土木工程测量p地下工程测量.pptx
主要内容n 地下工程的种类、特点及对测量的要求n 隧道贯通误差预计n 地面和地下控制测量n 联系测量n 陀螺经纬仪及定向测量n 隧道施工与竣工测量第十二章第十二章 地下工程测量地下工程测量第1页/共108页12.1 12.1 地下工程的种类、特点及对测量的要求地下工程的种类、特点及对测量的要求12.1.1 12.1.1 地下工程的种类地下工程的种类 地下工程根据工程建设的特点可分为三大类:1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;2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;3为开采各种矿产而建设的地下采矿工程。第2页/共108页12.1.2 12.1.2 地下工程测量的特点地下工程测量的特点 与地面工程测量相比，地下工程测量具有以下特点：(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，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，洞室之间互不相通，不便组织校核，出现错误不能及时发现。随着坑道的进展，点位误差的累积越来越大；第3页/共108页(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。第4页/共108页12.1.3 12.1.3 地下工程对测量的要求地下工程对测量的要求 地下工程的测量环节包括: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、竣工及施工测量。对测量的要求如下：(1)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。(2)在隧道工程中，两个相向开挖的工作面的施工中线往往因测量误差产生贯通误差(分为纵向、横向和高程贯通误差)。对于隧道而言，纵向误差不会影响隧道的贯通质量，而横向误差和高程误差将影响隧道的贯通质量。因此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。第5页/共108页(3)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。预计中应将容许的竣工误差加以适当分配。一般来说，地面上的测量条件比地下好，故对地面控制测量的精度应要求高一些，而将地下测量的精度要求适当降低。(4)在地下工程中应尽量采用先进的测量设备。地面控制测量应采用GPS测量技术进行。平面联系测量应尽量采用陀螺定向。坑道内的导线测量应采用红外测距仪测距以加大导线边长，减少导线点数。为限制测角误差的传递，当导线前进一定距离后应使用高精度陀螺经纬仪加测陀螺定向边。第6页/共108页12.1.4 12.1.4 地下建筑物施工测量的内容及其作用地下建筑物施工测量的内容及其作用(以隧道为例)u 隧道施工测量的内容：直线 1000m 可以不作控制网，采用现场标定法。曲线 s=340m,这就是为什么施工导线开挖长度最大为300m。第70页/共108页l基本导线：s平=80m，s=1000m，知道了m，可设计Mu，还可设计平均导线边长s平=100m，同理若设m=3，取n=10,s 1018m，基本导线开挖长度最大1000m。第71页/共108页l主要导线：主要导线的边长不直接量，由基本导线换算而来，主要导线只进行角度观测，主要导线的边长精度应与进本导线的边长精度相等。第72页/共108页l结论：基本导线达到什么样的精度，主要导线也是什么精度，说明地下导线可省去测量主要导线边长的工作。第73页/共108页12.3.2.3 12.3.2.3 地下高程控制测量地下高程控制测量 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。第74页/共108页地下高程控制测量的特点：(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300-500m为宜。第75页/共108页12.4 12.4 联系测量联系测量 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。本节只讲述竖井联系测量工作。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。第76页/共108页12.4.1 12.4.1 一井定向一井定向 一井定向是将地面上的坐标和方向通过一个竖井的平面联系测量传递到地下的测量工作，可分为投点（在井筒中下放钢丝）和连接测量工作。一井定向示意图第77页/共108页连接测量时，常采用连接三角形法（见图）。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AB为公用边的三角形ABC和ABC。在选择井上下连接点C和C时应满足下列要求：(1)CD和的长度应尽量大于20m；(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a/c和b/c之值尽量小一些。连接三角形法示意图第78页/共108页12.4.1.2 12.4.1.2 一井定向误差分析一井定向误差分析由图12-7可知：由此可得：在点C处的连接角的误差，对连接精度的影响可按下式计算：式中mi-测量方法误差；d-连接边CD的边长；eT、eD-经纬仪在连接点C、D上对中的线量误差。由此可知，欲减少测量连接角的误差影响，主要应使连接边d尽可能长些，并提高仪器的对中精度。上述公式对估算井下连接测量的误差也同样适用。第79页/共108页12.4.2 12.4.2 两井定向两井定向 两井定向是通过两个开挖连贯的邻近竖井将地面点的坐标和方向传递到地下的测量工作，它分为投点和连接测量。12.4.2.1 12.4.2.1 投点、连接测量及内业计算投点、连接测量及内业计算 在两个竖井中各悬挂垂球线A、B，由地面控制点布设导线测定两垂球线A、B的坐标，在地下定向水平用导线将A、B两垂球线连接起来。原坐标系下：两井定向示意图第80页/共108页假设A为假定坐标系（地下水平导线坐标系）的原点，A1边为假定纵轴x轴方向：式中H为竖井深度；R为地球的平均曲率半径。则：。由于测量误差的影响，地下求出的B点坐标与地面测出的B点坐标存有差值。如果其相对闭合差符合测量所要求的精度时，可将坐标增量闭合差按边长成比例反号分配给地下导线各坐标增量上。最后计算出地下各点的坐标。第81页/共108页12.4.2.2 12.4.2.2 两井定向的误差分析两井定向的误差分析 两井定向起始边的方位角误差来源于投点误差（计算公式同于一井定向）、地面连接误差及地下连接误差。为研究方便，假定AB连线为y轴，垂直于AB的方向为x轴。地面连接误差为：地下连接误差主要由测角误差和量边误差综合引起：地下连接导线角度测量误差对各边方位角误差的影响是不相同的，边长测量误差对各边方位角误差的影响是相同的。因此造成两井定向地下连接导线各边的方位角中误差不同，靠近导线中部的边长方位角中误差较小。第82页/共108页12.4.3 12.4.3 高程联系测量高程联系测量 为使地面与地下建立统一的高程系统，应通过斜井、平峒或竖井将地面高程传递到地下巷道中，该测量工作称为高程联系测量（也称为导入高程）。通过斜井、平峒的高程联系测量，可从地面用水准测量和三角高程测量方法直接导入，这里不再赘述。下面仅讨论通过竖井导入高程的方法。通过竖井导入高程的常用方法有，长钢尺法、长钢丝法、光电测距仪铅直测距法等。第83页/共108页12.4.3.1 12.4.3.1 长钢尺法导入高程长钢尺法导入高程u如图所示，将经过检定的钢尺挂上重锤（其重量应等于钢尺检定时的拉力），自由悬垂在井中。u分别在地面与井下安置水准仪，首先在A、B点水准尺上读取读数a、b。然后在钢尺上读取读数m、n（注意，为防止钢丝上下弹动产生读数误差，地面与地下应同时在钢尺上读数）。u同时应测定地面、地下的温度和。由此可求得B点高程：式中：l为钢尺改正数的总和。导入高程示意图第84页/共108页12.4.3.2 12.4.3.2 钢丝法导入标高钢丝法导入标高 用长钢丝导入高程，一般随几何定向一起进行。长钢丝导入高程的过程基本同于长钢尺法。但长钢丝无尺寸标记，因此在地面以及地下观测钢丝时，需要在钢丝上作出记号，然后在地面选一平坦区域，加悬挂时的重量将钢丝拉开，用钢尺或光电测距仪丈量两记号间的长度。第85页/共108页12.4.3.3 12.4.3.3 光电测距仪导入高程光电测距仪导入高程 当井筒内水蒸汽较小时，可采用光电测距仪导入高程。n导入高程时，可将罐笼提升至井口后固定（可用木楔），在其中固定一平台C，将光电测距仪直接竖直安放在平台上。n另将反光镜平放在井底平台D上，用光电测距仪直接瞄准反光镜（为便于瞄准可将一光源放置在反光镜上）测距s。n并用水准仪在井上下测出AC、BD点之间的高差hAC及hBD，同时测定井上下的温度及气压。则A、B两点间高差可按下式计算：式中：l-光电测距仪镜头到仪器中心的长度；l-气象改正（温度和气压应取井上下平均值）。第86页/共108页12.5 12.5 陀螺经纬仪及定向测量陀螺经纬仪及定向测量12.5.1 12.5.1 陀螺仪的基本特性陀螺仪的基本特性 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。第87页/共108页12.5.2 12.5.2 陀螺经纬仪的基本结构陀螺经纬仪的基本结构1 悬挂式陀螺仪由以下几部分组成：（1）灵敏部：包括悬挂带、导流丝、陀螺马达、陀螺房以及反光镜等。（2）光学观测系统（用来观测和跟踪灵敏部的摆动）。（3）锁紧限幅机构（用于陀螺灵敏部的锁紧和限幅）。（4）陀螺仪外壳（用于防止外部磁场的干扰）。2 经纬仪则比普通经纬仪增加了一个定位连接装置。3 陀螺电源由蓄电池组、充电器、逆变器等组成。陀螺经纬仪是由陀螺仪、经纬仪、陀螺电源三部分组成。图中所示陀螺仪基本结构图第88页/共108页12.5.3 12.5.3 陀螺经纬仪的定向测量方法陀螺经纬仪的定向测量方法12.5.3.1 12.5.3.1 陀螺经纬仪定向的作业过程陀螺经纬仪定向的作业过程p 在地面已知边上测定仪器常数p 在待定边上测定陀螺方位角p 在地面上重新测定仪器常数p 求算子午线收敛角p 求算待定边的坐标方位角第89页/共108页12.5.3.2 12.5.3.2 一次测定陀螺方位角的作业过程一次测定陀螺方位角的作业过程1 在测站上整平对中陀螺经纬仪，以一个测回测定待定边或已知边的方向值，然后将仪器大致对正北方。2 粗略定向锁紧灵敏部，启动陀螺马达，待达到额定转速后，下放陀螺灵敏部，用粗略定向的方法测定近似北方向。完毕后制动陀螺并托起锁紧，将望远镜视准轴转到近似北方向位置，固定照准部。3 测前悬带零位观测打开陀螺照明，下放陀螺灵敏部。进行测前悬带零位观测。同时用秒表记录自摆周期T。零位观测完毕，托起并锁紧灵敏部。第90页/共108页4 精密定向（精密测定陀螺北）：采用有扭观测方法（如逆转点法等）或无扭观测方法（如中天法、时差法、摆幅法等）精密测定已知边或待定边的陀螺方位角。5 测后悬带零位观测。6 以一个测回测定待定边或已知边的方向值，测前测后两次观测的方向值的互差对J2和J6级经纬仪分别不得超过10和25。取测前测后观测值的平均值作为测线方向值。第91页/共108页12.5.4 12.5.4 全自动陀螺经纬仪全自动陀螺经纬仪 光学陀螺经纬仪为了精确测定真北方向，一般采用逆转点法或中天法进行。而人工观测，对观测员的操作技术要求较高，并且存在效率低、劳动强度大、易出错等缺陷。随着科学技术的发展，上个世纪八十年代以来，世界上开始研制并使用全自动的陀螺经纬仪。第92页/共108页第93页/共108页目前，自动化陀螺经纬仪的主要产品有德国威斯特发伦采矿联合公司（WBK）的Gyromat2000和日本索佳公司（SOKKIA）的AGP1等。自动化陀螺经纬仪第94页/共108页以Gyromat2000为例，介绍陀螺自动定向的基本原理。Gyromat2000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。陀螺仪悬挂结构示意图第95页/共108页如图所示，摆式陀螺仪的摆动平衡位置R和真北方向N，以及悬带扭力零位O之间存在着一个确定关系。假如开始定向观测时，照准部偏离真北N角时，由于悬挂带反力矩的作用，使摆动平衡位置处于照准部零位（参考反射镜法线）与真北N之间，即R方向。积分测量原理示意图第96页/共108页也就是说，陀螺摆动的平衡位置是在悬带弹性扭力矩和陀螺指北力矩的共同作用下产生的，此时可得到一个力矩平衡方程为：K DB=(N K)DK式中：K -悬带扭力零位与陀螺平衡位置之间的夹角；N-悬带扭力零位与真北之间的夹角；DB-悬带扭力矩系数；DK-陀螺指北力矩系数积分测量原理示意图第97页/共108页12.6 12.6 隧道施工与竣工测量隧道施工与竣工测量 隧道施工测量时的主要任务为：在隧道施工过程中确定平面及竖直面内的掘进方向，另外还要定期检查工程进度(进尺)及计算完成的土石方数。在隧道竣工后，还要进行竣工测量。第98页/共108页12.6.1 12.6.1 隧道掘进时的测量工作隧道掘进时的测量工作 12.6.1.1 12.6.1.1 隧道平面掘进方向的标定隧道平面掘进方向的标定 隧道的掘进施工方法有全断面开挖法和开挖导坑法，根据施工方法和施工程序的不同，确定隧道掘进方向的方法有中线法和串线法。第99页/共108页(1)当隧道采用全断面开挖法进行施工时，通常采用中线法。在图中，P1、P2为导线点，A为隧道中线点，根据已知数据，即可计算出放样中线点所需的有关数据，将经纬仪安置在导线点P2上，用盘左后视导线点P1，拨角度2，并在视线方向上丈量距离L，即得中线点A1。然后盘右用同法可得A2，取A1A2的分中点得到A点。中线标定示意图第100页/共108页在A点上埋设与导线点相同的标志。用经纬仪重新测定出A点的坐标。标定开挖方向时将仪器安置于A点，后视导线点P2，拨角A，即得中线方向。随着开挖面向前推进，A点距开挖面越来越远，这时需要将中线点向前延伸，埋设新的中线点。中线标定示意图第101页/共108页(2)当隧道采用开挖导坑法施工时，因其精度要求不高，可用串线法指示开挖方向。此法是利用悬挂在两临时中线点上的垂球线，直接用肉眼来标定开挖方向。使用这种方法时，首先需用类似前述设置中线点的方法，设置三个临时中线点(设置在导坑顶板或底板上)，两临时中线点的间距不宜小于5m。标定开挖方向时，在三点上悬挂垂球线，一人在B点指挥另一人在工作面持手电筒(可看成照准标志)使其灯光位于中线点B、C、D的延长线上，然后用红油漆标出灯光位置，即得中线位置。另外还可采用罗盘法标定中线。第102页/共108页随着开挖面的不断向前推进，中线点也应随之向前延伸，地下导线也紧跟着向前敷设，为保证开挖方向的正确，必须随时根据导线点来检查中线点，随时纠正开挖方向。对于曲线隧道掘进时，其永久中线点是随导线测量而测设的。而供衬砌时使用的临时中线点则是根据永久中线点加密的，一般采用偏角法（适用于钢尺量边时）或极坐标法（适用于光电测距仪测距时）测设。第103页/共108页12.6.1.2 12.6.1.2 隧道竖直面掘进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，离开挖隧道底板有一定的距离（该距离可随意确定）。第104页/共108页 在图中，A点为已知的水准点，C、D为待标定的腰线点。标定腰线点时，首先在适当的位置安置水准仪，后视水准点A，依此可计算出仪器视线的高程。根据隧道坡度i以及C、D点的里程计算出两点的高程，并求出C、D点与仪器视线间的高差h1、h2。由仪器视线向上或向下量取h1、h2即可求得C、D点的位置。腰线标定示意图第105页/共108页12.6.2 12.6.2 隧道竣工测量隧道竣工测量 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。第106页/共108页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(见图)。隧道净空断面图第107页/共108页感谢您的观看。第108页/共108页
