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长大隧道贯通测量技术及其误差分析.doc

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长大 隧道 贯通 测量 技术 及其 误差 分析
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1龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: 长大隧道贯通测量技术及其误差分析 资源工程学院长大隧道贯通测量技术及其误差分析【摘要】长大隧道贯通测量技术是近十几年来工程测量范畴中迅速发展的一个分支,它随着高速铁路、高速公路及地铁工程对隧道贯通精度的不断提高而发展。与短隧道、中长隧道及传统矿山测量技术相比,具有测量仪器越来智能化、测量精度要求越来越高、对隧道贯通起着决定性作用等特点。本文从长大隧道测量的基本概念入手,阐述在隧道贯通测量中如何选择测量仪器,确定贯通限差及其依据。如何编制贯通测量设计书和介绍隧道贯通控制测量技术,最后依据贯通理论公式针对实际工程项目进行贯通测量设计及误差分析。在论文结尾针对论文的实例进行总结。【关键字】长大隧道;隧道贯通;控制测量;洞外控制测量;洞内控制测量;贯通误差分析2目 录第一章 长大隧道工程贯通工程概况 .....................................................................................................51.1 隧道贯通测量中的基本概念 ........................................................................................................51.1.1 隧道贯通 ................................................................................................................................51.1.2 隧道贯通误差 ........................................................................................................................51.1.3 隧道贯通误差组成 ................................................................................................................51.1.4 长大隧道与长大隧道贯通测量 ............................................................................................51.2 贯通误差限差确定 ........................................................................................................................51.2.1 一般情况下误差限差确定方法 ............................................................................................51.2.2 缺乏足够资料时的误差确定方法 ........................................................................................51.3 贯通测量仪器 .................................................................................................................................61.3.1 测量仪器的选择 ....................................................................................................................631.3.2 测量仪器的配备 ....................................................................................................................61.4 长大隧道贯通测量设计书 .............................................................................................................61.4.1 编制贯通测量设计书的意义 ................................................................................................61.4.2 贯通测量设计书编制依据(借鉴矿山测量方法) ............................................................6第二章 长大隧道洞外控制测量技术 ...................................................................................................72.1 隧道洞外控制测量的目的 ............................................................................................................72.2 洞外控制测量的内容 ....................................................................................................................72.3 洞外控制点的要求 ........................................................................................................................72.4 洞外平面控制测量方法 ................................................................................................................72.4.1 三角网法 ................................................................................................................................72.4.2 GPS 静态测量法 ....................................................................................................................82.5 洞外高程控制测量 ........................................................................................................................82.5.1 高程控制测量的意义 ............................................................................................................82.5.2 高程控制的方法 ....................................................................................................................82.5.3 洞外高程控制测量路线选择要求 ........................................................................................8第三章 长大隧道洞内控制测量技术 ...................................................................................................93.1 隧道洞内控制测量目的 ................................................................................................................93.2 隧道洞内控制测量内容 ................................................................................................................93.3 隧道洞内平面控制测量方法 .........................................................................................................93.3.1 中线法和导线法的定义 ........................................................................................................93.3.2 中线法和导线法比较 ............................................................................................................93.3.3 洞内导线布设形式 ................................................................................................................93.4 洞内导线布设的特点 ................................................................................................................93.5 洞内进行平面控制注意事项 ....................................................................................................93.6 洞内高程控制测量 ......................................................................................................................103.6.1 洞内高程测量意义 ..............................................................................................................103.7 洞内水准测量与洞外水准测量的方法比较 ..........................................................................10第四章 长大隧道控制测量精度设计与误差理论分析 .....................................................................114.1 高程控制测量设计方法 ..............................................................................................................114.2 平面控制测量设计方法 ..............................................................................................................114.2.1 单导线测角及量边所引起的洞内横向误差 ......................................................................114.2.2 纵向贯通误差对贯通的影响 ..............................................................................................124.3 贯通误差预计的实际意义 ..........................................................................................................12第五章 长大隧道控制测量精度等级设计实例分析 .........................................................................135.1 工程概况 ......................................................................................................................................135.2 隧道控制网布设 ..........................................................................................................................135.3 洞外贯通测量设计 ......................................................................................................................135.3.1 洞外导线 RX 、d Y的计算 ....................................................................................................145.3.2 洞外测角精度设计 ..............................................................................................................145.3.3 洞外高程测量设计 ..............................................................................................................155.4 洞内贯通测量设计 ......................................................................................................................1545.4.1 洞内导线 xR、 yd的计算 .................................................................................................155.4.2 洞内测角精度设计 ..............................................................................................................155.4.3 洞内高程测量设计 ..............................................................................................................16第六章 长大隧道贯通误差预计实例分析 .........................................................................................176.1 横向贯通误差预计 ......................................................................................................................176.1.1 洞外横向误差预计 ..............................................................................................................176.1.2 洞内横向误差预计 ..............................................................................................................176..2 高程贯通误差预计分析 ..............................................................................................................186.2.1 洞内高程贯通误差预计 ......................................................................................................186.2.1 洞外高程贯通误差预计 ......................................................................................................186.2.1 洞内、洞外高程总贯通误差预计 ......................................................................................18第七章 总结 ...........................................................................................................................................197.1 总结 ...............................................................................................................................................19参考文献 .................................................................................................................................................21第一章 长大隧道工程贯通工程概况1.1隧道贯通测量中的基本概念1.1.1隧道贯通在隧道施工中,两个相邻的掘进面,按设计要求在预定地点彼此接通,称为隧道贯通。1.1.2隧道贯通误差由于多方面因素的影响,误差是不可以消除的,这种不能消除的误差导致相向开挖中具有相同贯通里程的中线点在空间不相重合,这便是隧道贯通测量过程中的贯通误差。对于不同的测量方法,不同的测量仪器,不同的隧道形状、长度及用途等,贯通限差是不同的。1.1.3隧道贯通误差组成隧道贯通面误差主要有三个方面组成:即有两进出口端高程控制点分别测得贯通面同一点的高差为高程贯通误差;垂直于隧道中线的左右偏差为横向贯通误差;沿隧道中线方向的长度偏差为纵向贯通误差。51.1.4长大隧道与长大隧道贯通测量长大隧道是指长度≥1km 的隧道。为了隧道贯通而进行的相关测量工作称为贯通测量。长大隧道贯通测量是一种精度要求高、技术性强且贯通误差应当事先估计的测量方法。可以说在长大隧道施工中,它指导着建筑施工方的工作,因此贯通测量在施工过程中起着“眼睛”的作 用。图 1-1 常见隧道贯通形式1.2贯通误差限差确定1.2.1一般情况下误差限差确定方法因中国南北各地区地质条件差异大,地形,气候等因素迥异。加上同一地区隧道用途、长度等因素的不同。因此贯通误差最好参照相关标准因地制宜确定各种误差参数,这些参数原则上应该尽量采用本地区积累的相似经验和分析得到的实际数据。1.2.2缺乏足够资料时的误差确定方法如果本地区缺乏足够的实测资料时,应参照以下规定制定本地区的贯通限差:(1) 《新建铁路工程测量规范》及条文说明(TB10101-1999) ;(2) 《全球定位系统(GPS)铁路测量规程》 (TB10054-1997) ;(3) 《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》 (铁建设[2006]189 号) ;(4) 《工程测量规范》 (GB50026-2007 ) ;(5 ) 《国家三、四等水准测量规范》 (GB/T12897-2006) 。(6) 《高速铁路工程测量规范》及条文说明(TB10601-2009) ;1.3 贯通测量仪器1.3.1测量仪器的选择根据测量所选择方法(包括 GPS,导线测量,三角测量,边角测量等)及测量精度要求等因素的不同测量仪器的选择也不同。我国目前大多数长大隧道采用测角精度≤1″级全站仪(测距标称精度≥1mm+1ppm)测设中腰线,确定洞门开切坐标,布设控制网;如果遇到洞内有瓦斯气体,应使用同等级矿用防爆经纬仪或全站仪;如果洞内光线条件差,应使用无棱镜反射全站仪测距并合理地加测陀螺定向边,进行平差。总之,对于不同的隧道,隧道的不同部分应该采用恰当的测量仪器,既不能因偷工减料而造成精度不足,影响工程质量,也没有必要盲目的追求高精度而增加了测量工作,影响了施工周期和造成造价过高。1.3.2测量仪器的配备长大隧道贯通测量要求精度高,测量误差应严格控制在规范允许的范围之内。并且仪器应定时送检,校准合格后方能用于隧道施工测量。且在仪器使用前应检查送检日期和有6效日期,保证仪器的精准度。下面以赣龙铁路峡山隧道项目部配备的主要测量仪器作说明。表 1-1 赣龙铁路峡山隧道项目部仪器配备表测量工具 仪器名称 型号 精度 单位 数量陀螺全站仪 莱卡 BTJ-15 15”(寻北精度) 台 1双频 GPS 莱卡 RTKGPS1230 5+1ppm 台 3电子水准仪 天宝 DS32 ±0.1mm 套 1全站仪 莱卡 TS02 0.5” 台 2全站仪 莱卡 TPS1200+ 1” 台 4水准仪 莱卡 SPRENT20000 1mm 台 6铟钢尺 — — — 套 1水准标尺 — — — 套 61.4 长大隧道贯通测量设计书1.4.1编制贯通测量设计书的意义编制贯通测量设计书关系到隧道的设计、建设和生产。对于长大隧道,因其一般跨度大,障碍物多,故所设测站多,加上球气差等因素的影响,误差累积较大。所以,事先组织估计相遇点误差是否小于限差要求尤为必要。1.4.2贯通测量设计书编制依据(借鉴矿山测量方法)(1) 、隧道贯通工程概况:包括贯通工程的目的、任务和要求,贯通容许偏差值的确定,并附比例尺不小于 1:2000 的隧道贯通工程图。(2) 、贯通测量方案的选定:包括洞内外控制测量,隧道联系测量方案,并要说明所采用的测量起始数据的情况及注意事项。(3) 、贯通测量的方法:包括所用用的仪器,测量方法。(4) 、贯通测量误差的预计:绘制比例尺不小于 1:2000 的贯通测量控制点,确定测量误差参数,并进行误差预计。(5) 、贯通测量中应注意的问题和应采取的措施。第二章 长大隧道洞外控制测量技术2.1隧道洞外控制测量的目的对于直线隧道,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。总之,隧道洞外控制测量是为了在各开挖洞口之间建立一精密的控制网,以便据此精确地确定各开挖洞口的掘进方向和开挖高程,使之正确相向开挖,并保证准确贯通。2.2洞外控制测量的内容隧道洞外控制测量内容主要包括洞外平面控制测量和洞外高程控制测量两部分。72.3洞外控制点的要求按照《工程测量规范》 (GB50026-2007 ) ,洞外控制点应满足以下规范:(1) 、在每个洞口应测设不少于 3 个平面控制点和 2 个高程控制点。 (2) 、在直线隧道上,两洞口应各确定一个中线控制桩,并以两桩连线作为隧道的中线。 (3) 、在曲线隧道上,应在两端洞口的切线上各确定两个间距不小于 200 m 的中线控制桩,以两条切线的交角和曲线要素为依据,来确定隧道中线的位置。(4) 、洞外控制点进行平面测量的同时进行高程控制测量,联测各洞口水准点的高程,以便引测进洞,保证隧道在高程方向准确贯通。 2.4洞外平面控制测量方法对于长大隧道,洞外平面控制测量方法有三角网法、GPS 静态测量法、中线法、精密导线法。根据实际需求,下面主要介绍洞外三角网法和 GPS 静态测量法。2.4.1三角网法三角网测量法在建立隧道洞外平面控制网时,一般是布设成单三角锁的形式。对于直线形隧道如图 2-1 所示,一排三角点应尽量沿线路中线布设。当条件许可时,也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;对于曲线形隧道如图 2-2 所示,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。 图 2-1 直线形隧道洞外三角网布设图图 2-2 曲线形隧道洞外三角网布设图2.4.2 GPS 静态测量法GPS 静态测量法进行长大隧道洞外控制测量时。仅需在各开挖洞口附近测定几个控制点的坐标,其工作量小,精度高,而且可以全天候观测。因此它是长大隧道洞外控制测量的首选方案(GPS 对于洞内测量受限) 。如对于一条长度为 1.85km 的隧道,假设按照 E 级 GPS 网进行布设,在通视的条件下,其水平重要方向的贯通误差仅 0.007m。因此对于洞外平面控制测量,精度得到了保证。GPS 控制测量应依据《全球定位系统(GPS )铁路测量规程 》 (TB10054-1997)进行。GPS布网技术要求见表 2-1 表 2-1 GPS 布网技术要求级 别项 目 A B C D E8闭合环或附合路线的边数 ≤5 ≤6 ≤6 ≤8 ≤10平均距离 (km) 300 70 10~15 5~10 0.4~5在实际工程项目中,例如赣龙铁路峡山隧道。平面控制即采用设计院提供 CPⅡ控制点,洞口加密点采用聘请中铁三局测量公司 CPⅡ控制点,取得了很好的效果。2.5洞外高程控制测量2.5.1高程控制测量的意义洞外高程控制测量,是按照设计精度施测两开挖洞口附近水准点之间的高差,以便将整个隧道的统一高程系统引入隧道洞内,以保证在高程方向按设计精度正确贯通,并使隧道各附属工程也能按顺利修建。2.5.2高程控制的方法相对于光电测距三角高程的方法,水准测量方法精度更加高。因此,对于长大隧道一般选择水准测量方法(但当山势陡峻采用水准测量困难时,可酌情在部分隧道使用三角高程测量的方法) 。隧道工程水准测量的主要技术标准见下表 2-2。表 2-2 水准测量的主要技术标准观 测 次 数 往返较差或闭合差等级每千米高差全中误差(mm)路线长度(km)水准仪的型号水 准 尺与已知点联测附合或环 线平地(mm)山地(mm)二等 2 - DS1 因瓦 往返 往 返 4 n-DS1 因瓦 往测三等 6 ≤50DS3 双面 往 返 往 返 12 4四等 10 ≤16 DS3 双面 往 返 往测 20 n6五等 15 - DS3 单面 往 返 往测 30 -2.5.3洞外高程控制测量路线选择要求高程控制路线应选择连接两洞口最短和最平坦的线路方案,以便达到设站少、观测快、精度高的要求。两水准点的位置,以能安置一次仪器即可联测为宜,方便引测并避开施工的干扰尤佳;每一个洞口应埋设不少于 2 个水准点,保证能相互检验。第三章 长大隧道洞内控制测量技术3.1隧道洞内控制测量目的在隧道施工中,随着开挖的延伸进展,需要不断给出隧道的掘进方向。为了正确完成施工放样,防止误差积累过多,保证最后的准确贯通,应进行洞内控制测量。3.2隧道洞内控制测量内容隧道洞内控制测量内容包括洞内平面控制测量和洞内高程控制测量。3.3 隧道洞内平面控制测量方法隧道洞内平面控制测量应结合洞内施工特点进行。由于洞内场地狭窄,施工干扰大,9洞内平面控制常采用中线法或导线法两种方法。 3.3.1中线法和导线法的定义中线法是指采用直接定线法。即以洞外控制测量定测的洞口投点为依据,向洞内直接测设隧道中线点,并不断延伸的一种特殊的支导线布设方式,直接进行施工放样。其一般以定测精度测设出待定中线点,其距离和角度等放样数据由理论坐标值反算。导线法是指隧道洞内平面控制采用布设精密导线进行。3.3.2中线法和导线法比较中线法测量工作相对简单、工作量小。一般适用于≥500 m 的曲线隧道和≤1 000 m 的直线隧道。但如果将中线法测设的中线点,辅以高精度的测角、量距要求,进而计算出新点实际的精确点位,并和理论坐标相比较,根据其误差,再将新点移到正确的中线位置上,这种方法也是可以用于长大的隧道。导线法较中线形式灵活,点位易于选择,而且可有多种检核方法。当组成导线闭合环时,角度经过平差,还可提高点位的横向精度。主要使用于长大隧道。3.3.3洞内导线布设形式洞内导线布设形式有单导线法,主、副导线环法和导线环法。下面主要介绍单导线法和主、副导线环法。(1)采用单导线法的优点是导线布设灵活,缺点是缺乏检测条件。因此施工中应定期检查各导线点的稳定情况。(2)主、副导线环,如图 3-1 所示。图中双线为主导线,单线为副导线。主导线既测角又测边长,副导线只测角不测边,增加角度的检核条件。在形成第二闭合环时,可按虚线形式,以便主导线在 3 点处能以平差角传算 3~4 边的方位角。主副导线环可对测量角度进行平差,提高了测角精度,对提高导线端点的横向点位精度非常有利。图 3-1 主、副导线环法3.4洞内导线布设的特点洞内导线是随着隧道的开挖而向前敷设的。因此只能敷设支导线或狭长形导线环,而不可能将贯穿洞内的全部导线一次测完。测量工作间歇时间取决于开挖面的进展速度。导线的形状(直伸或曲折)完全取决于坑道的形状和施工方法;支导线或狭长形导线环只能用重复观测的方法进行检核,定期进行精确复测,以保证控制测量的精度;洞内导线点不宜保存,观测条件差。3.5洞内进行平面控制注意事项(1)洞内控制网平差应采用科傻平差软件 CODAPS 对导线进行严密平差计算。(2)隧道洞内控制测量是在施工条件下进行的,因此隧道内照明、湿度、排烟通风等因素对测量有比较大的影响。为适应洞内的温度和湿度,仪器进洞后必须晾露 30~40min 后才能使用。如果洞内外空气条件相差较大,仪器开机后应进行各项参数改正后方可使用。(3)洞口控制点是距贯通点最远的点,其测角误差对贯通的影响最大。并且洞口控制点又是由洞外引向洞内的测角站,对贯通也有举足轻重的作用。因此观测时间宜选在夜间各项条件较稳定后或气象稳定的阴天进行。进洞后第一对导线点向洞外控制点观测时,亦该如此。(4)导线点埋设时,应尽量将导线边长放长,一般直线地段≥200 m,曲线地段≥70 m,以此减少洞内测站数,削弱误差的积累。有时因洞内情况较复杂,难免采用短边和特殊短边,但一旦有条件时,须及时改善短边条件并加以补测,以避免方位误差过大的有害影响;10每次建立新点,都必须检测前一个旧点是否稳定,确认旧点没有发生位移,才能用来发展新点;导线点应布设在避免施工干扰、稳固可靠的地段,且应沿中线附近布设,以削弱旁折光对水平角测量精度的影响,再者导线点应成对埋设,埋设时成对的两个导线点应在里程方向前后错开 5~10m,左右错开 0,5~1m ,以便于观测和防止导线点在使用过程产生混淆。(5)导线测量操作按照《新建铁路工程测量规范》执行。各等级导线技术要求如表 3-1。表 3-1 导线测量的主要技术要求测回数等 级导线长度 (km)平均边长 (km)测 角中误差(” )测 距中误差(mm)测距相对 中误差DJ1DJ2DJ6方位角闭合差(” )相 对 闭合差三等 30 3 1.8 20 ≤1/150000 6 10 - 3.6 n≤1/55000四等 20 1.5 2.5 18 ≤1/80000 4 6 - 5 ≤1/35000一级 10 0.7 4 10 ≤1/70000 - 2 4 8 ≤1/20000二级 6 0.3 8 10 ≤1/30000 - 1 3 16 n≤1/10000三级 — — 12 15 ≤ 1/7000 - 1 2 24 ≤ 1/50003.6洞内高程控制测量3.6.1洞内高程测量意义洞内高程控制测量是将洞外高程控制点的高程通过联系测量引测到洞内,作为洞内高程控制和隧道构筑物施工放样的基础,以保证隧道在竖直方向正确贯通。3.7洞内水准测量与洞外水准测量的方法比较洞内水准测量与洞外水准测量的方法基本相同,但有以下特点:(1) 、隧道贯通之前,洞内水准路线属于水准支线,故需往返多次观测进行检核。(2) 、洞内三等及以上的高程测量应采用水准测量,进行往返观测;四、五等有必要时候也可采用光电测距三角高程测量的方法,应进行对向观测。(3) 、洞内应每隔 200~500m 设立一对高程控制点以便检核.为了施工便利,应在导坑内拱部边墙至少每 100m 设立一个临时水准点。(4) 、洞内高程点必须定期复测。测设新的水准点前,注意检查前一水准点的稳定性,以免产生错误。 因洞内施工干扰大,常使用挂尺传递高程, 第四章 长大隧道控制测量精度设计与误差理论分析长大隧道中,隧道的控制测量设计与误差分析主要考虑以下三个方面误差的影响:高程贯通误差影响、横向贯通误差影响、纵向贯通误差影响。4.1高程控制测量设计方法高程误差主要影响线路坡度,高程误差过大会使隧道在相遇点出现错位。高程控制测量的等级设计应参照表 2-2 按下列公式计算:
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