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《隧道测量案例分析》

主讲：马自军教授

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01
案例一

某隧道全长4757m，单洞双线隧道，围岩以Ⅲ、Ⅳ级为主，除出口端DK163+591.875~DK163+842在曲线段外，其余均在直线段。隧道整体以15‰呈单向上坡，属构造剥蚀形式的中低山地貌，沟壑纵横、山峦重叠。

洞外进、出洞口处分别布设主控制点1个、方向点3个，共布设GPS控制点8个，并在主控制点加测二等水准进行高程控制。洞内控制测量，主要布设主、副导线，用于隧道贯通测量和施工放样。

控制点埋设在隧道底板稳固的硬质基岩上，埋设C级GPS标石或埋设顶部刻十字标志的φ22钢筋，并制作点之记，同时在附近用红油漆标明点号，以便于寻找。

1.已有资料情况：国家高等级三角点３个，高等级水准点1个，线路首级控制网点2个；

2.仪器设备：6台双频GPS接收机，S1光学水准仪一套，数字水准仪1套以及2"全站仪2套。

3.主要作业依据：《工程测量规范》（GB50026―2007）和《公路勘测规范》（JTG C10―2007）。施工单位已经进行洞内控制测量，主要布设主、副导线，用于隧道贯通测量和施工放样。隧道洞外控制测量利用GPS相对定位技术，采用静态测量方式进行。

问题：

1.说明施工单位进行地面控制测量前应做的测量内容及方法。

2.说明洞外控制测量对控制点施测的主要技术要求。

3.进行洞内控制测量，布设主、副导线应注意哪些方面？

答案：（关注测绘之家微信公众号获取更多测量干货）

1.施工单位进行地面控制测量前应做的测量内容及方法如下：

利用已有3个高等级三角点，1个高等级水准点对2个线路首级控制网点进行复测检核。

平面检核：按照三等GPS观测技术要求，使用4台GPS接收机用3个三角点对2个线路首级控制网点进行同步观测检验线路首级控制网点平面坐标。

高程检核：由已知高等级水准点起，经过2个线路首级控制网点，再闭合到高等级水准点，组成闭合水准环线，检验2个线路首级控制网点高程。

知识点 1

复测及相关要求

复测：在线路施工开始之前，把定测时丢失的桩点进行恢复，同时对定测质量进行可靠性和完整性核查的工作。

1.复测前和设计单位交接桩点：平面和高程控制点及曲线要素表。

2.复测的目的是桩点恢复和检查定测质量，尽量按定测桩点进行。

3.线路复测时采用的方法、精度应与原控制测量精度相同，复测的精度不能低于原控制测量等级。

4.复测值与设计值较差限差在规定允许的范围内时，采用设计单位的定测成果，

2.洞外控制测量主要包括洞外平面控制和洞外高程控制。

（1）平面控制：①进口处的1个施工主控制点、3个主方向控制点、出口处的1个施工主控制点、3个主方向控制点、2个线路首级控制网点处各放一台GPS接收机共6台组成GPS观测网，进行同步静态观测，观测参数：观测时段1，时段长度20-60min，采样间隔10s，卫星截止高度角15°。观测完后进行整体网平差。（关注测绘之家微信公众号获取更多测量干货）

（2）以线路首级控制网1个点为起点，与进口处施工主控制点、出口处施工主控制点和另一个线路首级控制网点，组成附合水准线路。使用数字水准仪按照二等水准测量规范进行观测与解算。

知识点 2

洞内导线布设要求

3.洞内控制测量，布设主、副导线，用于隧道贯通测量和施工放样时，其洞内导线应满足：

（1）长边导线：主、副导线沿隧道两侧布设成直伸的长边导线。

（2）边长相等：导线的边长宜近似相等，直线段不宜短于200 m，曲线段不宜短于70 m，导线边距离洞内设施不小于 0.2 m。

（3）角度平差：主、副导线每隔2~3条边组成一个闭合环，并进行角度平差。

（4）延伸测量：当隧道掘进至导线设计边长的 2～3 倍时，应进行一次导线延伸测量。

（5）三联脚架：在进行角度观测时，采用三联脚架法观测以减小仪器和目标对中误差的影响。

（6）陀螺定向：长距离隧道，可加测一定数量的陀螺经纬仪定向边。

02
案例二

金温铁路扩能改造工程是浙江环状高速铁路网的重要组成部分，也是沪昆高铁和东部沿海客运专线在浙江省内的重要连接线。新金温铁路起自金华，终点为温州，为Ⅰ级双线铁路，正线铺轨约370 km。全线桥隧比为83%左右，旅客列车速度目标值为200km/h。工程于2010年12月开工建设。其中，位于缙云县和丽水市莲都区交界的盘龙寺隧道全长9413m，是整个项目控制性工程之一，同时也是金温线上难点工程之一。由于隧道所在的缙云县和丽水市莲都区山多地少，有利施工的条件受限，为确保隧道顺利贯通，施工单位采用了一个斜井，四个工作面的施工方案进行掘进。洞外控制测量采用GPS控制网，洞内控制测量采用导线控制测量方法，高程控制采用精密水准测量方法进行。（关注测绘之家微信公众号获取更多测量干货）

洞口两端各埋设3个GPS控制点，采用大地四边形进行控制测量。

已收集资料有：

1.在隧道口附近，线路初测时已埋设四等GPS点6个，每端各3个，且两点间互相通视；

2.在隧道口附近，线路初测时已埋设四等水准点4个，每端各2个；

3.隧道施工设计图纸；

4.隧道洞口地形图。

现有的仪器设备：经检定合格的全站仪、GPS、数字水准仪、陀螺仪等。

主要技术依据：

1.《高速铁路工程测量规范》（TB 10601-2009）

2.《工程测量规范》（GB50026-2007）

问题：

1. 洞内施工测量的工作内容及主要任务是什么？

2.简述提高隧道贯通测量精度的具体措施。

3.地面平面控制测量对横向贯通的影响值的允许值为多少？

4.为满足地面高程贯通的精度要求应采用几等水准测量？（设隧道横向贯通限差200mm，高程贯通限差70 mm）。

知识点 3

洞内施工测量的工作内容及主要任务

答案：

1.洞内施工测量的工作内容及主要任务是：

(1).洞内施工测量工作内容：

 洞口放样－洞内中线、腰线－断面测量－变形监测－贯通测量－衬砌放样。

(2). 洞内施工测量的主要任务:

①确定方向：在隧道施工过程中，确定平面及竖直面内的开挖方向。

②进度计量：定期检查工程进度及计算完成的土石方量。

③竣工测量：在隧道竣工后，进行竣工测量。

知识点 4

提高隧道贯通测量精度的具体措施

 2.提高隧道贯通测量精度的具体措施有：

（1）、起算可靠：注意原始资料的可靠性，起算数据应准确无误；

（2）、施测检核：各项测量工作均要有可靠的独立检核，进行复测复算，防止产生粗差；

（3）、特殊措施：精度要求高的重大贯通工程要采取提高精度的必要措施（适当加测陀螺定向边；尽可能增大导线边长；提高对中精度，采用三联脚架法观测）；

（4）、精度分析：及时对观测成果进行精度分析，并与预计贯通误差对比，必要时返工重测；

（5）、掘进调整：掘进过程中，及时测量和填图，并根据测量成果及时调整掘进方向和坡度。

知识点 5

贯通误差的分配

3.横向贯通误差影响：把地面控制测量的误差作为影响隧道贯通误差的一个独立因素，将地下两相向布设的洞内导线测量误差影响各作为一个独立因素，在有竖井（或斜井）的情况下，将每一个竖井或斜井的联系测量误差影响也作为一个独立因素，且将各独立因素按“等精度影响原则”来加以分配。（关注测绘之家微信公众号获取更多测量干货）

设隧道总的横向贯通误差限值为，则总的横向贯通中误差限值为：

设地面控制测量引起的中误差为m1、两相向布设的洞内导线测量引起的中误差为m2、m3和一个斜井联系测量引起的中误差m4。根据误差传播定律：

    再按“等影响原则”加以分配，则地面控制测量误差引起的横向贯通中误差为：

4. 为满足地面高程贯通的精度要求应采用几等水准测量?

高程控制测量中，洞内、洞外高程测量的误差对高程贯通误差的影响，按“相等影响原则”分配。

隧道高程贯通误差限值为,高程贯通中误差的限值为Mh，Mh＝=35mm则地面水准测量的误差所引起的高程贯通中误差的值为：

在贯通面上，受洞外或洞内高程控制测量误差影响而产生的高程中误差为：

水准测量等级	一等	二等	三等	四等
m	0.45	1	3	5
Mw	1	2	6	10

四等水准测量m△=,故采用四等水准测量可满足地面高程贯通的精度要求。

03
案例三

某测绘施工单位承接了某道路工程测量任务，该道路全长7.331 km，其中Ⅰ标段4.68km，包括0.7 km道路和3.98 km隧道。

项目前期已完成相应的控制测量，主要资料有：

（1）Ⅰ标段洞里隧道施工设计图纸（主要是隧道轴线平面控制点及曲线要素表、纵断面设计高程数据和施工设计图）；

（2）隧道洞口地形及洞外已知控制点点位的实际情况等。

①在隧道口附近，工程勘测设计时已布测并移交平面GPS四等控制点4个，两点间能相互通视。

②工程勘测设计时已在隧道洞口附近各布测了2个四等水准点，经复测两点间高差准确可靠，点位未发生沉降。

测绘施工单位采用一个斜井，四个工作面的施工方案进行掘进开挖施工，坐标系以隧道主轴线为X轴。经两进洞导线分别测得贯通点坐标为（12345.210，54321.472）和（12345.405，54321.375），测得高程分别为45.359 m和45.418 m。

控制点施测严格按照《工程测量规范》和《公路勘测规范》等中的规定进行测设操作。导线观测仪器采用经过鉴定合格且符合本工程控制导线测量要求的日产R—322宾得全站仪进行水平方向角及边长的测量，水平方向角按导线量测时的前进方向观测左右角，奇数站测左角，偶数站测右角；边长进行对向量测，计算时对观测值进行仪器加、乘常数改正。

主要作业依据有：

①《工程测量规范》（GB50026—2007）；

②《公路勘测规范》（JTG C10—2007）；

③《公路隧道施工技术规范》（JTJ042—94）。

问题：

1.根据案例计算该贯通面的贯通误差，并判断是否超限。

2.试述经斜井贯通时，贯通误差的种类及其影响。

3.已知隧道坡度为－3‰，在现场标定隧道腰线，本点腰线高程为38.270m，则相距10m的前方腰线高程为多少？

4.贯通测量分为哪几个工作步骤？

答案：（关注测绘之家微信公众号获取更多测量干货）

知识点 6

贯通误差要求

 隧道工程贯通误差

类别	两开挖洞口长度L/km	贯通误差限差/mm
横向	L＜4	100
4≤L＜8	150
8≤L＜10	200
高程	不限	70

1. 贯通点两坐标差的x坐标增量是纵向贯通误差，y坐标增量为横向贯通误差，贯通点两高程差为高程贯通误差。

 △y=（54 321.472－54 321.375）=97 mm；

△h=45.359－45.418=－59 mm。

因隧道开挖两端相距3.98 km，按照《工程测量规范》规定，横向贯通误差不超过100 mm 高程贯通误差不超过70 mm 所以该贯通面的横向贯通误差在限差范围内，高程贯通误差在限差范围内。

知识点 7

贯通误差种类及其影响

2.对于经横洞、斜井贯通隧道，贯通误差的种类及影响如下：

(1).纵向贯通误差:水平面内沿中线方向贯通误差分量，仅对为隧道里程有影响。

(2).横向贯通误差：水平面内垂直于中线方向的贯通误差分量，影响开挖界限。

(3).高程贯通误差：铅垂线方向的贯通误差分量，对坡度有影响。

(4).水平面内贯通误差常采用中线法和导线法进行测量，高程贯通误差测量采用贯通面两边水准点分别对  贯通面上一点进行高程测量，两个实测高程之差就是高程贯通误差。

3.根据题意：设本点为A，与本点相距10m的点为B则AB点的高差hab=10×(-3/1000)=-0.03m。Hb=Ha+hab=38.270-0.03=38.24 m。

知识点 8

贯通测量工作步骤

4. (1)、确定方案：选择合理的测量方案与测量方法。

(2)、现场施测：按照预定方案和方法施测，每一施测环节均须有独立可靠的检核。

(3)、标定中线：实地标定隧道的中线和腰线。

(4)、调整中线：延长中线和腰线，定期检查填图，并及时调整中线和腰线。

(5)、计算闭合差:贯通后立即测出实际贯通偏差值，连接导线，计算闭合差。

(6)、分析总结：重大贯通工程完成后应进行精度分析和精度评定，编写技术总结。

04
案例四

某特建隧道长约10 km，设计单位向施工单位提供的前期测绘成果和设计资料包括：

1．进、出洞口各4个C级精度的GPS控制点，基准采用2000国家大地坐标系(CGCS2000)，中央子午线为×××°50 ′00″，投影面正常高为500 m;

2．进、出洞口各2个二等水准点，采用1985国家高程基准；

3．隧道的设计坐标、高程、里程桩等；（关注测绘之家微信公众号获取更多测量干货）

4．由于现场地形条件的限制，该隧道未设计斜井，拟采用双向开挖施工，贯通面位于隧道的中部。隧道主体为南北偏西走向的直线隧道，隧道坡度一致，施工区中央子午线为X××。10'′00″，纬度为40°，进口施工面正常高为750 m，出口施工面正常高为850 m。

施工单位在施工前对已有成果进行了复测，并进行了中央子午线平移和施工坐标系建立等工作。施工坐标系的X轴为进、出洞口中线点连线的水平投影方向，并重新选择投影面。

洞内平面控制采用双导线分期布设，全站仪的测角精度不低于1″，导线边长控制在200～600 m之间，角度观测6测回，导线在隧道内向前每推进2km加测一条高精度陀螺定向边，高程控制按二等水准测量的精度要求施测。

问题：
1、洞外控制测量最终提交的成果应包括哪些内容？

2、说明建立施工坐标系时重新选择投影面的理由，并指出所选最佳投影面的正常高。

3、说明隧道内加测高精度陀螺定向边的目的和基本作业步骤。

知识点 9

洞外控制测量成果提交

答案：

1.最终应提交的成果如下：①技术设计书；②仪器检验校正资料；③控制网网图；④控制测量外业资料；⑤控制测量计算及成果资料；⑥所有测量成果及图件电子文件。

2.根据题意可知，进口施工面正常高为750m，出口施工面正常高为850m。投影面选择要求两控制点间坐标反算距离与实测距离差值尽可能小。为了减少此差值，投影的中央子午线选在测区的中央，地面观测值归算到测区平均高程面上，所以，施工区最佳投影面的正常高应为800m。

知识点 10

工程控制网坐标系选择

在工程控制测量时，根据施工所在的位置、施工范围及施工各阶段对投影误差的要求，选择以下几种平面直角坐标系：

（1）国家统一的3°带高斯平面直角坐标系

当测区平均高程在100m以下，且ym值不大于40km时，其投影变形值S1和S2均小于2.5cm，可以满足大部分线路工程和工程放样的精度要求。因此，在偏离中央子午线不远和地面平均高程不大的地区，无需考虑投影变形问题，直接采用国家统一的3°带高斯平面直角坐标系作为工程测量的坐标系。（关注测绘之家微信公众号获取更多测量干货）

（2）抵偿投影面的3°点高斯平面直角坐标系（Hm发生变化）

在这种坐标系中，仍采用3°带高斯投影，但投影的高程面不是参考椭球面而是依据补偿高斯投影长度变形而选择的高程参考面。在这个高程参考面上，长度变形为零。当采用国家统一的3°带高斯平面直角坐标系，S1+S2超过允许的精度要求（1.0～2.5cm）/km时，可令S1+S2＝0，则有

()=0

当s一定时,由上式可求得:

 Hm:实测长度所在高程面相对于参考椭球面的高差

Ym:归算边两端点横坐标的平均值

例某测区内已有国家控制网，各点在高斯投影统一3°带，测区内平均高程H=300m,各控制点Y坐标平均值为：40893.843m，为了满足精密工程测量的需要，试选择一个合适的抵偿高程面。（参考椭球面曲率半径取6371km）。

令：S1+S2＝0，()=0

 =131≈130m

 H0=H-Hm≈170m

（3）任意带高斯平面直角坐标系（Ym发生变化）

在这种坐标系中，仍把地面观测结果归算到高斯投影面上，但投影带的中央子午线不按国家3°带的划分方法，而是依据补偿高程面归算长度变形而选择的某一条子午线作为中央子午线。就是说，补偿高程面保持不变。于是

假设某测区相对于参考椭球面的高程Hm=500m，为使边长到参考椭球面投影及高斯投影面投影引起的长度变形能基本互相抵消，依式算得

即选择与该测区相距80km处的子午线作为中央子午线。这样，在测区边长的高程投影和高斯投影引起的长度变形能基本互相抵消。

（4）具有高程抵偿面的任意带高斯平面直角坐标系（Hm、Ym都发生变化）

在这种坐标系中，投影的中央子午线选在测区的中央，地面观测值归算到测区平均高程面上，按高斯正形投影计算的平面直角坐标系。简单地说，抵偿高程面就是为使地面上边长的高斯投影长度改正与归算到投影面上的改正互相抵偿而确定的高程面。

（5）独立平面直角坐标系

当测区控制面积小于25km2时，可不进行方向和距离改正，直接把地表曲面当作平面建立的独立平面直角坐标系。只限于建筑工程施工测量。

知识点 11

陀螺仪工作原理及定向步骤

3.隧道测量中，加测陀螺定向边不仅可以控制测角误差的积累，还可以极大地提高导线横向精度和隧道贯通质量。作业的基本步骤包括：

1).陀螺经纬仪定向

①在已知边上测定仪器常数②在待定边上测定陀螺方位角③在已知边上重新测定仪器常数，求算仪器常数最或是值，评定一次测定中误差④求算子午线收敛角⑤求算待定边坐标方位角。

2).陀螺方位角一次测定流程：

①安置仪器，一测回测定方位值，大致对向北方②粗略定向，测定近似陀螺北方向③测前悬带零位观测④精密定向，精密测定陀螺北方向⑤测后悬带零位观测⑥一测回测定方向值，两次互差不超限时取平均值。

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来源：测绘之家

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