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3134隧道洞外控制测量
3-1-34隧道洞外控制测量
1. 概论
1.1. 隧道地表控制测量的目的、意义
铁路、公路等线性工程在通过山岭、河流地段时,可以采用隧道方式通过。
隧道控制测量和施工测量误差是引起隧道贯通误差的主要原因。
因此,要保证隧道的贯通精度,必须从隧道地表控制测量、隧道洞内控制测量和隧道施工测量等环节入手,从严控制,以保证相向开挖隧道按预计精度贯通,从而保证本段工程设计线性的质量,避免隧道贯通误差超限而引起较大的局部返工。
满足隧道贯通精度,还可以避免因贯通误差过大而调整线路,避免在贯通面附近加大隧道断面,降低隧道施工成本。
1.2.贯通精度要求与测量方法
隧道贯通误差主要考虑横向、纵向和高程三个方面的误差。
按隧道贯通中误差的二倍作为隧道的极限贯通误差。
不同长度铁路隧道的贯通限差如下表3.1.34-1。
公路及水工隧道则应采用相关行业的规范标准。
本标准基于铁路隧道规范制订。
表3.1.34-1不同长度铁路隧道贯通限差表
项目
横向贯通误差
高程贯通限差
隧道长度
<4
4~7
7~10
10~13
13~17
17~20
20~25
25~30
30~35
地表测量中误差
30
45
60
90
120
150
150
150
150
18
洞测量中误差
40
60
80
120
160
200
260
320
400
17
隧道贯通中误差
50
75
100
150
200
250
300
350
425
25
贯通限差
100
150
200
300
400
500
600
700
850
50
根据表3.1.34-1不同长度隧道的贯通误差要求,隧道地表控制测量可以采用的测量方法及测量精度要求如表3.1.34-2。
表3.1.34-2平面控制测量适用长度及设计要素
测量方法
测量等级
适用长度
洞口联系边方位精度(秒)
测角精度(秒)
边长相对
中误差
GPS测量
一
30~35km
1.0
—
—
二
20~30km
1.3
—
三
<20km
1.7
—
导线测量
一
20~35
—
0.7
1/200000
二
8~20
—
1.0
1/200000
6~8
—
1/100000
三
4~6
—
1.8
1/80000
四
2~4
—
2.5
1/50000
五
<2
—
4.0
1/20000
三角测量
一
20~35
—
0.7
1/300000
二
8~20
—
1.0
1/200000
6~8
—
1/150000
三
4~6
1.8
1/100000
四
2~4
2.5
1/50000
1.3. 隧道地表控制测量的基本方法
隧道地表控制测量包括隧道平面和隧道高程控制测量。
平面控制测量一般采用GPS控制测量、导线控制测量和三角测量或它们的组合形式进行。
GPS控制测量以其布网灵活、观测即时、可以大大减少人力、物力和财力、缩短隧道地表控制测量的时间、成本低廉等优点而受到青睐。
随着科技的不断进步,目前长大隧道地表控制测量大多采用GPS控制测量。
隧道高程控制测量则一般采用水准测量和三角高程测量方法进行,但后者仅适用于四等以下高程控制测量。
可以有条件地用三角高程测量代替三等水准测量。
GPS高程测量目前还处于研究阶段。
1.4.地表控制测量工作流程
地表控制测量工作一般应包括:
资料收集、测量设计、网点选布、野外观测、原始数据检查、控制网平差计算、线路关系重新计算及洞口放样计算、成果技术交底与资料交验等工作,其工作流程如图1所示。
如果仅复测设计单位提交的导线控制点,线路关系用设计坐标的形式给出,一般可以不再重新推算线路关系,但应对设计线路关系进行复核。
2. 控制测量设计
2.1. 设计准备工作
测量实施前,首先应收集与隧道相关的设计文件资料,包括隧道平面图、隧道纵断面图、正洞与支洞洞口布置图、大小临时设施布置图,设计线路桩点表、设计曲线要素表、设计高程成果表、设计控制成果测量成果表等以及适用于本行业的测量规范、规程等。
2.2. 地表控制测量设计
2.2.1测量精度及测量方案设计
测量精度和测量方案设计应结合现有仪器设备和可能的测量方案,在现有隧道平面布置图上进行纸上选点。
完成纸上选点后,采用相应软件估算所选方案可能产生的隧道地表控制测量贯通误差值,通过调整设计精度或布网方案,包括提高或降低观测精度、改变网形或改变引测进洞的起始边,直到确定满足隧道地表控制测量贯通误差应有的精度要求,最终确定本次地表控制测量的测量方案和精度等级。
2.2.2仪器设备的选择
隧道地表控制测量选用的仪器设备应根据隧道长度、现有设备和隧道所处地理环境确定。
平面控制测量在条件许可的情况下,长度大于4km的隧道优先选用GPS设备,长度大于6km时应选用GPS双频接收机。
当隧道长度小于6km时,也可以选用精度不低于2″、3+2ppm的全站仪。
高程控制测量当测量精度不高于四等时,优先选用三角高程测量进行,所选全站仪的测距精度不低于II级、测角精度不低于2″。
精度高于三等精度时,应选用S05、S1型精密水准仪或数字水准仪作精密水准测量。
三等高程控制测量可以采用三角高程测量或水准测量。
2.2.3测量组织及技术措施
通过测量设计,确定地表控制测量所用的仪器、测量精度等级及布网方案后,应进行仪器和人员的组织,确定交通和通信工具,进行野外控制网的选布、选择良好的观测时间段。
观测前应向作业人员进行人员转移、观测中的有关注意事项及技术措施等技术交底。
组织措施中应将仪器设备和人员组织作为测量技术保障的重点。
必须选用满足测量精度、仪器性能完好、处于有效鉴定期的测量设备;对于长大重点隧道,应配备足够的优秀专业测量技术人员及测量工人,选派的民工作必要的辅助工作。
2.3. 确定测量方案
根据设计所需精度,结合实际情况,选择相应的测量方案。
3. 仪器设备及人员组织
3.1. 仪器检定和检验和测量人员要求
(1) 用于隧道地表控制测量的设备,除满足相应的精度要求外,还应保证已按照国家法定检定周期送法定计量检测机构检验合格,并处于良好的工作状态。
野外观测成果均应依据仪器检定结果进行必要改正。
(2) 卫星定位系统设备在使用前应由专业测量工程师检查主机的相关参数、与之相配的天线及主机内部设置。
(3) 用于测量的全站仪,测量前应检校仪器的各部轴系关系,检查仪器内部相关参数的设置,尤其应当注意温度、气压、反射器常数设置。
所用的反射器及其与之配合使用的金属脚架是否相配,其改正常数等均应在测量之前明确。
(4) 水准仪在使用前则应检查其轴系间的关系,电子水准仪还应检查参数设置等。
(5) 与各类仪器相配的脚架,在使用前应检查联结螺丝是否固紧。
(6) 参与测量的人员包括技术人员、技术工人均应通过技术培训并持有有效测量上岗证。
3.2. 平面测量仪器设备和人员
根据不同的测量方案,平面控制测量应按表3.1.34-3、4配备相应的测量仪器设备和测量人员。
表3.1.34-3平面控制测量仪器设备表
序
仪器名称
精度要求
数量
辅助设备
1
GPS双频接收机
≤5mm+1ppm
4台套
脚架、测伞、通讯、电缆线、计算设备
2
I级或II级全站仪
2″、2mm+2ppm
1套
反射器、脚架、记录手簿、测伞、通讯、电缆线、计算设备、温度计、气压计
3
对讲机
4台
4
计算机
1台
5
计算软件
严密平差
1套
表3.1.34-4平面控制测量主要人员配备表
测量方法
测量工程师
测量技师
测工
备注
GPS控制测量
1
1
3
每组
常规导线测量
1
1
3
每组
3.3. 高程测量仪器设备和人员
根据不同的测量方案,高程控制测量应按表3.1.34-5、6配备相应的测量仪器设备和测量人员。
表3.1.34-5高程控制测量主要仪器设备表
仪器名称
精度要求
数量
辅助设备
备注
水准仪或电子水准仪
S05、S1、S3型
1~2台
脚架、相应的铟瓦水准尺或条码尺、电缆线、计算设备
几何水准测量
全站仪
I级或II级
1套
反射器、脚架、记录手簿、测伞、通讯、电缆线、计算设备、温度计、气压计
三角高程测量
对讲机
4台
计算软件
严密平差
1套
表3.1.34-6高程控制测量主要人员配备表
测量方法
测量工程师
测量技师
测工
备注
水准测量
1
1
2
每组
三角高程测量
1
1
3
每组
4. 控制测量
4.1.控制网选布
4.1.1. 平面控制网选布一般原则
(1) 根据测量设计确定的测量方法、测量精度要求和控制点的选布方案。
为减小隧道地表控制测量引起的贯通误差,地表控制网宜沿隧道中线布设,并应设在视野开阔、通视良好、土质坚实的地方。
(2) 为提高控制网的可靠性,平面控制网应布设成三角形、大地四边形、多边形等组合图形,并构成闭合检核条件。
(3) GPS控制网应由洞口子网和子网间的联系网组成。
洞口子网受场地限制,布网特别困难时可布设一条定向边,并用常规仪器联合测量增设洞口控制点形成洞口控制网。
当设计定测提交了线路切线控制点时,控制网应联测隧道线路设计线路切线控制点。
隧道密集地段应整体控制。
对于特长隧道,应分段布设控制网,以边连或网连方式联测。
(4) GPS控制点应远离大功率信号装置、高压、超高压输电线,高度角15度以上对天通视良好,便于接收卫星信号。
(5) 常规控制测量的控制点间视线应超越和旁离障碍物1m以上。
当通过水田、沙滩时,应适当增加视线高度;测站和觇标场地应清理和平整,以利于观测。
(6) 常规网应注意相邻边长的边长比不宜过大。
相邻边长比应小于1:
3
(7) 除水准点可利用基岩或在稳固的基石上刻凿外,其余均应按相关规范标准埋设混凝土包金属标志,必要时设观测墩,以提高对点精度。
4.1.2. 隧道高程控制测量控制网的选布要求
二等水准路线一般应沿隧道进出口间的公路或车马道勘选。
若无上述道路或绕行较远,可沿越岭人行小路勘选,但对采用绕行或小路越岭应比较外业工作量。
三等及其以下的高程路线应首先按三角高程导线沿越岭道路勘选。
采用水准时,宜沿公路、车马道和人行小路结合外业工作量比较勘选。
三角高程边应避开大面积水域、荒漠、公路、铁路等高蒸发地面,以减小气差的影响。
4.1.3. 隧道洞口控制点的布设
(1) 每个隧道洞口(含支洞)附近均应布设不少于三个以上平面控制点和不少于两个以上高程控制点。
用于向洞内传算方向的洞外联系边长度,当隧道长度大于4km时,不宜小于300m;隧道长度小于4km时,不宜小于200m,特长隧道的GPS控制网联系边则不宜小于500m。
(2) 洞口平面控制点应便于向洞内引测导线和洞口中线施工放样。
(3) 常规网的进洞联系边最大俯仰角不宜大于15°。
GPS控制网进洞联系边两端应尽可能等高,特殊情况最大俯仰角不应大于5°。
有条件时,进洞联系边尽可能位于隧道平均高程面上。
(4) 布设GPS洞口控制点时,应考虑用常规测量方法检测、加密、恢复控制点以及洞内引测的实际需要,洞口子网各控制点至少应与子网的其它两个控制点通视。
(5) 洞口附近的高程控制点应尽可能与隧道洞口等高,两个水准点的高差以水准测量1~2站即可联测为宜。
4.2.观测计划
4.2.1. GPS测量
应根据各站环境条件,结合星历预报情况,确定各站最有利的观测时间,作出全网的观测计划。
对野外作业的交通、通信、开机和关机时间、各测站人员分配、测站转移等作出详细稠密的安排,以确保各站在自己的观测时段有效卫星数最多。
4.2.2. 常规测量
应根据野外选点情况、是否进行三角高程测量等,确定交通、通信、测站和前后人员组成。
对测站转移作出安排,同时应考虑观测的先后顺序,将观测条件较差的测站安排在最有利的时间段进行。
4.3.观测作业
4.3.1. GPS观测
(1) 操作步骤
到达测站后应即时架设仪器,连接好电器线及数据线,检查仪器对中及置平情况。
提前开启电源并捕捉卫星,按计划时间进行数据记录,量取天线高度,记录信息,观测过程中经常检查捕捉到的卫星个数、记录情况是否正常。
结束前再次量取天线高度并记录。
(2) 质量控制要点
1) GPS控制测量应采用静态相对定位模式,优先使用双频接收机;用于同步观测的接收机数量不少于3台套。
洞口子网和子网间的联系网可分别采用不同时段长度进行观测,但均不得少于60分钟。
GPS洞口联系边应为直接观测边。
联系网宜在不同卫星组下进行观测。
洞口子网和联系网的重复设站率≥2。
2) 野外观测的接收机自动记录信息应包括相位观测值及其对应的时间、卫星星历参数等。
外业手簿记录信息则应包括测站和接收机初始信息如测站名、时段号、天线及接收机编号、天线高等。
天线高应于观测开始前和结束后各量取一次,较差3mm以内取平均值。
3) 外业测量记录应现场填写,不得事后补记或追记。
完成测量后,外业测量记录应按控制网装订成册,交内业验收。
4) 观测过程中在接收机附近20m不得使用对讲设备。
5) 卫星测量应记录天气状况;对于基线长度大于20km或有特殊需要、精度要求特别高的控制网应同时观测气象元素。
打雷等天气突变时,应停止观测。
6) 观测过程中应注意当天的仪器观测记录数据须及时转录到计算机硬盘并作必要的备份。
备份的数据文件不得进行任何剔除或删改,不得调用任何对数据实施重新加工组合的操作指令。
7) 基线解算时应建立具有可追溯性的基线解算过程记录,如记录解算模式、开窗、删星等具体操作。
4.3.2. 常规平面控制网水平角观测
(1) 方向观测法
常规网水平角采用方向观测法(全圆观测法)进行。
操作顺序如下:
在盘左位置,从起始方向A开始,按顺时针方向依次照准A、B、C、D、E、…、A各方向,并读取度盘读数即称为上半测回;然后纵转望远镜,在盘右位置按逆时针方向旋转照准部,从方向A开始,依次照准A、…、E、D、C、B、A并读数,称为下半测回。
上下半测回合为一测回。
在上半测回照准最后一个方向E之后继续按顺时针方向旋转照准部,重新照准零方向A并读数(称为归零);下半测回从归零方向A开始,按顺时针方向依次旋转照准部,最后回到起始方向A,并进行读数。
当方向总数不多于3个时,可以不归零。
(2) 测回数选择
各级控制网选配的测量仪器精度指标及参考测回数参照表3.1.34-7执行。
表3.1.34-7常规测量仪器精度指标及参考测回数
平面控制网等级
测量仪器精度
测回数
一等
DJ1
12~15
二等
DJ1或DJ2
9~15
三等
DJ1或DJ2
4~8
四等
DJ2
3~6
五等
DJ2
2~3
(3) 观测限差规定
水平角方向观测的各项观测限差应符合表3.1.34-8的规定。
表3.1.34-8水平方向观测法观测限差(″)
仪器
等级
光学测微器两次重合读数之差
半测回归零差
各测回同方向两倍视轴差2C的互差
各测回同方向值互差
DJ07
1
6
9
6
DJ1
1
6
9
6
DJ2
3
8
13
10
(4) 重测规定
方向观测时,对于超限的方向观测值应按下列要求重测:
1) 对错度盘、测错方向、读记错误或因中途发现观测条件不佳而放弃的测回,重新观测时应不计重测数。
2) 两倍视轴差的互差或方向值互差超限时,应重测超限方向,并联测零方向。
3) 半测回归零差超限,应立即重测该半测回。
当引起该测回重测时,计重测数为(N-1)个方向测回(重测一个方向算做一个方向测回,N为包括零方向在内的方向总数)。
4) 测回中重测的方向数超过方向总数的1/3时,该测回应重测,但重测数只计超限方向数。
5) 测站中重测的方向测回数超过全部方向测回总数的1/3时,该测站全部成果应重测。
6) 一测站全部方向测回总数应为(N-1)·M,M为基本测回数。
7) 水平方向观测超限进行重测时时,光学仪器一般应在原测度盘位置上重测。
(5) 外业观测质量评定
导线环、三角锁的角度闭合差应不大于按下式计算的限差:
式中m—测量设计的测角中误差(″)
n—导线环或三角锁的内角个数,三角锁n=3。
外业观测结束后应按导线网或三角网的闭合差估算控制网的测角中误差,并应符合测量设计的精度要求。
导线网的测角中误差应按下式估算:
式中fβ—导线环的角度闭合差(″);
N—导线环的个数。
三角锁的测角中误差应按下式估算:
式中w—三角形的角度闭合差(″);
N—三角形个数。
(6) 质量控制措施
1) 观测前,应让仪器在观测环境中静置一段时间,使仪器内外温度一致,一般将仪器置于阴影下20~30min之后进行,观测过程中不应使仪器受日光直接照射。
2) 测站观测方向多于两个时,应选择距离适中、通视良好、成像清晰且垂直角较小的方向作为零方向,以提高测角质量。
3) 为减小仪器对中误差对测角的影响,宜在测回间采用仪器和觇标多次置中。
4) 为提高测角质量,三等以上控制网方向垂直角大于6°、四等观测方向垂直角大于10°时,宜在测回间重新整置仪器,或进行竖轴倾斜改正。
4.3.3. 常规平面控制网距离观测
导线边和三角锁的起始边长测量应根据测量设计所需的精度,结合仪器设备条件,采用光电测距仪或全站仪进行往返观测,必要时按不同时段往返观测。
测距精度、最短边长和测回数应符合表3.1.34-9的规定。
精度高于1/200000的测边,测回间应采用仪器及目标两次对中。
表3.1.34-9测距精度表
测距精度
测距仪等级
最短边长(m)
测回数
测量要求
往
返
1/300000
I
500
2
2
测回间180°方向重置仪器及目标
1/200000
I
300
2
2
1/100000
I、II
200
1~2
1~2
1/50000
I、II
100
1
1
1/20000
II
60
1
1
注:
一测回是指照准目标一次读数3~4次。
光电测距计算应按下列要求进行:
1) 光电测距边长均应进行仪器常数及气象因素改正(一般的全站仪没有进行该项改正,精密测量必须进行此项改正)。
S1=S0+C+R×S0
式中S1――仪器加乘常数改正后的斜距(m);
C――仪器加常数(m);
R――仪器乘常数(1ppm=1/106)
S0――测量的斜距(m)
2) 气象因素测定应符合表3.1.34-10的要求。
表3.1.34-10气象因素测定要求
测距精度
最小读数
测定时间
气象数据取用
温度
气压
C
Pa
1/200000~1/300000
0.2
66.661(0.5mmHg)
每边观测始未
每边两端的平均值
1/20000~1/100000
0.5
133.322(1mmHg)
每边测定一次
测站端的数据
注:
1mmHg=1mmHg=1.33333hpa=1.3333mbPa 1mb=0.75mmHg
斜距气象因素改正计算(大多全站仪可以直接在仪器中输入参数自动改正):
气象改正:
S=S1+S1×(K1-K2×P/(1+T/273.16)/10000)/106
式中:
S――气象改正后的斜距(m);
S1――仪器常数改正后的斜距(m);
P――气压(mmHg);
T――温度(℃);
K1、K2――测距仪气象改正系数,部分测距仪气象改正系数(仪器使用说明书中可查)如表3.1.34-11:
表3.1.34-11部分测距仪气象改正系数
仪器厂商
类型
K1
K2
瑞士
DM501
281.9
3864
瑞士
DM503、DM504
281.9
3872
索佳
SET2B/2C/3E/2000
279
3871
托普康
GTS200/300/600/700
280
3883
宾得
PTS-V2/05/215
280
3883
尼康
DTM300/400/500/700/800
275
3883
莱卡
TC300/400/1000/2000
283
3891
苏光
DCH2
274
3873
3) 仪器加、乘常数及气象改正后的斜距应按下式归算为平距:
式中S—-所测斜距(m);
Z—-天顶距。
4)
导线边长或三角锁的起始边和检测边往返观测的平距应按下式分别归算到隧道平均高程面上:
式中H—反射镜高程(m);
H0—隧道线路设计纵坡的平均高程(m);
R—地求平均曲率半径,取6371km。
5) 归算到隧道平均高程面的往返测距离最后长度应取往返测平均值。
4.3.4. 精密三角高程测量
(1) 隧道高程控制测量的精度等级
隧道高程控制测量应根据测量设计所需的精度,结合仪器设备和高程路线条件选择。
二等高程控制测量应采用水准测量。
三、四、五等高程控制测量可以采用水准测量,也可采用光电三角高程测量。
推荐使用三角高程测量进行四等及以下高程控制测量。
各级高程控制测量的精度等级如表3.1.34-12。
表3.1.34-12高程控制测量适用的水准路线长度及设计要素
等级
每千米高差偶然中误差(mm)
每千米高差全中误差(mm)
水准仪等级
全站仪等级
水准标尺类型
二
≤1.0
2
DS0.5、DS1
线条式因瓦水准尺
三
≤3.0
6
DS1/I
线条式因瓦水准尺
DS3/I
区格式水准尺
四
≤5.0
10
DS3/I
区格式水准尺
五
≤7.5
15
DS3/I、II
区格式水准尺
表3.1.34-13隧道地表各等级高程控制测量
测量等级
二
三
四
五
两开挖洞口间高程路线长度(km)
>36
13~36
5~13
<5
(2) 测量误差要求
高程控制测量各等级水准测量两水准点间测段往返测高差不符值应符合表3.1.34-14。
在山区水准测量时,当平均每千米单程测站大于25站时,测段往返测高差不符值应符合表3.1.34-14的规定。
表3.1.34-14测段往返测高差不符值限差(mm)
水准测量等级
平地
山地
二
4
0.8
三
12
2.4
四
20
4.0
五
30
6.0
表中:
L为水准路线长度(km),n为两水准点间单程测站数
依据洞外高程控制测量结果所计算的测量精度,必须符合测量设计的精度要求,并应满足洞外允许贯通中误差;水准测量应按全隧道所有测段的往返高差计算
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- 3134 隧道 控制 测量