3竖井联系测量.docx

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3竖井联系测量

竖井联系测量

（QB/ZTYJGYGF-SD-0403-2011）

第五工程有限公司谯生有

1前言

1.1工艺工法概况

在隧道工程施工中，为了加快施工进度，缩短隧道施工工期，除了设置横洞、斜井来增加工作面以外，还可以通过开挖竖井来增加工作面，尤其在长大隧道施工中，通常会设计竖井来增加开挖面。

为保证竖井开挖面与其它开挖面之间正确贯通，就必须将地面控制网中的坐标、坐标方位角及高程，经由竖井传递至井下开挖面，指导竖井井下施工中线的正确放样。

将坐标、坐标方位角及高程由地面控制网传递至井下的工作称为竖井联系测量。

竖井定向联系测量常用方法有联系三角形法、钻孔投点以及铅垂仪、陀螺经纬仪联合定法，高程传递测量有全站仪导高法和悬挂钢尺测量法。

可根据联系测量条件和精度要求进行优化选择。

1.2工艺原理

1.2.1联系三角形法定向原理

在井筒内悬挂两条吊垂线，在地面上根据控制点来测定两吊垂线的坐标以及其连线的方位角，在井下根据投影点的坐标及其连线的坐标方位角，确定井下导线的起算坐标及方位角。

1.2.2铅垂仪、陀螺经纬仪联合定向原理

陀螺经纬仪则是由陀螺仪和经纬仪结合而成的定向仪器。

它通过陀螺仪测定出子午线方向；用经纬仪测出定向边与子午线方向的夹角，就可以根据天文方位角和子午线收敛角求得地面或井下任意定向边的大地方位角，控制点坐标由铅垂仪从井上传递至井下。

1.2.3钻孔投点定向测量原理

当两竖井间的距离较长时，为控制隧道掘进的横向误差，对浅埋隧道可在地面钻一钻孔，也可以利用施工投料孔，用吊锤或铅垂仪将坐标直接投影至井下隧道内，在井下形成无定向导线，通过解算无定向导线获得井下导线的坐标方位角。

1.2.4钢尺（丝）导高原理

在井筒中部悬挂一钢丝（尺），在井上、井下同时用水准仪瞄准钢丝（尺）井上井下的位置并做标记，通过实量井上井下两标记之间的长度，将高程从井上传递至井下。

1.2.5全站仪三角高程法导高原理

当竖井井深浅，俯仰角不大时，在井上安置全站仪可以直接观测到井下水准点，直接利用三角高程测量将井上高程导入井下水准点上。

1.2.6光电测距法导高原理

当竖井较深时，井上采用水准测量将高程传递至井上棱镜中心，然后采用全站仪测量井下水准点至井上棱镜中心之间的竖距，将高程由井上传递至井下水准点。

2工艺工法特点

对联系三角形定向、铅垂仪陀螺经纬仪联合定向、钻孔投点定向以及钢尺（丝）导高、全站仪三角高程导高、光电测距法导高方法的工艺进行了详细总结，在实际施工测量中，可根据精度要求、竖井井深及现有测量设备情况灵活选用，可以安全、经济、高效率地实现竖井定向测量任务。

3适用范围

适用于公路、铁路、矿山巷道、水利等地下隧道工程的联系测量。

4主要引用标准

《铁路工程测量规范》TB10101

《城市轨道交通工程测量规范》GB50308

5联系测量施测方法

在井上和井下设置近井点，采用钢丝或者铅垂仪将井上控制点坐标投到井下，通过联系三角形或陀螺经纬仪将方位角传递至井下导线，通过悬挂钢丝（尺）或者全站仪将近井点高程传递至井下水准点。

本联系测量工艺包含了常用的各种联系测量方法，实际测量时可灵活选用。

6工艺流程及操作要点

6.1量测工艺流程

联系测量前，应收集竖井设计资料及竖井控制测量成果，根据竖井几何形状及通过竖井向两侧开挖正洞的长度，对竖井联系测量方案进行优化设计，方案比选时，应以满足精度要求、经济、高效安全为主要指标。

方案确定后，根据联系测量方法对近井点的设置要求埋设近井点，近井点测量应与联系测量一并进行，防止近井点测量与联系测量时间间隔较长造成近进点在间隔期间产生位移。

联系测量应分组独立测量3次，应各组测量成果进行质量检查，确保联系测量成果精度满足要求。

测量工艺流程如图1。

图1联系测量工艺流程

6.2操作要点

6.2.1联系三角形定向测量

1联系三角形定向最有利的形状

如图2，通过地面上的近井点J2与吊锤线O1、O2构成的三角形及井下导线点D1与吊锤线在井下的投影点O1′、O2′构成的三角形将地面坐标、方位角传递至井下导线的定向方法称为联系三角形法。

图2联系三角形法一井定向示意图

根据地面上的边长a、b、c及观测角度

和

，将地面上的J1J2的方向传递到吊锤线O1O2上，联系三角形应满足以下条件：

1）联系三角形应为延伸形状，角度

、

应接近于零，在任何情况下都不能大于3°；

2）

的比值应控制在1.5左右；

3）两吊锤线间距离a应尽可能选择最大的数值，至少应大于5m，a越大计算角的误差越小；

4）当联系三角形未平差时，传递方向应选择经过小角

的路线。

2地面近井点的设立

定向前必须在竖井附近地表设立作为定向时与吊锤线连接的点，称为近井点，近井点尽可能埋设在坚实稳固便于观测并且能够长期保存的地方，到竖井口的距离不要超过300m，近井点设立时应考虑联系测量的最有利图形。

近井点应在竖井控制网基础上同精度进行加密，加密测量可采用插点法或者导线法，近井点导线应采用严密平差法进行平差计算。

3投点

吊垂线投点就是使竖井中悬挂的两根吊垂线构成一个竖直面，该竖直面与任一水平面的交线都保持同一方向，以便井上、井下进行连测，投点作业时应充分考虑联系三角形的最有利图形。

为了工作安全，下放钢丝时应使井下作业人员离开井口位置，先将托架在井口固定稳固，固定托架时应考虑联系三角形的有利图形，然后将手摇绞车、定线板、导向滑轮安装在托架上，将小吊锤挂在钢丝下端通过手摇绞车将钢丝下放至井底后再换上重吊锤，分别将两根钢丝下端的重吊锤放入盛有重油的油桶内，以减弱钢丝的摆动，如井内有水滴时应在油桐上加盖圆锥形的防水罩，防水罩顶的小孔不能与钢丝接触。

钢丝下放好以后，悬挂的垂线应处于自由摆动状态，钢丝不应接触到井筒中的任何物件，用“传信法”来检查钢丝是否与井壁或其它物体有接触，将钢丝检查圈在垂线上，自井口同时投放，通过在井下观察钢丝检查圈到达的时间来判断钢丝是否与其它物体有接触。

检查钢丝下放正确后在井上、井下每根钢丝上分别粘贴一张测距反射片，反射片的位置在井上应在定线板以下多于1m的地方，井下应在吊锤顶部以上多于1m的地方，以避免接头钢丝曲折带来误差，反射片应正对全站仪安置的方向。

4井上井下定向联系测量外业观测

定向联系测量宜选择在阴天无风的条件下观测，观测时应无外界震动的干扰。

待钢丝稳定后，即可进行联系三角形定向外业观测，在全站仪望远镜中观测钢丝时钢丝不能有摆动，为尽可能减少占用井下作业时间，提高外业观测效率，井上、井下各安置一台全站仪同时观测。

每次联系三角形定向应独立进行三次，一次定向测量完后变动钢丝位置进行第二次定向测量，共测量三套完整的观测数据，各次定向坐标方位角差值不应大于20″，取三次定向坐标方位角平均值作为最终定向成果。

1）边长测量

全站仪至钢丝之间的距离采用全站仪测量测距反射片进行观测，距离应观测3测回，每测回读数3次，应将温度、气压输入全站仪对距离进行气象改正，各测回读数互差应小于2mm，取3测回平均值作为最终观测值。

钢丝之间的距离采用检定过的钢尺直接丈量，并估读至0.1mm，应以钢尺的不同起点丈量3测回，每测回往返三次读数，各测回较差地面上应小于0.5mm，井下应小于1mm，地面与井下同一边互差应小于2mm，观测值应进行温度等相应改正。

2）角度测量

角度观测采用全站仪观测4测回，水平角观测技术要求按表1执行：

表1水平角观测技术要求

仪器型号

半测回

归零差

各测回同方向两倍视轴差

（2C）的互差

各测回

同方向值互差

DJ1

6

9

6

DJ2

8

13

9

5联系三角形定向测量内业计算

当定向精度要求较高，联系三角形应按最有利的图形布设时，

、

角的计算可以采用简易平差法进行计算

、

角为观测角，只有

、

角需要通过解算联系三角形求得，因此联系三角形定向测量内业计算的主要内容是确定

、

角。

1）联系三角形平差

检查外业观测资料，绘制如图1联系三角形示意图，按照测得的

、

、

、

值根据正弦定律计算井上

值：

井上测距不符值：

各边长改正数：

对井上各观测边长进行改正，

角仍采用观测值，以改正后的各边重新计算的

角值就是经过简易平差的平差角度值。

井下联系三角形平差同井上。

2）井下定向边D1D2的坐标方位角计算公式

根据图2可得：

根据平差后的

、

角度值和其它角度观测值根据公式即可计算井下导线定向边的坐标方位角。

按照上述方法将依次将三组井下导线边定向边坐标方位角计算出来。

三组定向边坐标方位角互差满足精度要求后取三组定向方位角平均值作为定向结果。

三组定向边坐标方位角互差的限差为：

为联系测量一次定向中误差。

为了使隧道精确贯通，应利用联系三角形法进行多次定向，当隧道掘进工作面离开竖井大于50m、100～150m和距离贯通面150～200m时必须分别进行一次定向，当洞内导线点发生位移或洞内导线向前延伸在传算坐标和坐标方位角上产生怀疑或困难时，必须重新进行联系三角形定向测量。

6联系三角形定向测量精度估算

经过竖井联系三角形法将坐标方位角传递到井下去时，井下导线起始坐标方位角的误差可以用下式表示：

式中：

为边长丈量误差所引起的计算角度的误差；

为角度观测误差的影响；

为吊锤投点误差的影响。

当地面与井下联系三角形形状相似时，联系三角形定向总误差可以写成下式：

式中：

测距中误差，

，

表示地面观测方向中误差，

表示井下观测方向中误差，

为钢丝投点线量误差。

6.2.2铅垂仪、陀螺经纬仪联合定向法

1陀螺经纬仪测量步骤

1）测前已知边陀螺方位角的测定

在地面竖井控制网上选择一条已知边，力求该边边长较长、精度较高，在已知边测站上安置陀螺经纬仪进行观测，测定已知边的陀螺方位角（从陀螺轴的稳定位置顺时针到已知边的夹角，已做零位改正），已知边的陀螺方位角测前应独立测量三测回，三测回间的陀螺方位角互差不能大于25″。

2）投点坐标测量

如图3，在竖井口安装托架，通过托架上安置的2台铅垂仪向下投点，将2台铅垂仪的轴心O1、O2投影至井下O1′、O2′，在井上近井点J2安置全站仪后视近井点J1测量铅垂仪的轴心O1、O2的坐标；在井下O1′、O2′上安置2套觇牌，在井下导线点D1上安置陀螺经纬仪测量O1′D1及O2′的陀螺方位角，然后在D1点安置全站仪测量∠O1′D1D2、∠O2′D1D2及相应边长，将坐标传算至D1点，并将方位角传算至D1D2作为井下导线测量的起算点和起算坐标方位角。

固定托架，将1/20万铅垂仪架设在稳固的托架上向井下投点，即已井下

、

对中托架上的铅垂仪，将全站仪架设在近井点上测定铅垂仪轴中心的坐标，坐标应至少观测三测回，两铅垂仪轴中心的坐标分别就是井下

、

的坐标。

若采用钢丝吊锤进行投点，投点坐标测量方法与联系三角形定向测量相同，仪器设备配套齐全的情况下，采用铅垂仪投点效率较高。

图3铅垂仪、陀螺经纬仪联合定向示意图

3）井下定向边陀螺方位角测量

在井下导线点

上安置陀螺经纬仪，测量

边与

的陀螺方位角，应分别独立测量三测回，三测回间的陀螺方位角互差不能大于25″。

最后测量

、

的角度，角度采用方向观测法观测4测回，以便最终将方位角归算至定向边

。

4）测后已知边陀螺方位角的测定

井下定向边陀螺方位角测量完后，将陀螺经纬仪再次安置在井上已知边测站上，再次测定已知边的陀螺方位角，同样独立测量三测回，测前测后陀螺方位角平均值互差不应大于12″，取测前测后陀螺方位角平均值作为已知边最终陀螺方位角。

5）井下定向边坐标方位角的计算

陀螺定向测量是在（地上）已知方位边测定了陀螺方位求得仪器常数，再在（地下）未知方位边上测量陀螺方位，加入仪器常数改正后得到未知边的坐标方位结果。

未知方位边坐标方位角计算方法如下式：

α地下＝T地下＋α地上－T地上＋dγ

＝T地下＋α地上－T地上＋32.3*tan（B）*（Yo-Y）/1000/3600

式中：

T地上――测量得到的地上陀螺方位角（度）；

T地下――测量得到的地下陀螺方位角（度）；

α地下――地下定向边坐标方位角（度，待求）；

α地上――地上（已知）坐标方位角（度）；

dγ――地上已知点、地下未知点间子午线收敛角差（度）；

Yo――地上测站点Y坐标（m）；

Y――地下测站点Y坐标（m）；

B――当地纬度（度）。

井下定向边坐标方位角采用两条陀螺定向边归算值之差不应大于12″时取两归算值的平均值作为最终定向成果。

2铅垂仪、陀螺经纬仪联合定向测量精度

对于竖井定向而言，陀螺经纬仪定向主要是确定地下定向边的坐标方位角，因此，定向边坐标方位角中误差

就是铅垂仪、陀螺经纬仪联合定向的精度。

则有：

式中

——确定定向边陀螺方位角的中误差；

——在已知边上确定仪器改正数的中误差；

假设定向边陀螺方位角独立观测

次，仪器改正数独立观测

次，陀螺经纬仪一次定向中误差为

，则：

若采用如图3双投点双定向的定向方式，则定向边方位角中误差为

。

6.2.3钻孔投点定向

1钻孔投点定向测量实施

1）钻孔投点定向测量作业步骤

如图4，1J1、2J1及1J2、2J2为井上近井点，O1O1′及O2O2′为铅垂线纵轴线，D1、D2、D3为井下导线点。

在井上近井点1J2、2J2安置全站仪，后视1J1、2J1测量铅垂线O1O1′及O2O2′的平面坐标，然后利用全站仪在井下通过O1′、O2′两点测设无定向导线。

图4钻孔投点定向示意图

2）钻孔投点定向平差计算

采用计算机严密平差软件进行严密平差。

2钻孔投点定向测量精度

钻孔投点定向工作包括投点、井上、井下连接测量三部分，分析钻孔投点定向测量的精度就是分析井下连接导线某一边坐标方位角

的总误差

。

式中

——投向误差，可按

计算，c为两吊锤线间的距离；

——井上连接误差；

——井下连接误差。

井上连接误差就是由近井点测量吊锤线对井下某一边坐标方位角的影响，井下连接测量误差就是测量井下无定向导线时对井下某一边坐标方位角的影响。

由于井下无定向导线测角、测距误差对井下某一边坐标方位角的影响估算数学模型非常复杂，所以采用电算法进行精度分析比较方便。

大部分导线网严密平差软件都具有控制网优化功能，例如武汉大学测绘学院编制的商业平差软件《“科傻”控制测量内外业一体化软件包》，可以通过控制网的概略坐标产生模拟观测值进行精度估算，可以方便地估算出井下任意一条导线边井上、井下连接测量对坐标方位角的影响

，则有：

6.2.4高程联系测量

整个区间施工中，高程联系测量至少3次。

传递高程的地下近井点不少于2个，并对地下高程点间的几何关系进行检核。

高程联系测量可采用钢尺（丝）导入、三角高程测量等方法，将地面水准点的高程联系测量至井下施工水准点上。

1钢尺（丝）导高

用钢丝导入或钢卷尺导入高程是传统的做法，也是竖井施工中最常见的传递高程的方法。

如图5，首先应在井筒中部悬挂一钢丝（尺），在井下端悬一重锤，使其处于自由悬挂状态；然后，在井上、井下同时用水准仪测得A、B处水准尺上的读数a和b，并用水准仪瞄准钢丝，在钢丝上作上标记；变换仪器高再测一次，取其平均值作为最终结果。

最后，可通过在地面建立的比长台用钢尺往返分段测量出钢丝上两标记间的长度或读出钢尺上的读数差L。

则地下点高程:

HB=HA+ha-L-hb

图5钢尺（丝）悬挂法传递高程

2全站仪三角高程法导高

当竖井井深浅，俯仰角不大时，可以直接用光电三角高程测将井上高程导入井下水准点上，测量时要求如下：

1）测量使用的全站仪测角精度不低于±2″，测距标称精度不低于2mm+2ppm；

2）竖直角采用中丝法观测3测回，测回较差小于±7″，指标差较差小于±7″；

3）反射棱镜和仪器高度测前测后量取互差不大于2mm，取平均值；

4）测距边应进行气象改正；

5）高差必须及时进行对向观测。

3光电测距法导高

当井深较深时，可以采用全站仪测量竖距的方法将高程从井上导入井下。

如图6所示，先在竖井正下方设置井下趋近水准点B，给全站仪目镜上安装上弯管目镜，将全站仪照准部竖直向上瞄准带圆孔的平板，通过望远镜指挥平板位置，使平板上的圆孔在全站仪铅直视线上，在托架上固定平板。

在平板圆孔中放上半球尺垫，再半球尺垫上放置水准尺，用水准仪观测井上趋近水准点A至半球尺点中心的高差为ha，取下半球尺垫及水准尺，在带孔钢平板上安放球棱镜，使球棱镜面正对井下的全站仪，测量全站仪仪器中心至球棱镜中心的竖直距离为L，取多次观测值的平均值，丈量全站仪的仪器高为i，则根据图5可以计算出井下趋近水准点B的高程为：

HB=HA+ha-L-i

图6全站仪光电测距法导高测量

井上趋近水准点水准测量时，扶尺人员站立的托架应与放置带孔钢平板的托架互相独立，并确保扶尺过程中对平板不产生扰动，测量期间应确保人员和设备的安全。

7劳动力组织

7.1联系三角形法一井定向劳动力组织

表2联系三角形法一井定向劳动力组织

序号

工作项目

主要作业内容

人数

测量技术员

测量工

1

井上

操作全站仪、后视、记录

1

2

2

井下

操作全站仪、后视、记录、照明

1

3

3

小计

2

5

7.2高程联系测量人员组织

表3高程联系测量劳动力组织

序号

工作项目

主要作业内容

人数

测量技术员

测量工

1

井上

操作水准仪、扶尺、记录

1

3

2

井下

操作水准仪、扶尺、记录、照明

1

3

3

小计

2

6

全站仪三角高程测量导高时，无需使用水准仪器，只需组织2名技术人员进行仪器操作和记录，1名测量工井下对点，共需3人。

8主要机具设备

联系测量使用的测量机具应按照具体的联系测量方案选用。

8.1联系三角形法一井定向测量机具清单

表4联系三角形法一井定向测量机具清单

序号

机具设备名称

规格型号

单位

数量

作用与用途

1

全站仪

2″级

台

2

角度、距离测量

2

精密对点器

对中相对精度1/3000

套

2

对中

3

测距反射片

25mm×25mm

张

4

距离测量

4

钢尺

30m

把

2

测量钢丝之间的距离

5

钢丝

直径根据重吊锤锤重计算

根

2

投点

6

托架

付

2

固定钢丝

7

导向滑轮

个

2

固定钢丝

8

定线板

个

2

固定钢丝

9

小吊锤

锤重2～3kg

个

2

下放钢丝

10

手摇绞车

台

2

下放钢丝

11

重吊锤

锤重根据井深计算

个

2

稳定钢丝

12

盛重油的油桶

个

2

稳定重吊锤

13

钢丝检查圈

个

2

检查钢丝与井壁接触

14

圆锥形防水罩

个

2

防止水滴滴入油桶

8.2铅垂仪、陀螺经纬仪联合定向测量机具清单

表5铅垂仪、陀螺经纬仪联合定向测量机具清单

序号

机具设备名称

规格型号

单位

数量

作用与用途

1

陀螺经纬仪

±20″

套

1

方位角定向

2

全站仪

2″级

台

1

角度、距离测量

3

反射棱镜

套

2

距离测量

4

精密对点器

对中相对精度1/3000

套

2

井下对中

5

铅垂仪

投点误差±3mm

台

2

投点

6

托架

付

2

固定投点仪

在铅垂仪投点不便时，也可以采用钢丝吊锤线进行投点，采用钢丝吊锤线进行投点时，可以参考表１配置投点机具，投点方法与联系三角形法相同。

8.3钻孔投点定向测量机具清单

表6钻孔投点所需测量机具

序号

机具设备名称

规格型号

单位

数量

作用与用途

1

全站仪

2″级

台

2

角度、距离测量

2

精密对点器

对中相对精度1/3000

套

2

对中

3

测距反射片

25mm×25mm

张

4

距离测量

4

钢尺

30m

把

2

测量钢丝之间的距离

5

钢丝

直径根据重吊锤锤重计算

根

2

投点

6

托架

付

2

固定钢丝

7

导向滑轮

个

2

固定钢丝

8

定线板

个

2

固定钢丝

9

小吊锤

锤重2～3kg

个

2

下放钢丝

10

手摇绞车

台

2

下放钢丝

11

重吊锤

锤重根据井深计算

个

2

稳定钢丝

12

盛重油的油桶

个

2

稳定重吊锤

13

钢丝检查圈

个

2

检查钢丝与井壁接触

14

圆锥形防水罩

个

2

防止水滴滴入油桶

8.4钢尺（钢丝）导高测量机具清单

表7钢尺（钢丝）导高所需测量机具

序号

机具设备名称

规格型号

单位

数量

作用与用途

1

水准仪

±20″

台

2

水准测量

2

水准尺

2″级

把

2

水准测量

3

钢尺（钢丝）

钢尺根据井深选用（钢丝直径按重吊锤锤重计算

根

1

投点及测量

4

托架

对中相对精度1/3000

付

1

固定钢尺（钢丝）

5

导向滑轮

投点误差±3mm

个

2

固定钢尺（钢丝）

6

重吊锤

锤重根据井深计算

个

1

稳定钢尺（钢丝）

7

盛有重油的油桶

个

1

稳定重锤

8.5全站仪三角高程法导高测量机具清单

表8全站仪三角高程法导高测量机具

序号

机具设备名称

规格型号

单位

数量

作用与用途

1

全站仪

2″级

台

1

三角高程测量

2

对中杆

个

1

固定棱镜

3

棱镜

个

1

三角高程测量

4

小钢尺

2m

把

1

丈量仪器高

8.6光电测距法导高测量机具清单

表9光电测距法导高测量机具

序号

机具设备名称

规格型号

单位

数量

作用与用途

1

水准仪

DS3

台

1

水准测量

2

水准尺

把

2

水准测量

3

全站仪

2″级

台

1

距离测量

4

球棱镜

个

1

距离测量

5

半球尺垫

与球棱镜半径相同

个

1

水准测量

6

小钢尺

把

1

丈量仪高

7

弯管目镜

个

1

观测棱镜

8

带圆孔钢平板

个

1

安置球棱镜和半球尺垫

9

托架

付

2

固定带圆孔钢平板及扶尺

9质量控制

9.1易出现的质量问题

9.1.1采用联系三角形法进行平面联系测量时，三次定向测量互差超限。

9.1.2采用钢丝投点时，井上、井下两钢丝间距超限。

9.1.3平面联系测量精度低。

9.1.4高程联系测量精度低。

9.2保证措施

9.2.1测量使用的仪器必须经法定计量检定单位检定合格，并在检定有效期内，使用过程中应及时进行校正，使仪器设备处于良好的工作状态。

9.2.2采用联系三角形法进行平面联系测量时，应用钢丝检查圈对钢丝进行检查，确保钢丝没