将隧道的中线控制桩纳入洞外平面控制网，控制测量完成后，即可求得它们的精确坐标。根据这些点的坐标和洞口（或洞内）中线点的坐标，反算出极坐标法的放样数据，进而现场测设。,A,B,C,D,7-4隧道洞内控制测量,洞内控制测量起始于两端洞口处的洞外控制点，随着隧道的开挖而向前延伸。,因此，只能敷设成支线形式，其形状完全取决于隧道的形状；,只能用重复观测的方法进行检核。,为了很好地控制贯通误差，应先敷设精度较低的施工导线，然后再敷设精度较高的基本控制导线，采取逐级控制和检核。施工导线随开挖面推进布设，用以放样指导开挖，边长一般为2550m。对于长隧道，为了检查隧道方向是否与设计相符合，当隧道掘进一段后，选择部分施工导线点布设边长一般为50l00m、精度较高的基本导线，以检查开挖方向的精度。对于特长隧道掘进大于2km时，可选部分基本导线点敷设主要导线，其边长一般为150300m，用测距仪测边，并加测陀螺边以提高方位的精度。因此导线布设时应考虑到点位、精度和贯通精度要求。地下控制导线布设方案如图11.53所示，其中A、B、C、为主导线，a、b、c、为基本导线，1、2、3、为施工导线。隧道施工中，导线点大多埋设在洞顶板，测角、量距与地面大不相同。,一、洞内平面控制测量,洞内平面控制通常有两种形式，即中线形式和导线形式。,中线形式就是以定测精度或稍高于定测精度，在洞内按中线测量的方法测设隧道中线。这种方法只适用于短隧道。,洞内导线主要有以下几种形式：,1.单导线,2.导线环,3.主副导线环,4.交叉导线,5.旁点导线,洞内导线应注意的问题,导线点应尽量布设在施工干扰小、通视良好、地层稳固的地方；,点间视线应离开洞内设施0.2m以上；,导线的边长在直线地段不宜短于200m，在曲线地段不宜短于70m，并尽量选择长边和接近等边；,导线点应埋于坑道底板面以下1020cm，上面盖铁板以保护桩面及标志中心不受损坏，为便于寻找，应在边墙上用红油漆预以标注；,采用双照准法测角，测回间要重新对中仪器和觇标，以减小对中误差和对点误差的影响；,由洞外引向洞内的测角工作，宜在夜晚或阴天进行，以减小折光差的影响；,洞内导线应重复观测，定期检查；,设立新点前必须检查与之相关的既有导线点，在对既有导线点确认的基础上测量新点;,应构成多边形闭合导线或主副导线环；,当有平行导坑时，应利用横向通道，使平行导坑的单导线与正洞的导线联测，以资检核。,二、洞内高程控制测量,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。,洞内应每隔200500m设立一对高程控制点。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板、底板或边墙上。,当采用水准测量时，应进行往返观测；采用光电测距三角高程测量时，应进行对向观测;,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;,高程导线宜构成闭合环。,洞内高程控制测量采用水准测量时，除采用常规的方法外，有时为避免施工干扰还采用倒尺法传递高程。,应用倒尺法传递高程时，规定倒尺的读数为负值，则高差的计算与常规水准测量方法相同：hAB=a-b,在隧道开挖过程中，常用腰线法控制隧道的坡度和高程。,计算检核：,7-5洞内中线测量CenterLineSurveyinsideTunnel,洞内中线测量(CenterLineSurvey)洞内临时中线测设(SettingoutofCenterPeg),隧道施工时通常用中线确定掘进方向。先用经纬仪根据洞内已敷设的导线点设置中线点。P3、P4为已敷设导线点，i为待定中线点，已知P3、P4的实测坐标、i点的设计坐标和隧道中线的设计方位角，即可推算出放样中线点所需的数据4、i和Li。置经纬仪于P4点，测设4角和Li，便可标定i。在Pi点埋设标志并安置仪器，后视P4点，拨角i角即得中线方向。随着开挖面向前推进，便需要将中线点向前延伸，埋设新的中线点，如图中i+1点。由此构成施工控制点，各施工控制点间的距离不宜超过50m。,为了知道隧道洞内开挖方向，随着向前掘进的深入，平面测量的控制工作和中线工作也需紧随其后。当掘进的延伸长度不足一个永久中线点的间距时，应先测设临时中线点。如图中1、2等。当延伸长度大于永久中线点的间距时，就可以建立一个新的永久中线点，如图中的e。永久中线点应根据导线或用独立中线法测设，然后根据新设的永久中线点继续向前测设临时中线点。当掘进长度距最新的导线