翁潭电站大王山输水隧洞施工控制网.docx

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翁潭电站大王山输水隧洞施工控制网

设计说明书

设计人：

班级：

测绘12-2班

学号：

审核：

桂林理工大学测绘地理信息学院

2016年1月14日

一、工程项目

瓮潭电站大王山输水隧洞施工控制设计。

二、施测目的

该控制网是隧道地下工程所有测量的基础和依据，精确测定洞外各控制点的平面位置，为洞内平面控制提供精确的起始数据，以便根据洞口控制点将设计方向导向地下，指引隧道开挖，并能按规定的精度贯通，是全线线路与结构贯通的保障。

三、测区简况

本工程位于广西壮族自治区XX县内，为瓮潭水电站的引水隧洞。

水源引自罗家水库，水库坝址位罗家村下游约1.4公里，设计为钢筋混凝土重力坝，最大坝高95米。

水流从大王山输水隧洞至瓮潭村西南1公里的山坡出口后，用两条压力钢管引至电站水轮机蜗壳发电，发电后尾水经明渠经瓮潭村南排入义江。

整个隧道均在大王山区域内，海拔在300-800米之间，测区内地形较为复杂。

四、工程特征值

表1—工程特征值

水库坝顶高程

400.00米

水库正常高水位

390.00米

输水隧洞进口底面高程

375.00米

输水隧洞出口底面高程

365.00米

输水隧洞全长

1900.00米

输水隧洞断面尺寸

宽2米，高2.5米

压力钢管直径

ф=1.50米

水电站厂房地坪标高

223.00米

水电站水轮机蜗壳高程

220.00米

最大流速

4米/秒

最大水头

145.00米

发电能力

14000千瓦

本隧洞施工采用全断面开挖法，自两端洞口相向开挖，贯通面设计在距进口1100米，输水隧洞全长1900.00米。

五、地面网布设方案及主要特征值

5.1方案一：

布设GPS控制网

5.1.1布网要求

根据仪器设备提供情况，利用3台trimble5700全球定位设备，为了保证GPS的定位精度，提高控制网的几何强度和可靠性，采用边连式的形式布设GPS控制网，测区首级平面基础计为E级控制网，在坝址、厂房附近和进出口内布设有控制点，还在进出口处分别布设了定向点和检核点，进出口控制点与其相应的定向点、检核点均满足通视条件。

GPS布网主要技术指标如下：

表2—GPS网主要技术要求

级　别

平均距离（km）

a（mm）

b（1×10-6）

最弱边相对中误差

E级

0.2—5

≤10

≤20

1/45000

网形布设如下：

图1—GPS地面控制网形图

5.1.2控制网特征值计算

观测时段数为C，网点数为n，接收机数为N，故在该GPS网中网特征条件计算如下：

观测时段数C=1+（8-3）/（3-2）=6期

总基线数J总=C×N×（N-1）/2=6×3×（3-1）/2=18

必要基线数J必=n-1=8-1=7

独立基线数J独=C×（N-1）=6×（3-1）=12

多余基线数J多余=J独-J必=12-7=5

平均每点设站数m=3×6/8=2.25

表3—GPS控制网特征值

GPS网等级

E级

必要观测基线数

布设控制点数量

8个

独立基线数

布网方式

边连式

多余基线数

观测期数

设站总数

总基线数

平均每点设站数

2.25

5.2方案二：

边角网布设控制网

5.2.1布网要求

采用2″级全站仪2台，标称精度2mm±2mm×10-6·D，最大测程4.0km，按四等三角网的要求，角度观测6测回，边长往返各观测两测回。

四等三角网的主要观测指标如下：

表4—四等三角网精度要求

等级

平均边长

S均（米）

测角中误差

Mβ

起始边边长

相对中误差

最弱边边长

相对中误差

测回数

四等

400

2.5″

1/7万

1/4万

J1:

2J2:

地面网设计为边角网，采用独立网形式，不与国家网相连接，虽主要为保证隧洞贯通测量所设，但由于坝址、隧洞与厂房为一体，为保证他们之间的有机联系，分别位于坝址区和电站厂房附近各布设1个控制点，并将它们纳入统一的控制网中，此类点只作坝址区和厂房另建施工控制的起算点之用。

网型布设如下：

图2—地面三角网布设图

三角网中其主要特征值如下：

表5—三角网相关特征值

三角形个数

12个

基线边条数

5条

最大边长

637.268m

最短边长

298.897m

平均边长

434.327m

六、地面网误差对横向贯通影响值的计算

6.1采用GPS网时对横向贯通影响值的计算

6.1.1本工程项目中GPS网型中基线边长信息如下：

表6—GPS控制网中相关基线及投影长度表

基线边

基线边长（m）

Dy（m）

点号

Rx（m）

E1-E3

510.775

14.288

1624.704

E1-E4

465.847

443.773

972.430

E1-E5

328.224

242.277

892.695

E2-E6

315.441

314.601

808.094

E2-E7

859.281

287.241

1594.934

E2-E8

470.605

311.021

1138.264

由上表可知：

基线E1-E4、E2-E6两条边在贯通面上的投影长度最大，是两个进洞点的最弱边，如果这两条边对隧洞贯通面的影响值合格，则其他基线肯定合格。

6.1.2基线E1-E4、E2-E6对贯通面影响值计算

根据GPS控制网相邻点间基线长度精度计算公式：

σ=

式中a（mm）为固定误差；b（ppm）为比例误差系数；d（km）为相邻点间的距离。

σE1-E4=

=13.67mm

σE2-E6=

=11.82mm

进出洞控制点E1和E2的点位误差：

mp2点=mE12+mE22=（2²+（2×0.47）²）+（2²+（2×0.32）²）=9.293mm

进出洞控制点后视定向边E1-E4和E2-E6边长误差为：

mp2边=（σE1-E4×dyE1-E4/SE1-E4）2+（σE2-E6×dyE2-E6/SE2-E6）2=308.548mm

进出洞控制点后视定向E1和E2误差为：

mp2方=（mE12/ρ＂2）×RXE1-E42+（mE22/ρ＂2）×RXE2-E62=272.892mm

mp上2=mp2点+mp2边+mp2方=9.293+308.548+272.892=590.733mm

以上计算可知该地面GPS控制网中误差为±24.30mm，小于地上控制误差允许值±30mm，故该E级GPS控制网满足地面控制测量的要求。

6.2采用边角网时对横向贯通影响值的计算

地面网误差对横向贯通的影响值可用导线替代法计算，设想一条线路S2-S3-S4-S11-S12-S13，测间隔边S2-S3、S3-S4、S4-S11、S11-S12、S12-S13和水平方向各点到贯通面距离：

表7—点到贯通面距离表

DS2=1129.279

DS3=719.115

DS4=196.813

DS11=71.061

DS12=563.034

DS13=843.278

表8基线边数据表

基线边

等级

长度（m）

边长精度

Ⅱ类仪器测回数

边长在贯通面上的投影长度（m）

S2-S3

四等

413.610

1/4万

55.821

S3-S4

四等

592.528

1/4万

279.172

S4-S11

四等

576.189

1/4万

510.135

S11-S12

四等

487.520

1/4万

44.423

S12-S13

四等

304.511

1/4万

101.680

测角误差引起的横向贯通误差myβ可用如下公式计算：

myβ=±

（1）

控制网平均边长为434.327m，对应等级为四等，测角中误差为2.5″，代入公式

（1），求得myβ=±2.5/206265×

=±19.3mm。

测边误差对横向贯通误差的影响值myl可用公式

（2）计算：

myl=±

=±

（2）

各导线边对应等级的边长精度为1/4万，将各导线边的边长精度代入公式

（2），求得myl=±1/40000×

=±14.9mm

不考虑起算方位角的影响，地面三角网测量误差对隧道贯通误差的影响值为：

mp上=±

=±24.4mm＜30mm

考虑起算方位角的影响，地面三角网测量误差对隧道贯通误差的影响为：

故该洞外三角网的精度达到要求。

七、地下导线布设方案及精度估算

7.1GPS控制网地下导线布设方案及精度估算

7.1.1地下导线布设

地下导线测量的作用是以必要的精度，建立地下的控制系统。

依据该控制系统可以放样出隧道（或坑道）中线及其衬砌的位置，从而指示隧道（或坑道）的掘进方向。

地下导线应尽量沿线路中线（或边线）布设，边长要接近等边，尽量避免长短边相接。

本工程中隧洞形状为直线，所以地下导线应布设成等边直伸支导线，对于直导线，量边误差对横向贯通误差的影响可以忽略不计。

因为两开挖口间的长度为1900米，小于4000米，所以贯通误差的限差要小于40mm。

表9-地下导线布设边长规范表

施工导线边长为

25～50米

基本导线边长为

150～200米

主要导线边长为

400米

7.1.2精度估算

（1）若地下导线只布设施工导线，由上表可知，取导线边长为50m，则在进洞口的导线边为n=

=22，取mβ=2.5″，则有mp进=±

=±37.3mm

出洞口端导线边n=

=16，取mβ=2.5″则有mp出=±

=±23.4mm

地下导线所引起的贯通误差为mp下=±

=±44.03mm＞40mm

所以若只布设施工导线不能满足限差要求，还需要布设基本导线。

（2）取导线边长为150m，则在进洞口的导线边为n=

≈8，取mβ=2.5″，故有：

mp进=±

=±25.88mm

出洞口的导线边为n=

≈6，取mβ=2.5″，故有：

mp出=±

=±17.25mm

地下导线所引起的贯通误差为mp下=±

=±31.1mm＜40mm

所以当布设基本导线时洞内导线控制测量精度可行，故不需要再布设主要导线。

7.2采用边角网时地下导线布设方案及精度估算

洞内施工采用导线法施工，其控制网形式主要为等边直伸支导线。

进口至贯通面分两级布设，分别为边长50米的施工导线和边长为150米的基本导线。

对于等边直伸地下导线来说，导线的测角误差引起横向误差，而量边误差与横向误差无关。

所以进口、出口至贯通面的地下导线引起的横向贯通误差公式由

Mq=±

得到

由于是相向开挖则要考虑两边的导线误差影响，

（1）若只布施工导线时：

在进洞口边布施工导线，设边长s=50米，进洞口至贯通面总长S=1100米，故n=

=22，取mβ=2.5″

则：

mp进=±

=±37.3mm

在出洞口布施工导线，设边s=50m，洞口至贯通面总长S=800米，故n=

=16取mβ=2.5″

mp出=±

=±23.4mm

故有mp下=±

=±44mm>mp限=±40mm

可得结论：

若只布施工导线时，横向贯通误差超限。

综上所述还须设基本导线：

（2）在进洞口边布基本导线，设边长s=150米，进洞口至贯通面总长S=1100米，故n=

≈8，取mβ=2.5″

mp进=±

=±25.88mm

在出洞口布设基本导线，设边s=150m，洞口至贯通面总长S=800米，故n=

≈6取mβ=2.5″

mp出=±

=±17.25mm

地下导线所引起的贯通误差为mp下=±

=±31.1mm＜40mm

八、横向贯通预期总误差估算

8.1采用GPS网时横向贯通预期总误差估算

根据《公路勘测规范》等中对隧道施工贯通中误差估算的规定，隧道相向开挖长度在4Km内的贯通误差的总误差限差为50mm。

根据第六项计算中可知地面GPS控制网中误差为mp上=±24.3mm

根据第七项计算中可知地下导线中误差为mp下=±31.1mm

所以控制网的横向贯通预期总误差为：

8.2采用边角网时横向贯通预期总误差估算

可以认为地面网误差对横向贯通的影响值、地下两边支导线的贯通误差的影响值是独立的。

故横向贯通预期总误差可得：

mp上=±24.4mm，mp下=±31.1mm

因此，所布设控制网符合施工要求。

九、地面网地下网观测主要技术要求

9.1地面GPS控制网作业技术要求

表10-GPS网观测的基本技术规定

级别

项目

卫星截止高度角／（°）

同时观测有效卫星数

>14

≥4

有效观测卫星总数

≥20

≥6

≥4

观测时段数

≥3

≥2

≥1.6

时段长度

≥23h

≥4h

≥60min

≥40min

采样间隔／s

10～30

5～15

注1：

计算有效观测卫星总数时，应将各时段的有效观测卫星数扣除其问的重复卫星数．

注2：

观测时段长度，应为开始记录数据到结束记录的时间段。

注3：

观测时段数≥1.6，指采用网观测模式时，每站至少观测一时段，其中二次设站点数应不少于GPS网总点数的60％．

注4：

采用基于卫星定位连续运行基准站点观测模式时，可连续观测，但观测时闾应不低于表中规定的各时段观测时间的和。

根据《全球定位系统城市测量技术规程》CJJ/T73-2010中对于各级GPS控制网最弱边相对中误差的规定,各级GPS网相邻点基线长度精度用下列公式表示

σ=

，并按下表规定执行。

表11—各级GPS网相邻点基线长度精度

级别

固定误差

比例误差系数

≤3

≤0.01

≤5

≤0.1

≤8

≤1

≤10

≤5

≤10

≤20

由完全的独立基线构成的独立环，各独立环的坐标分量闭合差和全长闭合差应符合下式规定：

Wx=3

×σ;Wy=3

×σ;Wz=3

×σ，式中σ为相应级别的规定中误差（按平均边长计算）,n为闭合环边数。

9.2边角网观测作业技术要求

表12—边角控制网等级要求

等级

平均边长

S均（米）

测角中误差

Mβ

起始边边长

相对中误差

最弱边边长

相对中误差

测回数

二等

800

1”.0

1/23万

1/13万

J1:

三等

600

1”.8

1/13万

1/7万

J1:

4J2:

四等

400

2”.5

1/7万

1/4万

J1:

2J2:

五等

200

5”.0

1/4万

1/2万

J2:

表13—电磁波测距规范表

等级

最小边长

边长精度

类仪器测回数

三等

600米

1/8万

四等

400米

1/5万

五等

200米

1/3万

9.3地下导线直伸支导线作业技术要求

表14—洞内导线技术要求

等级

测角精度（″）

导线边长（m）

边长相对中误差

一

±1.8

250

1/20000

二

±2.5

200

1/15000

三

±5.0

100

1/10000

9.3.1水平角观测

9.3.1.1水平角观测所使用的全站仪，应符合下列相关规定：

（1）照准部旋转轴正确性指标：

管水准器气泡或电子水准器长气光在各位置的读数较差，2秒级仪器不应超过1格。

（2）水平轴不垂直于垂直轴之差指标；2秒级仪器不应超过15秒。

（3）补偿器的补偿要求：

在仪器补偿器的补偿区间，对观测成果应能进行有效补偿。

（4）垂直微动旋转使用时，视准轴在水平方向上不产生偏移。

（5）仪器的基座在照准部施转时的位移指标：

2秒级仪器不应超过1秒。

（6）光学（或激光）对中器的视轴（或射线）与竖轴的重合度不应大于1㎜。

9.3.1.2水平角观测宜采用方向观测法，并符合下列规定：

表15-水平角方向观测法的技术要求

等级

仪器精度等级

光学测微器两次重合读数之关（秒）

半测回归零差（秒）

一测回内2C互差（秒）

同一方向值各测回较差（秒）

四等及以上

1秒级仪器

2秒级仪器

一级及以下

2秒级仪器

—

6秒级仪器

—

注：

（1）全站仪、电子经纬仪水平角观测时不受光学测微器两次重合读数之差指标的限制。

（2）当观测方向的垂直角超过±30的范围时，该方向2C互差可按相邻测回同方向进行比较，其值应满足表中一测回内2C互差的限值。

（3）各测回间应配置度盘。

度盘配置应符合附录C的规定。

（4）水平角的观测值应取各测回的平均数作为测站成果。

9.3.1.3水平角观测的测站作业，应符合下列规定：

（1）仪器或反光镜的对中误差不应大于2mm。

（2）水平角观测过程中，气泡中心位置偏离整置中心不宜超过1格。

四等及以上等级的水平角观测，当观测方向的垂直角超过±30的范围时，宜在测回间重新整置气泡位置。

有垂直轴补偿器的仪器，可不受此款限制。

（3）如受外界因素的影响，仪器的补偿器无法正常工作或超出补偿器的补偿范围时，应停止观测。

（4）当测站或照准目标偏心时，应在水平角观测前或观测后测定归心元素。

测定时，投影示误三角形的最长边，对于标石、仪器中心的投影不应大于5mm，对于照准标志中心的投影不应大于10mm。

投影完毕后，除标石外，其他各投影中心均应描绘两个观测方向。

角度元素应量至15秒，长度元素应量至1mm。

9.3.1.4水平角观测误差超限时，应在原来度盘位置上重测，并应符合下列规定：

（1）一测回内2C互差或同一方向值各测回较差超限时，应重测超限方向，并联测零方向。

（2）下半测回归零差或零方向的2C互差超限时，应重测该测回。

（3）若一测回中重测方向数超过总方向数的1/3时，应重测该测回。

当重测的测回数超过总测回数的1/3时，应重测该站。

9.3.2距离测量

测距作业，应符合下列规定：

表16—测距的主要技术要求

平面控制网等级

仪器精度等级

每边测回数

一测回读数较差（秒）

单程各测回较差（㎜）

往返测距较差（㎜）

往

返

三等

5mm级仪器

≦5

≦7

≦2（a＋b×D）

10mm级仪器

≦10

≦15

四等

5mm级仪器

≦5

≦7

10mm级仪器

≦10

≦15

一级

10mm级仪器

—

≦10

≦15

—

二、三级

10mm级仪器

—

≦10

≦15

9.4洞内控制测量注意事项

（1）导线自洞口向洞内是分期、逐次测量建立，并最后贯通的。

（2）洞内测量是在施工条件下进行的，因此防水排水、通风排烟和照明等因素对测量的影响十分重要。

（3）仪器进洞后为适应洞内的温度和湿度必须晾露30~40min后才能正常使用，并应擦干仪器和反射器镜面的水气后才宜观测。

（4）受场地和观测条件限制，导线边长一般不可能较长。

有时难免采用短边和特殊短边。

一旦有条件时，须及时改善短边条件并加以补测，以避免方位误差过大的有害影响。

（5）导线需联测必要的施工中线点，以利及时检查和定正中线。

（6）由于诸多施工因素影响，在利用已测导线点伸引前，必须先检测判明已知点是否位移。

检测方法一般按原有导线最前端的相邻三点点位、通过同精度测角检测和侧边检测。

如果角和边的差值均在精度允许范围内，则可认为原导线点的精度和点位均为可信；如果超限则应认为存疑，应沿着原有导线依次倒退检测边角，直至精度合格为止。

这时以合格处的导线点作起算点向前建立新导线。

经检测不合格部分的导线点坐标成果应予废弃；如果检测结果虽未超过限差，但其差值已大于较差的中误差而接近限差时，亦应依次倒退多检测几站角和几条边，以判明原有成果是否可靠。

（7）洞口投点通常距贯通点最远，因此测角误差对贯通的影响最大；同时，投点又是由洞外引向洞内的测角站，由于测角条件的诸多不利因素，为使洞口投点测角获得较好成果，观测时间宜选在夜间较稳定后进行；夜间观测有困难时，可选择气象稳定的阴天观测。

进洞后第一对导线点向投点观测时，也宜在相同的条件下进行。

（8）仪器、目标多次置中，因为洞内导线边长较短，仪器和目标的对中误差对水平角观测的影响较大。

为减少此项误差影响，导线测角可采用在测回间将仪器和觇标多次重新置中的方法。

（9）在观测时，应在所有观测方向中选择一个通视良好、成像清晰、竖直角较小和距离适中的方向作为零方向。

当方向数较多，需分组观测时，或观测中、遇某些方向目标暂时不清晰而分组观测时，应采用同一零方向。

十、工程造价预算

根据中华人民共和国财政部和国家测绘局联合颁布的《测绘工程产品价格》（2009版）标准和国家计委、建设部发布的2002版《工程勘察设计收费管理规定》，本工程中所涉及项目的单价如下：

表17—工程控制网经费预算表

计价单位：

元

工作项目

计量单位

总成本

主要工作内容

III

GPS测量（E级）

点

2821

3203

4123

准备工作，选点，埋石，观测，测定气象元素，绘点之记，计算。

四等三角

点

2737

3112

4006

导线二级

1086

1234

1589

导线三级

759

863

1112

根据当地地形条件考虑，该地区有起伏变化很大或比高＞80m的山地，隐蔽地区面积≤60%，属于密集的树林或荆棘灌木丛林、竹林，难以通行的水网、稻田、沼泽、沙漠地，岭谷险峻、地形切割剧烈、攀登艰难的山区，故收费按照复杂地形收费标准执行。

结合本项目的工程计划，对本次测量工程费用预算如下：

10.1采用GPS控制网

洞外GPS测量费用：

4123元/点×8点=33056元

洞内导线费用：

1589元/km×1.9km+1112元/km×1.9km=3019.1元+2112.8元

=5131.9元

总费用=洞外GPS测量费用+洞内导线费用=38187.9元

10.2采用边角网

洞外四等三角网测量费用：

4006元/点×14点=56084元

洞内导线费用：

1589元/km×1.9km+1112元/km×1.9km=3019.1元+2112.8元

=5131.9元

总费用=洞外四等三角网测量费用+洞内导线费用=61215.9元

十一、布网方案比较分析

GPS控制测量在隧道施工控制测量中已得到广泛的应用，只需要布设洞口控制点和定向点，而且相互通视，以便施工定向之用。

不同洞口之间的点不需要通视，与国家控制点或城市控制点之间的联测也不需要通视。

布设灵活方便，定位精度目前已优于常规控制方法。

GPS网具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，GPS网的布网原则同于常规的平面控制网。

边角网的优点是图形结构坚强、布点少、推进快、精度高、多余观测数据较多，可以检

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