1、普通高等学校土木工程专业精编系列规划教材土木工程测量主编 王晓明 殷耀国目录1 绪 论2 水准测量3 角度测量4 距离测量5 坐标测量6 地形图基本知识7 地形图测绘目录8 地形图的应用9 工程放样的基本工作10 建筑工程测量11 线路工程测量12 桥梁工程测量13 地下工程测量 14 变形测量目录下页上页 13 地下工程测量目录上页内容提要能力要求本章主要内容包括地上地下控制测量、联系测量和地下施工测量等内容。本章的教学重点为地下控制测量、施工测量和联系测量，教学难点为联系测量 通过本章的学习，学生应熟练掌握地下控制测量和地下施工测量的方法，深刻理解联系测量的目的和作用，了解陀螺经纬仪的原理
2、和作业方式 下页13.1 概述13.2 地上、地下控制测量13.3 联系测量13.4 地下工程施工测量13.5 地下工程竣工测量 习题与思考题目录上页下页目录上页13.113.1 概述图13.1 隧道开挖的几种形式a、b、d平峒；c竖井；e斜井 下页目录上页图13.2 贯通误差t 纵向贯通误差 u 横向贯通误差 h 高程贯通误差 13.113.1 概述下页目录上页表13.1 横向贯通误差统计13.113.1 概述下页目录上页表13.2 高程贯通误差统计13.113.1 概述下页目录上页图13.3 地面三角网 13.213.2地上地下控制测量三角点应尽量靠近轴线洞口附近应布设至少两个控制点 下页
3、目录上页图13.4 地面导线测量 13.213.2地上地下控制测量尽量按隧道中线的前进方向布设成伸展式尽可能位于隧道中线上方以闭合导线为主尽可能将两端洞口控制点纳入到导线网中 下页目录上页13.213.2地上地下控制测量布设导线时要注意以下几个方面：（1）导线测量时倾角不要太大，也就是相邻两点间高差不要太大，以免影响对水平角的观测。（2）为尽量减少测距误差对横向贯通的影响，导线应尽可能沿遂道中线前进的方向布设。（3）导线点数不宜过多，以减少测角误差对横向贯通的影响。（4）隧道两端洞口应至少各布设三个导线点，以作为将来进洞的起算数据，三个点可以互相检核。（5）对于曲线隧道，除了洞口外，还应在曲线
4、的起始点和曲线切线上布设导线。（6）若有平峒、斜井或竖井时，这些洞口附近也要各有到少三个点位。（7）为增加检核条件，提高导线测量精度，一般每延伸两三条边就组成一个小的闭合环。下页目录上页图13.5 地面GPS控制网 13.213.2地上地下控制测量优点：受地形条件限制小控制点间无须通视而且无误差积累可全天候作业动态测量和静态测量两种模式 静态测量至少需三台接收机同时观测下页目录上页图13.6 地下导线闭合环 13.213.2地下控制测量隧道内空间狭窄，只能以导线的形式布设除了闭合导线，也可以布设成主副导线的形式副导线边，只测角度，不测距离 如上图：A-1-2-3-4-5-6-B 为副导线边下页
5、目录上页图13.7 导线点的埋设13.213.2地上地下控制测量地下导线随开挖而逐级布设按照施工导线、基本导线、主要导线的顺序布设根据工程实际，基本导线也可舍去，在施工导线上布设主要导线下页目录上页13.213.2地上地下控制测量施工导线：精度较低，用于控制初期的开挖方向。 边长2550m基本导线：精度较高，在掘进100300m时布设。边长50100m主要导线：精度更高，在掘进至800m左右时布设。边长150300m当重新增加一个点（2550m）时，都必须检查前一个旧点的稳定性，确认旧点没有发生位移，才能用来发展新点下页目录上页图13.8 地下高程测量 13.213.2地上地下控制测量地下高程
6、控制测量采用水准测量的方式必须往返观测当水准点埋设在顶板时，水准尺需倒立采用倒尺法传递高程时，倒尺的读数为负值则高差的计算公式与常规水准测量方法相同 下页目录上页 图13.9 一井定向 13.313.3联系测量下页目录上页 图13.10 联系三角形 13.313.3联系测量一井定向工作：分为投点和连接测量两部分（1）投点:注意调节两根钢丝的位置，使测站点和两根钢丝的水平夹角尽可能的小（2）连接测量：常采用的几何图形为联系三角形，如下图 0180A TATi 下页目录上页13.313.3联系测量联系三角形的最有利的形状（1）联系三角形应为伸展形状，、应接近于零，角要求小于3。（2）边长b/a1.
7、5为宜，两垂线距离应尽可能大。（3）连接角的边长AT的距离应大于20m。（4）联系三角形未平差时，传递方向选择经过小角的路线。为提高精度，可移动定位板改变垂线位置，在三个不同的位置观测，取三组数据的平均值 下页目录上页图13.11 两井定向 13.313.3联系测量与一井定向相比，由于两吊锤线间的距离大大增加，因而减小了投点误差引起的方向误差下页目录图13.2 两井定向平面图 13.313.3联系测量在这个图形中，两吊锤线处缺少两个连接角，这样的地下导线是无起始方向角的，故称它为无定向导线上页下页目录图13.13 垂准仪投点 13.313.3联系测量施工中，也可用垂准仪代替钢丝垂线来作业激光垂
8、准仪投点优点：方向性好、不受风流影响、占用井筒时间少上页下页目录图13.14 垂准仪、陀螺仪联合定向 13.313.3联系测量由于悬吊锤线投点时，钢丝不易稳定，实际工程中，会采取垂准仪和陀螺仪联合定向的方式上页下页目录13.313.3联系测量垂准仪、陀螺仪联合定向步骤：A、B为井上已知导线点，C、D、E为井下待求导线点。（1）竖井投点： A、B为井上已知导线点，C、D、E为井下待求导线点。在井口选定T1、T2两个点，用垂准仪向井下投点。T1、T1在空间上为2个点，但投影到同一平面时就成为1个点，T2、T2情况相同。井上、井下导线通过投点连成一闭合环。（2）陀螺定向：定向时采用陀螺经纬仪或陀螺全
9、站仪进行。由于井筒上下不宜安置陀螺仪，故井上选择AB为定向边，井下选择CE为定向边，进行陀螺定向观测。 假定用陀螺经纬仪测得的AB边的坐标方位角为NAB，CE边的坐标方位角为NCE。注：直接测出的数据是陀螺方位角，需要改算后才是相应边的坐标方位角上页下页目录13.313.3联系测量（3）导线测量：安置全站仪于A、C、D、E点，进行导线测量。测量角度b0、b1、b4、b5、b6；测量边长d1、d2、d3、d4、d5、d6。（4）计算角度b2、b3b2为AT1、T1C投影到平面上的夹角。b3为AT2、T2D投影到平面上的夹角。2014ABCEbNNbbb3056CEABbNNbbb（5）地下导线点
10、坐标计算：坐标、方位角从井上导线点A、B传递到井下导线点C、D、E上，根据导线测量及定向测量的数据，进行导线平差，计算导线点的坐标。上页下页目录图13-15定轴性和进动性 13.313.3联系测量-陀螺（1）陀螺仪自转轴在无外力矩作用时，其自转轴始终指向初始恒定方向，该特性称为定轴性。（2）陀螺仪自转轴受到外力矩作用时，其自转轴将按一定的规律产生进动，该特性称为进动性。凡是绕自身对称轴高速旋转的物体都可以称为陀螺上页下页目录13.313.3联系测量-陀螺图13.16 自由陀螺仪特性试验仪 陀螺不转时，将衡重A向左移，杠杆将在竖直面内产生逆时针方向的转动，即左端下降、右端上升。陀螺转动时，将衡重
11、A向左移，杠杆不作上下倾斜运动，而是保持水平，且在水平面内作逆时针方向的转动（从上向下看），如图13-16b所示，这种现象就是所谓的“进动”。 ，陀螺转动时，将衡重A向右边移，则杠杆在水平面内作顺时针方向的转动。上页下页目录图13.17 13.313.3联系测量-陀螺外力矩矢量 拉着动量矩矢量 的末端跑，或者说，动量矩矢量 沿最短路径转向外力矩矢量方向，即为陀螺进动方向内因：陀螺转子的高速旋转，即动量矩的存在。外因：外力矩改变了动量矩的方向。陀螺仪产生进动的原因：动量矩定理解释陀螺的两个基本特性，如图13-17MHH上页下页目录 图13.18地球自转及其对陀螺仪的作用 13.313.3联系测量
12、-陀螺地球绕地轴PNPS以角速度 自转E将 分解为两个分量：水平分量 ：其方向沿南北轴线指向北方垂直分量 ：其方向沿A点的垂线AZ 指向天顶 E121cosE2sinE上页下页目录 图13.19 13.313.3联系测量-陀螺水平分量还可以沿陀螺转子轴OX和水平轴OY再分解为两个分量 和 3441coscos cosE表示水平面绕陀螺转子轴旋转的角速度矢量，它对陀螺转子轴的空间方位没有影响 31sincos sinE表示水平面绕陀螺仪的水平轴OY旋转的角速度矢量，使陀螺转子轴与水平面相对高度发生变化 由于分量 的存在，在重力矩的作用下，陀螺主轴将向子午面方向进动 3陀螺主轴向子午面的进动过程是
13、一个围绕子午线作往复摆动的周期运动 上页下页目录13.313.3联系测量-陀螺陀螺经纬仪是一种将陀螺仪和经纬仪结合在一起的仪器 陀螺经纬仪的基本工作原理：当陀螺经纬仪的陀螺旋转轴以水平轴转动时，由于地球的自转，陀螺的旋转轴会向水平面内的子午线方向产生进动。最终稳定在子午面内，陀螺自转轴将以子午面为中心做往复摆动，求得陀螺轴摆动的平衡位置即是测站的真北方向。根据其连接形式不同主要可分为上架式陀螺经纬仪和下架式陀螺经纬仪 陀螺经纬仪的真北测定方法主要有：逆转点法、中天法、阻尼法、积分法等 上页下页目录图13.20 陀螺仪敏感部结构1-陀螺电机 2-内房体3-悬带 4-外房体 13.313.3联系测
14、量-陀螺陀螺经纬仪主要由陀螺仪、经纬仪两大部分组成。其中陀螺仪在结构上分为陀螺敏感部、锁放机构、输电机构及跟踪机构等几部分。（1）陀螺敏感部是陀螺仪的关键部件，它敏感地球自转的水平分量，形成参照真北方向的往复运动，从而达到定向的目的。主要由陀螺电机、陀螺房体及悬挂机构等组成 （2）锁放机构是使陀螺敏感部在工作状态下处于自由悬挂的状态，在非工作状态下处于固定的状态。（3）输电机构的功能就是为运动中的陀螺供电。（4）跟踪机构主要跟踪陀螺敏感部的运动轨迹。上页下页目录 图13.21 13.313.3联系测量-陀螺陀螺经纬仪定向的作业过程如下：（1）测定仪器常数和地面已知边的陀螺方位角（2）测定地下定
15、向边的陀螺方位角（3）仪器上井后重新测定仪器常数，求出仪器常数最或是值（4）求算子午线收敛角（5）求算地下待定边的坐标方位角上页下页目录图13.22 高程传递 13.313.3联系测量对于平峒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13-22所示。 作业时应同时用两台水准仪、两根水准尺和一把钢尺来进行 HB=HA+a-(m-n)-b+t+k 式中： HA、HB分别为A、B两点的高程； a、b为两根标尺读数； m、n为钢尺读数 t为钢尺的温度改正数 k为钢尺的尺长改正数上页下页目录 图13.23 中线点的测设 13.413.4地下工程施工测量（4）随着开挖面的向前推进，A点距开挖面越
16、来越远，这时，便需要将中线点向前延伸，埋设新的中线点，如上图中的D点，其标设方法同前。（1）P1、P2为已布设的导线点，坐标已知。A为中线点，根据其里程桩号可计算出其设计坐标，通过这三个已知点可计算出放样A所需的数据和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，即得中线方向。可以根据中线的设计方位角和A、P2的坐标算得。上页下页目录13.413.4地下工程施工测量（5）在实地标出中线点D后，可将仪器置于D点，后视A点，用正倒镜或转180度的方法继续标向前定出中线方向，指导开
17、挖。注：AD之间的距离在直线段不宜超过100m，在曲线段不宜超过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，曲线上则需用偏角法或弦线偏距法来测定中线点。 上页下页目录 图13.24 串线法标定中线 13.413.4地下工程施工测量此法是利用悬挂在中线点上的三个垂线，直接用肉眼来标定开挖方向 首先用前述设置中线点的方法，设置三个临时中线点（在导坑顶板上） 两临时中线点间距不宜小于5m 标定开挖方向时，一人在B点指挥另一人在工作面手持手电筒（可看成是照准标志）使其灯光位于中线点BCD的延长线上，然后用红油漆标出灯光位置，即得中线位置。 这种方法，因是用肉眼来定向，误差较大，所以B点
18、到工作面距离，直线段不宜超过30m，曲线段不宜超20m 上页下页目录图13.25 激光指向仪的安装 13.413.4地下工程施工测量激光指向仪既可以安置在隧道顶部，和隧道中线重合，也可安置在隧道边墙上，和隧道中线平行 激光指向仪的安装注意以下几点： （1）直线隧道中，激光光束和隧道中线平行并且和隧道坡度一致 （2）曲线隧道中，无法满足激光光束和隧道中线平行的条件，只需将激光光束的坡度调整到和隧道坡度一致即可 （3）安置地点距工作面要不小于70m，防止因工作面开挖而引起仪器震动偏离原来的位置。每掘进100m，要进行一次检查测量 上页下页目录图13.26 开挖方向指示 13.413.4地下工程施工
19、测量激光指向光束和隧道中线重合时，所指示方向即为中线方向 若激光指向仪安装在边墙上，则任一激光点和隧道中线的距离e、激光点和隧道起拱线间的高差h均为定值。根据测定的激光点的坐标、高程和线路设计参数，可以确定e，h的值如图13-26所示，由激光点沿光束的水平垂直方向量取水平距离e得隧道中线点；在竖直面内由激光点沿铅垂线方向量取h，得到隧道施工的起拱线高程，从而可以对隧道的开挖断面进行控制上页下页目录 图13.27 腰线测设 13.413.4地下工程施工测量隧道腰线是用来指示隧道在竖直面内掘进方向的一条基准线 通常标设在隧道壁上，离开隧道底板一定距离 标定腰线点时，首先在适当的位置安置水准仪，后视
20、水准点A 根据尺上读数可计算出仪器视线的高程 根据隧道坡度以及C、D两点的里程桩号可计算出C、D两点的底板设计高程和腰线点高程 求出CD腰线高程与仪器视线高差h1、h2 由仪器视线向上或向下量取h1、h2即可求得腰线CD的位置 上页下页目录图13.28 开挖断面 13.413.4地下工程施工测量开挖断面时，需要根据设计要求，定出断面的形状 如图，在开挖里程断面上，将仪器安置在中线上 ，放样出中垂线AB然后沿AB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 在轮廓线上标出1、2、3及1、2、3等，如此便得到开挖面轮廓线 在
21、现代测量中，通常用带有可见光指示的免棱镜全站仪联合可编程计算器。首先计算出要放样断面的坐标值，然后输入全站仪，用坐标放样的方式，标出断面轮廓及炮孔位置，以指示开挖。也是目前实际工程中最为常用的方法。上页下页目录13.513.5地下工程竣工测量隧道竣工后，为检查主要结构及线路位置是否符合设计要求，应进行竣工测量，主要包括三个方面的测量工作永久中线点的测量、永久水准点的测量和遂道断面净空测量 隧道贯通后，首先对原有中线点进行复测，对复测合格的中线点，在直线段每200m左右埋设一个永久点，在曲线段应在缓和曲线的起终点各埋设一个，在曲线中部可根据情况适当增加 水准点每公里埋设一个，不足1km的应至少设
22、立一个或洞口两端各设立一个水准点，并在墙壁上做好标志 净空断面测量，应在直线段每50m，曲线段每20m，或根据工程实际规定在需加测断面处测绘隧道实际净空 上页下页目录目前有专用的断面仪可自动对断面进行扫描测量，并显示出断面实际情况，也可用全站仪配合断面处理软件来进行测量 用的最多的是利用无棱镜全站仪配合软件进行净空测量 方法是将全站仪安置于要测量的里程断面的中线点上（也可以是偏离中线的点），以另一中线点为后视点，进行定向，然后转动仪器垂直于中线的位置，固定照准部，测量断面轮廓点，点的采集密度根据实际工程情况来定，点越密集当然曲线越平滑 外业采集完后，可将数据导入断面分析软件，以图形和列表的方式显示出实测断面和设计断面之间的差异 隧道竣工测量结束后，根据测量成果编绘相关的图表作为竣工资料。竣工图表主要包括：永久中线点、高程点的成果表和示意图，净空断面测量资料和断面图 13.513.5地下工程竣工测量上页下页
