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1、第七章隧道测量7.1概述随着基础设施建设如高速公路和高速铁路工程项目逐年增多，地处我国的西南部山区，受地形、地质条件的影响，隧道工程特别多,相应对我们从事测绘专业的同志，也提出更紧迫、更高要求，如何尽快的适应和满足当前建设发展的需要.摆在我们面前的任务就是，在隧道施工测量中，以确保无论采用两个、多个相向和同向掘进的工作面,最终都得按设计要求，顺利的相互贯通。并在施工掘进的过程中，准确无误或尽可能的减少出现超挖和欠挖现象，其关键在于我们的隧道施工放样测量.7.2隧道控制隧道测量：主要分为:控制测量和放样测量两部分。1）隧道控制测量又分两个小部分：地面控制测量；这是隧道工程测量中最主要的部分。地下
2、控制测量；地下（隧道内）控制测量的精度是决定贯通的关键。2）隧道（内）施工放样测量；其精度好坏,决定隧道掘进是否超挖和欠挖的核心。7.2.1地面控制测量（加密）当前隧道工程的地面控制测量，从设计阶段开始，普通采用GPS全球定位系统，解决平面，而高程部分（还有待进一步的研究），仍用直接水准测量配合。局部地区（线路不太长）用全站仪敷设电磁波平面、高程导线（采用闭合、附合导线进行严密平差计算）。对于施工单位，还必须在进、出洞口，进行加密控制，以满足每一进、出洞口，各有三个加密控制点。同时，还应对设计和业主所提供的首级控制资料进行：复测、检核精度以及成果有无差错；也可因地制宜,建立区域性独立施工控制网
3、，以满足本区域内的精度，达到贯通精度要求。当设计（和业主）单位提供的首级控制资料精度不太高时，更宜采用区域性（只针对单一一条隧道）的独立网。其优点：1）可避开首级控制的精度.仍可保持与首级控制精度一致（国家四等控制精度要求），而不影响施工的等级精度。具体作业方案：只利用首级控制两个点：同时起和闭一个点，（利用另一点作检核独立网的方位闭塞之用）。采用闭合导线.2）对发展隧道地下控制测量的等级，提供可发展空间。按一般首级控制等级都是国家的四等，施工单位要加密时,就只能为一级导级精度，如要再发展进洞的地下控制，就只能是二级导线，当洞长为两公里时，仅测距相对闭合差W1/10000一项，就直接影响到贯通
4、误差达到0。IOm（己超过国家规定的要求0。05m）o因此，更宜采用区域性的独立网。7.2.2地下控制测量按国家一级导线要求实施:如下图1）每一洞口旁建观测墩一个和两个地面点：必须在地面加密控制测量之前建立，并纳入地面控制进行统一平差计算（以提高控制精度）。2）当隧道走向是左旋，观测墩应建在洞口的右边；反之，隧道走向右旋，观测墩应建在洞口的左边；以达到增长观测视线、减少测站，确保地下控制测量精度。3）观测方法：采用单程双测回归导线法如上图（地下控制测量导线略图），单号进洞，双号出，（人为的将一条导线分左右两部分，进行独立操作观测和计算）组成一个回归圈。C、A、B和）、A、B共六点，设于进、出洞
5、口各三个，均为地面控制点（四等导线精度），其中C和L两点为观测墩。以进洞口为例在C点（观测墩）上设站,按一般导线观测顺序进行。7.2.2.1单程双测回归导线法第1站：IO左路线：以A点后视起零，观测水平角（左角1）,再测2站斜距边长（1-2）S,同时测2站竖直角（1-2）a,并量取本站仪器高（1）t、2站标高（2）r。11o右路线:紧接着进行单程双测观测：以2站起零,至B点,测水平角（右角2）,完成第1站。第2站：I.左路线：以C点后视起零，测至3站水平角（左角3）,再测3站斜距边长（23）S,同时测竖直角（2-3）a,并量取本站仪器高（2）t、3站标高（3）roII。右路线：以3站起零,至C
6、点1站，测水平角（右角4）,再测C点斜距边长（2DS,同时测C点竖直角（21）a,量取C点标高（1）ro完成第2站。第3站：Io左路线：以2站起零测4站水平角（左角5）,再测4站斜距边长（3-4）S,同时测竖直角（34）a,并量取本站仪器高（3）t、4站标高（4）r.11o右路线：以4站起零，至2站,测水平角（右角6）,再测2站斜距边长（32）S,同时测竖直角（32）a,量取2站标高（2）ro完成第3站.第4站：I.左路线：以3站起零测5站水平角（左角7）,再测5站斜距边长（4-5）S,同时测竖直角（4-5）a,并量取本站仪器高（4）t、5站标高（5）roIL右路线：以5站起零，至3站测水平角
7、（右角8）,再测3站斜距边长（4-3）S,同时测竖直角（43）a,量取3站标高（3）ro完成第4站.第5站:I.左路线：以4站起零测6站水平角（左角9）,再测6站斜距边长（5-6）S,同时测竖直角（5-6）a,并量取本站仪器高（5）t、6站标高（6）r.11o右路线：以6站起零，至4站测水平角（右角10）,再测4站斜距边长（5-4）S,同时测竖直角（54）a,量取4站标高（4）ro完成第5站。第6站：架设于第6站（水平角为零），只须观测：6站至5站边长（6-5）S,同时测竖直角（6-5）a,量取5站标高（5）ro（替告段落）。7. 2.2.2导线数据的检查由于采用单程双测回归导线法其观测数据,
8、可相互进行检查核对。如水平角（左角1）（左角2）=360度-其差值甚小（不超过20秒）、竖直角（12）a+（2-1）a=180度差值甚小（不超过15秒）、边长（1-2）S（12）S相差甚小（不超过5mm）。7.2 .2.3导线严密平差计算数据排序表（配合长江勘测软件的实例）起点闭点平、高点数平、高代码高程起点号高程闭点号平面起点号平面闭点号平面起点方向平面闭点方向点号标型气压温度斜距天顶距仪器高觇标高水平角CC11.11GPCCCCABINC观测墩*(1-2)S(12)a(1)t(2)r(21)a(2)t(1)r左角1J2（站）刻石*(23)S(23)a(2)t(3)r(3-2)a(3)t(2
9、)r左角3J3（站）刻石*(3-4)S(3-4)a(3)t(4)r(43)a(4)t(3)r左角5J4（站）刻石*(4-5)S(4-5)a(4)t(5)r(5-4)a(5)t(4)r左角7J5（站）刻石*(5-6)S(5-6)a(5)t(6)r(6-5)a(6)t(5)r左角9J6（站）刻石*(6-5)S(6-5)a(6)t(5)r(5-6)a(5)t(6)rO.OOOOJ5(站)刻石*(54)S(54)a(5)t(4)r(45)a(4)t(5)r右角10J-4(站)刻石*(43)S(4-3)a(4)t(3)r(34)a(3)t(4)r右角8J-3(站)刻石*(3-2)S(32)a(3)t(2
10、)r(2-3)a(2)t(3)r右角6J-2站）刻石*(2-l)S(2-1)a(2)t(1)r(12)(1)t(2)r右角4aOUTC观测墩右角27.3 隧道施工放样7.3o1极坐标法（支站）当地面控制点（加密）之后，即可在洞口观测墩上，进行隧道内的施工放样测量，一般均采用全站仪支站的方法。根据隧道横断面大小和地质情况的好坏,大部分作业面采用分台阶施工：先上（左和右）、下（左和右）、后底部掘进。因此，放样的控制点很难一次作好不变动，也得满足施工的程序，在每一个工作横断面上，支站点要分两次，甚至三次才能完成。鉴于隧道内的除渣，来往通行车辆碾压、石渣粉尘的掩盖,洞内的地面控制点很难在较短时间保存（
11、即便不损坏,一次除渣后就无法找到），只有将控制点制作于洞内两边的边墙上（墙上标志）,在每一处支站应分别测三个点，用油漆涂记号（中心点一定要小:直径不大于2mm）；支站时最好采用小棱镜（觇标高为零），减少每次对点误差。7.3.2后方交会法每次进洞放样引测控制点，可直接从最近的三个墙上标志，按后方交会法;求出测站位置的坐标和高程即可进行放样.解算方法可利用全站仪自身的软件程序，也可用计算器进行（现介绍FX-5800计算器程序）。7.3o2.1采集数据要求1）输入：第一己知点（X、Y）坐标、S（平距）、H（高程）、a（竖直角）；第二己知点（X、Y）坐标、S（平距）、H（高程）、a（竖直角）；2）按反
12、时针方向输入以上数据；3）观测时可不量仪器高和觇标高（仪器的视线高就是高程）；4）用小棱镜;7.3.2.2源程序：BJTJfx5800计算器“XA=”?A：wYB=?B：P=?P：wU=?U:T=?T：“XC=”？C：YD=”？D：“S=？S:Q=？Q:R=？R:Ldl1?PoI(-C,B-D：J0二J+360-J:Ldl2:(11+PP-SS)(21)一Z：(J(PP-ZZ)+(SS-(I-Z)(I-Z)2-H：-1Sin(HS)-F：Sin(HP)-E：Ldl3：J+360+FfG:IfG)360:ThenG-360G:Ifend：aXW=zzC+SCos (G) -W“YV=：D+SXS
13、in (G) V JLdl 4?PoI (C-A, D-B :J J + 360 J：J+360-E -K ： If K360: Then K-360-K:Ifend:XC=w:A+PCos(K)-M“YD=：B+PXSin(K)-N/LbI5：“Fxy=：J(W-MN+(V-N)2)J“H二”“X=”：(W+M)/2/“Y=”：(V+N)/2/(U+tg(90-T)P+Q+tg(90-R)S)2A“OK”7.4隧道测量软件程序DS隧道内的施工放样测量，普遍采用全站仪配合可编程计算器，对隧道掘进的走向偏离;掌握洞内净空面开挖的超挖和欠挖（至目前尚无完整程序供大家使用，都是各自为阵）；也有利用全
14、站仪配合笔记本电脑进行放样，但有缺陷：由于洞内比较潮湿（浸水）易损坏电脑，而且电源也不方便。少数单位采用高档全站仪，利用仪器内部自身提供的软件进行洞内的放样测量，也存在一些问题,价格高、现有设备利用率低.为此,利用目前市面上比较普遍、价格不高、界面大、内存多、体积小、重量轻很适宜洞内使用的可编程计算器fx5800,现编隧道施工放样测量软件SD程序。7.4.1 程序适用性7.4.1.1 适用于各种隧道施工该程序是以高速铁路一II级围岩为例(如下图)，也适用于其它类型的隧道放样测量.因为它们的主体结构近似(只须根据横断面的半径长短进行调整)：1)高铁11级围岩：净空R2=(6o41+0o4)m、仰
15、拱Rl=(2.27+0.35)m、洞底大半径R3二(14.77+0.35)m；2)高速公路隧道V级围岩A型衬砌：净空Rl=(7.4+0096)m、R2=(5.29+0.96)m、仰拱R2=0.8+0。6)m、洞底大半径R4=(18。8+0。6)m；至于其它部位的相关尺寸，以及各种隧道类型，可参照设计结构横断面进行调整。说明：1.Rl=(2.27+0o35)m、R2=(6。41+0。4)m、R3=(14.77+0.35)m2. 01、02、03分别为RI、R2、R3的园心3。内轨顶面为线路中心设计高程二级围岩(高铁)隧道横断面图7.4.1.2 一条完整线型该程序的设计，从直线缓和曲线一一园曲线缓
16、和曲线-直线,一条完整的平面线型，其程序内的固定参数均可根据设计资料，一次性执入不变(如五大桩号、及它们的坐标、园曲线半径、纵曲线半径、纵坡比、相关的方位角。以及横断面的净空设计半径R1、R2、R3、相关高度的尺寸等等).当施工进入第二次衬砌时，只须调整:横断面的净空设计半径RI、R2、R3.当你进入高速公路的施工时（或其它类型隧道），须对照设计图进行逐个的相关尺寸修改。7.4。 2程序主要结构根据隧道平面曲线设计线型（如下图一平面线型（曲线要素）图），可分为三大类所组成:1） .直线部分（又分两段）；第一段直线段（前面一段的直线结束点HZ一本段直缓点ZH）；第二段直线段（本段缓直点HZ-另一
17、曲线段直缓点ZH）；2） o缓和曲线部分（又分两小段）；第一缓和曲线段（直缓点ZH缓园点HY）；第二缓和曲线段（园缓点YH缓直点HZ）；3） o园曲线段部分（缓园点HY一园缓点YH）7.4o3己知固定参数详见以下两表：1）曲线要素表；2）纵坡曲线要素表;曲线要素表线型曲线要素起点桩号起点坐标起点方位角（）终点桩号终点坐标长度半径XYXY2078.(HZ)7715168159-22-1(ZH)585586线788K7+100c0007.65609730.42K9+87.7887.3969.496和线170(ZH)K9+87.7885857.3965869O496159-12-09(HY)K9+2
18、57.7885698.4745929。857曲线2935.82541OO(X)(HY)K9+257.7885698。4745929.857(YH)K12+19361343153o2477371.788和线170(YH)K12+193.61343153.2477371.788(38-16-04)321-43-56(HZ)K12+363。61343019.7767477.075线936()3866(HZ)K12+363.61343019。7767477.075(3825T8)321-3412K13300。0002286.2428059。095心点园心9302.03315258.006248-52-
19、40.61K9+257.7885698.4745929。857纵坡曲线要素表（计算桩点高程）桩号标高半径（m）全长（ID）坡度（%。）起点桩号终点桩号K7+100157.9983273.753-Oo003K7+100K10+373.753K10+373Ldl0：“L=”?L:“X=”?X:“丫二”?Y：H=”?H：（1）NIFL7100andL9087.788：ThenGoto1XElseIFL9087.788andL9257.788:IFEndGoto2ElseIFL9257.788andL12193.613：ThenGoto3XElseIFL212193。613andL12363.613a
20、ndL13300:ThenGoto5IFEndLdl0程序运行提问?L?一预估一个施工学子面所在的桩号(宜等于或大于,不可小于，特别是五桩处).X?、Y?、H?一输入待求点的实测坐标，和高程(-1)N一一隧道向左旋转7100=(HZ)一一为前一曲线段缓直点桩号K7+1009087.788=ZH为本曲线段直缓点桩号9257.788=HY缓园点桩号K9+257.78812193.613=YH-一园缓点桩号K12+193。61312363.613=HZ-缓直点桩号K12+363。61313300=(ZH)-一为后一曲线段直缓点桩号K13+300Lbl1:PoI(X-7717.656,丫一5168。9
21、73：JJ+360J：J159o22,10o42-K:uL=w:7100+Cos(K)XI-L/J)15922T042=(-K)-KX“P=：Sin(K)INfP/Goto6Lbl1一计算第一直线段如下图7717.656;X5168。973=Y为(HZ)点坐标(上段缓直点)15922T0.42=-(HZ)点至ZH点的方位角当J159o2240o42w=(-K)-K时，待定点在隧道中心的右边7100为前一曲线段(HZ)缓直点桩号K7+100N当隧道走向向左旋转(-1)fNLbl2：PoI(X-5857.396,Y-58690496：JF：FF:bs(C-E)+(S-M)i)-D：DXCos(F-
22、V)fW:IFAbs(W)T:IfEndXLblA:L=：9087.788+T-L/iiP=ff:DXSin(F-V)XNfP/Goto6XLbl2计算第一缓和曲线段如下图7717.656=X5168.973=Y为(HZ)点坐标(上段缓直点)5857.396=X5869.496=Y为ZH的坐标159o22,10o42”=A-(HZ)点至ZH点的方位角10000X17010000为半径、170为缓和曲线长9087.788为直缓点桩号ZH(K09+087.788)N当隧道走向向左旋转(-1)fNLbl3：Pol(X-9302.033,Y-15258.006:J0=J+360-J：Abs(24852
23、40。61”一J)KL=,j9257.788+K3.71618010000-*L“P=”：(I-10000)NfPJGoto6Lbl3一计算园曲线段如下图9302.033=X15258。006=Y为园心点坐标2485240.61”一园心(0)至缓园点HY的方位角9257.788HY为缓园点桩号(K09+257.788)10000=R园曲半径N当隧道走向向左旋转(T)fNLbl4：PoI(X-3019.776,Y-7477.075：JJ+360-J:J-3214356-K：IXCos(K)-C:IXSin(K)-S：10000170B：Abs(C)-T：T-T5402+T93456B4E:T36
24、B-T7336B3+T1142240B5-*M：T22B(1803.1416)V:Arg(C-E)+(S-M)i)F：F0二F+360-F：Abs(C-E)+(S-M)i)-D：DXCos(F-V)W:IFAbs(W)0。OOOOhThenGotoB：ElseT+WT:IfEndLblB“L=”：12363o613T-LiiP=ff:DXSin(F-V)-P/Goto6Lbl4计算第二缓和曲线段如下图计算过程中与第一缓和曲线约有不同，是反向运算。3019o776;X7477.075=Y为缓直点HZ坐标2286.242=X8059.059;Y为下一段直缓点(ZH)坐标321034,12w=B为下
25、一段直缓点(ZH)至本段的缓直点HZ的方位角10000X170IooOo为半径、170为缓和曲线长12363.613=HZ缓直点的桩号(K12+363.613)3019。776=W7477.075=T(HY的坐标)Lbl5：PoI(X-2286242,Y-8059.095：J0二J+360-J：Abs(J-321。3412)-*K：“L=”：13300-C。S(K)XD-L/J(321034T2=(-K)-*K:iiP=ff：Sin(K)XlfP/Goto6Lbl5-计算第二直线段计算过程与第一直线段线约有不同，是反向计算(图形一样)oZ、S-一直缓点(ZH)=13300坐标2286o242=
26、X8059。095=Y直缓点(ZH)坐标32134T2=A,直缓点(ZH)至缓直点HZ的方位角当J321。3412=(-K)T时(与第一直线段线相反，J方位角)13300二(ZH)一下一曲线段的直缓点桩号Ldl6：IFL)7100AndL10373.753:Then“G=”：157.998+(L-7100)X(-0003)-G-JGoto7ElseIFL)10373753AndL10500：TheniiG=f(10500L)(-0o00457)+77.281+2(10500-L)250002-*GGoto7ElseIFL)10500AndL10626.249：Then2(L-10500)(0.
27、003)+77.281+(10626.249-L)25000X2fG/Goto7ElseIFL10626.249AndL13300：aG=f,:155.081+(13300L)(0。003)GGoto7IFEnd：XLbl6-计算线路中线(内轨顶面)设计高程7100=(HZ)一为前一曲线段缓直点桩号K7+10010373.753-纵曲线变坡起点桩号K10+373。753157.998纵曲线变坡起点高程-0.003纵曲线坡比(下坡)10500纵曲线变坡中间点桩号K10+50077.281一一纵曲线变坡中间点桩号K10+500高程-Oo00457-一纵曲线坡比(下坡)10626.249-一纵曲线变
28、坡终点桩号K10+626o249Oo003纵曲线坡比(上坡)25000纵曲线半径13300-(ZH)另一段曲线直缓点桩号K13+300155.081-纵曲线变坡终点高程-Oo003纵曲线坡比（下坡）Ldl7:uE=:G-Oo742TIFHG+0.18：Then“C=：22(H-(G+2.27)+P)6.81-C/Goto0ElseIFHG+0.18AndHG-1.47:TheniiC=ff:9?(Ads(P)-3o96)+(G+0.99)-H)2.65-C/Goto0ElseIFH154o+0.0-0.7313O30380000095727598874556533o5618156.8366.8
29、366.154。+3.3一3。383.41518068468419854974427653356181548366.8366.154.+3.3-1.4.383.415198684684198549789857925895154o9087.9157.151.+1.15.110.265000788965182447665865792.1105895.265151.0009087.7889157.9651151.824+1.1476Oo696757925895152.9087.9157.151.+1.1Oo.110O2650007889651824476277957895893152.9087.91
30、59151.-0o981.8570007884646819691804.52765789,5893150.9087.9159.151.0o0o981.85700078846468196918040254701638514809257.10350148.+5.6-Oo.952O2502454788.279223527446754470163851489257.10350148.+5o-0o.952.250322788279223526744712254698o6379148.9257.10354148-4o373。1625309788O65442341.377740354698o63791480
31、9257.10354148.-1.3Oo373.162000788O654423477702077380969021499257.11386149.+0oOo.219.455342788O78734166881276823809o6902149.9257.11386149.+0.60.76219.455340788O78734168812883808o0386901.186149.3409257.78811387.0770149.34221.02100.4519531287396151.1219312227151.+3.7-0,.750O212OOOO613.95268649594784331
32、14。7396151.1219312239151.-4529。335OOO.613.2368898789560.542331147396152.1219312239151.-4.529O335OOOO613O2368898789561.35962733o7706153。1236312730153+1.5139O539373O613.781137339130.0826027337706154.1236312730153.+1.54.139.539OOO。613.781137339135224727277702153.1236312732153o一5。.258.267400O613.7328379
33、241060.905427277702154.1236312732153。-5o-1.1.258.267OOO.613.732837924106536说明：1)。偏离隧道中线一一出现正值在左边;出现负值在右边;2)o距离开挖边线一一正值为超挖;负值为欠挖;7. 4程序的缺陷部分当待定点的高程和偏离空线距离处于下图的五边形内时，将出现超挖和欠挖量不准确,但显示结果中仍有:。G和。E以下两项高程是正确的。 .G待求点对应于中线的设计标高（高铁的内轨顶面设计高程）； .E一一待求点对应于中线无祚层的设计标高;根据以上数据可作为超挖和欠挖量参考.一旦接近开挖底部线（进入无祚层）,可作为一个平台，再继续掘进，原程序（主程序倒数第4行）：ElseIFHG1.47:Then“C=”：已严格控制底线范围。因此，程序不会进入误区，而出现错误。
