联系测量方法.docx

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联系测量方法

第一章联系测量

第一节联系测量的定义

一、联系测量的定义

将地面坐标系统和高程系统传递到地下，确定地下控制点、控制边,作为地下控制导线的起算数据，这一过程测量工作叫做联系测量。

将地面平面坐标系统传递到地下的测量称为平面联系测量，简称定向。

将地面高程系统传递到地下的测量称高程联系测量，简称导入高程[1]。

联系测量工作应包括地面趋近导线测量趋近水准测量、通过竖井斜井通道的定向测量和传递高程测量以及地下趋近导线测量地下趋近水准测量[2]。

二、联系测量的任务

联系测量的任务在于：

（1）、确定地下经纬仪导线起算边的坐标方位角；

（2）、确定地下经纬仪导线起算点的平面坐标x和y；

（3）、确定地下水准点的高程H[1]。

前两项任务是通过平面联系测量定向来完成的；第三个任务是通过导入高程来完成的。

这样就获得了地下平面与高程测量的起算数据[1]。

第二节联系测量的种类

联系测量分为平面联系测量（简称为定向）和高程联系测量（简称为导入高程）。

平面联系测量说来可分为两大类：

一类是从几何原理出发的几何定向；另一类是以物理特性为基础的物理定向[1]。

几何定向分为：

1、通过平硐或斜井的几何定向；

2、通过一个立井的几何定向（一井定向）；

3、通过两个立井的几何定向（两井定向）[1]。

物理定向可分为：

1、用精密磁性仪器定向；

2、用投向仪（投点仪）定向；

3、用陀螺经纬仪定向[1]。

通过平硐或斜井的几何定向，只需要通过平硐或斜井敷设经纬仪导线，对地面和地下进行联测即可[1]。

但是在地铁工程中由于地下铁道本身的特点，并没有平硐或斜井，有的只是竖井（出土井或下灰井或是更宽敞的明挖车站），因此，通过平硐或斜井的几何定向在地铁的平面联系测量中一般不用,只在矿山测量中有应用。

在地铁平面联系测量中的导线直接传递法、竖直导线定向法的原理和通过平硐或斜井几何定向的原理是一样的[1]。

第三节几何定向

这里主要讲的是立井几何定向。

在立井中悬挂钢丝垂线由地面向地下传递平面坐标和方向的测量工作成为立井几何定向。

立井几何定向概要地说，就是在井筒内悬挂钢丝垂线，钢丝的一端固定在地面，另一端系有定向专用的垂球自由悬挂于定向水平，一般称作垂球线。

再按地面坐标系统求出垂球线的平面坐标及其连线的方位角；在定向水平上把垂球线与地下永久导线点连接起来，这样便能将地面的方向和坐标传递到地下，而达到定向的目的。

因此，可把立井定向工作分为两个部分：

由地面向定向水平投点（简称投点）；在地面和定向水平上与垂球线连接（简称连接）。

立井几何定向分为一井定向和两井定向[1]。

一井定向方法有连接三角形法、四边形法和适合小型矿井的瞄直法等。

这里仅介绍连接三角形法[1]。

一、一井定向

（一）投点

采用连接三角形进行一井定向时，要在井筒内挂两根垂球线。

投点时，一般都采用垂球线单重投点法，即在投点过程中，垂球的重量不变。

单重投点可分为两类：

单重稳定投点和单重摆动头点。

单重稳定投点法是将垂球放在水桶内，使其基本上处于静止状态；在定向水平上测角量边时均与静止的垂球线进行连接。

单重摆动投点法则恰恰相反，而是让垂球自由摆动，用专门的设备观测垂球线的摆动，而求出它的静止位置并加以固定；在定向水平上连接时，则按固定的垂球线位置进行[1]。

稳定投点法,只有当垂球线摆幅很小时才能应用。

否则，必须采用摆动投点法[1]。

由地面向定向水平上投点时,由于井筒内气流、滴水等影响，致使垂球线在地面上的位置投到定向水平后会发生偏离，一般称这种线量偏差为投点误差。

由这种误差而引起的垂球线连线的方向误差，叫做“投向误差”。

图1-1中A和B系两垂球线在地面的位置,而A＇和B＇为两垂球线在定向水平上偏离后的位置。

图1-1（a）中表示两垂球线沿其连线方向偏离，则这种投点误差对AB方向来说没有影响。

图1-1（b）中则为两垂球线偏向于连线的同一侧，且在连线的垂直方向上，使AB方向的投射产生了一个误差角θ。

则[1]

（1-1）

（a）（b）（c）

图1-1投点误差与投向误差[1]

如果两垂球向其连线两边偏离，且在垂直于连线方向上（图1-1（c）），则其投向误差θ可用下式求得[1]：

（1-2）

设

，

，且由于θ很小，则上式可简化为：

（1-3）

显然，上述三种投向误差都是特殊的，而且以第三种情况所引起的投向误差为最大[1]。

下面简单介绍一下用垂球线投点而引起的方向误差。

在井筒中用垂球线投点的误差的主要来源：

（1）、气流对垂球线和垂球的作用；

（2）、滴水对垂球线的影响；

（3）、钢丝的弹性作用；

（4）、垂球线的摆动面和标尺面不平行；

（5）、垂球线的附生摆动[1]。

用垂球线投向的误差是通过一个立井几何定向时，由于垂球线的偏斜，引起的两垂球线的方向误差，即投向误差，以θ表示，θ值的大小直接与投点误差e的大小及方向有关（见图1-2）[1]。

（a）（b）

图1-2垂球线的投向误差

图中A0、B0——垂球线在地面上的位置；

A＇、B＇——垂球线在定向水平上偏斜后的某一位置；

eA、eB——A0、B0在定向水平上的投点线量误差；

φ＇——垂球线的偏斜方向与两垂球线连线方向的夹角；

θ＇——垂球线在某一偏斜情况下所引起的投向误差；

c——两垂球线之间的距离[1]

利用觇标对中误差的推导方法可得到[1]

（1-4）

若两根垂球线的投点条件相同，即认为

，则总的投向误差为[1]：

（1-5）

由此可知,要减少投向误差，必须加大两垂球线间的距离c和减少投点误差饿之值。

但是由于井筒直径的限制，而是c值增大受限，因此只有采取精确投点的方法。

在投点时必须采取许多有效的措施和给予极大的注意，才能达到要求的精度[1]。

减少投点误差的措施主要有:

（1）、尽量增大两垂球线间的距离，并选择合理的垂球线位置。

例如使两垂球线连线方向尽量与气流方向一致，这样尽管沿气流方向的垂球线偏斜可能较大，但是危险方向，即垂直于两垂球线连线方向上的偏斜却不大，因而可以减少投向误差。

（2）、尽量减少马头门（立井、斜井与平硐的连接部位）处气流对垂球线的影响。

定向时最好停止风机运转或增设风门，以减小风速。

（3）、采用小直径、高强度的钢丝，适当加大垂球线重量，并将垂球浸入稳定液中。

（4）、摆动观测时，垂球线摆动的方向应尽量与标尺平行，并适当增大摆幅，但不宜超过100mm。

（5）、减小滴水垂球线及垂球的影响，在大水桶上加挡水盖[1]。

1、单重稳定投点

单重稳定投点是假设垂球线在井筒内处于铅垂位置而静止不动。

当井筒不深、滴水不大、井筒内气流缓慢、垂球线摆动很小、其摆幅一般不超过0.4mm时被采用[1]。

现将对投点所需主要设备的要求分述如下:

（1）、垂球——以对称砝码式的垂球为好。

每个圆盘的重量最好为10kg或20kg，当井深小于100m时，采用30~50kg的垂球，当井深超过100m时，则宜采用50~100kg的垂球。

（2）、钢丝——应采用直径为0.5~2mm的高强度的优质碳素弹簧钢丝。

钢丝上悬挂的重锤重量应为钢丝极限强度的60%~70%。

（3）、手摇绞车——绞车各部件的强度应能承受三倍投点时的荷重，绞车应设有双闸。

（4）、导向滑轮——直径不得小于150mm，轮缘做成锐角形的绳槽以防止钢丝脱落，最好采用滚珠轴承。

（5）、定点板——用铁片制成。

定向时也可不用定点板。

（6）、小垂球——在提放钢丝时用的，其形状成圆柱形或普通垂球的形状均可。

（7）、大水桶——用以稳定垂球线，一般可采用废弃油桶，水桶上应加盖[1]。

2、钢丝的下放和自由悬挂的检查

进行测量之前，应该用坚固的木板将井口盖上，以便安全地进行工作。

但须在盖板上留有孔隙，让钢丝通过，在下放之前必须通知定向水平的人员离开井筒。

钢丝通过滑轮并挂上小垂球后，慢慢放入井筒内。

为了检查钢丝是否弯曲和减少钢丝的摆动，钢丝应通过握成拳状的手均匀缓慢的下放，每下放50m左右，稍停一下，使垂球摆动稳定下来。

当收到垂球到达定向水平的信号后，即停止下放并闸住绞车，将钢丝卡入定点板内。

在定向水平上，取下小垂球，挂上定向垂球。

此时应事先考虑到钢丝因挂上重锤后被拉伸得长度。

挂好后，应检查垂球是否与桶底、桶壁接触[1]。

垂球线在井筒中的自由悬挂检查常采用信号圈法和比距法同时进行。

信号圈法是在地面上用铁丝做成直径为2~3cm的小圈（信号圈）套在钢丝上，然后下放，看是否能达到定向水平。

使用此方法时应注意信号圈不能太重及钢丝摆动，以免信号圈乘隙通过接触处。

比距法就是用比较井上下两垂球线间距离的方法进行检查。

如果井上下所量得的两垂球线间距离之差不大于2mm时，便认为是自由悬挂的[1]。

3、单重摆动投点

单重摆动投点就是观测垂球线的摆动，找出其静止位置并固定起来，然后进行连接。

目前我国常采用标尺法和定中盘法。

其所需设备和安装方法基本上和前述稳定投点一样，只不过在定向水平增设一对观测垂球线摆动的标尺和具有标尺的定点盘而已。

标尺法所用的标尺与带毫米刻划的普通标尺一样[1]。

当钢丝下放到定向水平后，将定点盘固定在专门的工作台上，然后挂上定向垂球，使钢丝大致位于空底圆盘中央，在牢固地固定工作台，并将空底圆盘最后固定在平台上。

观测垂球线的摆动，是借助于定点盘上两个互相正交的小标尺和经纬仪来进行的，如图1-3所示。

视线的交角φ允许变动于45°~135°之间，最理想的为90°。

人为地使垂球线在某一角度自由摆动，用两台经纬仪T1、T2分别按标尺M、N观测钢丝摆动的左右最大位置的读数，连续读取13个以上的奇数读数，取其左右读数的平均值，作为钢丝铅直状态的位置读数。

同法进行两次观测，当较差不大于1mm时，取其平均值为最终值。

然后根据最终结果按标尺M、N用经纬仪T1、T2来固定钢丝位置。

当用定点盘时，可将切口薄片放入空底圆盘上，将钢丝卡放在切口薄片上的对点块内，利用螺杆移动对点块，把钢丝对准在两架仪器的视线上并固紧之。

用同法观测另一个垂球线的摆动，并将其固定[1]。

图1-3用两架经纬仪观测垂球线的摆动[1]

（二）连接

连接三角形法的示意图如图1-4所示。

由于不能在垂球线A、B点安设仪器，因此选定井上下的连接点C与C＇，从而在井上下形成了以AB为公共边的三角形ABC和ABC＇，一般把这样的三角形称为连接三角形。

从井上下连接三角形的平面投影图1-4（b）可看出，当已知D点坐标及DE边的方位角和地面三角形各内角及边长时，便可按导线测量计算法，算出A、B在地面坐标系中的坐标及其连接的方位角。

同样，已知A、B的坐标及连线的方位角和地下三角形各要素时，再测定角δ＇，就能计算出井下导线起始边D＇E＇的方位角及D＇点的坐标[1]。

（a）

（b）

图1-4连接三角形示意图[1]

在选择井上下连接点C和C＇时，应满足下列要求：

（1）、点C与D及点C＇与D＇应彼此通视，且CD和C＇D＇长度应尽量大于20m，当CD边长小于20m时，在C点进行水平角观测，其仪器必须对中三次，每次对中应将照准部（或基座）位置变换120°；

（2）、点C与C＇应尽可能在AB的延长线上，是三角形的锐角γ应小于1°,这样便构成最有利的延伸三角形；

（3）、点C与C＇应适当的靠近最近的垂球线（图1-4（b）中，地面为B,地下为A）,使a/c及b＇/c的值应尽量小一些[1]。

1、外业

（1）在连接点C上用测回法测量角度γ和φ。

当CD边小于20m时，在C点的水平角观测，仪器应对中三次，每次对中应将照准部（或基座）位置变换120°。

具体的施测方法和限差见表1-1[1]。

表1-1施测方法及限差[1]

仪器

级别

水平角观测方法

测回

数

测角

中误差

限差

半测回归零差

各测回互差

重新对中测回间互差

DJ2

全圆方向观测法

3

6"

12"

12"

60"

DJ6

全圆方向观测法

6

6"

30"

30"

72"