超长隧道施工测量基本知识讲座_ppt

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1、超长隧道施工测量 基本知识讲座,引言 测量工作的基本概念 超长隧道施工测量的技术设计 超长隧道施工测量的实施,引言,本讲座的目的与对象 隧道的类型 按隧道的功能分类 铁路隧道 公路隧道 水工隧洞 其它隧道 按隧道的长度分类 普通隧道（总长小于4km） 长隧道（总长4km10km） 长大隧道（总长10km20km） 超长隧道（总长大于20km） 按隧道的掘进方式分类 钻爆法掘进隧道 TBM掘进隧道,一、测量工作的基本概念,1 测量工作的基本内容 测定 通过测量而确定待定地面点的位置（点的空间坐标或平面坐标与高程） 测设 通过测量将图上设计的工程放样于实地，以作为工程施工的依据 2 测量的基本工作

2、 外业观测工作 内业计算工作,3 地面点的定位方法 直接三维定位 直接以地面点的空间直角坐标（X、Y、Z）表示其空间位置 地面点的空间直角坐标通常应用空间测量（如GPS）方法直接测定，三维坐标同时确定 投影三维定位 先将地面点沿基准线投影到基准面（大地水准面或椭球体面）上，再以投影点在投影面上的二维坐标（即经、纬度）和地面点沿基准线至基准面的高度（即高程）来表示地面点的空间位置 当将投影到椭球体面上的投影点进一步投影到平面上时，地面点投影点二维坐标以平面直角坐标（X、Y）表示 在用该方法进行定位时，地面点的平面坐标（经、纬度或平面直角坐标）与高程将分别确定。前者通过平面测量获得，后者通过高程测

3、量而确定,4 测量工作的基准线与基准面 野外观测的基准线与基准面铅垂线与水准面 铅垂线是野外观测时仪器对中的基准 水准面是野外观测时仪器整平的基准 内业计算的基准线与基准面地球椭球体面与法线 地球椭球体面是大地高的起算面 地球椭球体是地球的数学模型 大地水准面 大地水准面是假想将平静的平均的海水面延伸通过陆地而形成的封闭曲面。大地水准面是一个特殊的水准面 大地水准面是正高的起算面 大地水准面包围的形体称为大地体，它是地球的物理模型,5 测量工作面临的矛盾与解决途径 测量工作面临的矛盾 野外测量是在地球自然表面上以铅垂线和水准面为基准而进行的。但是，铅垂线和大地水准面均仅具有物理性质而不具有数学

4、性质，无法以此为基准进行计算 解决矛盾的途径 选取一个与大地体尽可能接近的数学面（旋转椭球体面），将其与大地体套合并确定两者的关系（该过程称为地球椭球体定位，定位后的椭球体称为地球椭球体），然后将地面观测元素（距离和角度等）经过各项改正（因铅垂线与法线、大地水准面与地球椭球体面不一致而产生的影响）而归算到地球椭球体面上进行球面坐标的计算，或进一步投影到平面上进行平面坐标的计算,6 地球椭球体及其定位 地球椭球体的参数 几何参数 长半径a、短半径b、扁率、第一偏心率e、第二偏心率e 表示地球椭球体的形状和大小仅需要上列5个参数中的2个，但至少包含1个长度参数 几何物理参数 地球椭球体的定位 确定

5、地球椭球体与大地体相关位置的工作称为地球椭球体的定位 参考椭球与总椭球 当以地球椭球体与大地体在局部地区达到最佳吻合为条件进行地球椭球体定位后的地球椭球体称为参考椭球 当以地球椭球体与大地体在全球范围达到最佳吻合为条件进行地球椭球体定位后的地球椭球体称为总椭球 我国的1954年北京坐标系和1980西安坐标系所采用的椭球为参考椭球，GPS采用的WGS84椭球则为总椭球,7 高程系统 正高 从地面点沿铅垂线到大地水准面的高度 不能精确地测定 正常高 从地面点沿正常重力线到似大地水准面的高度 可以精确地测定 我国的测绘法和大地测量法式规定我国采用正常高系统 大地高 从地面点沿法线到地球椭球体面的高度

6、 常规测量方法无法直接测得大地高，但GPS可以直接测得大地高 正高、正常高与大地高的关系 其中 N为大地水准面差距；为高程异常,水准原点 中华人民共和国水准原点是我国正常高系统的高程起算点 我国的水准原点位于青岛的观象山上。在1956年黄海高程系下它的高程为72.289m，在1985国家高程基准下的高程为72.260m 1956年黄海高程系 以1950年至1956年7年间的验潮资料推求的平均海水面作为高程基准 1985国家高程基准 以1952年至1979年19年间的验潮资料，按10个19年取平均推求的平均海水面作为高程基准,8 高斯-克吕格投影与高斯-克吕格平面直角坐标 地图投影的概念 地球椭

7、球体面是不可展曲面，而地图是平面。为了将地球椭球体面上的景观表示到地图平面上，必须建立地球椭球体面上点的坐标与地图平面上对应点的坐标之间的函数变换关系，这个坐标转换过程就是地图投影 由于平面计算要比椭球面计算容易得多，因此在控制测量时，为了简化计算往往将椭球面上的观测值和已知点坐标归算到平面上进行计算，这个转换的实质也就是地图投影的过程 高斯投影是地图投影的一种,高斯投影 高斯投影的几何意义 高斯投影的实质 高斯投影属于分带等角横切椭圆柱投影 高斯投影的性质 高斯投影为等角投影，可保证投影前后微分图形的形状不变 高斯投影后只有中央子午线不变形外，其它线段均变长，且随着离开中央子午线而其变形急剧

8、增大 高斯投影的分带 选取中央子午线并确定带宽。国家标准的高斯坐标系的带宽为3或6。 在3分带时东半球的中央子午线的经度为东经3、6、9、12、180，带号n3与中央子午线经度L03关系为：L03=3n3；在6分带时东半球的中央子午线的经度为东经3、9、15、21、177，带号n6与中央子午线经度L06关系为：L06=6n63,高斯坐标系的建立 以投影后的中央子午线和赤道这两条相互正交的直线分别作为纵轴（X轴）和横轴（Y轴）建立高斯平面直角坐标系 由于我国疆域均位于北半球，X坐标值不会出现负值。为了保证Y坐标值也不出现负值，将纵坐标轴向西平移500km 由于分带投影的缘故，每一个高斯坐标值将会

9、在各个投影带中出现一个对应点，从而产生多值性。为避免多值性，在Y坐标前加上地面点所在投影带的带号。由于我国疆域位于6投影的第1323带，3投影的第2545带，据此可根据Y坐标前的带号判断出投影带宽是6还是3 高斯坐标 在应用上，通常将未平移、加带号前的高斯坐标值称为高斯坐标的自然值,将平移、加带号后的高斯坐标值称为高斯坐标的通用值，或直称为高斯坐标值。 例如：某输水隧洞的出口的高斯坐标的通用值为x通用=4625588.812m， Y通用=42379811.332m。由此可以推知：该出口属于3分带的第42带，中央子午线的精度为东经126；它位于中央子午线以西，距中央子午线120188.668m

10、处，位于赤道以北，距赤道4625588.812m；该出口的高斯坐标自然值为x自然=4625588.812m ，Y自然=-120188.668m,9 测量坐标系统 天文地理坐标系 以铅垂线为基准线、大地水准面为基准面而建立的球面坐标系 坐标元素为天文经、纬度（、）和正高（Hg） 大地地理坐标系 以法线为基准线、地球椭球体面为基准面而建立的球面坐标系 坐标元素为大地经、纬度（L、B）和大地高（H） 空间大地直角坐标系 以法线为基准线、地球椭球体面为基准面而建立的空间直角坐标系 坐标元素为空间大地直角坐标（X、Y、Z） GPS测量可以直接获得空间大地直角坐标（X、Y、Z）,参心大地坐标系 以参考椭球

11、为基础建立的空间大地坐标系 包括参心大地地理坐标系和参心空间大地直角坐标系 我国的1954年北京坐标系和1980西安坐标系就属于参心大地坐标系 地心大地坐标系 以总椭球为基础建立的空间大地坐标系 包括地心大地地理坐标系和地心空间大地直角坐标系 GPS采用的WGS84坐标系就属于地心大地坐标系,1954年北京坐标系 将采用克拉索夫斯基椭球、以普尔科沃为大地原点的前苏联大地坐标系引伸到我国而建立的参心大地坐标系 1980国家大地坐标系 采用75国际椭球、大地原点位于陕西省泾阳县的参心大地坐标系，也称1980西安坐标系 该坐标系建立后，在全国选了约5万个大地点，共计31万个观测方向和102万个原始数

12、据，组成误差方程式进行整体平差，获得这约5万个大地点在该坐标系下的坐标；对于没有参加整体平差的近8万个三、四等点，通过坐标转换方法换算成该坐标系下的坐标 同一个点在该坐标系下与1954年北京坐标系下的坐标相差很大。例如：哈尔滨地区差值达到55.85m，喀什地区达到115.23m，武汉地区达到61.61m，拉萨地区达到104.59m 新1954年北京坐标系 将1980国家大地坐标系下的国家大地点坐标通过坐标转化换算到1954年北京坐标系下而形成的过渡坐标系 全国80地区的新、旧1954年北京坐标系下的坐标差在5m以内,WGS84世界大地坐标系 采用WGS84国际椭球而建立的地心大地坐标系 GPS

13、采用的就是该坐标系 高斯-克吕格平面直角坐标系 简称高斯坐标系 按高斯投影原理建立的平面直角坐标系 我国的基本比例尺地形图均采用的就是该坐标系 国家统一的高斯坐标系是按规定的中央子午线和投影面（地球椭球体面）建立的 局部(地方)高斯坐标系 按高斯投影原理建立，投影面仍为地球椭球体面，但中央子午线根据需要选取而建立的高斯坐标系 施工坐标系 按高斯投影原理建立，但中央子午线和投影面根据需要选取而建立的平面直角坐标系 工程坐标系 为方便工程放样而建立的坐标系。例如：建筑测量中以房屋中轴线为坐标轴而建立的坐标系；为设备安装在厂房中以厂房中轴线为坐标轴而建立的坐标系,10 测量工作中常用的角度制 60进

14、制度分秒（DMS） 10进制度（DEG） 将60进制的分秒表示成为10进制的度。例如：103000=10.5，101010=10.16944444 弧度制（RAD） 弧度的本质是圆弧长与其半径的比值，是一个无量纲的量，表示为“弪” 1弪相当于60进值度、分、秒的值用、来表示，它是将弧度值表示为60进值度、分、秒时的重要常数,在精度估算和测量平差中占有重要地位,其值为： =57.29577951， =3438， =206265,100进制度、分、秒（GRAD） 亦称100进制角度或角度的梯度值 它是将一个圆周分为400份，每一份为100进值的1度（单位是“g”）；将1g再分为100份，每一份为1

15、00进值的1分（单位是“c”）；将1c再分为100份，每一份为100进值的1秒（单位是“cc”） 。 100进制角度的111g22c33cc可表示为111.222333g 1g=0.9，1c=0.54，1cc=0.324 -密位制 是将一个圆周分为6000（或6400）份，每1份为1个密位。该角度制主要在国家基本地形图的三北方向图上标注，为炮兵服务 11 测量工作的组织原则与控制程序 测量工作的一般组织原则与控制程序 从整体到局部，先控制后碎部（放样）测量；控制测量时应从整体到局部，从高级到低级，分级布网,逐级控制 工程控制网的布设程序 从整体到局部，分层布网,逐层控制,12 测量工作的基本原

16、则 检验至上原则 在测量工作中，测量误差是不可避免的，而错误是不允许存在的，区别误差与错误的界限是测量的限差 不经过检核的成果是绝对不准许使用的 精度保证原则 满足工程需要且留有一定余地的精度是最好的精度。如果精度不够将可能引起工程的错误，如果精度过高将会增加工程的造价而形成浪费 可靠性保证原则 可靠性是从观测成果中发现错误和剔除错误的能力 没有可靠性做保证的精度将失去精度的意义 可靠性是以存在有多余观测为前提的，但有多余观测并一定具有可靠性,二、超长隧道施工测量技术设计,1 国内几个含有超长隧道的大型水利工程之简介 山西引黄入晋工程 万家寨引黄入晋工程是一项跨流域的大型国家重点调水工程，位于山西省西北部，从万家寨水利枢纽引水，分别向太原、大同、朔州三个能源基地供水 工程由44.43km的总干线、 101.72km的南干线、 166.82km的北干线、58.15km的联接段和81.20km的天然输水河道组成，全长452