隧道施工测量.doc
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第七章隧道测量
7.1概述
随着基础设施建设如高速公路和高速铁路工程项目逐年增多,地处我国的西南部山区,受地形、地质条件的影响,隧道工程特别多,相应对我们从事测绘专业的同志,也提出更紧迫、更高要求,如何尽快的适应和满足当前建设发展的需要。
摆在我们面前的任务就是,在隧道施工测量中,以确保无论采用两个、多个相向和同向掘进的工作面,最终都得按设计要求,顺利的相互贯通。
并在施工掘进的过程中,准确无误或尽可能的减少出现超挖和欠挖现象,其关键在于我们的隧道施工放样测量。
7.2隧道控制
隧道测量:
主要分为:
控制测量和放样测量两部分。
1)隧道控制测量又分两个小部分:
①地面控制测量;这是隧道工程测量中最主要的部分。
①地下控制测量;地下(隧道内)控制测量的精度是决定贯通的关键。
2)隧道(内)施工放样测量;其精度好坏,决定隧道掘进是否超挖和欠挖的核心。
7.2.1地面控制测量(加密)
当前隧道工程的地面控制测量,从设计阶段开始,普通采用GPS全球定位系统,解决平面,而高程部分(还有待进一步的研究),仍用直接水准测量配合。
局部地区(线路不太长)用全站仪敷设电磁波平面、高程导线(采用闭合、附合导线进行严密平差计算)。
对于施工单位,还必须在进、出洞口,进行加密控制,以满足每一进、出洞口,各有三个加密控制点。
同时,还应对设计和业主所提供的首级控制资料进行:
复测、检核精度以及成果有无差错;也可因地制宜,建立区域性独立施工控制网,以满足本区域内的精度,达到贯通精度要求。
当设计(和业主)单位提供的首级控制资料精度不太高时,更宜采用区域性(只针对单一一条隧道)的独立网。
其优点:
1)可避开首级控制的精度。
仍可保持与首级控制精度一致(国家四等控制精度要求),而不影响施工的等级精度。
具体作业方案:
只利用首级控制两个点:
同时起和闭一个点,(利用另一点作检核独立网的方位闭塞之用)。
采用闭合导线。
2)对发展隧道地下控制测量的等级,提供可发展空间。
按一般首级控制等级都是国家的四等,施工单位要加密时,就只能为一级导级精度,如要再发展进洞的地下控制,就只能是二级导线,当洞长为两公里时,仅测距相对闭合差≤1/10000一项,就直接影响到贯通误差达到±0.10m(己超过国家规定的要求±0.05m)。
因此,更宜采用区域性的独立网。
7.2.2地下控制测量
按国家一级导线要求实施:
如下图
1)每一洞口旁建观测墩一个和两个地面点:
必须在地面加密控制测量之前建立,并纳入地面控制进行统一平差计算(以提高控制精度)。
2)当隧道走向是左旋,观测墩应建在洞口的右边;反之,隧道走向右旋,观测墩应建在洞口的左边;以达到增长观测视线、减少测站,确保地下控制测量精度。
3)观测方法:
采用单程双测回归导线法如上图(地下控制测量导线略图),单号进洞,双号出,(人为的将一条导线分左右两部分,进行独立操作观测和计算)组成一个回归圈。
①C、A、B和C′、A′、B′共六点,设于进、出洞口各三个,均为地面控制点(四等导线精度),其中C和C′两点为观测墩。
②以进洞口为例在C点(观测墩)上设站,按一般导线观测顺序进行。
7.2.2.1单程双测回归导线法
第1站:
Ⅰ.左路线:
以A点后视起零,观测水平角(左角1),再测2站斜距边长(1-2)S,同时测2站竖直角(1-2)а,并量取本站仪器高
(1)t、2站标高
(2)r。
Ⅱ.右路线:
紧接着进行单程双测观测:
以2站起零,至B点,测水平角(右角2),完成第1站。
③第2站:
Ⅰ.左路线:
以C点后视起零,测至3站水平角(左角3),再测3站斜距边长(2-3)S,同时测竖直角(2-3)а,并量取本站仪器高
(2)t、3站标高(3)r。
Ⅱ.右路线:
以3站起零,至C点1站,测水平角(右角4),再测C点斜距边长(2-1)S,同时测C点竖直角(2-1)а,量取C点标高
(1)r。
完成第2站。
④第3站:
Ⅰ.左路线:
以2站起零测4站水平角(左角5),再测4站斜距边长(3-4)S,同时测竖直角(3-4)а,并量取本站仪器高(3)t、4站标高(4)r。
Ⅱ.右路线:
以4站起零,至2站,测水平角(右角6),再测2站斜距边长(3-2)S,同时测竖直角(3-2)а,量取2站标高
(2)r。
完成第3站。
⑤第4站:
Ⅰ.左路线:
以3站起零测5站水平角(左角7),再测5站斜距边长(4-5)S,同时测竖直角(4-5)а,并量取本站仪器高(4)t、5站标高(5)r。
Ⅱ.右路线:
以5站起零,至3站测水平角(右角8),再测3站斜距边长(4-3)S,同时测竖直角(4-3)а,量取3站标高(3)r。
完成第4站。
⑥第5站:
Ⅰ.左路线:
以4站起零测6站水平角(左角9),再测6站斜距边长(5-6)S,同时测竖直角(5-6)а,并量取本站仪器高(5)t、6站标高(6)r。
Ⅱ.右路线:
以6站起零,至4站测水平角(右角10),再测4站斜距边长(5-4)S,同时测竖直角(5-4)а,量取4站标高(4)r。
完成第5站。
⑦第6站:
架设于第6站(水平角为零),只须观测:
6站至5站边长(6-5)S,同时测竖直角(6-5)а,量取5站标高(5)r。
(替告段落)……。
7.2.2.2导线数据的检查
由于采用单程双测回归导线法其观测数据,可相互进行检查核对。
如水平角(左角1)+(左角2)=360度——其差值甚小(不超过±20秒)、竖直角(1-2)а+(2-1)а=180度——差值甚小(不超过±15秒)、边长[(1-2)S]-[(1-2)S]相差甚小(不超过±5㎜)。
7.2.2.3导线严密平差计算数据排序表(配合《长江勘测》软件的实例)
起点
闭点
平、高
点数
平、高
代码
高程起
点号
高程闭
点号
平面起
点号
平面闭
点号
平面起点
方向
平面闭点
方向
点号
标型
气压
温度
斜距
天顶距
仪器高
觇标高
水平角
C--C
11.11
GP
C
C
C
C
A
B
INC
观测墩
***
**
(1-2)S
(1-2)а
(1)t
(2)r
(2-1)а
(2)t
(1)r
左角1
J2(站)
刻石
***
**
(2-3)S
(2-3)а
(2)t
(3)r
(3-2)а
(3)t
(2)r
左角3
J3(站)
刻石
***
**
(3-4)S
(3-4)а
(3)t
(4)r
(4-3)а
(4)t
(3)r
左角5
J4(站)
刻石
***
**
(4-5)S
(4-5)а
(4)t
(5)r
(5-4)а
(5)t
(4)r
左角7
J5(站)
刻石
***
**
(5-6)S
(5-6)а
(5)t
(6)r
(6-5)а
(6)t
(5)r
左角9
J6(站)
刻石
***
**
(6-5)S
(6-5)а
(6)t
(5)r
(5-6)а
(5)t
(6)r
0.0000
J-5(站)
刻石
***
**
(5-4)S
(5-4)а
(5)t
(4)r
(4-5)а
(4)t
(5)r
右角10
J-4(站)
刻石
***
**
(4-3)S
(4-3)а
(4)t
(3)r
(3-4)а
(3)t
(4)r
右角8
J-3(站)
刻石
***
**
(3-2)S
(3-2)а
(3)t
(2)r
(2-3)а
(2)t
(3)r
右角6
J-2站)
刻石
***
**
(2-1)S
(2-1)а
(2)t
(1)r
(1-2)а
(1)t
(2)r
右角4
OUTC
观测墩
右角2
7.3隧道施工放样
7.3.1极坐标法(支站)
当地面控制点(加密)之后,即可在洞口观测墩上,进行隧道内的施工放样测量,一般均采用全站仪支站的方法。
根据隧道横断面大小和地质情况的好坏,大部分作业面采用分台阶施工:
先上(左和右)、下(左和右)、后底部掘进。
因此,放样的控制点很难一次作好不变动,也得满足施工的程序,在每一个工作横断面上,支站点要分两次,甚至三次才能完成。
鉴于隧道内的除渣,来往通行车辆碾压、石渣粉尘的掩盖,洞内的地面控制点很难在较短时间保存(即便不损坏,一次除渣后就无法找到),只有将控制点制作于洞内两边的边墙上(墙上标志),在每一处支站应分别测三个点,用油漆涂记号(中心点一定要小:
直径不大于2㎜);支站时最好采用小棱镜(觇标高为零),减少每次对点误差。
7.3.2后方交会法
每次进洞放样引测控制点,可直接从最近的三个墙上标志,按后方交会法;求出测站位置的坐标和高程即可进行放样。
解算方法可利用全站仪自身的软件程序,也可用计算器进行(现介绍FX—5800计算器程序)。
7.3.2.1采集数据要求
1)输入:
第一己知点(X、Y)坐标、S(平距)、H(高程)、а(竖直角);
第二己知点(X、Y)坐标、S(平距)、H(高程)、а(竖直角);
2)按反时针方向输入以上数据;
3)观测时可不量仪器高和觇标高(仪器的视线高就是高程);
4)用小棱镜;
7.3.2.2源程序:
《BJTJ》fx—5800计算器
“XA=”?
A:
“YB=”?
B:
“P=”?
P:
“U=”?
U:
“T=”?
T:
“XC=”?
C:
“YD=”?
D:
“S=”?
S:
“Q=”?
Q:
“R=”?
R:
Ldl1:
PoI(A-C,B-D:
J<0=>J+360→J:
Ldl2:
(II+PP-SS)÷(2I)→Z:
(√(PP-ZZ)+√(SS-(I-Z)(I-Z))÷2→H:
Sin-1(H÷S)→F:
Sin-1(H÷P)→E:
Ldl3:
J+360+F→G:
IfG>360:
ThenG-360→G:
Ifend:
“XW=”:
C+S×Cos(G)→W◢“YV=”:
D+S×Sin(G)→V◢
Ldl4:
PoI(C-A,D-B:
J<0=>J+360→J:
J+360-E→K:
IfK>360:
ThenK-360→K:
Ifend:
“XC=”:
A+P×Cos(K)→M◢“YD=”:
B+P×Sin(K)→N◢
LbI5:
“Fxy=”:
√((W-M)2+(V-N)2)◢
“X=”:
(W+M)/2◢“Y=”:
(V+N)/2◢
“H=”:
(U+tg(90-T)×P+Q+tg(90-R)×S)÷2◢“OK”
7.4隧道测量软件——程序《DS》
隧道内的施工放样测量,普遍采用全站仪配合可编程计算器,对隧道掘进的走向偏离;掌握洞内净空面开挖的超挖和欠挖(至目前尚无完整程序供大家使用,都是各自为阵);也有利用全站仪配合笔记本电脑进行放样,但有缺陷:
由于洞内比较潮湿(浸水)易损坏电脑,而且电源也不方便。
少数单位采用高档全站仪,利用仪器内部自身提供的软件进行洞内的放样测量,也存在一些问题,价格高、现有设备利用率低。
为此,利用目前市面上比较普遍、价格不高、界面大、内存多、体积小、重量轻很适宜洞内使用的可编程计算器fx5800,现编隧道施工放样测量软件《SD》程序。
7.4.1程序适用性
7.4.1.1适用于各种隧道施工
该程序是以高速铁路—Ⅱ级围岩为例(如下图),也适用于其它类型的隧道放样测量。
因为它们的主体结构近似(只须根据横断面的半径长短进行调整):
1)高铁Ⅱ级围岩:
净空R2=(6.41+0.4)m、仰拱R1=(2.27+0.35)m、洞底大半径R3=(14.77+0.35)m;
2)高速公路隧道Ⅴ级围岩A型衬砌:
净空R1=(7.4+0.96)m、R2=(5.29+0.96)m、仰拱R2=0.8+0.6)m、洞底大半径R4=(18.8+0.6)m;至于其它部位的相关尺寸,以及各种隧道类型,可参照设计结构横断面进行调整。
说明:
1.R1=(2.27+0.35)m、R2=(6.41+0.4)m、R3=(14.77+0.35)m
2.O1、O2、O3分别为R1、R2、R3的园心
3.内轨顶面为线路中心设计高程
二级围岩(高铁)隧道横断面图
7.4.1.2一条完整线型
该程序的设计,从直线---缓和曲线---园曲线---缓和曲线---直线,一条完整的平面线型,其程序内的固定参数均可根据设计资料,一次性执入不变(如五大桩号、及它们的坐标、园曲线半径、纵曲线半径、纵坡比、相关的方位角。
以及横断面的净空设计半径R1、R2、R3、相关高度的尺寸等等)。
当施工进入第二次衬砌时,只须调整:
横断面的净空设计半径R1、R2、R3。
当你进入高速公路的施工时(或其它类型隧道),须对照设计图进行逐个的相关尺寸修改。
7.4.2程序主要结构
根据隧道平面曲线设计线型(如下图—平面线型(曲线要素)图),可分为三大类所组成:
1).直线部分(又分两段);
①第一段直线段(前面一段的直线结束点HZ—本段直缓点ZH);
②第二段直线段(本段缓直点HZ—另一曲线段直缓点ZH);
2).缓和曲线部分(又分两小段);
①第一缓和曲线段(直缓点ZH—缓园点HY);
②第二缓和曲线段(园缓点YH—缓直点HZ);
3).园曲线段部分(缓园点HY—园缓点YH)
7.4.3己知固定参数
详见以下两表:
1)曲线要素表;2)纵坡曲线要素表;
曲线要素表
曲线
类型
曲线要素
起点
桩号
起点坐标
起点方位角
(°´")
终点桩号
终点坐标
长度
半径
X
Y
X
Y
直线
2078.788
(HZ)K7+100.000
7717.656
51680973
159-22-10.42
(ZH)
K9+87.788
5857.396
5869.496
缓和线
170
(ZH)K9+87.788
5857.396
5869.496
159-12-09
(HY)K9+257.788
5698.474
5929.857
园曲线
2935.8254
10000
(HY)K9+257.788
5698.474
5929.857
(YH)K12+193.6134
3153.247
7371.788
缓和线
170
(YH)K12+193.6134
3153.247
7371.788
(38-16-04)321-43-56
(HZ)K12+363.6134
3019.776
7477.075
直线
936.3866
(HZ)K12+363.6134
3019.776
7477.075
(38-25-48)
321-34-12
K13.300.000
2286.242
8059.095
园心点
园心
9302.033
15258.006
248-52-40.61
K9+257.788
5698.474
5929.857
纵坡曲线要素表(计算桩点高程)
桩号
标高
半径(m)
全长(m)
坡度(‰)
起点桩号
终点桩号
K7+100
157.998
3273.753
-0.003
K7+100
K10+373.753
K10+373.753
78.177
K10+500
77.281
25000
252.496
-0.00457
0.003
K10+373.753
K10+626.249
K10+626.249
77.660
2473.751
0.003
K10+626.249
K13+100
K13+100
155.081
7.4.4变量
唯一变量就是要知道任意一点坐标,在隧道内掌子面的什么位置?
是否偏离隧道中线(到底差多少)?
该点位置是否己接近开挖轮净空廓线(是否出现超挖或欠挖,它的量是多少)?
这是程序最终目的。
7.4.5程序运行
运行前应根据当前施工掌子面所在实际位置(桩号),先大概估计输入计算器,“一个桩号”——桩号要求虽不严格,最好能在五大段之内(第一直线段、第一缓和曲段、园曲线段、第一缓和曲段、第二直线段)起点桩号。
后根据放样支站和后方交会法,求得待定点的:
坐标(X、Y)和高程(H),即可按程序提示要求,输入X、Y、H,运行程序《DS》。
7.5源程序《DS》
7.5.1程序组成和功能
程序主要分为四部分:
第一部分
LOI0提问?
输入估计施工处在什么桩号?
再输入待求点的坐标(X、Y)和高程(Z);根据隧道走向:
向左旋转(-1)→N、向右旋转1→N。
第二部分
①LOI1计算待定点所在第一直线段的桩号;偏离中线距离;
②LOI2计算待定点所在第一缓和曲线段的桩号;偏离中线距离;
③LOI3计算待定点所在园曲线段的桩号;偏离中线距离;
④LOI4计算待定点所在第二缓和曲线段的桩号;偏离中线距离;
⑤LOI5计算待定点所在第二直线段的桩号;偏离中线距离;
(当待定点在随道中线的左边为正值、右边为负值)。
第三部分
LOI6求待定点所在位置的中线设计高程;
第四部分
求待定点所在位置的超挖和欠挖量(出现正值为超挖、负值为欠挖);
结果显示解说:
①.L——待求点所在位置的桩号;
②.P——待求点偏离中线距离;
③.G——待求点对应于中线的设计标高(高铁的内轨顶面设计高程);
④.E——待求点对应于中线无砟层的设计标高;
⑤.C——待求点距开挖净空边缘距离(及超挖和欠挖量);
7.5.2源程序及解说
源程序解说:
1)主程序《DS》
Ldl0:
“L=”?
L:
“X=”?
X:
“Y=”?
Y:
“H=”?
H:
(-1)→N↘
IFL≥7100andL<9087.788:
ThenGoto1↘
ElseIFL≥9087.788andL<9257.788:
IFEndGoto2↘
ElseIFL≥9257.788andL<12193.613:
ThenGoto3↘
ElseIFL≥12193.613andL<12363.613:
ThenGoto4↘
ElseIFL≥12363.613andL<13300:
ThenGoto5↘IFEnd↘
Ldl0——程序运行提问?
L?
—预估一个施工掌子面所在的桩号(宜等于或大于,不可小于,特别是五桩处)。
X?
、Y?
、H?
—输入待求点的实测坐标,和高程
(-1)→N——隧道向左旋转
7100=(HZ)——为前一曲线段缓直点桩号K7+100
9087.788=ZH——为本曲线段直缓点桩号
9257.788=HY——缓园点桩号K9+257.788
12193.613=YH——园缓点桩号K12+193.613
12363.613=HZ——缓直点桩号K12+363.613
13300=(ZH)——为后一曲线段直缓点桩号K13+300
Lbl1:
PoI(X-7717.656,Y-5168.973:
J<0=>J+360→J:
J-159º22´10.42"→K:
“L=”:
7100+Cos(K)×I→L◢J>159º22´10.42"=>(-K)→K↘
“P=”:
Sin(K)×I×N→P◢Goto6↘
Lbl1——计算第一直线段如下图
7717.656=X5168.973=Y为(HZ)点坐标(上段缓直点)
159º22´10.42"=A——(HZ)点至ZH点的方位角
当J>159º22´10.42"=>(-K)→K时,待定点在隧道中心的右边
7100为前一曲线段(HZ)缓直点桩号K7+100
N——当隧道走向向左旋转(-1)→N
Lbl2:
PoI(X-5857.396,Y-5869.496:
J<0=>J+360→J:
J-159º22´10.42"→K:
I×Cos(K)→C:
I×Sin(K)→S:
10000×170→B:
Abs(C)→T:
T-T5÷40÷B2+T9÷3456÷B4→E:
T3÷6×B-T7÷336÷B3+T11÷42240÷B5→M:
T2÷2×B×(180÷3.1416)→V:
Arg((C-E)+(S-M)i)→F:
F<0=>F+360→F:
Abs((C-E)+(S-M)i)→D:
D×Cos(F-V)→W:
IFAbs(W)<0.00001:
ThenGotoA:
ElseT+W→T:
IfEnd↘
LblA:
“L=”:
9087.788+T→L◢
“P=”:
D×Sin(F-V)×N→P◢Goto6↘
Lbl2——计算第一缓和曲线段如下图
7717.656=X5168.973=Y为(HZ)点坐标(上段缓直点)
5857.396=X5869.496=Y为ZH的坐标
159º22´10.42"=A——(HZ)点至ZH点的方位角
10000×170——10000为半径、170为缓和曲线长
9087.788——为直缓点桩号ZH(K09+087.788)
N——当隧道走向向左旋转(-1)→N
Lbl3:
PoI(X-9302.033,Y-15258.006:
J<0=>J+360→J:
Abs(248º52´40.61"-J)→K↘
“L=”:
9257.788+K×3.716÷180×10000→L◢
“P=”:
(I–10000)×N→P◢Goto6↘
Lbl3——计算园曲线段如下图
9302.033=X15258.006=Y为园心点坐标
248º52´40.61"—园心(O)至缓园点HY的方位角
9257.788——HY为缓园点桩号(K09+257.788)
10000=R——园曲半径
N——当隧道走向向左旋转(-1)→N
Lbl4:
PoI(X-3019.776,Y-7477.075:
J<0=>J+360→J:
J-321º43´56"→K:
I×Cos(K)→C:
I×Sin(K)→S:
10000×170→B:
Abs(C)→T:
T-T5÷40÷B2+T9÷3456÷B4→E:
T3÷6×B-T7÷336÷B3+T11÷42240÷B5→M:
T2÷2×B×(180÷3.1416)→V:
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