工程测量技术在隧道施工中及应用.docx
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工程测量技术在隧道施工中及应用
工程测量技术在隧道施工中及应用
黄河水利职业技术学院
毕业论文（设计）
工程测量技术在隧道施工中的应用
学生姓名：
席利宁学号：
2011020721
指导教师：
陈旭职称：
讲师
专业：
工程测量技术
系（部）：
测绘工程系
二○一四年五月
黄河水利职业技术学院毕业设计指导教师意见
2014年5月19日
学生姓名
席利宁
专业
工程测量技术
班级
工测1105
设计题目
工程测量技术在隧道施工中的应用
指导教师意见：
是否同意参见答辩：
同意（）不同意（）
指导教师签名：
工程测量技术在隧道施工中的应用
席利宁
（黄河水利职业技术学院，河南开封475003）
摘要
隧道测量技术在过去的十多年里有了长足的发展，其表现是自动化程度越来越高，测量仪器的体积越来越小，重量越来越轻，测量速度越来越快，工作效率越来越高。
在大地和工程测量方面，最具代表性的发展是全站仪和GPS的广泛应用，以及将这两种技术与计算机技术的融合。
隧道测量技术是指针对隧道勘察设计，施工和竣工验收及隧道运营期间所展开的有关测量活动，这些测量工作有些与通常意义上的工程测量有关，如隧道施工控制测量，放样测量，断面测量等，有些与地质勘察和灾害监测有关，如隧道施工地质超前预报探测和变形监测，还有一些与工程质量有关的监测，如混凝土厚度检测，混凝土质量检测，隧道衬砌检测，运营隧道内表面状态检测。
随着科技的不断进步，测量工作所涵盖的范围越来越广，测量工作对工程的成败和盈亏起着举足轻重的的地位。
本文以正在施工的乌东德水电站隧道为例，介绍有关全站仪在隧道施工测量中的应用。
关键词：
隧道工程;控制测量;断面测量;超欠挖测量;监控测量
工程测量技术在隧道施工中的应用
第1章绪论
1.1隧道施工测量的内容和作用
1．洞外控制测量：
在洞外建立平面和高程控制网，测定各洞口控制点的位置；
2．洞内外联系测量：
将洞外的坐标、方向和高程传递到隧道内，建立洞内、洞外统一坐标系统；
3．洞内控制测量：
包括隧道内的平面和高程控制；
4．隧道施工测量：
根据隧道设计要求进行施工放样、指导开挖；
5．竣工测量：
测定竣工后实际中线位置和断面净空及各建、构筑物的位置尺寸。
1.2隧道施工测量现状
隧道施工测量主要是施工放样测量，断面和竣工验收测量。
施工放样测量是以线路中线测量为其核心和基本，随着隧道施工技术的发展和对施工质量以及精度要求的提高，施工放样测量所涵盖的领域越来越广，今天我们讨论施工放样测量时，很自然的会联想在掌子面炮孔放样，激光导向测量隧道轮廓放样，钢拱定位，锚杆定位测量，模板放样以及避车洞、人行横通道放样等。
隧道施工放样测量通常需要借助经纬仪全站仪来完成，普通经纬仪全站仪能较好的满足线路中线测量的需要但对于隧道施工中的结构放样测量由于缺乏相应的测量软件和自动化功能，使得其测量效率降低，难以满足现代化的隧道施工放样测量的需要为了满足隧道施工测量的多种需求，瑞士伯安测量技术公司开发了基于LEICATPS1100/1200系列全站仪的隧道施工放样测量软件TMSSETOUT集多种放样任务于一“人”，大大提高了隧道施工放样测量的效率。
隧道断面测量主要包括断面放样，超欠挖控制，净空检查，实际断面形状测量及断面图绘制等内容。
隧道断面测量在过去几十年里有了长足的发展，对于今天的隧道施工来说，隧道断面测量已经不是什么新鲜的东西。
尽管如此，很有必要回顾一下隧道断面测量的发展。
伴随着计算机技术和电子测距仪的发展，瑞士安伯格测量技术公司首先研制出专门针对隧道断面测量的专用测量仪器AMTPROFIE2000断面仪，由于这两种仪器大大提高了隧道断面测量的功效，一经投放市场，受到用户的热烈欢迎。
90年代安伯格测量技术公司又推出了更新一代的断面测量产品AMTPROFILE3000和AMTPROFILE4000型，这两种型号的产品90年代中期被介绍到中国，在中国很多重点工程中得到了应用，在指挥隧道施工和质量控制等各方面发挥了重要作用，如二滩水电站，小浪底水电枢纽工程，秦岭铁路隧道，陕西高速公路隧道等，其中二滩水电站和小浪底枢纽工程由外国施工企业负责施工总承包，对在中国分包施工企业的施工质量管理和控制等方面的许多做法给中国企业留下了深刻的印象。
进入21世纪以后，随着全自动全站仪的技术发展，使得以全站仪为基础的隧道隧道断面测量成为可能。
一种全新的LEICAAMT隧道测量系统应运而生，LEICAAMT隧道测量系统是安伯格测量技术公司与莱卡测量系统股份公司强强联合的结晶，她吸取了前六代隧道断面测量系统的精髓，并赋予全新的设计理念，以智能化的应用软件配合LEICATPS1100/1200系列的通用全站仪，实现一机多用，能同时完成隧道断面测量和施工放样测量等多种测量任务
第2章乌东德水电站右岸工程概况
2.1地理位置
乌东德水电站是金沙江下游河段（攀枝花市至宜宾市）四个水电梯级——乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝中的最上游梯级，坝址所处河段的右岸隶属云南省昆明市禄劝县，左岸隶属四川省会东县。
电站上距攀枝花市213.9km，下距白鹤滩水电站182.5km，与昆明、成都的直线距离分别为125km和470km，与武汉、上海的直线距离分别为1250km和1950km。
乌东德水电站的开发任务以发电为主，兼顾防洪，电站装机容量10200MW，多年平均发电量389.3亿kW.h。
本工程为Ⅰ等大
（1）型工程，枢纽工程主体建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电建筑物等组成。
挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，坝顶高程988m，最大坝高270m；泄洪采用坝身泄洪为主，岸边泄洪洞为辅的方式。
电站厂房布置于左右两岸山体中，均靠河床侧布置，各安装6台单机容量为850MW的混流式水轮发电机组，总装机容量10200MW。
主要建筑物有进水口、引水隧洞、主厂房及安装场、主变洞、母线洞、电缆廊道、尾水调压室、尾水隧洞、尾水出口、出线竖井及平洞、地面出线场、交通洞、通风排风（烟）系统、集水井排水管道洞及厂外排水系统等。
引水系统采用一机一洞、尾水系统采用二机一室一洞布置，左右岸各有2条尾水隧洞与导流洞结合。
2.2地质条件
厂房区主要包括主厂房、主变室和调压室，厂房区三大洞室平行布置，洞轴线方向为65°。
（1）主厂房
①工程地质条件
主厂房位于峡谷岸坡内，外侧端墙距岸边距离约120m，上覆岩体厚，埋深210m～390m。
主厂房穿越Pt2l3-1～Pt2l3-4地层，主要为中厚层～厚层层灰岩、大理岩、石英岩及巨厚层白云岩，岩层倾向175°～185°，倾角70°～80°，轴线与岩层走向夹角约20°～30°，主厂房区中见一条相对较大断层，即f42，位于主厂房靠山里侧，断层延伸长约600余米。
厂房区裂隙总体上不发育，统计显示主厂房优势裂隙有2组，第1组裂隙优势产状为266°∠45°，第2组裂隙优势产状为282°∠22°。
围岩主要为微新岩体。
总体上岩溶不发育，Pt2l3-3中发育K1、K4、K6、K8、K9等5个规模小的溶洞，顺断层、裂隙及层面发育，其中K6相对较大，呈溶缝状，溶洞长1.5m，宽0.6m，可见高度5m。
勘探钻孔（ZK501、ZK502、ZK503）局部揭露到Pt2l3-3地层中的A类角砾岩，其中少数为B类，角砾岩位于主厂房与主变室之间局部岩体中，沿洞室轴向延伸约60m～80m，角砾岩顶高程824.52m，底部高程741.32m，其中B类角砾岩延伸长约20m～30m，顶高程812m左右，底高程788.8m左右。
主厂房绝大部分处于地下水位以下。
右岸厂房部位最大水平主应力量值集中为5~8MPa，最大值为9.7MPa，平均值为6.5MPa，最大水平主应力方向为NE81°，与洞轴线夹角为16°左右；最小水平主应力量值集中为3~6MPa，最大值为6.5MPa，平均值为4.5MPa。
②洞室围岩工程地质分类
右岸主厂房各边墙及拱顶洞室围岩工程地质分类详见表2.2.1，右岸主厂房以Ⅱ类围岩为主，次为Ⅲ类围岩。
表2.2.1右岸主厂房三壁围岩分类成果统计
部位
围岩分布
各类围岩面积百分比（％）
Ⅱ
Ⅲ
下游边墙
桩号
165.3~333
0~165.3
57.8
42.2
围岩类别
Ⅱ
Ⅲ
顶板
桩号
135.5~333
0~135.5
59.3
40.7
围岩类别
Ⅱ
Ⅲ
上游边墙
桩号
0~32.3
32.3~199.6
46.9
53.1
199.6~333
围岩类别
Ⅱ
Ⅲ
围岩分类合计（％）
53.4
46.6
③主要工程地质问题及评价
主厂房II类围岩占53.4%，围岩基本稳定，局部存在随机块体稳定问题；Ⅲ类围岩约占46.6%，Ⅲ类围岩局部稳定性差，围岩强度不足局部可能产生塑性变形。
主厂房内端墙发育断层f42，可能与优势裂隙构成半定位块体，体积约600m3，在施工过程中，受爆破等因素影响块体稳定性较差。
另外，局部可能存在B类角砾岩的稳定问题。
由于右岸主厂房洞室轴线与地层走向夹角较小，约20°～30°，因此在开挖后，边墙可能因卸荷松弛而产生较多片帮破坏。
主厂房围岩为Pt2l3-1～Pt2l3-4地层，其中Pt2l3-1、Pt2l3-3以灰岩为主，岩溶相对较发育，局部顺层溶蚀明显，主厂房绝大部分处于地下水位以下，受顺层溶蚀影响，施工中地下水可能沿岩溶缝隙和小的溶洞进入主厂房中，形成一些局部脉状集中式涌水，初步估算涌水量约1.2×104m3/d。
（2）主变室
①工程地质条件
主变室亦位于峡谷岸坡内，外侧端墙距岸边距离120m，上覆岩体厚，埋深250m～370m。
主变室围岩为Pt2l3-3～Pt2l3-5厚层灰岩、大理岩、石英岩及巨厚层白云岩。
岩层岩层倾向175°～185°，倾角70°～80°，轴线与岩层走向夹角约20～30°。
主变室边墙附近未见较大断层出露。
围岩总体上岩溶不发育，主要局部存在顺层面的溶缝，在Pt2l3-3地层中可见规模小的顺层延伸的溶洞，主变室部分处于地下水位以下。
主变室地应力特征与主厂房相同。
②洞室围岩工程地质分类
主变室围岩以Ⅱ类为主，少量为Ⅲ类围岩，见表2.2.2。
表2.2.2右岸主变室三壁围岩分类成果统计
部位
围岩分布
各类围岩面积百分比（％）
Ⅱ
Ⅲ
下游边墙
桩号
0~176.8
176.8~260
68
32
围岩类别
Ⅱ
Ⅲ
顶板
桩号
0~195.6
195.6~260
75.7
24.3
围岩类别
Ⅱ
Ⅲ
上游边墙
桩号
0~231.2
231.2~260
88.9
11.1
围岩类别
Ⅱ
Ⅲ
围岩分类合计（％）
77.9
22.1
③主要工程地质问题及评价
主变室围岩以Ⅱ类为主，约占77.9%，围岩基本稳定，局部存在随机块体稳定问题；Ⅲ类围岩占22.1%，局部稳定性差，围岩强度不足局部可能产生塑性变形。
另外，局部可能存在B类角砾岩的稳定问题。
由于右岸主变室洞室轴线与地层走向夹角较小，约20°～30°，因此在开挖后，边墙可能因卸荷松弛而产生较多片帮破坏。
主变室围岩为Pt2l3-3～Pt2l3-5地层，其中Pt2l3-3地层约占主变室的一半，岩性主要为厚层灰岩，灰岩岩溶相对较发育，局部顺层溶蚀明显，主变室部分位于地下水位以下，在施工过程中，地下水可能沿岩溶缝隙、孔洞形成一些脉状的集中式涌水，初步估算右岸主变室的涌水量Q=0.3×104m3/d。
（3）调压室
①工程地质条件
调压室亦位于峡谷岸坡内，外侧端墙距岸边距离100m，上覆岩体厚，埋深180m～350m。
主变室地层为Pt2l3-3～Pt2l3-5厚层灰岩、大理岩、石英岩及巨厚层白云岩，岩层倾向175°～185°，倾角70°～80°，轴线与岩层走向夹角约20～30°。
未见较大断层发育，断层f100-2、f100-3位于调压室下游边墙附近，其规模小，与调压室轴线夹角分别为47°、55°。
围岩总体上岩溶不发育，局部存在顺层面的溶缝，勘探平洞PD8揭露了A类角砾岩，位于调压室顶拱（外端墙）附近，调压室大部分处于地下水位以下。
调压室地应力特征与主厂房相同。
②洞室围岩工程地质分类
调压室以Ⅱ类围岩为主，次为Ⅲ类围岩（表2.2.3）。
表2.2.3右岸调压室三壁围岩分类成果统计
部位
围岩分布
各类围岩面积百分比（％）
Ⅱ
Ⅲ
下游边墙
桩号
0~94.3
94.3~255.6
36.9
63.1
围岩类别
Ⅱ
Ⅲ
顶板
桩号
73~132
0~73
33.2
66.8
132~255.6
围岩类别
Ⅱ
Ⅲ
上游边墙
桩号
0~218.3
218.3~255.6
85.4
14.6
围岩类别
Ⅱ
Ⅲ
围岩分类合计（％）
56.9
43.1
③主要工程地质问题及评价
调压室顶拱及下游边墙围岩以III类为主，上游边墙围岩以II类为主；II类围岩占56.9%，围岩基本稳定，局部存在随机块体稳定问题；Ⅲ类围岩占43.1%，局部可能产生块体失稳。
在调压室下游边墙附近，断层f100-2与优势裂隙可能构成半定位块体，方量约100～300m3，在施工过程中，受爆破等因素影响块体稳定性较差。
由于右岸调压室洞室轴线与地层走向夹角较小，约20°～30°，因此在开挖后，边墙可能因卸荷松弛而产生较多片帮破坏。
调压室部分围岩为Pt2l3-3厚层灰岩，岩溶相对较发育，局部顺层溶蚀明显，而调压室部分处于地下水位以下，在开挖过程中局部可能产生涌水问题，初步估算涌水量约0.9×104m3/d。
第3章控制测量
3.1控制测量的概念
3.1.1目的与作用
1.为测图或工程建设的测区建立统一的平面和高程控制网
2.控制误差的积累
3.作为进行各种细部测量的基准
3.1.2控制测量分类
1.按内容分：
平面控制测量、高程控制测量
2.按精度分：
一等、二等、三等、四等；一级、二级、三级
3.按方法分：
天文测量、常规测量（三角测量、导线测量、水准测量）、卫星定位测量
3.1.3有关名词
1.小地区：
不必考虑地球曲率对水平角和水平距离影响的范围。
2.控制点：
具有精确可靠平面坐标参数或高程参数的测量基准点。
3.控制网：
由控制点分布和测量方法决定所组成的图形或路线。
4.控制测量：
为建立控制网所进行的测量工作。
3.2工程概述
乌东德水电站位于云南省禄劝县和四川省会东县交界的金沙江干流上，装机容量10200MW，多年平均发电量401.1亿kW/h，正常蓄水位975m，相应库容58.63亿m3。
第一层排水廊道呈封闭式“
”字形布置，中间三条排水廊道位于主厂房及主变洞顶拱上方围岩中。
第二、三层排水廊道呈封闭式“日”字形布置。
上游排水幕距主厂房上游边墙26.4m，下游排水幕距调压室下游边墙25.0m，靠山内侧排水幕距主厂房端墙15.0m，靠河床侧排水幕距主厂房端墙15.0m，距沿防渗帷幕排水幕最小14m。
中间第二、三层排水廊道位于调压室与主变洞之间，距主变洞下游边墙20m。
厂外排水廊道断面为城门洞型，普通断面开挖尺寸为3.00m×3.50m（宽×高），兼做混凝土运输通道的断面开挖尺寸为4.50m×5.20m（宽×高），与施工支洞结合段的断面开挖尺寸为8.50m×6.50m（宽×高），洞内路面为20cm厚的混凝土路面，两侧设净尺寸20cm×15cm（宽×高）的排水沟。
3.3观测依据
1.《水电水利工程施工测量规范》（DL/T5173—2003）；
2.《中、短程光电测距规范》（GB/T16818-1997）；
3.乌东德水电站右岸导流洞工程下游段施工测量方案
4.《关于印发“乌东德水电站工程施工测量管理办法（试行）”的通知》（乌筹技[2012]12号）
3.4平面坐标和高程系统
平面坐标为金沙江独立坐标系；高程系统为1956黄海高程系，高程投影到坝区960m。
3.5资源配置
针对洞挖控制点的重要性，测量部专设测量控制组，就控制网点的技术方案制定、实施、测量控制网点成果报告的整理负责全面质量管理；副部长协助控制项目的具体实施（设备配置见下表3.5）。
表3.5设备配置表
序号
仪器设备名称
型号
数量
检定日期
1
全站仪
LeicaTCR1202
1台
2012.03.22
2
空盒气压计
DYM3
1台
2011.11
3
温度计
1个
4
对中基座、觇牌、棱镜
3套
5
对讲机
4部
说明
设备均进行了计量检定，各项指标均符合精度要求。
3.6平面、高程控制网校测及加密方案
根据第二层排水廊道的布置特性及已形成的主厂房控制点及施工支洞布局特征；控制组严格按照以下测量控制网点的施工测量程序进行：
熟悉图纸→现场踏勘→方案确定→具体实测→内业检查→成果计算→提交报告。
根据主厂房与右厂1-2#施工支洞内已形成的控制网点YC06，YC07与第二层排水廊道的相互关系，我部选用YCO6、YC07永久控制点作为加密导线控制网起算数据引测至中层排水廊道施工面。
由于该部位导线工程暂无闭合导线测设条件，故在洞室导线布过程中采用了四等高程、平面加密控制网同时进行，以支导线形式布测至顶层排水廊道现有工作面，待支导线完成以后选用洞内最长导线以坐标闭合法回归到厂房YC07点进行坐标差值的比对，其比对差值作为本次控制网精度评析。
高程、平面控制测量指标
表3.6.1水平角方向观测法技术要求
表表3.6.2边角组合网、测边网技术要求
表3.6.3测距作业技术要求
表3.6.4观测、记录及计算数字取位要求
表3.6.5光电测距附合（闭合）导线技术要求
表3.6.6光电测距三角高程导线测量的技术要求
表3.6.7内业计算数字取位要求
表3.6.8全站仪测量斜距和高差的测回数要求
3.7观测实施措施
1）由于洞内外光线的不同，对控制网施测的影响较大，因此在洞内测设时采用了多次测量取均值的方式进行了外业数据采集工作。
2）观测前仪器及前视棱镜严格对中、整平；测前、测后各量一次仪器高和棱镜高，高度量至毫米；记录人员认真仔细记录好每站的点名和仪器高及棱镜高。
3）洞内均为地面点钢筋点，对中整平由2人单独校准，减小对中误差。
4）隧洞内观测前采取临近测站停止施工和选择车辆较少的时段观测，减小外界干扰对施测数据精度的影响；并采用觇牌对向照光，减少折光影响。
5）高程网与平面网同时进行，对超限测站进行补测或重测。
3.8内业数据处理
对外业观测记录手簿两人分别进行了100%的检查，检查无误，依据规范要求对边长进行气象改正、常数改正、投影改正；然后将数据输入南方平差易2005软件进行平差及坐标成果的计算
表3.8.1第二层排水廊道洞内导线坐标表
序号
工程部位
加密点号
X（m）
Y（m）
H（m）
备注
1
右岸厂房
YC06
2912706.8476
562837.2617
848.3089
标敦
2
右岸厂房
YC07
2912763.2498
562800.7480
848.9351
标敦
3
中层上游
ZS1
2912763.5339
562802.0152
847.5227
地面钢筋头
4
中层上游
ZS2
2912794.3407
562796.0873
843.4337
地面钢筋头
5
中层上游
ZS3
2912814.9216
562819.7998
839.0383
地面钢筋头
图3.8.1第二层排水廊道控制网平面示意图
3.9导线控制点精度
校测控制点成果较差对照表（表3.9）
加密点号
X（m）
Y（m）
H（m）
偏差X（mm）
偏差Y（mm）
偏差H（mm）
YC07（首级点）
2912763.2498
562800.7480
848.9351
-3.8
2.2
2.0
YC07（校核点）
2912763.2536
562800.7458
848.9331
第4章隧道施工断面测量
4.1隧道断面测量工作准备
隧道施工中各种工序衔接紧凑，平行作业、交叉施工的工程很多，且洞内作业面狭小，空气质量差，红外线测量仪器反射信号太弱，往往无法进行测量工作。
测量工作在隧道开挖施工中非常重要，它控制着隧道开挖的平面、高程和断面几何尺寸，关系到隧道的贯通。
为满足测量工作需要，需选择关键工序工作面污染小的时间，停止一些次要工序提前加大排风来满足测量工作条件。
若测量工作占用时间过长，将直接影响工程进度和经济效益。
如何及时、准确的提供测量成果，使用的仪器和方法便成了重要因素。
花几十万买一台隧道断面仪，仅能用于隧道断面测量，投资太大，为节省投资可采用全站仪配时空经纬系列软件来完成。
用全站仪进行外业数据采集后，再对采集的数据进行分析。
数据分析可用电脑，也可用可编程计算器（CASIO5800）进行分析。
采用可编程计算器进行分析，内外业用时最少，测量工作对工程作业时间影响最小。
首先要在隧道洞口正前方10m左右处，后方交会一导线点。
这点必须满足由附近三个导线点交会而成，夹角不小于30度，导线边长不小于500m。
以保证隧道施工的准确性。
4.2断面测量
徕卡TCR1201全站仪机内配置有两个程序可以进行断面测量。
一个是在所测断面内的任一位置安设仪器，可用后方交会、自由测站或已知站点设站，确定仪器的三维坐标及设置方位角，然后启动断面测量程序，设置好有关参数后，仪器在司服马达的驱动下照准布于隧道轴线法线的竖直平面旋转一周，同时按设置间隔距离测取仪器到各测点的距离及角度，并存储于仪器内存或PC卡上，即完成一个断面的外业测量工作（图4.2.1所示）；另一断面测量程序是仪器不一定安置在所测断面垂直面内，建站工作同前，可测取仪器免棱镜测程内的所有需测的断面。
此方法优点在于不用频繁搬动仪器，可测取任一需测断面，但开挖后的断面表面凹凸不平，断面每个点位的测取需重复多次。
对衬砌后轮廓规则的断面此法测量速度将大大快于前一种方法。
将不同断面的外业测量记录输入装有相应断面测量后处理软件的计算机，计算机经过分析、计算与理论断面比较等处理过程，最后输出实测及理论断面比较图形、断面面积、超、欠挖面积等有关参数（见图4.2.2）。
图4.2.1围岩净空位移监测示意图
图4.2.2断面测量成果输出图
第5章超欠挖测量
5.1超欠挖产生的原因
（1）围岩地质条件
在地下隧洞的开挖工程中，不可避免的存在超欠挖现象，岩体的地质特征是造成超欠挖的主要因素之一。
围岩地质条件主要指围岩的节理、裂隙、水等非主观因素。
由于围岩存在明显的节理、裂隙、软弱夹层、溶洞等，爆破后岩体不沿周边炮孔的轮廓线破坏，而极有可能沿这些结构面或软弱面破坏，形成主观上很难控制的超欠挖
（2）测量放线
控制好开挖轮廓线的精度是测量放线的首要任务，也是控制超欠挖的一个重要因素。
由于隧道内能见度有限，测量放线人员进入隧道内测量，前后视点照准困难导致误差。
同时掌子面凹凸不平，画轮廓线时
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