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1、隧道工程测量secret第12章 隧道施工测量导言 重点：本章重点介绍隧道在施工过程中的测量工作，包括洞内外的控制测量、联系测量以及隧道在施工过程中的给向、结构物放样、贯通、竣工测量等工作。难点：本章难点在隧道洞外控制测量、隧道进洞方向控制、洞内导线的测设与掘进方向给定以及贯通测量等。隧道是公路、铁路工程以及城市地下轨道交通建设的重要组成部分，随着国家经济建设的发展，隧道建设的高潮已经来临。隧道施工不同于桥梁等其他构造物。它除了造价高、施工难度大之外，在施工测量上也有许多不同之处，隧道大部分位于地下，光线暗、湿度大、粉尘多、工序复杂，对施工测量的干扰严重，测量人员随时为施工服务。因此，隧道施工

2、测量的难度较地面大。隧道施工控制网分为地面控制和地下控制两部分。地面控制部分确定洞口的相对位置，并传递进洞方向；地下控制部分确定隧道的掘进方向。隧道施工一般从两个洞口相向掘进，较长的隧道有时还需要从竖向或侧向的通道开辟新的工作面同时施工，以缩短建设工期。隧道高昂的造价和现代快速掘进技术，要求在多向掘进的隧道贯通面上有较高的贯通质量，不需作过多的修正；这就要求施工控制测量要达到一定的精度。提高施工控制测量的精度，除了对测量工具有较高的要求外，对测量手段同样有较高的要求。隧道测量的主要任务是：在勘测设计阶段是提供选址地形图和地质填图所需的测绘资料，以及定测时将隧道线路测设在地面上，即在洞门前后标定

3、线路中线控制桩及洞身顶部地面上的中线桩；在施工阶段是保证隧道相向开挖时，能按规定的精度正确贯通，并使洞内构筑物的位置符合规定，不侵入建筑限界，以确保运营安全。第1节 隧道洞外控制测量隧道的设计位置，一般在定测时已初步标定在地表面上。在施工之前先进行复测，检查并确认各洞口的中线控制桩，当隧道位于直线上时，两端洞口应各确定一个中线控制桩，以两桩连线作为隧道洞内的中线；当隧道位于曲线上时，应在两端洞口的切线上各确认两个控制桩，两桩间距应大于200m。以控制桩所形成的两条切线的交角和曲线要素为准，来测定洞内中线的位置。由于定测时测定的转向角、曲线要素的精度及直线控制桩方向的精度较低，满足不了隧道贯通精

4、度的要求，所以施工之前要进行洞外控制测量。洞外控制测量的作用，是在隧道各开挖口之间建立一精密的控制网，以便根据它进行隧道的洞内控制测量或中线测量，保证隧道的准确贯通。洞外控制测量包括平面控制测量和高程控制测量。其内容和方法与第6章的内容没有本质区别，在公路勘测阶段已完成控制网的布设，并以将公路中线在实地进行了放线。但在隧道施工阶段，首先需对勘测阶段的控制网进行复核，以保证控制网的精度。如不满足，可重新设计隧道施工控制网（包括控制点的布设形式、实测方法、测设结果、对贯通质量的要求等）。隧道施工测量首先要建立洞外平面和高程控制网，每一开挖洞口附近都应设立平面控制点及水准点，将开挖工作面联系起来作为

5、放样的依据。随着隧道向前开挖掘进，必须将洞口控制点的坐标、方向和水准点的高程传递到隧道内，再用导线测量和水准测量的方法建立洞内的平面控制和高程控制。由洞内控制点的坐标和高程，来指示隧道掘进方向，并作为洞内衬砌及构筑物放样的依据。隧道贯通后，必然产生平面的和高程的贯通误差，此时需要进行中线调整；在所有施工项目完成后，还要进行竣工测量及变形观测。一、洞外平面控制测量隧道平面控制测量的主要任务是：测定各洞口控制点的平面坐标，将设计方向导入地下，指导隧道开挖，并能按规定的精度进行贯通。隧道平面控制测量的主要内容是：对设计单位所交付的洞外中线方向及长度、水准点的高程等进行复核，同时按测量设计的形式进行控

6、制点的布设。为准确设定隧道各部位置和为隧道施工准备条件，应做好洞外控制测量，设置各开挖洞口的引测投点，以利于施工时据以进行洞内控制测量。因此，平面控制网站的选点工作，应结合隧道平面线形及洞口（包括辅助坑道口）的投点，结合地形地物，在确保精度的前提下，充分考虑观测条件、测站稳定程度。各测站应埋没混凝土金属标志桩。洞口投点的位置，应便于引测进洞，尽量避免施工干扰。各掘进洞口至少设一个投点，并尽量纳入控制网内。只有在条件不允许时，方可用插点形式与控制网联系。当洞口位于曲线上时，应在曲线上或曲线附近增设一个投点，以利于拔角进洞；当洞口位于直线上时，也可与洞口前后各设一个测点，其间距不宜小于200m，以

7、便沿隧道中线延伸到直线进洞。（一）、洞外平面控制测量的精度隧道洞外平面测量的精度如下，见表12-1、表12-2。（二）、洞外平面控制测量的方法隧道洞外平面控制测量的主要任务是测定洞口控制点的平面位置，并同道路中线联系，以便根据洞口控制点位置，按设计的方向和坡度对隧道进行开挖、使隧道按规定的精度贯通。根据隧道的分级和地形情况，洞外平面控制测量常用的方法有：中线法、精密导线法、三角测量、三边测量、边角测量或综合使用，以及现在广泛使用的GPS测量。1、中线法所谓中线法，就是将隧道线路中线的平面位置，按定测的方法先测设在地表上，经反复核对无误后，才能把地表控制点确定下来，施工时就以这些控制点为准，将中

8、线引入洞内。一般在直线隧道短于1000m，曲线隧道短于500m时，可以采用中线作为控制。如图12-1所示，A、C、D、B作 图 12-1为在A、B之间修建隧道定测时所定出的中线上的直线转点。由于定测精度较低，在施工之前要进行复测，其方法为：以A、B作为隧道方向控制点。在A点安置用正倒镜分中法定出C点，再将经纬仪安置在C点上，后视A点，正倒镜分中定出D点；同样在D点置镜，正倒镜分中定出B点。若B与B不重合，可量出BB的距离，则：自D点沿垂直于线路中线方向量出DD定出D点，同法也可定出C点。然后再将经纬仪分别安在C、D点上复核，证明该两点位于直线AB的连线上时，即可将它们固定下来，作为中线进洞的方

9、向。若用于曲线隧道，则应首先精确标出两切线方向，然后精确测出转向角，将切线长度正确地标定在地表上，以切线上的控制点为准，将中线引入洞内。中线法简单、直观，但其精度不太高。2、精密导线法导线法比较灵活、方便，对地形的适应性比较大。其测算的方法与第六章导线测量基本相同，但其要求较高；测角和量边都应采用精密的仪器和方法。目前在光电测距仪已经普及和其精度不断提高的情况下，有条件的单位，导线法应当是隧道洞外控制形式的首选方案。导线布设须按照隧道工程的要求来确定，直线隧道的导线应尽量沿两洞口连线的方向，布设成直伸形式，因为直伸导线的量距误差只影响隧道的长度，而对横向贯通误差的影响较小。在曲线隧道的测设中，

10、当两洞口附近为曲线时，则导线点应布设在两端洞口的切线上；中部为直线时，则中部应沿中线布设导线点；当整个隧道在曲线上时，应尽量沿两端洞口连线布设导线点。导线应尽可能通过隧道两端洞口及各辅助巷道的进洞点，并使这些点成为主导线点。同时，要求每个洞口有不少于3个能互相通视的平面控制点，以利于检查和复核。必要时可将导线布设成主、副导线闭合环，对副导线只测水平角而不测距。精密导线应组成多边形闭合环。它可以是独立闭合导线，也可以与国家三角点相连。导线水平角的观测，应以总测回数的奇数测回和偶数测回，分别观测导线前进方向的左角和右角，以检查测角错误；将它们换算为左角或右角后再取平均值，可以提高测角精度。为了增加

11、检核条件和提高测角精度评定的可行性，导线环的个数不宜太少，最少不应少于4个；每个环的边数不宜太多，一般以46条边为宜。在进行导线边长丈量时，应尽量接近于测距仪的最佳测程，且边长不应短于300m；导线尽量以直伸形式布设，减少转折角的个数，以减弱边长误差和测角误差对隧道横向贯通误差的影响。用导线法进行平面控制比较灵活、方便，对地形的适应性强。我国长达14.3 km的大瑶山隧道和8 km多的军都山隧道，采用光电测距仪导线网作洞外控制测量，均取得了很好的效果。导线的测角中误差按下式计算，并应满足测量设计的精度要求。 式中导线环的角度闭合差（）；一个导线环内角的个数；N导线环的个数。导线环（网）的平差计

12、算，一般采用条件平差或间接平差。边与角按下式定权 式中 导线测角中误差，按式（141）计算，并宜用统计值；导线边长中误差，宜用统计值。当导线精度要求不高时，亦可采用近似平差。3、三角测量三角测量的方向控制较中线法、导线法都高，如果仅从横向贯通精度的观点考虑，则它是最理想的隧道平面控制方法。三角测量除采用测角三角锁外，还可采用边角网和三边网。但从精度、工作量、经济方面综合考虑，以测角三角锁为好，如图12-2所示。三角锁一般布置一条高精度的基线作为起始边，并在三角锁另一端增设一条基线，以资检核；其余仅只有测角工作，按正弦定理推算边长，经过平差计算可求得三角点和隧道轴线上控制点的坐标，然后以控制点为

13、依据，确定进洞方向。用三角锁法布设隧道施工控制网时，一般布设成沿路线同一方向沿伸，隧道全长及各进洞点均包括在控制范围内，三角点应分布均匀、并考虑施工引测方便和使误差最小。基线不应离轴线太远，否则将增加三角锁中的三角形个数，从而降低三角锁最远边的推算精度。隧道三角锁的图形，取决于隧道中线的形状、施工方法和地形条件。直线隧道以单锁为主，三角点尽量靠近中线，最好以隧道中线作为三角锁的一条边，以减少测量误差对横向贯通的影响。曲线隧道三角锁以沿两端洞口连线方向布设为好，较短的曲线隧道，可布设成中点多边形锁；长的曲线隧道可任意布置。4、三角锁和导线联合控制这种方法只有在受到特殊地形条件限制时才考虑，一般不

14、宜采用。如隧道在城市附近，三角锁的中部遇到较密集的建筑群，这时使用导线穿过建筑群与两端的三角锁相连结。用于隧道施工控制测量的三角锁或导线环，在布设中除了前面所述要求之外，还应注意以下几点：1）使三角锁或导线环的方向，尽量垂直于贯通面，以减弱边长误差对横向贯通精度的影响。2）尽量选择长边，减少三角形个数或导线边个数，以减弱测角误差对横向贯通精度的影响。3）每一洞口附近测设不少于三个平面控制点（包括洞口投点及其相联系的三角点或导线点），作为引线入洞的依据，并尽量将其纳入主网中，以加强点位稳定性和入洞方向的校核。4）三角锁的起始边如果只有一条，则应尽量布设于三角锁中部；如果有两条，则应使其位于三角锁

15、两端，这样不仅利于洞口插网，而且可以减弱三角网测量误差对横向贯通精度的影响。三角锁中若要增列基线条件时，应将基线设于锁段两端。5）洞口投点，如因地形不允许定为三角点时可采用插点形式与三角锁联系，且以三角形连接为佳。6）三角点的位置，在确保精度的前提下应设于稳固、能长期保存和便于施测的地点，且对邻近的三角点有良好的通视条件。5、GPS测量GPS是全球卫星定位系统的简称，它的原理和使用，可参看第7章内容。隧道施工控制网可利用GPS相对定位技术，采用静态或快速静态测量方式进行测量。由于定位时仅需要在开挖洞口附近测定几个控制点，工作量少，而且可以全天候观测，目前已得到应用。隧道GPS定位网的布网设计，

16、应满足下列要求：1）定位网由隧道各开挖口的控制点群组成，每个开挖口至少应布测4个控制点。整个控制网应由一个或若干个独立观测环组成，每个独立观测环的边数最多不超过12个，应尽可能减少。2）网的边长最长不宜超过30km，最短不宜短于300m。3）每个控制点应有三个或三个以上的边与其连接，极个别的点才允许由两个边连接。4）GPS定位点之间一般不要求通视，但布设洞口控制点时，考虑到用常规测量方法检测、加密或恢复的需要，应当通视。5）控制点位置空中视野应开阔，保证至少能接收到4颗卫星信号。6）测站附近不应有对电磁波有强烈吸收和反射影响的金属和其它物体。由上述各种方法比较看出，中线法控制形式最简单，但由于

17、方向控制较差，故只能用于较短的隧道；三角测量方法其方向控制精度最高，故在光电测距仪未广泛使用之前，是隧道控制最主要的形式，但其三角点的布设要受到地形、地物条件的限制，而且基线边要求精度高，使丈量工作复杂，平差计算工作量大；精密导线法，在光电测距仪的测程和精度不断提高的今天，由于布设简单、灵活、地形适应性强、外业工作量少，因而逐渐成为隧道控制的主要形式，只要在水平角测量时适当增加测回数，就可弥补其方向控制不如三角测量之不足。而且光电测距导线和光电测距三角高程可以同时进行，大大减少了野外工作量，是今后隧道控制中应首选的方案；GPS测量是目前正处于试验阶段的一种全新控制形式，随着其价格的降低、精度的

18、提高、理论的完善，势必成为将来最有前途的控制形式。二、洞外高程控制测量洞外高程控制测量的任务，是按照设计精度施测两相向开挖洞口附近水准点之间的高差，以便将整个隧道的统一高程系统引入洞内，保证按规定精度在高程方面正确贯通，并使隧道工程在高程方面按要求的精度正确修建。高程控制可采用二、三、四、五等水准测量。在采用四、五等水准测量时，当山势陡峻采用水准测量困难时，亦可采用光电测距仪三角高程的方法测定各洞口高程。每一个洞口应埋设不少于2个水准点，两水准点之间的高差，以安置一次水准仪即可测出为宜。水准测量的精度，一般参照表123即可。等级水准测量的路线长度和仪器精度 表123测量部位测量等级每公里高差中

19、数的偶然中误差(mm)两开挖洞口间的水准路线长度(km)水准仪等级水准尺类型洞外二1.036S0.5、S1线条式因瓦水准尺三3.01336S1线条式因瓦水准尺S3区格式水准尺四5.0513S3区格式水准尺洞内二1.032S1线条式因瓦水准尺三3.01132S3区格式水准尺四5.0511S3区格式水准尺第2节 隧道洞外、洞内联系测量一、进洞关系的计算和进洞测量洞外平面控制测量和高程控制测量完成以后，应把各洞口的线路中线控制桩和洞外控制网联系起来。由于控制网和线路中线两者的坐标系不一致，应首先把洞外控制点和中线控制桩的坐标纳入同一坐标系统内，故必须先进行坐标变换计算，得到控制点在变换后的新坐标。其

20、坐标变换计算公式可以采用解析几何中的坐标转轴和移轴计算公式。一般在直线段以线路中线作为x轴；曲线上则以一条切线方向作为x轴。用线路中线点和控制点的坐标，反算两点的距离和方位角，从而确定进洞测量的数据。把中线引入洞内，可按下列方法进行：（一）、直线隧道1移桩法如图123所示，洞口两端线路控制点A、B、C、D是按定测精度测设的，它们并不是严格位于同一条直线上。经精测A、B、C、D后，可以A为原点，AB方向为纵轴，计算出C、D两点相应的偏离值yc、yd和角，将经纬仪分别安置在C和D上，拔角量出垂线yc和yd，即可移桩定出C和D点，再将经纬仪安置于D点，照准C即得进洞方向。当偏移量较大时，为保持原设计

21、的线路平面位置和方向的一致性，可用洞口两端的A、D两点连线作纵轴，将B、C移至中线上。2拔角法如图124，当以AD为坐标纵轴时，可根据A、B及C、D点的坐标，反算出水平角和，即可得到进洞方向。通常为了施工测量方便，亦可将B、C两点移到中线上的B、C点上。 （二）、曲线隧道曲线隧道两端洞口的每条切线上已有两个投点的坐标在控制网中得到，如图12-5中的A、G和D、E。经坐标变换后，以A点为坐标系原点，AG的切线方向为y轴，其进洞关系的计算步骤如下：1坐标变换后，得到A、G、D、E各点的新坐标。根据这些新坐标反算得到AG、DE的方位角；两方位角相减得到曲线精测的转向角，它的精度较之定测角值精确，并与

22、各点的坐标相一致。2计算交点的坐标因为AG切线与y轴重合或平行，故JD的x坐标为零或选定值，它是已知的；只需计算出JD的y坐标值即可。 3根据精测算得的和选定的曲线半径R和缓和曲线长0，计算出曲线要素T、L、0、。4选定洞口外面一个中线控制桩的里程，使其和定测里程一致，例如选定A点。由此从A推算隧道范围内其它中线控制点的里程，直到隧道另一端洞口外的中线控制桩点，由于测量误差的原因，到隧道另一端洞口外的中线控制桩上可能出现断链，这是由于精测长度和定测长度不一致所致，所以这种里程又称为隧道施工里程。5计算任一中线点的坐标要想在洞中测设出任一中线点的位置，必须先知道该点的施工里程，使它与曲线控制桩的

23、施工里程相比较，才能确定该点是在直线上，还是在曲线上，并且知道该点距中线控制桩有多远。由于任一中线点的位置不同，所以计算坐标的方法也不同，现分别说明如下：(1)中线点在直线上如图12-6所示，进口洞门在一直线上，而N1点在出口端的另一直线上。在已知各点的施工里程DK进口、DKN1（不能用定测里程）的情况下，则x进口0y进口DK进口DKA (2)中线点在缓和曲线上首先计算出它们的切线坐标（计算到mm或0.1mm），然后将切线坐标转换为统一坐标。例如在图12-6中，统一坐标系的坐标轴为x、y轴；ZH端的切线坐标系为x、y轴；HZ端的切线坐标系为x、y轴。假设统一坐标系的y轴平行于x轴，则中线点N2

24、、N3的统一坐标推算如下： 式中 、N2点的切线坐标；、N3点的切线坐标。(3)中线点在圆曲线上当中线点位于圆曲线上时，最好通过圆心来计算它们的坐标。如图12-7中，N4点在圆曲线上，则圆心O的统一坐标为： 而O-N4的坐标方位角为： 按上述方法计算出测设中线点的坐标后，再根据控制网点的坐标，反算出两点间的距离和方位角，利用极坐标法即可确定洞门的位置和进洞方向。如图12-8，H为出口洞门的设计位置，D、E为切线方向的控制点，根据D、H点坐标可以算出距离SDH及方位角DH；根据D、E坐标可以算出方位角DE，根据两方位角之差可以求得水平角。将经纬仪按在D点，后视E点，转一角度，沿此方向丈量距离SD

25、H，即可定出洞门出口位置H点。在具体测设时，当掘进到曲线段的里程时，可按照测设道路圆曲线的方法指导隧道施工。二、由洞外向洞内传递方向和坐标（平面联系测量）在长隧道的施工中，为了加快施工进度，缩短工期，除了在隧道的进出洞口之外，还会用斜井、横洞或竖井来增加施工开挖面。为此就要经由它们布设导线，把洞外导线的方向和坐标传递给洞内导线，构成一个洞内、外统一的控制系统，这种导线称为联系导线。当用斜井或横洞来增加施工开挖面时，如图12-9。此时导线的测设方法和第6章控制测量中的支导线方法一致。联系导线属支导线性质，其测角误差和边长误差直接影响隧道的横向贯通精度，故使用中必须多次精密测定、反复校核，确保无误

26、。 当用竖井进行联系测量（竖井定向）时，如图12-10所示。就是利用竖井将地面控制点的坐标和直线方位角传递到井下；井口附近的地面导线点坐标和边的方位角，将作为地下导线测量的起始数据。施工前，应根据洞外平面控制测量时定出的竖井中心位置和纵横十字线，并于每条线的两端距井筒50m以外各埋设两个永久控制桩。在开挖过程中，竖井的垂度可用挂垂球线的方式来控制，深度用钢尺来丈量。当竖井挖掘到设计深度，并根据初步中线方向分别向两端掘进10m左右后，进行井上、下的联系测量，把洞顶的地面高程和坐标传递到井下和洞内，指导井下隧道施工。竖井定向一般采用联系三角形法、陀螺经纬仪定向的方法，来传递坐标和方位。1、联系三角

27、形法在竖井中悬挂两根钢丝绳，为了减小钢丝绳的摆动，需将钢丝绳下面的重锤放在液体中以获得阻尼。当钢丝绳禁止时，钢丝上各点的平面坐标相同，如获得钢丝绳在地面坐标系中坐标，则由此可推算出井下各点的平面坐标。如图12-10所示，A为已知坐标的近井点（通过地面导线点向井筒附近测设的控制点），AS为已知方向；为求进下控制点B的坐标和BT的方向；在竖井上方V1、V2处悬挂两根细钢丝绳，由于在V1、V2处不能安置仪器，所以在井上和井下选择A、B作为连接点，这样在井上和井下分别建立了以V1V2为公共边的三角形AV1V2和BV1V2，一般把这样的三角形称为连接三角形。由于A点坐标和AS方位角已知，在地面测出AV1

28、V2的三条边长a、b、c和V1 A V2=，以及连接角，便可以用三角形的关系和导线计算的方法计算出V1、V2的坐标和其连线的方位角。同样在井下，测出BV1V2的三条边长a、b、c和V1 B V2=，以及连接角，根据V1、V2的坐标和方位角即可计算出井下起始点B的坐标和起始边BT的方位角。洞内导线由此向隧道开挖方向延伸，并测设隧道中线点位，给出隧道的掘进方向。为保证测量精度，在选择井上、下A点和B点时，应满足下列要求：（1）AS和BT的距离应尽可能大于20m，以减小方向误差的影响；（2）点AB应尽可能在V1、V2的延长线上，使连接三角形的两个锐角均不大于2，以构成最有利的三角形即延伸三角形；（3

29、）点A和B应适当地靠近较近的垂球线，使b/a和b/a 不超过1.5。 2、陀螺经纬仪定向当经由竖井传递方向和坐标，进行联系测量时，由于不能直接布置联系导线，过去一直采用联系三角形法。此法设备笨重、劳动强度大、效率低、精度差，已逐步被淘汰。现多采用光学垂准仪投点、陀螺经纬仪定向的方法、向地下传递坐标和方位（如图12-11）。若相近邻的竖井（二井定向）投点能够通过平洞相互通视，则可大大提高定向精度。此方法在地铁隧道和其他管线的盾构施工中已广泛采用。用陀螺经纬仪定向的方法，首先在地面已知边上测定仪器常数，即确定已知边的陀螺方位角，再到井下未知边上测定其陀螺方位角，最后换算成坐标方位角（要考虑该点的子

30、午线收敛角）。三、由洞外向洞内传递高程（高程联系测量）经由斜井或横洞向洞内传递高程时，一般均采用往返水准测量的方法，当高差较差符合限差时取平均值作为最终结果。由于斜井坡度较陡，视线很短，测站很多，加之照明条件差，故误差积累较大，所以每隔10站左右应在斜井边脚设一临时水准点，以便往返测量时校核。近年来用光电测距三角高程测量的方法来传递高程，已得到愈来愈广泛的应用，大大提高了工作效率，但应注意洞中温度的影响，以及应采用对向观测的方法。经由竖井传递高程时，过去一直采用悬挂钢尺的方法，即在井上悬挂一根经过检定的钢尺（或钢丝），尺零点下端挂一标准拉力的重锤，如图1212所示，在井上、井下各安置一台水准仪

31、，同时读取钢尺读数l1和l2，然后再读取井上、井下水准点的尺读数a、b，由此可求得井下水准点B的高程：HB=HA+a-(l1-l2)+t+k-b 式中 HA井上水准点A的高程；a、b井上、井下水准尺读数；l1、l2井上、井下钢尺读数，Ll1-l2； t钢尺温度改正数，tL（t均-t0）； 钢尺膨胀系数，取1.2510-5/； t均井上、井下平均温度； t0钢尺检定时的温度； k钢尺尺长改正数，k=(Ll)l ；l和l分别是钢尺的名义长度和它的尺长改正数。导入高程需独立进行两次，两次差值不超过5mm时，取平均值作为最终结果。如果在井上装配一托架，安装上光电测距仪，使照准头向下直接瞄准井底的反光镜测出井深Dh，一般应观测34测回，限差应符合公路隧道勘测规程的要求。然后在井上、井下用两台水准仪，同时分别测定井上水准点A与测距仪照准头转动中心的高差（a上b上）、井下水准点B与反射镜转动中心的高差