瓮潭输水隧洞施工控制设计指导

会计学1瓮潭输水隧洞施工控制设计指导本工程位于临桂县宛田乡瓮洲村委瓮潭村境内，为瓮潭水电站的引水隧洞。水源引自罗家水库，水库坝址位罗家村下游约1.4公里，设计为钢筋混凝土重力坝，最大坝高95米。水流从大王山输水隧洞至瓮潭村西南1公里的山坡出口后，用两条压力钢管引至电站水轮机蜗壳发电，发电后尾水经明渠经瓮潭村南排入义江。1.3工程概况第1页/共82页1.4本工程工程特征指标如下：水库坝顶高程400.00米水库正常高水位390.00米输水隧洞进口底面高程375.00米输水隧洞出口底面高程365.00米输水隧洞全长1900.00米输水隧洞断面尺寸宽2米，高2.5米压力钢管直径ф=1.50米水电站厂房地坪标高223.00米水电站水轮机蜗壳高程220.00米最大流速4米/秒最大水头145.00米发电能力14000千瓦第2页/共82页本隧洞施工采用全断面开挖法，自两端洞口相向开挖，输水隧洞全长1900.00米，贯通面设计在距进口1100米。1.5工程施工方法第3页/共82页dy2dy412345678dy1贯通面dy5dy71100800第4页/共82页每个同学必须在规定时间独立完成下列任务：图上设计大王山隧洞施工控制网；分析讨论地下导线布设方案；估算横向贯通预期精度；提出地面网和地下网观测纲要；编制施工控制网设计说明书（简要）。1.6设计任务和内容第5页/共82页4一设计主要内容要求123二有关精度规格指标三设计书内容四横向贯通误差的分配工程测量课程设计五横向贯通误差近似估方法56六地面网对横向贯通精度影响其严密方法4447七地面和地下控制测量注意事项第6页/共82页1．隧洞开挖横向贯通中误差允许值不得大于50毫米；2．控制网等级规格。二有关精度规格指标第7页/共82页2.1横向贯通误差和高程贯通误差的限差（铁路测量技术规则）贯通误差限差两开挖洞口长度(km)L<44-88-1010-1313-1717-20横向贯通限差（mm）△100150200300400500纵向贯通限差（mm）Δ≤1/2000*L高程贯通限差（mm）50(洞外±18（mm）洞内±17（mm）)第8页/共82页横向贯通误差地面地下的分配3个等影响因素横向贯通误差分配（mm）两开挖洞口长度(km)<44-88-1010-1313-17横向贯通限差Δ100150200300400横向贯通中误差m＝Δ/25075100150200地面控制测量分配30456090120地下导线左右分配406080120160两开挖洞口长度小于4km时，M=100mm/2=50mm,上式结果每项为29mm，地面取30mm，地下41，取40第9页/共82页2.2有关精度规格指标铁路隧洞外控制网等级规格《铁路测量及技术规程》等级平均边长S均（米）测角中误差Mβ起始边边长相对中误差最弱边边长相对中误差测回数二等8001”.01/23万1/13万J1:9三等6001”.81/13万1/7万J1:4J2:9四等4002”.51/7万1/4万J1:2J2:6五等2005”.01/4万1/2万J2:3第10页/共82页

等级测角精度(″)开挖长度(KM)最弱边相对中误差二±1.06～81/30000三±1.84～61/25000四±2.51.5～41/15000五±4.0<1.51/10000

输水隧洞外三角网(锁)测量精度（水电测量规范）

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输水隧洞洞外导线测量精度（水电测量规范）

等级测量精度（″）开挖长度（km）相对中误差二±1.06～81/10000三±1.84～61/10000四±2.52～41/10000五±4.0<21/10000第12页/共82页三角锁、导线测量等级测角中误差（〃）仪器型号测回数二1.0DJ16～9DJ29～12三1.8DJ14DJ26四2.5DJ12DJ24五4.0DJ22测角精度、仪器型号和测回数第13页/共82页有关精度规格指标电磁波测边要求等级最小边长边长精度I类仪器测回数II类仪器测回数三等600米1/8万22四等400米1/5万22五等200米1/3万11第14页/共82页按测距精度分类

光电测距仪精度，可按1公里测距中误差（即mD=A+BD，当D=1km时），划分为3级：

w

Ⅰ级：mD≤5mm；

w

Ⅱ级：5mm<mD≤10mm；

w

Ⅲ级：10mm<mD≤20mm。其中：A为固定误差，以mm为单位；

B为每公里的比例误差系数，以mm/km为单位；

D为测距边长，以km为单位。

第15页/共82页1．假定某测量队承担了大王山隧洞施工控制测量任务，该队现有2″级全站仪2台，标称精度2mm±2mm×10-6·D，最大测程4.0km；trimble5700全球定位设备3台。2．本次设计只考虑平面网设计，对高程控制，计划自樟村内二等水准点分别沿河用三等水准引测至坝址，隧洞进出口及电站厂房，故本次设计对高程控制可不涉及。2.3作业条件及设计要求第16页/共82页3．本施工控制网主要为保证隧洞贯通测量所设，但由于坝址、隧洞和电站厂房为一体，为保证它们间的有机联系，应分别在坝址区和电站厂房附近各布设1—2个控制点，并将它们纳入统一的控制网中，此类点只作坝址区和电站厂房另建施工控制网的起算点用。4．隧洞进出口处应尽量包括于施工控制网中，形成一级布网，如若由于地形条件所限无法办到时，也必须在距洞口300米以内设置控制点一个（即近洞点）。但不管怎样，地面网布网层次最多不得超过两级。施工控制网采用独立网形式，不与国家网相连接。2.3作业条件及设计要求第17页/共82页5．地面采用三角网（锁）设计要顾及地形条件，特别要注意是否通视（树木遮挡可暂不考虑）。点位确定后，应根据图形结构及所选取等级估算其对横向贯通误差的影响值以判断所布设和选择方案是否合符要求。估算方法可用严密方法，也可用“导线替代法”。6．洞内施工采用导线法施工，其形式主要应是等边直伸支导线。在编制观测纲要和设计说明书时应讨论地下导线的布设层次，即是否需要布设主要导线？然后根据讨论结果提出地下导线的测角精度规格及根据设备条件应采取哪些措施减少测角误差影响。2.3作业条件及设计要求第18页/共82页2.3作业条件及设计要求地下导线边长要求

施工导线边长为25-50米基本导线边长为150-200米主要导线边长为400米7．在讨论地面网地下网精度影响基础上应估算施工后的预期贯通精度并写入说明书中。第19页/共82页施工导线：指导开挖，方便放样，精度较低，边长30~50米，由基本导线控制。基本导线：保证贯通，精度较高，边长100~200米，当隧洞不超过2KM时，可作首级控制。主要导线：保证贯通，边长150~800米，由合适的基本导线点组成，应尽量靠近中心线布设。第20页/共82页洞内（地下）导线技术要求等级测角精度″导线边长(m)边长相对中误差一±1.82501/20000二±2.52001/15000三±5.01501/10000第21页/共82页4一设计主要内容要求123二有关精度规格指标三设计书内容四横向贯通误差的分配工程测量课程设计五横向贯通误差近似估方法56六地面网对横向贯通精度影响其严密方法4447七地面和地下控制测量注意事项第22页/共82页封面目录工程项目施测目的测区简况工程特征值地面网布设方案（附图）及主要特征值地面网误差对横向贯通影响值的计算地下导线布设方案讲座及精度估算横向贯通预期总误差估算地面网地下网观测主要技术要求有关说明三设计书内容第23页/共82页1．控制网设计图；2．精度估算资料；3．设计说明书。提交主要资料目录第24页/共82页4一设计主要内容要求123二有关精度规格指标三设计书内容四横向贯通误差的分配工程测量课程设计五横向贯通误差近似估方法56六地面网对横向贯通精度影响其严密方法4447七地面和地下控制测量注意事项第25页/共82页四横向贯通误差的分配

把测量误差分成：地面控制测量、两条地下导线，3个独立的影响因素来考虑。则每个因素的影响为（常用此公式）：

两开挖洞口长度小于4km时，横向贯通限差Δ＝100mm横向贯通中误差M=100mm/2=50mm,上式结果每项为29mm，地面取30mm，地下41，取40第26页/共82页4一设计主要内容要求123二有关精度规格指标三设计书内容四横向贯通误差的分配工程测量课程设计五横向贯通误差近似估方法56六地面网对横向贯通精度影响其严密方法4447七地面和地下控制测量注意事项第27页/共82页五横向贯通误差近似估方法5.1.导线测量误差对横向贯通精度的影响（重点）（mm）

测角误差的影响从导线环中选联接两洞口一条导线。设RX为该条导线各点至贯通面的垂直距离（m），则导线的测角中误差m（″）对横向贯通中误差的影响为：贯通误差估算的方法因控制网的形式不同而异第28页/共82页RX1RX2RX3RX4RX5RX6RX7RX812345678（mm）xy贯通面点1至贯通面的垂直距离第29页/共82页

测距误差的影响同理，设导线环选取的一条导线中各边在贯通面上的投影长度为dy(m)，导线边长测量的相对中误差为ml/l

，则由于测距误差对贯通面上横向中误差的影响为：第30页/共82页dy2dy412345678dy1贯通面dy5dy7该边在贯通面上的投影长度该边在贯通面上的投影长度第31页/共82页

受角度测量误差和距离测量误差的共同影响，导线测量误差对贯通面上横向贯通中误差的综合影响为：第32页/共82页5.2考虑洞口两端起始边方位角误差的影响

导线测量误差对横向贯通精度的影响设

为洞口两端进洞导线点的起始边方位角误差，两进洞点至贯通面的垂直距离（m），则洞口两端导线起始边方位角误差对横向贯通中误差的影响为：第33页/共82页受角度测量误差、距离测量误差和洞口两端起始边方位角误差的共同影响，导线测量误差对贯通面上横向贯通中误差的综合影响为：第34页/共82页由地面导线测量误差考虑到定向方向而引起的横向贯通误差

—测角、量边和洞口两端起始边方位角误差所引起的横向贯通误差；—地面导线的测角中误差，以秒计；—导线边长的相对中误差；—各导线点至贯通面的垂直距离的平方和；—各导线边在贯通面上投影长度平方的总和；—洞口两端起始边方位角误差；

—洞口两端点至贯通面的垂直距离；第35页/共82页5.3洞内导线测量误差引起的横向贯通误差

—测角、量边和洞口两端起始边方位角误差所引起的横向贯通误差；—地下导线的测角中误差，以秒计；—导线边长的相对中误差；—各导线点至贯通面的垂直距离的平方和；—各导线边在贯通面上投影长度平方的总和；第36页/共82页

等边直伸的地下导线，导线的测角误差引起横向误差，而量边误差与横向误差无关。因地下导线一般为支导线，由测角引起的横向贯通误差及测角误差可表示为：

式中：mq以米为单位，s为导线边长(单位为米)，n为导线的边数。第37页/共82页

地下直伸导线的边长误差只对隧道的纵向贯通误差产生影响

(本次不需要估算)

，用公式表示为：

式中，MS为主要导线的边长中误差，μ为边长丈量偶然误差系数,S为基本导线的平均边长。第38页/共82页5.4地面与地下导线测量误差引起的横向贯通误差

由以上式可得：

上式即为导线测量误差对横向贯通误差的影响值的近似公式。因为它是按支导线推导的，而实际工作中，总是要布设为环形或网形，通过平差，测角测边精度都会产生增益，故按上式进行横向贯通误差估算将偏于安全。第39页/共82页其中：对于等边直伸的地下导线，由测角引起的横向贯通误差可表示为：

式中：mq以米为单位，s为导线边长(单位为米)，n为导线的边数。第40页/共82页5.5导线测量误差对横向贯通精度的影响算例

［例］某铁路隧道为直线隧道，设计长度为L=1136.29m，洞外平面控制设计为单导线，其布设如图。试确定测量等级并判定该设计方案能否满足贯通的精度要求第41页/共82页［解］（1）图解相关数据A、F为导线的始、终点，亦为隧道洞口控制点。以洞外导线的始点A做为坐标系原点，以隧道中线按里程增加方向为X轴正向，建立测量坐标系。在地形图上，各导线点A、B、C、D、E、F在贯通面方向上的垂足分别为A′、B′，C′、D′、E′、F′，量算出各导线点的垂距RX及各导线边在贯通面方向上的投影长度dy，其结果于表7-3中。第42页/共82页（2）确定隧道洞外平面控制测量等级

本例隧道长度小于2km，根据表7-5洞外导线测量适用长度知，洞外导线可布设为五等，即导线测角中误差为

mβ=±4.0″，边长相对中误差为ml

/l=1/20000。（3）估算洞外导线测量误差对贯通的影响洞外导线测量误差对贯通的影响列表计算如下第43页/共82页洞外导线测量误差对横向贯通影响各导线点至贯通面的垂距RX各导线边在贯通面方向的投影长度dy点名RX（m）RX2（m2）导线边dy（m）dy2（m2）B400160000A~B14019600C15025500B~C401600D25062500C~D16025600E480230400D~E704900E~F13016900∑475400∑68600第44页/共82页=±13.4（mm）=±13.1（mm）=±18.7（mm）未考虑起始方位时，洞外导线测量中误差对隧道的影响预计是18.7mm，其允许值是30mm，显然该洞外导线测量设计可行。

第45页/共82页=±13.4（mm）=±13.1（mm）考虑起始方位，洞外导线测量中误差对隧道的影响预计是20.7mm，其允许值是30mm，显然该洞外导线测量设计可行。

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在隧道的地面三角测量中常采用三角锁，简化为导线的近似估算（重点掌握并能应用）将三角锁的边看做为导线边，选择最靠近隧道中线的一条线路，将其做为导线。

三角测量误差对横向贯通精度的影响估算5.6地面三角网测量误差对横向贯通精度影响第47页/共82页三角测量误差对横向贯通精度的影响估算12345678方法1.按导线估算（偏于安全）近似导线第48页/共82页方法2.按照严密公式计算(公式与方法见《新建铁路测量规范（条文说明）》)自学见后面2.三角测量误差对横向贯通精度的影响估算12345678第49页/共82页p5.7隧道外GPS平面控制网精度按边角网近似估算

第50页/共82页隧道（洞）洞外GPS平面控制网布设示意图隧道外GPS平面控制网精度按边角网近似估算算例

J进洞点，C出洞点两端各有3个定向点定向点一般300-500米，少于该值应强制对中第51页/共82页隧道外GPS平面控制网精度按边角网近似估算算例

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5.8高程控制测量对高程贯通误差的影响估算(本次不需要估算)在贯通面上，受洞外或洞内高程控制测量误差影响而产生的高程中误差为：式中，M为每千米水准测量的偶然中误差，以mm计；L为洞外或洞内两开挖洞口间高程路线长度的公里数。第53页/共82页4一设计主要内容要求123二有关精度规格指标三设计书内容四横向贯通误差的分配工程测量课程设计五横向贯通误差近似估方法56六地面网对横向贯通精度影响其严密方法4447七地面和地下控制测量注意事项第54页/共82页按方向的间接平差估算在方向间接平差中，可按求平差未知数函数的精度的方法估算横向贯通误差，另外还有零点误差椭圆法，这两种方法都属于严密估算方法。可利用控制网通用平差程（可考虑基本条件）在微机上进行，能适合各种网形，使用简便，具有普遍推广意义。六地面网对横向贯通精度影响其严密方法（只作了解）第55页/共82页6.1按求平差未知数函数的精度的方法估算横向贯通误差

如图所示，GJ、GC分别表示由进出口点通过联系角和边长SJG、SCG计算的贯通点。在计算地面控制网测量误差对横向贯通误差的影响时，应将βJ、βC、SJG、SCG视为不含误差的量。

由图可知横向贯通误差即贯通面上两点GJ、GC的横坐标差△YG的中误差。J、C、A、B、G分别表示进、出口点、向点和贯通点。第56页/共82页因此应首先列出计算△YG的公式，然后对△YG全微分，可得权函数式：其中:因此，只要能计算出进出口点及其定向点的协方差阵（可由通用平差程序求得），即可按广义误差传播律计算出的方差。第57页/共82页

由上式不难看出，影响值与贯通点G的位置有关（G应位于进出口点之间的中部），且与定向点的位置和精度也有关。若进出口分别有m、n个定向点，则有m×n个影响值。测量设计时，可计算出最小影响值所对应的定向点组。由洞外向洞内作进洞测量时，应优先考虑这一组定向点作联系方向点，并以其它定向点检核。第58页/共82页

进一步还可将影响值的权函数式表示为观测值的线性函数，即:

式中：dlR、dlS—分别为方向、边长观测值的微分向量；

DR、DS—为相应的系数向量；由上式可研究每一观测值误差对横向贯通精度的影响，这对网的优化设计具有意义。第59页/共82页6.2.零点误差椭圆法

若将βJ、βC、SJG和SCG视为不含误差的虚拟观测值，并将GJ、GC作为控制网的点纳入一起计算，在通用平差程序中，可计算GJ、GC、两点的相对误差椭圆，该椭圆长半轴在贯通面上的投影即为影响值，即：式中:Ψ—以椭圆长半轴为起始方向时Y轴的方位角：上面公式中，E、F、为零点相对误差椭圆的元素。用该法所计算的影响值综合了所有的测量误差，其影响值是唯一的，其值不同于坐标差权函数法的任一结果，相当于用所有的定向点进行多点定向进洞。第60页/共82页

用上述两种方法计算影响值时，需要给出网的近拟坐标、观测方案以及观测精度等值，用通用平差程序计算坐标未知数向量的协因数阵，乘以先验单位权方差得协方差矩阵。地面网施测之后，也可以按上述方法用验后单位权方差计算实测网的影响值。第61页/共82页6.3GPS网对贯通误差影响的估算方法

由GPS网的测量误差所引起隧道贯通误差，可以根据进、出口点及其定向点的坐标值及其协方差矩阵，由贯通点的设计坐标、贯通面的方位角等信息，编写一段专门计算贯通误差影响值的程序，在微机上进行。

如图所示，J、C为进出口点（不一定在中线上），A、B为定向点（可能有多个），G为贯通点，在不考虑边长SJG、SCG和连结角和的误差的情况下，由进、出口推算出贯通点的坐标差、的权函数式（见13-2式）ΔXG、ΔYG图GPS网贯通误差影响图隧洞外GPS平面控制网布设示意图第62页/共82页

设未知数函数的线性化权函数式为：则由协因数传播律可得权函数的权倒数（协因数）和互协因数，即：因此，由（13-2）式，可计算出ΔXG、ΔYG的协因数qΔX、qΔY、以及它们的互协因数XΔY，乘以GPS网的验后单位权方差，即可得到贯通点坐标差的方差和协方差，由它们可以计算贯通点的零点相对误差椭圆，该椭圆在贯通面上的投影即为GPS网的横向贯通误差影响值。第63页/共82页4一设计主要内容要求123二有关精度规格指标三设计书内容四横向贯通误差的分配工程测量课程设计五横向贯通误差近似估方法56六地面网对横向贯通精度影响其严密方法4447七地面和地下控制测量注意事项第64页/共82页七.地面和地下控制测量注意事项

地下工程的地面平面控制测量可根据地下工程的特点、范围、地形条件，采用精密导线、三角测量及GPS技术进行。高程控制测量可采用精密水准测量或光电测距三角高程测量进行。地下控制测量可采用导线测量、水准测量和三角高程测量。第65页/共82页图13-4现场标定法示意图

建立洞外平面控制的常用布网方案有三角锁、精密导线法、三角与导线联合布网、GPS网等形式。7.1隧道地面控制网第66页/共82页三角锁的优点是图形结构坚强、布点少、推进快、精度高、多余观测数据较多，可以检查判断明显的粗差和系统误差，其缺点是测角工作量大，受图形传距角大小的限制以及基线丈量困难。但目前由于高精度光电测距仪的应用，测量边长已不再困难。所测边长根据其测距精度的高低，可作为基线使用也可当作观测值参与平差。

一般测量一条或两条基线，布网时三角点应尽靠近轴线。洞口附近应布设至少两个控制点，洞口应尽可能的避免施工干扰，而且点位稳定、安全。

三角锁第67页/共82页三角网法（三角锁）三角测量建立隧道洞外平面控制时，一般是布设成单三角锁的形式。对于直线隧道，一排三角点应尽量沿线路中线布设。条件许可时，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。对于曲线隧道，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。第68页/共82页第69页/共82页三角网控制测量第70页/共82页精密导线法导线最短边长不应小于300m，相邻边长的比不应小于1：3，并尽量采用长边，以减小测角误差对导线横向误差的影响。用导线方式建立隧道洞外平面控制时，导线点应沿两端洞口的连线布设。导线点的位置应根据隧道的长度和辅助坑道的数量及分布情况，并结合地形条件和仪器测程选择。

第71页/共82页导线的水平角一般采用方向观测法。当水平角只有两个方向时，可按奇数和偶数测回分别观测导线的左角和右角，这样可以检查出测角仪器的带动误差，数据处理时可以较大程度地消除此项误差的影响。导线的内业计算一般采用严密平差法，对于四、五等导线也可采用近似平差计算第72页/共82页

隧道洞外导线应组成闭合环，一个控制网中导线环的个数应不少于4个；每个环的边数约为4~6条，应尽可能将两端洞口控制点纳入到导线网中。第73页/共82页

导线测量的优点是选点布网较自由、灵活，对地形的适应性较好。目前光电测距导线已成为隧道平面控制测量的主要布设方案。光电测距导线的布设形式可分为附合导线、闭合导线和直伸形多环导线锁等。导线点应尽量靠近洞轴线布设，导线点个数不宜过多