隧道地铁施工测量和竣工测量

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,地下工程测量,第七章、,隧道、地铁施工测量和竣工测量,栾元重,山东科技大学,我国目前拥有8600多座铁路、公路隧道，总长度约4370多公里，居世界第一。其中，铁路隧道6876座，总长3670公里，为世界第一；公路隧道总数1782座，总长704公里，是世界上公路隧道最多的国家。 我国目前最长的隧道是铁路线上的秦岭隧道，全长18.456公里。,近10年来，我国修建了不少长隧道、特长隧道以及隧道群。,隧道测量的主要任务：在勘测设计阶段是提供选址地形图和地质填图所需的测绘资料、以及定测时将隧道线路测设在地面上，即在洞门前后标定线路中线控制桩及洞身顶部地面上的中线桩；在施工阶段是保证隧道相向开挖时，能按规定的精度正确贯通，并使建筑物的位置符合规定，不侵入建筑限界，以确保运营安全。,7.1 隧道施工测量,7.1.1 隧道进洞测量,洞外控制测量包括平面控制测量和高程控制测量。,洞外平面控制测量常用的方法有：中线法、精密导线法、三角测量、三边测量、边角测量或综合使用，此外还可以来用GPS测量。,1. 中线法,所谓中线法，就是将隧道线路中线的平面位置，按定测的方法先测设在地表上，经反复核对无误后，才能把地表控制点确定下来，施工时就以这些控制点为准，将中线引入洞内。,图7-1 中线法示意图,2. 精密导线法,导线法比较灵活、方便，对地形的适应件比较大。目前在全站仪已经普及的情况下，导线法不失为隧道洞外控制形式的良好方案之一。,在进行导线边长丈量时，应尽量接近于测距的最佳测程，边长不应短于300m；导线尽量以直伸形式布设，减少转折角的个数，以减弱边长误差和测角误差对隧道横向贯通误差的影响。,导线的测角中误差按下式汁算，并应满足测量设计的精度要求：,（7-2）,式中,f,附合导线或闭合导线环的方位角闭合差（）；,n,计算时,f,的测站数；,N,附合导线或闭合导线环的个数。,3.三角测量,三角测量的方向控制较中线法、导线法都高，如果仅从横向贯通精度的观点考虑，则它是最理想的隧道平面控制方法。,三角测量除采用测角三角锁外，还可采用边角网和三边网。但从精度、可靠性、工作量、经济方面综合考虑，以测角三角锁为好。,4. 三角锁和导线联合控制,这种方法只有在受到特殊地形条件限制时才考虑，一般不宜采用。如隧道在城市附近，三角锁的中部遇到较密集的建筑群，这时使用导线穿过建筑群与两端的三角锁相连结。,用于隧道施工控制测量的三角锁或导线环，在布设中除了前面所述要求之外，还应注意以下几点：,1）使三角锁或导线环的方向，尽量垂直于贯通面，以减弱测角误差对横向贯通精度的影响。,2）尽量选择长边，减少三角形个数或导线边数，以减弱测角误差对横向贯通精度的影响。,3）每一洞口附近测设不少于三个平面控制点(包括洞口投点及其相联系的三角点或导线点)，作为引线入洞的依据，并尽量将其纳入主网中，以加强点位稳定性和入洞方向的校核。,4）三角锁的起始边如果只有一条，则应尽量布设于三角锁中部；如果有两条。则应使其位于三角锁两端，这样不仅利于洞口插网，而且可以减弱三角网测量误差对横向贯通精度的影响。,5）三角锁中若要增列基线条件时，应将基线设于锁段两端，但此时起始边的测量精度应满足下列要求,否则，不应加入基线条件。,5. GPS测量,由于GPS具有选点灵活、无需通视，定位精度高，观测时间短，提供三维位置和速度、自动化程度高、操作简便，不受天气条件影响、可全天候作业等特点，GPS在公共安全、大地控制测量、工程测量、变形监测、地球动力学、气象学、海平面监测、时间和频率传输、导航、军事、航空摄影测量等等领域中也得到了极为广泛的应用，正如业内人士所言，“GPS应用只受到人们想象力的限制”。,6. 高程控制测量,洞外高程控制测量的任务，是按照设计精度施测两相向开挖洞口附近水准点之间的高差，以便将整个隧道的统一高程系统引入洞内，保证按规定精度在高程方面正确贯通，并使隧道工程在高程方面按要求的精度正确修建。,水准测量的精度，一般参照表7-1即可。,测量部位,测量等级,每公里高差中数的偶然中误差(mm),两开挖洞口间的水准路线长度(km),水准仪等级,水准尺类型,洞外,二,1.0,36,S,0.5,、S,1,线条式因瓦水准尺,三,3.0,1336,S,1,线条式因瓦水准尺,S,3,区格式水准尺,四,5.0,513,S,3,区格式水准尺,洞内,二,1.0,32,S,1,线条式因瓦水准尺,三,3.0,1132,S,3,区格式水准尺,四,5.0,511,S,3,区格式水准尺,7.2 隧道洞外、洞内联系测量,7.2.1 进洞关系的计算和进洞测量,洞外控制测量完成以后，应把各洞口的线路中线控制桩和洞外控制网联系起来。由于控制网和线路中线两者的坐标系不一致，应首先把洞外控制点和中线控制桩的坐标纳入同一坐标系统内，故必须先进行坐标变换计算，得到控制点在变换后的新坐标。,把中线引入洞内，可按下列方法进行。,1.直线隧道,1）移桩法，如图7-2所示,图7-2 移桩法示意图,2）拔角法,如图7-3，当以AD为坐标纵轴时，可根据A、B及C、D点的坐标，反算出水平角和，即可得到进洞方向。通常为了施工测量方便，亦可将B、C两点移到中线上的B、C点上。,图7-3 拔角法示意图,2.曲线隧道,曲线隧道两端洞口的每条切线上已有两个投点的坐标在控制网中得到，如图7-4中的A、G和D、E。经坐标变换后，以A点为坐标系原点，AG的切线方向为,y,轴，其进洞关系的计算步骤如下：,（1）坐标变换后，得到A、G、D、E各点的新坐标。,图7-4 曲线隧道进洞测量示意图,（2）计算交点的坐标,（3）根据精测算得的和选定的曲线半径,R,和缓和曲线长,l,0，计算出曲线要素,T,、,L,、0、,p,、,m,、,x,0、,y,0。,（4）选定洞口外面一个中线控制桩的里程，使其和定测里程一致,（5）计算任一中线点的坐标,由于任一中线点的位置不同，所以计算坐标的方法也不同，现分别说明如下：,（1）中线点在直线上,如图7-5所示，进口洞门在一直线上，而,N,1点在出口端的另一直线上。在已知各点的施工里程DK进口、DK,N,1（不能用定测里程）的情况下，则,（7-4）,（7-5）,图7-5 中线点在直线上坐标计算 图7-6 中线点在缓和曲线上坐标计算,（2）中线点在缓和曲线上,首先计算出它们的切线坐标（计算到mm或0.1mm），然后将切线坐标转换为统一坐标。例如在图7-6中，统一坐标系的坐标轴为,x,、,y,轴；,ZH,端的切线坐标系为,x,、,y,轴；,HZ,端的切线坐标系为,x,、,y,轴。假设统一坐标系的,y,轴平行于,x,轴，则中线点,N,2、,N,3的统一坐标推算如下：,（7-6）,（7-7）,（3）中线点在圆曲线上,当中线点位于圆曲线上时，最好通过圆心来计算它们的坐标。如图7-6中，,N,4点在圆曲线上，则圆心,O,的统一坐标为：,而,ON,4的坐标方位角为：,（7-8）,（7-9）,（7-10）,7.2.2 由洞外向洞内传递方向和坐标,图7-8 联系导线,7.2.3 由洞外向洞内传递高程,图 7-9经由斜井或横洞向洞内传递高程时，一般均采用往返水准测量，当高差较差合限时取平均值的方法。,经由竖井传递高程时，过去一直采用悬挂钢尺的方法，即在井上悬挂一根经过检定的钢尺（或钢丝），尺零点下端挂一标准拉力的重锤，如图7-9所示，在井上、井下各安置一台水准仪，同时读取钢尺读数,l,1和,l,2，然后再读取井上、井下水准点的尺读数,a,、,b,，由此可求得井下水准点,B,的高程。,如果在井上装配一托架，安装上光电测距仪，使照准头向下直接瞄准井底的反光镜测出井深,Dh,，然后在井上、井下用两台水准仪，同时分别测定井上水准点,A,与测距仪照准头转动中心的高差（,a,上,b,上）、井下水准点,B,与反射镜转动中心的高差（,b,下-,a,下），即可求得井下水准点,B,的高程,HB,，如图7-10所示。,7.3.1 平面控制测量,为了给出隧道正确的掘进方向，并保证准确贯通，应进行洞内控制测量。由于隧道洞内场地狭窄，故洞内平面控制常采用中线或导线两种形式。,1. 中线形式,中线形式是指洞内不设导线，用中线控制点直接进行施工放样。,2. 导线形式,导线形式是指洞内控制依靠导线进行，施工放样用的正式中线点由导线测设，中线点的精度能满足局部地段施工要求即可。,洞内导线一般常采用下列几种形式：,1）单导线 半数测回测左角，半数测回测右角。,2）导线环 如图7-11所示，每测一对新点，如5和5，可按两点坐标反算55的距离，然后与实地丈量的55距离比较，这样每前进一步均有检核。,图7-11 导线环示意图,3）主副导线环 如图7-12所示，双线为主导线，单线为副导线。,4）交叉导线 如图7-13所示,图7-12 主副导线环布设图,图7-13 交叉导线布设图,5）旁点闭合环 如图7-14所示,当有平行导坑时，还可利用横通道将正洞和导坑联系起来，形成导线闭合环。,图7-14 旁点闭合环布设图,无论是采用中线形式，还是采用导线形式作洞内控制，在测量时应注意以下几点：,（1）每次在建立新点之前，必须检测前一个老点的稳定性，只有在确认老点没有发生变动时，才能用它来发展新点。,（2）尽量形成闭合环、两条路线的坐标比较、实量距离与反算距离的比较等检查条件，以免发生错误。,（3）导线应尽量布设为长边或等边，一般直线地段不短于200m，曲线地段不宜短于70m。,（4）洞内丈量工具，在使用前应与洞外控制网丈量工具比长。,（5）以导线形式作为洞内平面控制时，正式中线点由临近的导线点以极坐标法测设在地面上之后，应在中线点上安置经纬仪，以任何两个已知坐标的点为目标测其角度。如图7-15,图 7-15,7.3.2 洞内高程测量,洞内高程测量应采用水准测量或光电测距三角高程测量的方法。洞内高程应由洞外高程控制点向洞内测量传算，结合洞内施工特点，每隔200m至500m设立两个高程点以便检核；为便于施工使用，每隔100 m应在拱部边墙上设立一个水准点。,7.4 隧道洞内中线测量,7.4.1 洞内中线测量,隧道洞内施工，是以中线为依据来进行。当洞内敷设导线之后，导线点不一定恰好在线路中线上，更不可能恰好在隧道的结构中线上（即隧道轴线上）。而隧道衬砌后两个边墙间隔的中心即为隧道中心，在直线部分则与线路中线重合；曲线部分由于隧道衬砌断面的内外侧加宽不同，所以线路中心线就不是隧道中心线，如图7-16所示。隧道中线的测设方法有下列两种：,图7-16,1. 由导线测设中线,用精密导线进行洞内隧道控制测量时，为便于施工，应根据导线点位的实际坐标和中线点的理论坐标，反算出距离和角度，利用极坐标法，根据导线点测设出中线点。,2. 独立的中线法,若用独立的中线法测设，在直线上应采用正倒镜分中法延伸直线；在曲线上一般采用弦线偏角法。测规要求采用独立中线法时，永久中线点间距离：直线上不小于100m，曲线上不小于50m,7.4.2 洞内临时中线的测设,为了知道隧道洞内开挖方向，随着向前掘进的深入，平面测量的控制工作和中线工作也需紧随其后。当掘进的延伸长度不足一个永久中线点的间距时，应先测设临时中线点，如图7-18,图 7-18,7.5 隧道施工测量,隧道是边开挖、边衬砌，为保证开挖方向正确、开挖断面尺寸符合设计要求，施工测量工作必须要紧紧跟上，同时要保证测量成果的正确性。,7.5.1 导坑延伸测量,当导坑从最前面一个临时中线点继续向前掘进时，在直线上延伸不超过30m，曲线上不超过20m的范围内，可采用“串线法”延伸中线。用串线法延伸中线时，应在临时中线点前或后用仪器再设置两个中线点，如图7-19,如果用激光导向仪，将其挂在中线洞顶部来指示开挖方向，可以定出100m以外的中线点，如图7-20所示。这种方法对于直线隧道和全断面开挖的定向，既快捷又准确。,图 7-20 图 7-21,在曲线导坑中，常用弦线偏距法和切线支距法。弦线偏距法最方便，如图7-21所示,7.5.2 上下导坑的联测,采用上、下导坑开挖时，每前进一段距离后，上部的临时中线点和下部的临时中线点应通过漏斗联测一次，用以改正上部的中线点或向上部导坑引点。,图7-22,隧道结构物的施工放样,1. 隧道开挖断面测量,在隧道施工中，为使开挖断面能较好的符合设计断面，在每次掘进前，应在开挖断面上，根据中线和轨顶高程，标出设计断面尺寸线。,2. 结构物的施工放样,在施工放样之前，应对洞内的中线点和高程点加密。,7.5.4 竣工测量,隧道竣工以后，应在直线地段每50m，曲线地段每20m，或者需要加测断面处，以中线桩为准，测绘隧道的实际净空。测绘内容包括：拱顶高程、起拱线宽度、轨顶水平宽度、铺底或仰拱高程，如图7-23所示。,7.6 盾构法的施工测量工作,盾构法隧道概述,1. 盾构法基本概念,盾构是一种钢制活动防护装置或活动支撑，是通过软弱含水层，特别是海底、河底以及城市中心区修建隧道的一种机械。 盾构法是在地面下暗挖隧道的种施工方法。,构成盾构法的主要内容是：先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁开孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计孔洞推进。,使用盾构法，往往需要根据穿越土层的工程水文地质特点辅以其他施工技术措施，主要有：,硫干掘进土层中地下水的措施；,稳定地层、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施；,隧道衬砌的防水堵满技术；,配合施工的监测技术；,气压施工中的劳动防护措施；,开挖土方的运输及处理方法等。,2. 盾构法的主要优点,除竖井施工外，施工作业均在地下进行，既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪音和振动影响；,盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员也较少；,土方量较少；,穿越河道时不影响航运；,施工不受风雨等气候条件影响；,在土质差水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较高的技术经济优越性。,3. 盾构法存在的主要问题,当隧道曲线半径过小时，施工较为困难；,在陆地建造隧道时，如隧道覆土太浅，则盾构法施工困难很大，而在水下时，如覆土太浅则盾构法施工不够安全；,盾构施工中采用全气压力法以疏干和稳定地层时，对劳动保护要求较高，施工条件差；,盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止，特别在饱和含水松软的土层中，要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限度内；,在饱和含水地层小，盾构法施工所用的拼装衬砌，对达到整体结构防水性的技术要求较高。,7.6.2 盾构法的施工测量,现在的盾构机都装备有先进的自动导向系统。因此，在盾构法施工过程中的测量工作主要是对盾构机自动导向系统进行姿态定位测量，以及使用测量的方法来检核自动导向系统的准确性。,盾构机上的自动导向系统（以德国VMT公司的SLS-T系统为例），主要由以下四部分组成：,(1)具有自动照准目标的全站仪。主要用于测量(水平和垂直的)角度和距离、发射激光束。,(2)ELS(电子激光系统)，亦称为标板或激光靶板（一种智能型传感器）。ELS接收全站仪发出的激光束，测定水平方向和垂直方向的入射点。坡度和旋转也由该系统内的倾斜仪测量，偏角由ELS上激光器的入射角确认。ELS固定在盾构机的机身内，在安装时要确定其相对于盾构机轴线的关系和参数,(3)计算机及隧道掘进软件。SLS-T软件是自动导向系统的核心，它从全站仪和ELS等通信设备接收数据，盾构机的位置在该软件中计算，并以数字和图形的形式显示在计算机的屏幕上。操作系统采用Windows2000，确保用户操作简便。,(4)电源箱。它主要给全站仪供电，保证计算机和全站仪之间的通信和数据传输。,