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内容
湖南安全技术职业学院
设计题目:
控制性隧道测量工法
学生姓名:
陈江洪
专业班级:
测绘与地质工程技术0702
指导老师:
甘孝君
系主任:
谢圣权
评阅人:
2010年5月
目录
目录2
摘要4
引言5
第1章工法基本情况6
1.1工法特点6
1.2适用范围6
1.3工艺原理6
第2章测量工艺8
2.1测量工艺流程8
2.2洞外控制测量复测等级设计8
2.3洞外控制点的埋设要求8
2.4洞内控制测量设计9
2.5贯通误差预计9
2.5.1平面控制测量贯通误差预计9
2.5.2高程控制测量贯通误差预计计算公式10
第3章测量作业要点11
3.1GPS控制网布设11
3.2选点要求11
3.3作业要求11
3.4数据处理要求12
3.5高程控制测量12
3.5.1水准测量作业要求12
3.5.2水准控制测量的精度评定13
3.6洞内平面控制测量14
3.6.1洞内平面控制测量的施测要求14
3.6.2数据的处理15
3.7施工放样测量要求16
3.8贯通测量16
3.9桩位的埋设要求17
第4章进场情况18
4.1测量设备(见表4)18
4.2人员组织18
第5章质量安全效益19
5.1质量标准19
5.2安全措施19
5.3效益分析20
5.3.1经济效益20
5.3.2社会效益20
结论21
参考文献22
摘要
本文对GPS在隧道测量中的应用,比较了常规测量方法和应用GPS后的效果;本工法可使隧道高精度贯通,使隧道的超欠挖量大大减少,可节省大量处理超欠挖费用和材料,从而创造很好的经济效益和社会效益。
关键词:
GPS控制网贯通测量
引言
兰州-成都原油管道工程始于甘肃省的兰州市西固区,途经甘肃、陕西、四川三省,终于四川省的彭州末站,管线从甘肃省陇南市礼县盐关镇至四川省广元市朝天区羊木镇与中卫-贵阳输气联络线并行敷设。
本工程管道沿线经过渭河流域、嘉陵江流域及沱江流域,翻越秦岭山区,河流大型穿越12处,中型穿越20处,其中中型穿越与联络线同沟敷设8处,山岭隧道穿越41处,其中与联络线共用隧道穿越39处,该线有控制性隧道12条。
山岭隧道都位于崇山峻岭之中,测量的工作量非常大,必须选择合理的施测方案,制定有效的质量控制措施,才能确保测量质量,保证隧道高精度贯通,极大地减少超欠挖,创造最好的效益。
本工法根据隧道长度及要求的贯通精度指标进行测量设计,在施工过程中严格按测量设计的施测等级要求施测,按要求组织测量人员,配套设备,以达到最优施测效果,从而保证隧道高精度贯通。
第1章工法基本情况
1.1工法特点
1.洞外平面控制测量要在隧道进出口各选取3个以上控制点,利用GPS接收机对隧道进出口控制点组成的GPS网进行测量,并利用直接投影法WGS-84坐标转换为实用的隧道施工坐标。
2.洞外高程控制测量采用精密水准测量,保证由洞外高程的偶然中误差引起的在贯通面上的中误差小于18mm。
3.洞内平面控制测量在布网上采用等边闭合导线环网,使测量精度提高
倍以上。
4.洞内高程控制测量采用三等水准进行施测,从而使测量结果安全稳妥。
5.数据处理均采用严密平差电算程序,提高了工作效率,减少了计算工作量,减轻了劳动强度,并且使计算结果可靠。
6.由于采用GPS测量技术,使洞外控制测量时间大大减少,提高了工效,故对加快施工进度、确保建设工期意义重大。
7.利用全站仪、精密水准仪及GPS测量技术,使隧道既达到了理想的贯通精度,又创造了很好的经济效益和社会效益。
1.2适用范围
本工法适用于长度在1.5km以上的隧道,独头掘进超过3km以上及采用TBM施工的隧道用本工法效果更好。
1.3工艺原理
1.GPS是全球性的卫星定位系统,能提供连续的、实时的位置、速度和时间信息。
GPS定位时,把卫星看成是“飞行”的控制点,利用GPS观测数据,通过平差计算求得各控制点在WCS-84坐标系中的坐标,然后经坐标转换至施工坐标系,得出各控制点的施工坐标。
2.水准测量的基本原理是借助水准仪的水准器将视准轴调置水平以建立水平视线,根据水平视线在不同地点竖立的水准标尺上的读数就可以求得不同地点的高程。
3.洞内控制导线网以单导线的误差传播规律为基础,由洞内预计分配中误差m洞内、两洞口间长度L,通过下式试算确定出较为合理、实用、经济的洞内平面控制测量等级,再根据测量等级提出施测要求和精度指标。
洞内外高程控制的精度指标是根据下式,由预计分配中误差mh(洞内为17mm.洞外为18mm)及两洞口间高程测量线路长度K,通过试算确定出较为合理、实用、经济、可靠的高程测量等级,再根据测量等级确定施测要求和精度指标。
第2章测量工艺
2.1测量工艺流程
测区调查主要是调查该隧道进出口的气候,水准路线的长度,交通和通讯情况以及风土人情等,为洞外控制测量的等级设计作准备。
(图2.1)
2.2洞外控制测量复测等级设计
1.平面控制测量采用GPS系统进行复测,复测等级采用B级。
2.高程控制等级由公式
来计算,其中M△h为两端水准点的高程中误差;m为每公里水准测量中误差(一般应取全中误差);L为两歼挖洞口间的水准路线长(单位为km)。
洞内、外高程控制测量等级适用的水准路线长度和仪器等级见表l。
表2-1各等级水准测量适用的水准路线长度
测量部位
测量等级
两开挖洞口水准路线长度/km
水准仪等级
水准标尺类型
洞外
一
>81
S1、S0.5
线条式因瓦水准标尺
二
>36
S1
线条式因瓦水准标尺
洞内
二
>32
S1
线条式因瓦水准标尺
三
11~32
S3
区格式水准标尺
四
5~11
S3
区格式水准标尺
2.3洞外控制点的埋设要求
洞外控制点的埋设要保证其不易破坏,不受施工干扰。
2.4洞内控制测量设计
1.洞内平面控制测量布网形式采用等边闭合导线环网,导线环的边数为4~6条。
2.测量等级设计
由于洞内导线布成等边闭合导线环网,则测角中误差和横向贯通中误差与控制测量等
级的关系由下式求得
式中m——洞内横向贯通中误差;
Mβ——测角中误差(");
Ρ——206265";
Sk——两开挖洞口间长度;
N——导线边数。
2.5贯通误差预计
2.5.1平面控制测量贯通误差预计
(1)洞外GPS控制测量对水平方向贯通误差的影响值按下式计算:
式中m外——控制网误差对水平方向的贯通误差影响值的中误差;
m2——由进口计算的影响值;
m3——由出口计算的影响值;
mβ——由控制点放出中线时理论角度中误差。
(2)洞内水平控制测量对贯通误差的影响值按下式计算:
(3)预计隧道水平贯通误差按下式计算:
2.5.2高程控制测量贯通误差预计计算公式
第3章测量作业要点
3.1GPS控制网布设
1.在布点时洞口要有控制点,该点要能够看到洞内第一个控制点,定向边要大于洞内导线边长,并尽可能靠近隧道轴线。
各GPS点尽量位于同一高程面上,高度角尽量小,以减弱垂线偏差对进洞方向的影响。
2.控制网采用3~4台GPS接收机,以相对静态定位方法施测。
所有控制点均用异步环相联,并组成空间三角形和空间大地四边形以加强GPS网的几何强度。
3.2选点要求
为确保GPS观测质量,提高工作效率,方便施工测量,隧道GPS控制网选点时应注意以下几点:
1.洞口应至少布设3个控制点,尽量等距等高布设,联系测量时以减弱观测调焦和垂线偏差对进洞连接角的影响。
2.视野开阔,高度截止角15。
以上不得有障碍物,以便GPS接收机的安置和卫星信号的接收。
3.远离强电磁源,周围不应有大面积反射面,以避免多路效应。
4.点位埋设要稳固,洞外与洞内测量连接边的边长不短于300m。
5.点位尽量选择在交通便利的地方,并至少应有两个以上的通视方向,以便用常规手段进行联测和加密。
3.3作业要求
1.同步观测时段数≥2。
2.时段长度:
当lkm
3.卫星高度角≥15°。
4.PDOP≤6。
5.有效卫星个数≥5。
6.采样速率=15s。
3.4数据处理要求
1.观测数据、平差计算均采取两组对算,相互复核,以确保无误。
平差计算采用严密平差法,编制程序进行计算。
2.基线向量处理:
首先进行基线向量初始化,然后设置基线向量解算条件,对高度截止角、采样间隔进行设置,选择解算类型。
以下设置可以提高基线向量的解算精度。
(1)改变历元间隔由于GPS机本身和外界干扰产生整周跳变
如卫星被某些障碍物阻断,这时改变历元间隔,可提高基线向量解算精度,改变历元间隔越大,需要的观测时间段就相对越长。
(2)增大高度截止角增大高度截止角对求
解整周未知数与提高成果精度有益,因为所有相应的噪声随卫星的高度截止角增大而降低,但这时要有足够多的卫星参与运算且PDOP值良好(小于4)。
(3)调整有效历元该参数常用来删除某些卫星的某段质量较差的数据。
3.基线解算时采用下列参数:
对流层模型:
Hopfield
电离层模型:
标准模型
星历:
广播星历
使用数据:
码和相位
使用频率:
L1+L2
解模糊值的边长限制:
小于20km
先验中误差:
±10mm
3.5高程控制测量
3.5.1水准测量作业要求
实施水准测量的过程中,在严格执行各等级规范的同时,特别注意以下几个方面:
1.仪器距前、后视水准标尺的距离应尽量相等(可用测绳丈量)。
其差应小于规范规定的限值。
2.在两相邻测站上,应按奇、偶数测站的观测程序进行观测,即分别按“后前前后”和“前后后前”的观测程序在相邻测站上交替进行。
3.在一测段的水准路线上,测站的数目应安排成偶数。
4.在每一测段的水准路线上,应进行往、返测,高差取往返测高差的平均值。
5.在洞外高程测量中,一个测段的水准路线的往、返测应在不同的气象条件下进行(如上午、下午)。
6.注意减弱旁折光和地面折光的影响。
在洞外高程控制测量中,根据山区作业坡陡路窄的特点,视线尽量避开山弯;由于坡度大,读数时尽量提高视线高度。
7.坚持每次施测前检校标尺的圆水准气泡以确保标尺的铅直。
8.在《测规》中对各施测等级的观测时间、视距长度和视线离地面的高度等都有明确规定,要严格执行,且观测应在成象稳定清晰的条件下进行,特别是在洞内。
9.水准测量观测工作间歇时,最好结束在固定的水准点上,否则应选择两个坚稳可靠、光滑突出、便于放置水准标尺的固定点,并加以标记。
阅歇后应对间歇点的高差进行检测,检测结果如满足限差要求,就可以从间歇点起测。
否则应从水准点开始重测。
3.5.2水准控制测量的精度评定
水准测量精度评定是根据观测数据往返测的高差不符值来评定的。
往返测高差平均值的每公里偶然中误差为:
式中△是各测段往返测的高差不符值,取mm,R是各测段的长度,取km,n为测段的数目。
3.6洞内平面控制测量
3.6.1洞内平面控制测量的施测要求
1.由洞外向洞内的引测工作,应在夜晚或阴天进行;在测定定向角和洞内、外连接角或当洞内、外高差和边长悬殊过大时,水平角的观测测回数要比规范规定的测回数增加50%~100%。
2.在每次向前延伸导线时,须对已测的前三个导线点进行重复置镜测量检核,确认无误后方可继续引测。
3.在洞内测量过程中必须避免施工干扰,并应保证通风、照明及通讯设备,使照准目标有足够的明亮度和清晰度。
4.在测回间采取仪器多次重新置中,一般3~5测回重新置中一次仪器,并采用双照准法(两次照准、两次读数),以减少对中误差的影响,保证测角精度。
5.布设洞内导线时,导线边边长应根据测量设计的要求布设。
导线点应尽量布设在施工干扰小、通视良好且地层稳固可靠地段,其点间视线应横向离开施工建筑物0.2m以上。
6.水平角观测采用方向观测法观测,各项误差规定如表2,每个测回的零方向读数,应均匀分配在度盘的不同位置上。
7.在导线测量过程中,为了限制测角误差的积累,提高横向精度,一般在导线全长的三分之二处,加测两个以上陀螺方位角!
表2方向观测法各项限差
仪器等级
两次读数之差
半测回归零差
各测回同一方向两倍视准轴差(2c)的互差
各测回同一方向值互差
Jl
1″
6″
9″
6″
J2
3″
8″
13″
10″
说明:
当方向数不超过3个,可不归零。
8.水平角观测超限时,应对超限原因进行分析并重测。
9.使用全站仪测距时,距离及竖直角应往返观测各4测回,距离每测回读数6次,各项限差须符合表3规定。
表3全站仪测距的各项限差
仪器
标称精度
同一测回各次读数互差/mm
往返测平均较差/mm
竖直角测
回间较差/(″)
测回间读数较差/mm
全站仪
≤5+5×10-6D
6
2倍标称精度
8
7
3.6.2数据的处理
1.在测距时,距离的气象改正可直接输入大气温度和气压使全站仪进行自动改正,而加、乘常数改正可根据仪器检定常数进行改正,然后进行归算到隧道统一高程面改正计算,计算公式为
式中L——改正前距离(mm);
H0——隧道统一投影面高程(m);
H——所测距离的平均高程(m);
RA——地球曲率半径,采用6371km。
2.导线闭合环闭合差的限值,应小于下式计算值:
式中m——设计所需的测角中误差(″);
n——导线环内角的个数。
导线环的测角中误差可按下式估算:
式中fβ——各导线环的角度闭合差(″);
N——导线环的个数。
3.当导线数量达到测量设计闭合条件时,应及时对闭合环进行闭合测量,并对闭合环进行平差计算:
首先对单个闭合环进行简易平差,当形成两个以上闭合环时,再采用严密平差对整个环网进行平差,以减少测量误差的积累。
3.7施工放样测量要求
1.根据洞外GPS控制点及隧道中线数据计算进洞数据,指导洞门开挖及洞口段开挖。
2.根据导线控制点调整隧道开挖中线点。
中线点间距约200m。
3.根据高程控制点测定临时施工高程点,临时高程点距工作面距离不得大于40m。
临时高程点要经常复核。
4.每次掘进前用经纬仪和水准仪在开挖面采用“五寸台”法标出设计断面尺寸。
5.为使隧道衬砌的内轮廓线符合设计要求,在立模前应重新复核中线和高程,并放出断面的十字线方向,标出拱架顶、边墙底和起拱线高程。
用衬砌断面的支距即可立拱模和墙模,立模后,必须进行检查及校正,以确保无误。
3.8贯通测量
隧道贯通后,要测定贯通误差并进行调整。
1.在贯通面附近埋一控制点,然后由进洞的两方向,各自测量该点的坐标,所得的闭合差分别投影至贯通面及其垂直的方向上,即得实际的横向和纵向贯通误差,并置镜于该临时点以测求方位角贯通误差。
2.水准路线由两端向洞内进洞,各测至贯通面同一水准点上,所测得的高程差值即实际的高程贯通误差。
3.应用本工法测得的实际贯通水平误差一般不会超过10cm,高程误差在25mm以下,故可按下述方法进行贯通误差调整。
(1)平面误差的调整
①将实测的贯通导线方位角闭合差进行简易平差,即将角度闭合差平均分配到该段导线的各导线角内。
②按平差后的导线角,计算该段贯通导线的各导线点坐标,求出坐标闭合差。
③根据该段贯通导线各边边长,按比例分配坐标闭合差,得到各点调整后的坐标值,并作为洞内未衬砌地段中线点放样的依据。
(2)高程贯通误差调整
贯通点附近的水准点高程,采用由进出口分别引测的高程的平均值,作为调整后的高程。
洞内未衬砌地段的各水准点的高程,根据高程贯通误差值,按水准路线长度比例分配,求得调整后的高程,并作为施工放样的依据。
3.9桩位的埋设要求
1.洞口GPS点、洞内控制导线点、控制高程点,均应参照有关规定埋设混凝土金属标志,标志规格和埋设深度必须以桩点稳定、可靠、易于确认为原则。
2.洞内中线点及临时点可采用混凝土包木桩,并在桩顶钉一小钉以示点位。
3.测量工作中的各项计算,均应由两组独立进行,然后将计算结果对照校核。
计算过程中应及时校核,发现问题及时检查,分析原因。
第4章进场情况
4.1测量设备(见表4)
表4测量设备
序号
名称
精度指标
数量
应用部位
l
GPS接收机
5mm±lppm
3~4台
洞外平面控制测量
2
水准仪
不大于±1mm/km
l台
洞内外高程控制测量
3
水准仪
±3mm/km
2台
洞内施工放样
4
全站仪
1″3+2ppm
l台
洞内平面控制测量
5
经纬仪
2″
2台
洞内施工放样
6
E500计算器
大于64k内存
l台
数据处理
7
气压计
1支
8
温度计
1支
9
钢尺
l把
施工放样
IO
垂球
5个
ll
对讲机
4部
12
因瓦(或因格)水准尺
3m
2根
13
塔尺
5m
2根
4.2人员组织
测量工程师2名,测工4名。
测量人员均须经过培训,做到持证上岗。
第5章质量安全效益
5.1质量标准
1.GPS测量按B级网实施,并达到B级网精度。
2.高程控制测量按国家等级水准测量规范实施,并达到其相应各项指标。
3.水平角及距离观测的限差须满足表2、表3要求。
4.在控制测量设计时,洞内、外控制测量误差对贯通面上贯通误差的影响值应小于表5的规定。
表5洞外、洞内控制测量的贯通精度
测量部位
两开挖洞口不同间距的横向中误差/mm
高程中误差/mm
5~8km
8~10km
10~20km
洞外
45
60
90
18
洞内
60
80
120
17
洞内、外总和
75
l00
150
25
5.全站仪、水准仪、经纬仪、水准标尺等仪器工具,使用前要作必要的检校并定期送检,使其符合测量规范对仪器指标的要求。
5.2安全措施
1.对测量人员进行安全教育,避免各类事故发生。
2.洞内点不应选在塌方、滴水地点,以免落石砸坏仪器,防止仪器浸水损坏内部部件。
3.在测量过程中仪器旁不能离人,以免仪器被碰倒或被风吹倒而摔坏。
4.架仪器时要把脚架螺旋拧紧,脚架固定牢,以防仪器倒地。
5.洞内测量时要配备专业电工安装照明设备,谨防漏电伤人。
6.测量时精力要集中,防止在山势陡峭处摔跤而发生意外。
5.3效益分析
5.3.1经济效益
1.利用GPS网作洞外平面控制网,控制点可根据需要设置,无需再设对工程无用的过渡点,故可省去部分建点费用。
以兰成线隧道为例,若采用常规方法测量要至少埋设20个过渡点,按每个点的建造费2000~4000元计算,只此一项即可节省费用4~8万元。
2.利用GPS网作洞外平面控制网,测量时间由原来的60天缩短到7天,节省人工费近2万元,各种车辆费用5万元。
3.本工法的应用可使隧道高精度贯通,使隧道的超欠挖量大大减少,可节省大量处理超欠挖费用和材料,从而创造很好的经济效益。
5.3.2社会效益
按本工法测量,使隧道高精度贯通,并大大缩短了测量时间,可加快兰州-成都线建设。
由于隧道贯通精度高,为隧道建设中的应用提供了有力支持,使兰成线如期交付运营,促进甘肃、陕西、四川及西南地区的经济发展提供保证。
结论
使用GPS测量法建立的施工测量控制网具有精度高、布网方便等优点。
应用GPS测量法建立的兰州-成都原油管道控制性隧道施工控制网完全满足《新建铁路工程测量规范》(TB10101-99)中规定的各项要求,且点位精度比较均匀。
在平差计算时要注意GPS计算设置,如改变历元间隔、增大高度截止角、调整有效历元等可以提高基线向量的解算精度,也可提高施工控制网点的点位精度及贯通,创造很好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]TB10204-2002/J163-2002《铁路隧道施工规范》
[2]TB10101-99《新建铁路工程测量规范》
[3]蔡宏翔.《GPS在工程测量中的应用补充教材》武汉:
武汉测绘科技大学出版社,1998.
[4]周中漠、易杰军、周琪.《GPS测量原理与应用》北京:
测绘出版社,1992.
[5]李天文.现代测量学[M].科学出版社.2007
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