隧道施工中的地面控制测量与联系测量

隧道施工控制测量包括地面控制测量、地下控制测量和联系测量这三大部分。下面主要介绍地面控制测量和联系测量。

（一）地面控制测量

1.现场标定

图12-5　现场标定直线隧道

对于小型、精度要求不高的直线隧道,一般不进行控制测量,而是在现场直接标定隧道的走向。如图12-5所示,设A、D两点是隧道中线的进洞点、出洞点,且互不通视。现场可在直线AD方向上初选位置B′,用经纬仪正倒镜延长直线的方法延长AB′至C′,再至D′,同时也要用视距或测距方法或在地形图上量取方法获得AB′、B′C′、C′D′的距离。若D′点与D点重合,则B、C点即为中线方向的定向点；否则,量出D′D的距离,计算安置仪器点C′偏离直线的距离C′C,即

然后,将仪器向着直线方向移动C′C,后视D点,再按上述延长直线方法至A,逐步趋近直线,直至B、C点均在直线AD方向上为止。

2.建立地面控制网

对于曲线隧道或精度要求较高的大中型隧道,需要在地面建立平面、高程控制网。

平面控制网布设的形式可以是GPS网、导线网、测边网、测角网或边角混合网。布设控制网时应沿着隧道方向布设,并覆盖整条隧道。隧道的洞口点和曲线隧道的主点应纳入到控制网中或距控制网点较近,以保证这些主要点的精度和进洞、出洞的开切给向及洞内外连接方位角的高精度,如图12-6所示。布网完毕,即可实施观测及数据处理。

大型隧道一般需要建立独立坐标系,即选定贯通中线的方向作为x轴或y轴,隧道平均高程面为投影面,平均子午线为中央子午线,以便于施工和限制长度投影变形。因此,在数据处理前,必须对观测的角度、边长进行投影改正或对GPS网选定取用的坐标系,再进行数据处理。

图12-6　隧道地面控制网示意图

高程控制网可布设为水准网或电磁波测距三角高程网。若隧道两洞口间水准路线的长度大于36km时,应布设为二等水准网；介于13～36km间,应布设为三等高程网；介于5～13km间,宜布设为四等高程网。在每个洞口或拟开凿竖井的附近,应布设2～3个水准基点,以便于向洞内或井下传递高程。

（二）联系测量

联系测量是将地面的坐标、高程系统通过洞口或井口传入到地下,使地上、地下具有统一的坐标和高程系统。其类型分为:平洞、斜井联系测量和竖井联系测量。在进行联系测量前,必须在洞口或井口附近(地上、地下)建好平面、高程控制点。洞口地下控制点是地下控制的基准点,在建立时,点位要非常稳固和便于永久保存及后续控制,点数不少于3个。

由于平洞、斜井联系测量与地面测量相似,这里仅介绍竖井联系测量。

1.一井定向

通过一个竖井将地面的坐标系统导入到井下的测量工作,称为一井定向。一井定向的基本思想是:在井筒中吊入两根钢丝,若钢丝无摆动即呈垂直状态,当地面测定两根钢丝的坐标后便传入到了井下,井下再通过几何方式测量,便将钢丝的坐标、方位角传递给了井下控制基点和控制边,从而使地上、地下具有统一的坐标系统,如图12-7(a)所示。因此,一井定向的主要工作是投点、连接、检查和计算。

图12-7　一井定向

(a)投点与连接；(b)连接三角形

(1)投点。投点就是在井筒中吊入两根钢丝,并保证钢丝呈垂直状态。由于在井筒中有气流、滴水现象,并有自然摆动现象,因此钢丝是摆动的。一根钢丝井上、井下偏离的水平距离,称为投点误差e；因投点误差而引起井下两钢丝间的水平方向偏差,称为投向误差θ。设c为两根钢丝间的距离,两根钢丝的投点误差均为e,则投向中误差θ为

当c=3m、e=1mm时,θ=68.8″,亦即投点误差对投向误差的影响很大。因此,为了减小投点误差,采取的措施是:将吊锤置于设有护盖的水或油桶内,观察钢丝摆动。若其引起的投向误差,致使贯通点产生的横向误差满足方案预计要求,则投点完毕；否则,用相互垂直的两根标尺或专用设备(定点盘)测定钢丝的摆幅平均值,再将钢丝固定于此位置。(www.xing528.com)

(2)连接。连接就是将井上、井下几何图形联为一体,从而将井上的坐标、方位角传入到井下。常用的连接图形为联系三角形,即以两根钢丝为共用边连接井上、井下三角形。如图12-7(b)所示,井上△ABC和井下△ABC′由AB边连接构成一体。测量要求如下。

1)连接图形。DC和D′C′的长度最好大于20m； C、C′点应靠近于AB的延长线,即角度γ、α和γ′、β′不超过2°； C、C′点还要尽量靠近最近的钢丝,使a/c和b′/c之值一般不超过1.5,以构成最有利的延伸三角形。

2)测角。用测回法观测水平角γ、φ和γ′、φ′,测回数按要求而定；若CD边小于20m,观测时应对中三次,且每次转动基座120°。

3)量边。若钢丝稳定,用检定过的钢尺丈量井上a、b、c和井下a′、b′、c′这些边长,每边用6次串尺法丈量,估读至0.1mm,并记录温度,各次丈量的较差在不大于2mm时取平均值；若钢丝摆动,将钢尺沿所量的各边方向固定,用摆动观测方法至少连续读取6个读数为一次,每边丈量两次,其较差在不大于3mm时取平均值作为该边的丈量成果。井上、井下量得的钢丝间距c和c′的差值应不大于2mm。

(3)检查和计算。按正弦定理解算联系三角形的α、β和α′、β′角,且应满足三角形内角和定理,若有小的残差可平均分配给计算的内角。按余弦定理解算钢丝的间距得

并比较钢丝间距的丈量值与计算值之差,即

当井上连接三角形的d上不超过2mm、井下连接三角形的d下不超过4mm时,对丈量的各边实施改正,改正数为

若经改正后井上、井下钢丝的间距不等,取改正后的钢丝间距平均值作为钢丝的间距。然后沿连接三角形的小角路线,即按D→C→A→B→C′→D′的顺序,按支导线形式计算井下基准点的坐标和方位角。

当两个竖井间的隧道连通时,需进行两井定向。两井定向的主要工作仍是投点、连接、检查和计算。检查的重点是井上、井下两钢丝间距的计算值之差要符合限差要求。井下导线按无定向导线形式计算。

确定井下起算边的方位角,除了用上述的几何方法外,还可用物理定向方式直接测定,这种仪器即是陀螺经纬仪。利用陀螺的进动性能够测定真北方向,再通过测定真北方向与控制边方向的水平角、测定仪器常数及查算子午线收敛角等,便能计算出测边的坐标方位角。有关陀螺经纬仪测量的内容、方法请参阅矿山测量等方面的教材或参考书。

2.高程导入

通过竖井将地面的高程系统导入井下,即为高程(或标高)导入。标高导入常用的方法有长钢尺法和长钢丝法,也可用全站仪铅直测距。无论用何种方法,必须独立导入两次,在两次导入的高程之差不超过井筒深度的1/8000时,取平均值作为导入的高程值。

(1)长钢尺法。如图12-8所示,将检定的长钢尺(100m、300m、500m)掛上重锤自由悬挂在井筒中,在井上、井下安置水准仪,先在A、B点水准尺上读数a、b,再同时在钢丝上读数m、n,测定井上、井下温度t上、t下。则B点的高程为

图12-8　标高导入

式中:∑Δl为钢尺改正数总和(包括尺长改正、温度改正、拉力改正、自重伸长改正)。其中计算温度改正时,温度取井上、井下测定温度的平均值。钢尺拉力改正Δlp、自重伸长改正Δlg分别见式(12-14)和式(12-15):

式中:l为标高导入计算的尺长(l=m-n)；l′为钢尺的悬挂点至重锤端点间的长度；p为去掉浮力的重锤重力；p0为钢尺检定时的标准拉力；E为钢尺的弹性系数,E=1.96×107N/cm2；F为钢尺的横断面积,cm2；γ为钢尺的相对密度,γ=7.8g/cm3。

在用长钢尺法导入标高时若无长钢尺,也可将数个30m或50m的钢尺连接在一起,但必须保证钢尺接头处的牢固和自然伸展。

(2)长钢丝法。长钢丝法导入高程的过程与长钢尺法相似,只是长钢丝无长度标记。在对长钢丝进行观测时,必须在钢丝上作好水准视线切点的标记。现场直接测定标记间的长度,可以通过设立比长台,逐段提起钢丝,并在比长台上逐段测定的方法完成。场外测定法是将钢丝全部提出,再测定标记间的长度,用这种方法测量时,必须将钢丝展直,并且要顾及钢丝在井筒中时的拉力、重力和温度等因素。

地下控制测量因与施工测量关联程度较大,故将此内容移至隧道施工测量中介绍。