隧道測量實時計算程序2003

1、第三章 隧道測量實時計算程序第三章 隧道測量實時計算程序3.1 隧道施工方法3.1.1 概述二十世紀八十年代，國際隧道協(xié)會(ITA)提出“大力開發(fā)地下空間，開始人類新的穴居時代”的口號，以隧道工程為主要方向的地下空間開發(fā)迅猛發(fā)展。 交通是國家基礎(chǔ)建設(shè)重要的設(shè)施，在國民經(jīng)濟發(fā)展中占有十分重要的地位。世界各國的經(jīng)濟發(fā)展經(jīng)驗表明，快速暢通的交通網(wǎng)是經(jīng)濟發(fā)展的必不可少的條件。一個多世紀以來，世界各國的隧道工作者在實踐中已經(jīng)創(chuàng)造出能夠適應(yīng)各種圍巖的多種隧道施工方法。習(xí)慣上將它們分成為：礦山法、掘進機法、沉管法、頂進法、明挖法等。礦山法因最早應(yīng)用于礦石開采而得名，它包括上面已經(jīng)提到的傳統(tǒng)方法和新奧法。由于

2、在這種方法中，多數(shù)情況下都需要采用鉆眼爆破進行開挖，故又稱為鉆爆法。有時候為了強調(diào)新奧法與傳統(tǒng)礦山法的區(qū)別，而將新奧法從礦山法中分出另立系統(tǒng)。掘進機法包括隧道掘進機（Tunnel Boring Machine,簡稱為TBM）法和盾構(gòu)掘進機法。前者應(yīng)用于巖石地層，后者則主要應(yīng)用于土質(zhì)圍巖，尤其適用于軟土、流砂、淤泥等特殊地層。沉管法等方法，則是用來修建水底隧道、地下鐵道、城市市政隧道等，以及埋深很淺的山嶺隧道。3.1.2 新奧地利隧道施工法（一）新奧法簡介新奧法是新奧地利隧道施工方法的簡稱，即 New Austrian Tunneling Method(NATM)，是奧地利拉布西維茲(L.V.R

3、abcewicz)教授等在長期隧道施工實踐中，從巖石力學(xué)觀點出發(fā)而提出的一種施工方法。新奧法適用范圍很廣，從鐵路隧道、公路隧道、城市地鐵、地下貯庫、地下廠房直至水電站輸水隧洞、礦山巷道等，都可用新奧法構(gòu)筑。新奧法施工于 70 年代引人我國，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種地質(zhì)條件下的隧洞施工。（二）新奧法設(shè)計方法新奧法設(shè)計應(yīng)以工程類比法為主，并通過現(xiàn)場監(jiān)控量測時進行工程實際檢驗、確認和修正，必要時可輔以理論計算驗算法確定支護參數(shù)的方法，主要有以下三種設(shè)計方法。1. 工程類比法工程類比設(shè)計法是當(dāng)前錨噴支護結(jié)構(gòu)設(shè)計中最廣泛應(yīng)用的方法。目前，錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范(GBJ86-85)仍然以工程類比設(shè)計法為主。

4、工程類比法主要是在編制圍巖分類表的基礎(chǔ)上，結(jié)合擬建工程的圍巖等級與工程結(jié)構(gòu)尺寸等條件，參照已建成類似地下工程的經(jīng)驗，直接確定錨噴支護參數(shù)與施工方法。此外，工程類比設(shè)計法通常要涉及水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、地形和工程結(jié)構(gòu)及施工方法等諸多方面的因素，并且工程類比法與設(shè)計者的工程實踐經(jīng)驗關(guān)系很大，所以，要進行嚴格的工程類比較為困難。盡管如此，工程類比法仍然是主要的設(shè)計方法和具有重要實用意義的設(shè)計方法。2. 現(xiàn)場監(jiān)控量測法此法又稱信息設(shè)計法，是新近發(fā)展起來的一種以現(xiàn)場量測為手段，以量測信息為確認和修正設(shè)計的依據(jù)，用來確定初期錨噴支護參數(shù)、支護時機、施工方法的設(shè)計方法。結(jié)合施工過程，它一邊進行各種項目內(nèi)容的量

5、測，一邊將量測的成果反饋到設(shè)計與施工中，使得支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工更符合或更接近現(xiàn)場工程實際，也能夠適應(yīng)多變的地質(zhì)條件和各種不同的施工手段，因而說現(xiàn)場監(jiān)控量測法比工程類比法更為合理和更為實用可靠。這也是當(dāng)前此法在軟弱地層設(shè)計施工中迅速發(fā)展與應(yīng)用的原因。根據(jù)現(xiàn)場量測信息，分析判斷圍巖的動態(tài)的經(jīng)驗性很強，且受量測地段的選擇、量測數(shù)據(jù)的處理、量測技術(shù)的水平、量測儀具的精度與質(zhì)量、施工條件的變動等各種因素的影響，使得圍巖動態(tài)判斷的準確程度難以把握和準確的評價，加之量測工作量大和耗資較多，對施工有一定干擾，使得其推廣受到一些阻礙。3. 理論計算驗算法理論計算驗算法是在測定巖體和支護邊學(xué)參數(shù)的前提下，根據(jù)圍

6、巖力學(xué)特征建立力學(xué)模型，通過計算確定支護參數(shù)的方法。其力學(xué)關(guān)系為：在支護阻力作用下，保證圍巖不至于失穩(wěn)的允許周邊位移與支護的變形相等，即尋求一個最佳共同工作點及最佳共同工作狀態(tài)下的支護阻力和相應(yīng)的支護參數(shù)。（三）新奧法設(shè)計階段1. 施工前預(yù)設(shè)計階段施工前預(yù)設(shè)計是在認真研究測定資料的基礎(chǔ)上進行的。在這一階段，一般很難完全詳細地掌握實際的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，常常會有一定幅度的變動，故通過在施工中的地質(zhì)調(diào)查和現(xiàn)場監(jiān)控量測，確認和修正預(yù)設(shè)計是極其重要的。2. 信息反饋修改設(shè)計階段在施工前預(yù)設(shè)計階段，一般很難全部詳細了解實際的地質(zhì)條件，必須在施工現(xiàn)場進行監(jiān)控量測，確認和修正施工前預(yù)設(shè)計。因此，新奧法

7、的設(shè)計必須要有信息反饋修正設(shè)計階段，這是最終確定設(shè)計參數(shù)并據(jù)以實施的階段。但是，對隧道工程施工組織和支護結(jié)構(gòu)進行大規(guī)模的變更會造成工期和工程費用的變動，應(yīng)盡量避免。因此，隧道工程定測階段地質(zhì)調(diào)查的內(nèi)容和精度要求，必須滿足施工前預(yù)設(shè)計的要求。3.2 隧道施工測量隧道施工測量的主要內(nèi)容包括：洞外平面控制測量、洞外高程控制測量，洞內(nèi)平面控制測量、洞內(nèi)高程控制測量，進洞測量，洞內(nèi)中線測量，貫通誤差調(diào)整和竣工測量。隧道洞外控制測量。直線隧道長度大于1000m，曲線隧道長度大于 500 m，均應(yīng)根據(jù)橫向貫通精度要求進行隧道平面控制測量設(shè)計。兩相鄰開挖洞口（包括橫洞口、斜井口）高程路線長度大于5000m，應(yīng)

8、根據(jù)高程貫通精度要求進行隧道高程控制測量設(shè)計。（一）洞外平面控制測量對于直線隧道，洞外平面控制測量的目的主要是獲取兩端洞口較為精確的點的平面位置和引測進洞的方向。對于曲線隧道，洞外平面控制測量除具有與直線隧道相同的目的外，還在于間接求算隧道所在曲線的轉(zhuǎn)向角及兩端洞口控制樁與交點的相對位置，進而按照設(shè)計選配的圓曲線半徑和緩和曲線長重新確定隧道中線的位置。建立洞外平面控制的常用的方法有：中線法、精密導(dǎo)線法、三角網(wǎng)和GPS網(wǎng)等。1中線法先將洞內(nèi)線路中線點的平面位置測設(shè)于地面，經(jīng)檢核確認該段中線與兩端相鄰線路中線能夠正確銜接后，方可以此作為依據(jù)，進行引測進洞和洞內(nèi)中線測設(shè)。中線法一般只能用于短于100

9、0 m的直線隧道和短于500 m的曲線隧道的洞外平面控制。2精密導(dǎo)線法用導(dǎo)線方式建立隧道洞外平面控制時，導(dǎo)線點應(yīng)沿兩端洞口的連線布設(shè)。導(dǎo)線點的位置應(yīng)根據(jù)隧道的長度和輔助坑道的數(shù)量及分布情況，并結(jié)合地形條件和儀器測程選擇。導(dǎo)線最短邊長不應(yīng)小于300m，相鄰邊長的比不應(yīng)小于1：3，并盡量采用長邊，以減小測角誤差對導(dǎo)線橫向誤差的影響。導(dǎo)線的水平角一般采用方向觀測法。當(dāng)水平角只有兩個方向時，可按奇數(shù)和偶數(shù)測回分別觀測導(dǎo)線的左角和右角，這樣可以檢查出測角儀器的帶動誤差，數(shù)據(jù)處理時可以較大程度地消除此項誤差的影響。導(dǎo)線的內(nèi)業(yè)計算一般采用嚴密平差法，對于四、五等導(dǎo)線也可采用近似平差計算。隧道洞外導(dǎo)線應(yīng)組成閉

10、合環(huán)，一個控制網(wǎng)中導(dǎo)線環(huán)的個數(shù)應(yīng)不少于4個；每個環(huán)的邊數(shù)約為4-6條，應(yīng)盡可能將兩端洞口控制點納入到導(dǎo)線網(wǎng)中。3三角網(wǎng)法三角測量建立隧道洞外平面控制時，一般是布設(shè)成單三角鎖的形式。對于直線隧道，一排三角點應(yīng)盡量沿線路中線布設(shè)。條件許可時，可將線路中線做為三角鎖的一條基本邊，布設(shè)為直伸三角鎖。以減小邊長誤差對橫向貫通的影響。對于曲線隧道，應(yīng)盡量沿著兩洞口的連線方向布設(shè)，以減弱邊長誤差對橫向貫通的影響。（二）洞外高程控制測量洞外高程控制測量的任務(wù)，是按照測量設(shè)計中規(guī)定的精度要求，以洞口附近一個線路定測點的高程為起算高程，測量并傳算到隧道另一端洞口與另一個定測高程點閉合。閉合的高程差應(yīng)設(shè)斷高，或推算

11、到路基段調(diào)整。這樣，既使整座隧道具有統(tǒng)一的高程系統(tǒng)，又使之與相鄰線路正確銜接，從而保證隧道按規(guī)定精度在高程方面正確貫通，保證各項建筑物在高程方面按規(guī)定限界修建。隧道高程控制測量一般采用水準測量，對于四、五等高程控制測量也可采用光電測距三角高程測量。（三）進洞測量控制測量確認了隧道兩端線路中線控制樁與洞外平面控制點的相對位置關(guān)系。根據(jù)洞外控制測量成果，計算由洞外控制點引測進洞測設(shè)數(shù)據(jù)，據(jù)此指導(dǎo)隧道的進洞及洞內(nèi)開挖，稱為進洞關(guān)系計算 。隧道進洞測設(shè)的主要方法極坐標(biāo)法。將隧道的中線控制樁納入洞外平面控制網(wǎng)，控制測量完成后，即可求得它們的精確坐標(biāo)。根據(jù)這些點的坐標(biāo)和洞口（或洞內(nèi)）中線點的坐標(biāo)，反算出極

12、坐標(biāo)法的放樣數(shù)據(jù)，進而現(xiàn)場測設(shè)。（四）洞內(nèi)平面控制測量洞內(nèi)平面控制通常有兩種形式，即中線形式和導(dǎo)線形式。中線形式就是以定測精度或稍高于定測精度，在洞內(nèi)按中線測量的方法測設(shè)隧道中線。這種方法只適用于短隧道。洞內(nèi)導(dǎo)線主要有以下幾種形式：單導(dǎo)線、導(dǎo)線環(huán)、主副導(dǎo)線環(huán)、較差導(dǎo)線、旁點到線。洞內(nèi)高程控制測量的目的，是由洞口高程控制點向洞內(nèi)傳遞高程，即測定洞內(nèi)各高程控制點的高程，做為洞內(nèi)施工高程放樣的依據(jù)。洞內(nèi)應(yīng)每隔200500m設(shè)立一對高程控制點。高程控制點可選在導(dǎo)線點上，也可根據(jù)情況埋設(shè)在隧道的頂板、底板或邊墻上。三等及以上的高程控制測量應(yīng)采用水準測量，四、五等可采用水準測量或光電測距三角高程測量。當(dāng)采

13、用水準測量時，應(yīng)進行往返觀測。采用光電測距三角高程測量時，應(yīng)進行對向觀測。高程導(dǎo)線宜構(gòu)成閉合環(huán)。洞內(nèi)高程控制測量采用水準測量時，除采用常規(guī)的方法外，有時為避免施工干擾還采用倒尺法傳遞高程。應(yīng)用倒尺法傳遞高程時，規(guī)定倒尺的讀數(shù)為負值，則高差的計算與常規(guī)水準測量方法相同。3.3 隧道測量實時計算程序（一）隧道測量實時計算算法Begin(算法開始)輸入線路中心坐標(biāo)及隧道設(shè)計數(shù)據(jù)輸入測量點坐標(biāo)計算測量點與線路中心點高差z ( if z < h (Progn 測點在下方矩形內(nèi)，計算需要開鑿的數(shù)據(jù))( Progn 測點在上方半圓內(nèi)，計算要開鑿的數(shù)據(jù))輸出計算數(shù)據(jù)End（算法結(jié)束）（二）隧道測量實時計算程序流程圖開始輸入已知數(shù)據(jù)輸入測量坐標(biāo)計算兩點高差zIf z < h下方矩形計算是上方半圓計算輸出計算數(shù)據(jù)否結(jié)束圖3-1 隧道測量實時計算流程圖（三）隧道測量實時