昆明市轨道交通*号线一期工程***隧道*号竖井开挖(CK11+140)测量方案中铁**局集团公司2010年8月5日第一章主要施工技术方案一、项目简介昆明市轨道交通*号线一期工程***隧道*号竖井，中心里程CK11+140，纵向长10米，横向宽16米，深度26米。
竖井两侧连接矿山法施工段隧道，施工期本竖井作为隧道施工的工作面，隧道施工结束后作为通风口使用。
通常由于地面测量、地下控制测量以及施工放样中的误差等诸多因素的影响，在实际贯通隧道中心线在贯通面不能理想衔接而造成错位，形成隧道施工贯通误差。
隧道施工贯通误差可分为三部分；一沿隧道中线方向的纵向贯通误差、二垂直隧道中线方向的横向贯通误差、三铅垂面上的高程贯通误差。
在地铁隧道贯通中，横向贯通与高程贯通精度指标最为重要。
是衡量隧道掘进准确度的标准。
我们拟在本竖井施工中采用以下测量方法。
1联系三角形测量联系三角形通过合理构造三角形形状和测量装置可达到较高的精度。
如图1所示,我们在井口架设框架,固定两根钢丝L1、L2,钢丝底部悬挂20kg的重锤,并使重锤浸入油桶中,但不能与油桶有接触, 钢丝在重锤重力作用下绷紧,且由于油桶内油的阻尼而保持铅直,所以,L1、L2起了传递坐标的作用。
在实测传递时,首先需要在井口精确定位A0,然后在钢丝上标定两点a1及a2,精确测量三角形a1A0b1 的边长S1、S2、S3及连接角a、β之角值。
同样在井底选择B0,并在钢丝上选出a2及b2,精确丈量三角形a2B0b2的边长S'1、S'2和S'3传递角a'、β'之角值。
利用定向原理可以得到井下控制边B0-B1的方位角以及井下控制点B0的坐标。
联系三角形在竖井定位中起传递方位和点位坐标的作用,它的布设图形在方位和点位坐标传递的精度影响上关系极大。
点位传递误差对井下各点的影响均为同一个量值, 使各点坐标相对基准都发生相同的位置错动,但这种误差的值较小,所以对地下控制的影响不太大,而方位角传递的误差却随距离的增加而累积。
因此,在竖井定位中对方位角的精度控制较严,必须采用合适的图形,以使传递方向角的精度能达到较高标准。
1联系三角形布设示意图如图2所示为地面及井下两个联系三角形在同一平面上的投影图。
根据联系三角形传递方位的作用分析,由于β1与α为实测,β2 是由β1、S1、S2、S3等解算而得。
当β1、β2值很小时,则可简化为:β2=β1S1/S3,由此微分可求得中误差方程:mβ22=S1S3!"2mβ12+S1S3!"2mβ12+β1S1S32!"2ms3图2联系三角形投影图该式分析可知,等式右边第一部分为β1的观测精度对传递方位的影响,第二、三部分为三角形边的丈量精度对方位传递的影响。
首先考察第一部分,为使测角的影响减少,则须S1/S3越小越好,由于S3 为竖井直径,受到客观限制,只有使联系三角形顶点A0到a1的距离S1之值在条件许可的情况下应布设得越短越好,使S1/S3<1,那样角度观测的误差对方位传递的影响就能减弱。
对于第二、三部分,由于联系三角形边长较短,都在同一尺段内,可取msl=ms2=ms3=ms,则:β1S32!"2ms2=β1S1S32!"2ms2=msS3!"2β12+1+S12S32!"从而可知,联系三角形应布设成直伸形,井口投点A0到a1点的距离应尽可能的短。
假定测角误差和测边误差在方位传递中视作等影响,通常仪器取mβ=±3",当β1=50'时,可得:ms/s=l/1500。
那么对于直伸三角形的测距精度要求可以很低,但是在实际工作中,测距精度往往可达l/5000左右,若测角中误差仍为mβ=±3",则可得测距误差对方位角传递的影响仅为测角误差的30%左右。
所以,在联系三角形定位中测角误差是影响方位角传递精度的重要因素。
还有在联系三角形测量时,必须保证两根钢丝严格铅直,这样才能保证a1、b1和a2、b2点具有相同点位坐标及它们之间连线具有相同的方位角,但悬挂的钢丝受到诸多因素的影响,在联系三角形观测期间不可能完全严格地位于铅垂位置。
如考虑气流和风力作用,可得侧向风使垂线下端偏移:△=L×F/P,其中L为线长,P为锤重,F为风力,△为位移量。
垂线越长,吊锤越轻,则影响越大,特别是井下的a2、b2,所以,在井下观测时应予以注意。
另外,由于井筒口径的限制,垂线L1和L2的距离变通范围有限,所以,a1或b1的偏离将给方位传递带来显著的影响。
在井下观测中,为求得平衡位置,可采用逆转点法观测,从而获得平衡位置的对应的水平度盘读数。
而对于目标偏心对定位的影响,地面观测时由于地面控制点可选较远的已知点,所以偏心对传递方位的影响不十分显著,但在井下观测时由于坑道长度有限,控制点间距较短,对中误差的影响就较显著。
所以,井下必须要有足够的长度,而且井下尽量采用强制对中或使用校正过的光学对中器。
因此,联系三角形法进行竖井定向时,方位角传递误差: ma=±4mβ2+m器2+m对中2+m偏心2$综上所述,联系三角形进行竖井定向不仅传递方位而且传递点位坐标,在城市地下工程竖井传递中是一种比较好的定向法。
2竖井高程定位为了满足竖井高程方向的开挖要求,我们在井底设立了相应等级的水准点。
由于竖井结构的特殊性,不可能利用水准测量把地面已知高程引测到井底,通常竖井高程的引测都利用钢带尺进行传递。
如图4所示,我们首先在井口附近测设水准点M0(高程为H0),然后在井口上设一滑轮,将检定过的长钢尺由滑轮向井筒内送放。
钢尺末端挂一定重量的重物P0当重物P十分接近井底时,把钢尺另一端在井口处固定。
然后在地面和井底架设两台水准仪同时观测。
图4竖井高程传递示意图若两台水准仪在钢尺和水准尺上的读数分别为a1、a2与b1、b2,且钢尺的零点刻划位于井底处,那么可以求得井底水准点的概略高程H'1为:H′1=H0+(a1-b1)-(a2-b2)式中a2-b2即为高程传递中所用钢尺的长度。
为了求得M1点的精确高程,还必须进行尺段温度改正△H1和尺段拉力改正数△H2。
2.1尺段温度改正对于一根20m长的钢尺,如果温度变化△t=±1℃,那么因温度变化而引起尺长的改变将达△l=±0.25mm。
可见温度对钢尺的作用是显著的。
在竖井高程联系测量时,如果竖井较深,则所用钢尺(或钢丝)必定很长,温度影响将更显著。
此外,竖井内的温度分布情况比较复杂,并不是均匀一致的,在精度较高的高程传递中,必须顾及竖井内温度的垂直梯度场而对尺段进行温度改正。
通常采用一种简单的处理方法,把竖井内的温度梯度分布与高程成线性关系,即:TH= TH0+A(H-H0),这样钢尺的温度改正就很简单,只要在地面井口附近的适宜位置和井底部位分别观测温度,取平均值作为尺子实际温度t,计算温度改正数△H1。
但是,实际竖井内温度垂直梯度场比较复杂,而且不容易测定出来。
为精确地传递高程,可利用温度补偿的办法。
在高程传递时,设置两个靠得很近的滑轮并分别悬挂尺子(铟瓦丝或钢丝)一起进行观测,此两根尺子应预先测出各自的线膨胀系数a1和a2之值,若设在铟瓦带尺上、下端的水准测量读数为a2和b2,而钢尺上的水准测量读数是a'2和b'2,那么它们所测得的长度之差为: △l=(a'2-b'2)-(a2-b2),若设所测得实际距离为,则两根尺子由于温度的变化而产生的温度改正值分别为:Δl′1=10"a1Δtdl,Δl′2=10"a2Δtdl。
由于竖井内各不同高程位置处两根尺子的温度是相同的,即△t是相同的,所以:Δl′2-Δl′1=(a2-a1)10"ΔtdlΔl=Δl′2-Δl′1=(a′2-a′1)-(a2-a1)从而可以求得:10"Δtdl=Δt(a2-a1),Δl′1=a1a2-a1Δl,Δl′2=a2a2-a1Δl,因此,若已知两尺的a1和a2,并测得了两尺的距离差△l,则两尺因温度作用产生的改正值可直接求得,而不必知道竖井垂直面内温度分布的实际情况。
2.2尺段拉力改正数△H2尺子检定时的拉力一般为100N左右,但竖井高程传递时,所挂的重锤会更重一些以保证尺子的稳定性。
此外,尺子竖直悬挂时,由于自身的重量产生一个附加拉应力作用于尺体上,因此必须对尺子施加拉力改正。
根据胡克定律,在弹性变形范围内有:σ=E×△l/l若设尺子横断面积为W(㎜2),所挂重锤比检验时的标准拉力增重△P (kg),尺长为l,那么因重锤的变化而引起的长度改正为:△l1=△p/w×l/E,此外,尺子自重而产生的长度改正值可由下式计算:Δl2=ab"rExdx,Δl2rE×12(a2-b2)式中γ为尺子的单位长度重量,E为钢的弹性模量。
那么由于重量的变化和尺子自重的影响,对所测高差的改正为:ΔH2=ΔPW×lE×rE×12(a2-b2)二、结论和建议联系三角形测量是一种比较有效的竖井定位定向方法,其中测角误差是影响方位传递精度的重要因素。
为使定向的效果更佳,联系三角形角度布设得越小越好(最好是能小于60'),联系三角形边长比例也越小越好,尽量布设成直伸三角形。
此外,宜用较细的吊垂线,且在无风的天气下,以减少井中风向的紊流影响,减小吊锤所带来的误差影响。
为满足竖井高程方向的开挖要求,在井底必须设立相应等级的水准点,通常竖井的高程引测采用钢带尺传递,但高程引测必须进行钢尺尺段温度改正和拉力改正数,以保证精度。
实践证明我们通过以上测量方法对竖井进行的控制测量取得了良好的效果,在隧道的横向贯通中,中线横向偏差5mm,高程贯通误差3mm,远小于容许误差范围。