《土木工程测量》 教案 第14章 地下工程测量

土木工程测量课程教案课程名称：土木工程测量课程号：课程学分：2参考学时：32课程性质：专业必修课适用专业：土木工程类专业上课时间：授课教师：负责人：审核单位：年月日-1-一、课程基本信息课程名称土木工程测量课程号课程性质专业必修课开课部门课程负责人课程团队授课学期学分/学时2/32授课语言汉语先修课程土木工程测量课程简介本课程作为城市轨道交通技术专业必修的专业基础课，是城市轨道交通技术专业人才培养过程中重要的一环，为后续专业课的学习做铺垫，让学生更好在工程的规划设计、施工、竣工和运营管理等阶段所进行的测量工作，以及在工程建设中发挥更好的管理作用。课程内容主要包括地形图相关概念，控制测量的定义、分类、作用与实施，地形图碎部测量方法，地形图绘图、整饰及应用，施工测量的含义、特点及实施，全站仪坐标测量及坐标放样的原理及操作过程，建筑工程测量相关知识，建筑纵横断面测量，桥梁与地下工程测量相关内容，变形监测的相关概念，沉降监测和水平位移监测的方法及操作过程等。课程主要目标掌握控制测量和地形图碎部的测量的含义与实施过程，掌握施工测量的含义与实施过程，掌握变形监测的含义及沉降监测和水平位移监测的方法及操作过程。通过该课程的学习能够让同学们更好的体会土木工程测量在工程建设中的作用，具有更强的实践操作能力、学习能力、团体协作能力和独立解决事情的能力，拥有大国工匠精神以及更强的责任感。授课班级课程授课教案第14章，共15章讲课主题地下工程测量学时2学时教学目标通过本章的学习，学生应理解地上、地下控制测量，联系测量，地下工程施工测量，地下工程竣工测量的相关理论知识和方法；掌握地下控制测量、联系测量和地下施工测量的方法、步骤；了解腔螺经纬仪的原理和作业方式。教学重点、难点本章的主要内容包括地上、地下控制测量，联系测量，地下工程施工测量，地下工程竣工测量。本章的教学重点为地上、地下控制测量和联系测量，教学难点为联系测量。教学设计授课提纲及重难点分析教学方法及课程思政设计教学时间14.1概述建设在地表以下的工程称为地下工程，包括铁路、公路、输水沟渠的隧道，城市地下交通工程，越江隧道，人防工程的地下洞库、地下工厂、地下电站、地下医院等。由于作业条件的限制，地下工程测量环境较差，检核条件较少，精度较难把握，且工程耗资巨大，稍有差错就会造成工程事故。如图14-1所示，为了加快隧道的掘进进度，往往会从两端相向掘进。对于特长隧道，还会采取开挖竖井、平响或斜井的形式增加掘进工作面。隧道自两端洞口相向掘进开挖，在洞内预定位置挖通，称为贯通。因此，隧道测量也称为贯通测量。地下工程以隧道工程为代表，尤其是目前高速公路、高速铁路快速发展，其线路不可避免地出现大量穿山隧道、特长隧道等，而保证隧道的正确贯通就显得尤为重要。在隧道施工中，相向开挖的两个工作面开挖到贯通面后施工中线不能准确地重合，会产生错位，这种偏差称为贯通误差。贯通误差包括纵向贯通误差、横向贯通误差和高程贯通误差三个分量。如图14-2所示，贯通误差沿中线方向的分量Δt称为纵向贯通误差；水平垂直于中线方向的分量Δu称为横向贯通误差；在铅垂面内的分量Δh称为高程贯通误差。16min14.2地上、地下控制测量14.2.1地上控制测量为满足地下工程施工要求，需要在高等级地面控制点的基础上布设地面控制网，在洞口等关键部位加测一些控制点，同时对已知的控制点进行检核。地上控制测量分为地上平面控制测量和地上高程控制测量。1.地上平面控制测量地上平面控制测量常用的技术方法有GNSS静态相对测量、全站仪导线测量、三角形网测量。1）GNSS静态相对测量根据工程设计的等级不同，在布设GNSS控制网时，观测时段及基线长度要按照相关规范执行。2）全站仪导线测量在进行导线布设时，尽量在隧道中线上方的前进方向采用伸展式布设。布设的形式以闭合导线为主，构成闭合环网，并尽可能将隧道洞口控制点纳入导线网中。3）三角形网测量在布设三角形网时，隧道洞口控制点A和B应包含在其中，用全站仪测定三角形网的全部角度和若干条边长或全部边长，使之成为边角网。布网时，三角点应尽量靠近轴线。洞口附近应至少布设2个控制点，洞口控制点应尽可能避免施工干扰，以保证点位稳定、安全。2.地上高程控制测量地上高程控制测量的主要任务是在施工洞口附近建立至少2个准确的高程控制点，以作为洞内开挖高程基准，保证隧道竖向贯通（高程贯通）。地上高程控制测量主要采用水准测量技术，等级按技术设计和规范要求。对于一些山势险峻等水准测量比较困难的地区，可以采用全站仪三角高程测量技术，但精度要符合要求。在布设水准路线时，要求布设成闭合环，路线的选择以起伏较小和路线总长度尽量短为原则，通过减少测站数来减少误差来源。采用全站仪三角高程测量时，要求对向观测，边长不能过长，并加入球气差改正等参数。洞口附近至少布设2个水准点，应以安置一次仪器即可联测为宜。14.2.2地下控制测量完成隧道洞口控制点的布设、观测和平差计算后，需要将平面控制点和高程控制点（水准点）往洞内延伸，以控制开挖方向和开挖底板高程。地下控制测量分为地下平面控制测量和地下高程控制测量。1.地下平面控制测量隧道内空间狭窄，受隧道形状和空间的限制，洞内的平面控制网只能以导线形式布设。地下导线网如图14-6所示。对于短隧道，可布设成单一的直伸导线；对于较长隧道，可布设成狭长且多环的闭合导线网。和地面导线不同，地下导线是随着开挖的延伸而逐级布设的，即按照施工导线、基本导线、主要导线的顺序布设，这三种导线的特点如下：（1）施工导线：精度较低，边长为25~50m，用于控制初期的开挖方向。（2）基本导线：精度较高，掘进100~300m时布设，边长为50~100m。（3）主要导线：精度更高，掘进800m左右时布设，边长为150~300m。由于地下导线是随隧道开挖而布设的支导线，当重新增加一个点（25~50m）时，必须检查前一个旧点的稳定性，确认旧点没有发生位移，才能用来发展新点。此外，布设导线时还应注意以下几点：（1）地下导线点位于隧道顶板上时，需采用上对中的方式。（2）有平行导坑时，平行导坑内的单导线应与正洞导线联测。（3）地下导线边长较短、光线较暗，为减少测角误差，要尽可能减小仪器对中误差和目标照准误差。（4）主要导线边长在直线段处不宜短于200m，在曲线段处不宜短于70m。根据实际条件应布设尽可能长的导线边，以减少转角个数。（5）在隧道掘进过程中，施工爆破、岩层或土体应力变化等可能会使控制点产生位移，所以要定期进行复测检核。2.地下高程控制测量地下高程控制测量的目的是由洞口高程控制点向洞内传递高程，作为洞内中线开挖的高程引导和洞内施工高程放样的依据。洞内应每隔200~500m设立一对高程控制点。地下高程控制测量采用水准测量技术，水准路线一般与导线测量路线相同，在隧道贯通以前为支水准路线，所以必须往返观测。16min14.3联系测量在地下工程施工中，通常会通过增加工作面的方式来加快施工进程，常用的方式有开挖平响、斜井和竖井。为了保证各相向开挖的工作面最终正确贯通，需将地上平面坐标系统和高程系统传递到地下，这些传递工作称为联系测量。平响和斜井联系测量采用全站仪导线测量和水准测量技术，即利用全站仪导线测量和水准测量技术将地上平面控制和高程控制延伸引入地下。竖井联系测量常采用一井定向、二井定向和附螺经纬仪定向。本节主要介绍竖井联系测量。14.3.1一井定向如图14-9所示，一井定向就是在一个竖井内悬挂两根垂线，在地面上根据地上控制点测定出两根垂线的地面坐标及方位角；在井下，根据垂线投影点的坐标及方位角，确定地下导线的起算坐标及方位角。一井定向工作分为投点和连接测量两部分。投点时为了调整和固定钢丝位置，在井架上设有定位板，通过移动定位板可以移动钢丝至合适的位置。（1）投点。将钢丝挂以较轻的荷重，通过滑轮送入井下，然后换上作业重锤。钢丝的直径不能太大，以小于1mm为宜，以免影响观测时的照准精度。作业重锤放入盛有机油的桶内，机油有一定的阻力，比水要好一些。作业重锤不能与桶壁接触，为防止滴水影响，桶需加盖。（2）调节小角。调节两根钢丝的位置，使得地上、地下测站点和两根钢丝的水平夹角尽可能地小。（3）连接测量。（4）求解联系三角形。（5）地下导线起算数据。14.3.2二井定向在隧道施工过程中，为增加工作面，隧道中部开挖有多个竖井，或者为改善施工条件钻有通风孔。此时应该采用二井定向。二井定向时外业工作包括投点、地面与地下连接测量。（1）投点。二井定向是利用两竖井（或通风孔）分别悬挂一根吊锤线进行投点，投点方法与一井定向的相同。与一井定向相比，二井定向两吊锤线间的距离大大增加了，因而减小了由投点误差引起的方向误差，有利于提高地下导线的精度，这是二井定向的主要优点。此外，二井定向外业测量简单，占用竖井的时间较短。有条件时可以把吊锤悬挂在竖井的设备管道之间，对生产的影响更小。（2）连接测量。二井定向时，地面上采用导线测量方法测定两吊锤线的坐标；地下导线两端点分别与两吊锤线联测，组成一个闭合无定向导线。将地面坐标系中的坐标传递到地下，经计算可求得地下导线各点的坐标。14.3.3陀螺经纬仪定向凡是绕自身对称轴高速旋转的物体都可以称为陀螺。附螺在高速旋转时具有以下两个重要特性：（1）当无外力矩作用时，附螺自转轴始终指向初始恒定方向，该特性称为附螺的定轴性。（2）当受到外力矩作用时，附螺自转轴将按一定的规律产生进动，该特性称为陀螺的进动性。1.陀螺经纬仪的基本工作原理附螺经纬仪是一种将附螺和经纬仪结合在一起的仪器。附螺经纬仪的基本工作原理是：当附螺旋转轴以水平轴转动时，由于地球的自转，附螺的旋转轴会向子午线方向产生进动，最终稳定在子午面内，附螺自转轴将以子午面为中心做往复摆动，求得附螺自转轴摆动的平衡位置即得测站的真北方向。2.陀螺经纬仪的主要结构陀螺经纬仪主要由陀螺仪、经纬仪两大部分组成。其中陀螺仪由陀螺敏感部、锁放机构、输电机构及跟踪机构几部分组成，下面简要介绍这几部分的作用。（1）陀螺敏感部。附螺敏感部是附螺仪的关键部件。（2）锁放机构。锁放机构使陀螺敏感部在工作状态下处于自由悬挂状态，在非工作状态下处于固定状态。（3）输电机构。输电机构的功能就是为运动中的陀螺供电。（4）跟踪机构。跟踪机构主要跟踪陀螺敏感部的运动轨迹。3.陀螺经纬仪定向的作业过程陀螺经纬仪定向的作业过程主要包括：（1）测定仪器常数和地面（井上）已知边的陀螺方位角；（2）测定地下（井下）定向边的附螺方位角；（3）仪器上井后重新测定仪器常数，计算仪器常数的最或是值；（4）计算子午线收敛角；（5）计算地下定向边的坐标方位角。下面重点介绍仪器常数的测定和地下定向边坐标方位角的计算。1）仪器常数的测定在理想情况下，所测边的附螺方位角应与真方位角一致，这时仪器常数为0。但是，由于附螺自转轴、经纬仪望远镜视准轴不在同一竖直面内，因此测得的附螺方位角与真方位角不一致，其差值称为仪器常数，即真方位角=附螺方位角+仪器常数。地下定向边坐标方位角的计算4.激光垂准仪与忱螺经纬仪联合定向陀螺经纬仪定向时，当通过一井定向按如图14-9所示的方法将地面控制点的坐标传递到地下导线的起始点A,上后，不再利用角度推算地下起始边A,T,的方位角，而是利用陀螺经纬仪独立测定A,T,边的方位角作为地下导线的起算值。为了检核地下导线的角度观测，减少其误差累积，在地下导线的布设中，也可再选取几条边加测线附螺方位角。由于悬吊锤线投点时，钢丝不易稳定，因此在实际工程中，多采用激光垂准仪与陀螺经纬仪联合定向。激光垂准仪与陀螺经纬仪联合定向的步骤如下:竖井投点。（2）陀螺定向。（3）导线测量。（4）角度b2、b3计算。（5）地下导线点坐标计算。14.3.4高程传递对于平响或斜井，可按一般的水准路线布设。竖井高程传递的方法如图14-18所示。在高程传递前，必须对地面上的起始水准点进行检核。高程传递作业应同时使用两台水准仪、两根水准尺和一把钢尺进行。16min14.4地下工程施工测量地下工程施工测量的主要内容是以地下中线测设标定开挖方向，并通过腰线测定控制掘进的坡度和高程。14.4.1地下中线测设地下中线测设是指以地下导线为依据测设中线点。通常情况下，地下导线点并不在理论中线上。为了方便施工，需根据导线点测设一定数量的中线点，作为施工的依据。根据导线点测设中线点的方法如下：P1、P2为已布设的导线点，其坐标已知；A点为中线点，根据其里程桩号可计算出其设计坐标。通过这三个点的坐标计算出放样中线点A所需的放样数据β2和L。（2）放样时，将全站仪安置于导线点P2，后视P1点，然后转动β2角并在视线方向上量取距离L，即得中线点A。（3）标定开挖方向时，可将仪器置于A点，后视导线点P2，拨角βA，即得中线方向。βA可以根据中线的设计方位角和A、P2点的坐标算得。（4）随着开挖面的向前推进，A点距开挖面越来越远。这时，需要将中线点向前延伸，埋设新的中线点，如图14-19中的D点。（5）在实地标出中线点D后，可将仪器置于D点，后视A点，用正倒镜法继续标定出中线方向，指导开挖。AD之间的距离在直线段上不宜超过100m，在曲线段上不宜超过50m。当中线点向前延伸时，在直线上宜采用正倒镜延长直线法，在曲线上则需用偏角法或弦线偏距法来测定中线点。（6）当使用全站仪进行工作时，可用坐标测量模式进行中线测设或中线点坐标测量。14.4.2开挖方向指示—激光指向法在现代施工中，激光由于具有良好的方向性而成为理想的指向工具。激光指向仪发射出可见红色激光，在工作面上形成可见光斑，能够快速、准确地指示隧道中线的位置，从而指导开挖方向和坡度。14.4.3腰线测设在隧道开挖过程中，除标定隧道在水平面内的掘进方向外，还应定出坡度，以保证隧道在竖直面内正确贯通。通常采用腰线法定出坡度。14.4.4开挖断面放样开挖断面时，需要根据设计要求确定出断面的形状，即进行开挖断面放样。如图14-23所示，在开挖里程断面内，将仪器安置在中线上，放样出中垂线AB，其中A为拱顶，B为底板；然后沿AB方向从A开始往下在拱部每50cm、直墙部分每隔1m各量取一点；再按断面设计数据在每点左、右各量取相应的距离l1，l2，l3，…，并在轮廓线上标出1，2，3，…及1’，2’，3’，…。如此便得到开挖面轮廓线，之后再根据具体情况（如地质条件、装药量等）来布设炮眼位置。16