隧道施工-教案

学习情境 授课时间 授课教师 授课时数 学习情境一：隧道工程施工测量 年 月 日 8学时 任务名称 任务三：施工测量 第 周 授课班级 授课方法 学训 教学内容 1. 根据初拟方案，进行现场踏勘，根据不同地形特点和实际情况，进行控制网的布设，选点埋点； 2. 隧道地面平面控制测量； 3. 隧道地面高程控制测量； 4. 布设统一的地面测量控制网。 1.认识导线的布设形式，测量点位选择的基本要求，导线测量的基本方法以及内业数据处理； 2.应用GPS定位技术建立隧道地面测量控制网，布设GPS控制网作为隧道工程首级控制网； 3.学习水准测量，掌握测量规范； 4.确定出隧道地面控制网。 1.现场踏勘之后，能够；能够独立的对现场进行选点埋点； 知识目标 技能目标 2.根据需要收集与隧道相关的已有的测量资料； 3.布设GPS线路首级平面控制网，掌握导线测量、水准测量； 教学重点和 难 点 导入新课 1.GPS控制网的建立，导线网的布设； 2.技术设计的依据及原则； 3.技术设计书的编写。 1.相关项目技术设计书范文； 巩固复习 1.技术设计基本原则； 2.技术设计书编写内容； 布置作业 根据设计书的技术要求确定出隧道地面控制网 教学效果分析 教学步骤、教学内容和教学方法 一、咨 询 技术设计书编写原则规范、相似隧道施工测量设计书实例等。 【工程资料分析】 新安岭隧道左线水平长度为758米，纵坡为2.5%。设计采用钻爆法施 工隧道。 进洞（联系）测量是将地面测量数据传递到隧道内，以便指导隧 洞道施工。具体方法是将施工控制点通过布设趋近导线和趋近水准路线， 建立近口点，再通过近口点把平面和高程控制点引入隧道内，为隧道开挖 提供井下平面和高程依据。在隧道开挖的过程中，隧道施工控制导线测量 要紧跟其后，进行导线点的布设，在对其洞内开挖位置及其附近地段施工 放样。并且同时在不同的开挖洞内进行各种测量工作及隧道贯通测量，确 定并给出隧道在空间的位置和方向和检验其正确性。隧道竣工后，检查重 要结构物及路线位置是否符合设计要求，并测绘竣工图，应进行竣工测量。 竣工测量包括隧道净空断面测量、永久中线点及水准点的测设。 【任务内容及要求】 1．收集所需图纸资料和测区已有的测量控制点资料，现场踏勘。选点 埋点，进行控制网的布设。 2．隧道地面平面控制测量，首先建立GPS首级平面控制网，在进行导 线测量，对其GPS控制进行加密。 3．隧道地面高程控制测量，采用水准测量和光电三角高程测量。其任 务是：一是建立沿线高程控制点，二是测定导线点及中桩的高程。 4．确定测出满足要求的隧道地面控制网。 【参考资料】 备 注 【相关知识】 一、进洞关系数据的计算 隧道贯通误差的大小，除与洞外、洞内控制测量的精度密切相关外，与隧道路线中线的测定精度也有密切关系。由于隧道横向贯通限差只有几十毫米，路线中线测量的精度一般不能满足隧道横向贯通的精度要求。无论直线隧道，还是曲线隧道，应先选定洞口控制点、切线控制点及曲线交点等作为路线标准控制点标定在地面上，再与地面控制网进行联测。这样，隧道路线中线就与洞外、洞内控制测量取得了精密的关系。根据这些关系，即可进行路线中线的计算，并按设计的中线在洞内放样以至贯通。 路线进洞关系数据的计算，是指根据地面控制测量中所得到的洞口控制点的坐标及与之相联系的控制点的坐标和方向，以计算进洞的数据，用作指导隧道的开挖方向。 1.直线进洞关系数据的计算 直线隧道通常在洞口设置两个控制点，如图8-1所示，A、B、C、D为路线测量时设置的四个转点，A、D作为两洞口标准控制点。在地面控制布网时，将四点纳入网中。在得到四点的精密坐标值之后，即可反算AB、CD和AD的坐标方位角及直线长度。AD与AB坐标方位角之差即为1之值；DA与DC坐标方位角之差即为2值，于是B点对于AD的垂距BB、C点对于AD的垂距CC可计算出： BBABsin1 （8-1） CCCDsin2 图8-1 直线隧道控制点的移桩 为了放样B点，可将经纬仪置于B点，后视A点，逆时针拨角 此时B、C即在朋直线上，B、C即可作为方向桩使用。以上B、C 方向桩的放样，通常称为隧道控制点的移桩。路线进洞时，将经纬仪置于 A点(D点)，瞄准B点(C点)，得进洞的方向。为了避免仪器轴系误差的 影响，通常采用正倒镜分中定向的方法。洞内路线中线各点的坐标应根据 标淮控制点A、D的坐标计算，而不能使用B、C点计算。 当洞口仅设置一个控制点时，亦如图8-1中A点和D点，这两点为标 推控制点。这时，只要将A、D纳入地面控制网中，取得A、D两点的精密 坐标值，即可反算出AD方向的坐标方位角。AK、DG的坐标方位角亦可通 过坐标反算求得，KAD和GDA也就可以算出。进洞时将经纬仪置于 A、D点，即可后视K、G点拨角得到进洞方向。 2．曲线进洞关系数据的计算 曲线进洞是先计算洞口中线插点的故样数据，放样出该点，然后计安 由该点进洞的数据，放样出该点的切线方向。 1)圆曲线进洞 如图8-2所示，设M、N、P、Q为曲线两切线上的转点，是作为标准校 制点的，已纳入地面控制网，精密坐标已知，设为(xM，yM)，(xN，yN)， (xP，yP)，(xQ，yQ)，曲线转角可按下式求得： yNyMMNarctan xNxM yQyP (8-2) PQarctanxQxP  (901)，按视线方向量出BB长度取得B点位。同法可故样C点。 图8-2 圆曲线进洞测量 右PQMN  （8-3） 左MNPQ 交点JD的坐标可按下式计算： yPyNNParctan （8-4） xPxN 右1NPMN  (8-5) 左1MNNP 右2QPPN  (8-6) PNQP左 180式中 QP PQ PNNP180 xPxNyPyN 又 NP cosNPsinNP 22NP(xx)(yy) （8-7） PNPN 或者  sin2 aNP sin1 （8-8） sin1 bNP sin2 JDNMN 所以 （8-9） JDNMN 或者 xJDxPacosQP (8-10) yJDyPasinQP  圆心O的坐标为 xxacosyasinyxOxJD(RE)cosJD (8-11) yOyJD(RE)sinJD式中 R——圆曲线的半径； E——曲线外矢距； JD——交点至圆心(外矢距方向)的坐标方位角，按下式计算: JD右MN180(180) (8-12) 12JD左MN180(180) (8-13) 经过上述计算后，已将曲线上的几个主要点纳入了地面控制网的坐标系，据此可计算洞口曲线中线插点A的坐标。 曲线中线点A一般应选在距洞口位置数米至数十米的地方，必须与地面其他控制点能够通视，且便于向洞内引测中线。该点的中线里程应为整桩号。 为了放样A点，先应计算A点坐标。由图可知： 右转 BO12MN90 (8-14) 左转 BO 右转 OA 左转 OAMN90 （8-15） BO180(0A) (8-16) BO180(0A) （8-17） 式中 0——缓和曲线角； A——A点至HY一段圆弧所对圆心角，按下式计算: lAlHY180 A (8-18) R式中 lA、lHY——A点及HY点的里程桩号。 A点坐标： xAxoRcosOAyAyoRsinOA （8-19） A点坐标求得后，即可以极坐标法放样A点。下面计算A点的放样数据和s： NAyAyNarctanxAxN NANMxAxNyAyNscosNAsinNA (8-20) s(xAxN)2(yAyN)2 放样时将经纬仪置于N点上，后视M点拨角，然后沿视线方向量取距离s，即得A点。进洞方向实际上就是A点的切线方向。计算出图中的放样角： 右转 AT左转 ATOA90 (8-21) OA90 (8-22) 右转 ATAN (8-23) ANAT (8-24) 左转 将仪器置于A点，后视N点，拨角定出A点的切线方向。切线方向定出后，按A点里程和需要放样的曲线桩里程，用曲线放样的方法施测进洞。 2)缓和曲线进洞 如图8-3所示，参照圆曲线进洞的计算，计算出交点坐标后，根据A点里程计算A点的切线支距法坐标： 图8-3 缓和曲线进洞测量 lAxAlA240R2lS37lAlA (8-25) yA36RlS336R3lS5式中 lS——缓和曲线长； lA——A点里程与ZH点里程之差。 计算ZH点坐标： xZHxJDTcosNMyZHyJDTsinNM (8-26) 式中 T——该曲线的切线长。 B点坐标： xBxZHxAcosNM (8-27) yByZHxAsinNM 又 右转 BA左转 BA因此A点坐标： MN90 (8-28) MN90 (8-29) xAxByAcosBA (8-30) yAyByAsinBA而A点放样数据和S的计算和放样方法均与圆曲线进洞中的计算相同。A点切线方向的放样亦需计算放样角，但与圆曲线进洞时的计算方法不同，应按以下方法计算： A点的切线角： lA180A (8-31) 2RlS又 右转 BAM 左转 BAM2ANAB (8-32) ANAB (8-33) 所以 90ABAM (8-34) 这样A点上按角即可将A点的切线放出。 二、隧道掘进时的测量工作 隧道施工测量时的主要任务是：在隧道施工过程中确定平面及竖直面内的掘进方向、测量隧道断面图，定期检查工程进度(进尺)及计算完成的土石方量，在隧道竣工后及时进行竣工测量。 1.隧道平面掘进方向的标定 隧道的掘进施工方法有全断面开挖法和开挖导坑法。根据施工方法和施工程序的不同，确定隧道掘进方向的方法有中线法和串线法。 1)中线法 当隧道采用全断面开挖法进行施工时，通常采用中线法。在图8-4中，P1、P2为导线点，A为隧道中线点，B为中线上另一点。已知P1、P2的实测坐标及A的设计坐标(可按其里程及隧道中线的设计方位角计算得出)和隧道中线的设计方位角。根据上述已知数据，即可计算出放样中线点所需的有关数据2、A和L。 图8-4 中线标定示意图 PAarctan2YAYP2XAXP221 2PAPP 2AABAPLYAYP2sinP2A2 XAXP2cosP2A 求得上述数据后，即可将经纬仪安置在导线点P2上，用盘左后视导线点P1，拔角度2，并在视线方向上丈量距离L，即得中线点A1。然后盘右用同法可得A2，取A1A2的分中点得到A点。在A点上埋设与导线点相同的标志，并应用经纬仪重新测定出A点的坐标。标定开挖方向时可将仪器安置于A点，后视导线点P2，拔角A，即得中线方向。随着开挖面向前推进，A点距开挖面越来越远，这时需要将中线点向前延伸，埋没新的中线点。其标设方法同前。为防止A点移动，在标定新的中线点时，应在P2点安置仪器，对2进行检测。检测角值与原角度值互差不得超过。超限时应以相邻点逐点检测至合格的点位，并向前222mm原捡重新标定中线。 2)串线法 当隧道采用开挖导坑法施工时，因其精度要求不高，可用串线法指示开挖方向。此法是利用悬挂在两临时中线点上的垂球线，直接用肉眼来标定开挖方向。使用这种方法时，首先需用类似前述设置中线点的方法，设置三个临时中线点B、C、D(设置在导坑顶板上)，两临 时中线点的间距不宜小于5m。标定开挖方向时，在三点上悬挂垂球线，一人在B点指挥，另一人在工作面持手电筒(可看成照准标志)使其灯光位于中线点B、C、D的延长线上，然后用红油漆标出灯光位置，即得中线位置。 随着开挖面的不断向前推进，中线点也应随之向前延伸，地下导线也紧跟着向前敷设，为保证开挖方向的正确，必须随时根据导线点来检查中线点，及时纠正开挖方向。 用上下导坑法施工的隧道，上部导坑的中线每前进一定的距离，都要和下部导坑的中线联测一次，用以改正上部导坑中线点或向上部导坑引点。联测一般是通过靠近上部导坑掘进面的漏斗口进行的，用长线垂球、竖直对点器或经纬仪的光学对点器将下导坑的中线点引到上导坑的顶板上。如果隧道开挖的后部工序跟得较紧，中层开挖较快，可不通过漏斗口而直接由下导坑向上导坑引点，其距离的传递可用钢卷尺或2m铟瓦核基尺。 对于曲线隧道掘进时，其永久中线点是随导线测量而放样的。而供衬砌时使用的临时中线点则是根据永久中线点加密的，一般采用偏角法(适用于钢尺量边时)或极坐标法(适用于光电测距仪测距时)放样。在两已知中线点间用偏角法放样曲线时，其过程基本与洞外详细放样曲线的方法相同。但有时个别中线点由于其他原因而不能使用，此时只能在中线点上安置仪器后视导线点放样曲线。 2.隧道竖直面掘进方向的标定 在隧道开挖过程中，除标定隧道在水平面内的掘进方向外，还应定出坡度，以保证隧道在竖直面内贯通精度。通常采用腰线法。隧道腰线是用来指示隧道在竖直面内掘进方向的一条基准线，通常标设在隧道壁上，离开隧道底板一定距离(该距离可随意确定)。 在图8-5中，A点为已知的水准点，C、D为待标定的腰线点。标定腰线点时，首先在适当的位置安置水准仪，后视水准点A，依此可计算出仪器视线的高程。根据隧道坡度i以及、C、D点的里程计算出两点的高程，并求出C、D点与仪器视线间的高差h1、h2。由仪器视线向上或向下量取h1、h2。即可求得C、D点的位置。 图8-5 腰线标定示意图 三、隧道竣工测量 隧道竣工后，为检查主要结构及线路位置是否符合设计要求，应进行竣工测量。该项作包括隧道净空断面测量、永久中线点及水淮点的放样。 隧道净空断面测量时，应在直线地段每50 m、曲线地段每20 m或需要加测断面处测绘隧道的实际净空。测量时均以线路中线为准，包括测量隧道的拱顶高程、起拱线宽度、轨顶水平宽度、铺底或抑拱高程(图8-6)。过去，隧道净空断面测量多用人工进行，该法工作效率低、精度不高。近年来许多施工单位已开始应用便携式断面仪进行隧道的净空断面测量，收到了很好的效果。该种仪器可进行自动扫描、跟踪和测量，并可立即显示面积、高度和宽度等测量结果，测量速度快、精度高。 图8-6 隧道净空断面 隧道竣工测量后，应对隧道的永久性中线点用混凝土包埋金属标志。在采用地下导线测量的隧道内，可利用原有中线点或根据调整后的线路中心点埋没。直线上的永久性中线点，每200m～250 m埋设—个，曲线上应在缓和曲线的起终点各埋设一个，在曲线中部，可根据远视条件适当增加。在隧道边墙上要画出永久性中线点的标志。洞内水准点应每公里埋设一个，并在边培上画出标志。 二、决策 1.教师详细讲述隧道地面控制网的布设，注重讲述隧道地面平面控制测量、高程控制测量，给各组分发一份相关技术设计书范本。 2.在教师的引导下，组内进行探讨、通过查阅相关测量规范、分析并利用测区已有资料，结合课本相关知识，掌握技术设计的原则和技术设计书编写。 3. 引导学生结合范文及技术设计书编写规范完成隧道地面控制网技术设计书。 三、计划 1.全班分为若干个工作小组，各组成员配合讨论完成技术设计书编写； 2.在教师指导下，对小组技术设计书进行评定。 四、 实施 一、工作准备 1.课前熟悉新安岭隧道的有关资料，预习相关知识部分； 2.隧道施工测量的主要依据《工程测量规范》(GB50026-93)、《土木工程测量原理》、《国家一、二等水准测量规范》（GB12897-91）、隧道施工设计图。 二、操作步骤 施工测量是标定和检查施工中线、测设坡度和放样建筑物，测量是施工的导向，是确保工程质量的前提和基础。隧道工程施工测量的施测环境和条件比较复杂，要求的施测精度又相当高，必须精心施测和进行成果整理，工程测量成果必须符合相关规范的要求。 本隧道工程隧道开挖的贯通中误差规定为：横向±50mm、竖向±30mm，极限误差为贯通中误差的2倍，即纵向贯通误差限差为L/5000（L为贯通距离, 以km计）。 8.3.1测量控制网的检测 应工程地势条件限制使用业主提供的首级GPS控制点、精密导线及精密水准点，保证各级控制点相邻点的精度分别小于±10㎜，±8㎜和±8 Lmm（L为线路长度，以km计）（精密水准路线闭合差）作为隧道测量工作的起算依据。 地面控制网是隧道贯通的依据由于受施工和隧道坡度、洞外地形等因素的影响，这些点有可能发生变化，所以在测量时和施工中应先对地面控制点进行检测，确定控制网的可靠性。工作内容包括：检测相应精密导线点，检测高程控制点等。 8.3.2施工控制网布设 在地面控制网检测无误后，依据检测的控制点再进行施工控制网的加密，再进行施工控制网的加密, 以保证日后的施工测量及隧道贯通测量有顺利进行。施工控制网的加密分两方面内容： 施工控制网加密测量： 通常地面精密导线的密度及数量都不能满足施工测量的要求，因此根据现场的实际情况，进一步进行施工控制网的加密，以满足施工放样、隧道联测、隧道贯通测量的需要。 施工平面控制网采用全站仪进行测量，测角四测回（左、右角各两测回，左、右角平均值之和与360°的较差应小于4″），测边往返观测各二测回，用严密平差进行数据处理，点位中误差小于±10㎜。 施工高程控制网加密测量： 根据实际情况将高程控制点引入施工现场，并沿线路走向加密高程控制点。水准基点（高程控制点）必须布设在沉降影响区域外且保证稳定。 水准测量采用二等精密水准测量方法和±8L㎜（L为水准路线长，以km计）的精密要求进行施测。由于本工程地理限制，一般采用全站仪控制。 8.3.3进洞测量 进洞（联系）测量是将地面测量数据传递到隧道内，以便指导隧洞道施工。具体方法是将施工控制点通过布设趋近导线和趋近水准路线，建立近口点，再通过近口点把平面和高程控制点引入隧道内，为隧道开挖提供井下平面和高程依据。 联系测量是联接地上与地下的一项重要工作，为提高地下控制测量精度，保证隧道准确贯通应根据工程施工进度，应进行多次复测，复测次数应随贯通距离增加而增加，一般1km以内取三次。 其主要内容包括： 地面趋近导线应附合在精密导线点上。近洞口点与GPS 点或精密导线点通视，并应使定向具有最有利的图形。 趋近导线测量用全站仪进行测量，测角四测回（左、右角各两测回，左、右角平均值之和与360°的较差应小于4″），测边往返观测各二测回，用严密平差进行数据处理， 点位中误差小于±10㎜。 测定趋近近洞口水准点高程的地面趋近水准路线应附合在地面相邻的精密水准点上。趋近水准测量采用二等精密水准测量方法和±8√L㎜的精密要求进行施测。 为保证隧道施工基线边方向的准确性，采用全站仪和水平仪定向方法。由于本隧道坡度较大，为保证隧道高程放样的准确性，使用全站仪放样，尽量不用水平仪。 8.3.4隧道施工控制导线测量 洞内导线测量按Ⅰ级导线精度要求施测。测角中误差≤±5″，导线全长闭合差≤1/15000。 本隧道属普通长度隧道，同时断面较小，使用单（支）导线控制隧道施工测量，主辅共用。 在隧道未贯通前，导线为一条支导线，建立时要形成检核条件，保证导线的精度。施工控制导线是隧道掘进的依据，每次延伸施工控制导线前，应对已有的施工控制导线的前三个导线点进行检测。导线点布设成导线锁的形式，形成较多的检核条件，以提高导线点的精度。导线点如有变动，应选择另外稳定的施工控制导线点进行施工导线延伸测量。施工控制导线在隧道贯通前应测量三次，重复测量的坐标值与原测量的坐标值较差小于±10mm时，应采取逐次的加权平均值作为施工控制导线延伸测量的起算值。 8.3.5施工放样测量 施工中的测量控制采用三维极坐标法进行施测。为了加强放样点的检核条件，可用另外两个已知导线点作起算数据，用同样方法来检测放样点正确与否，或利用全站仪的坐标实测功能，用另两个已知导线点来实测放样点的坐标，放样点理论坐标与检测后的实测坐标X、Y值相差均在±3mm以内，可用这些放样点指导隧道施工。 8.3.6掘进测量 开挖放样：采用全站仪定出隧道的中线，（全站仪可以通过程序及设计尺寸直接放样出隧道开挖断面）；再根据隧道中线与高程采用“隧道五寸台”法（即自外拱顶高程起,沿断中线向下每0.5m量出两侧外拱线的横向支距,所有支距端点的连线即为断面开挖的轮廓线。）绘出隧道断面。要求现场绘制精度为±10mm。 在隧道初支过程中，架设钢格栅时要严格的控制中线、垂直度和同步线，其基本方法同掘进原理。其中格栅中线和同步线的测量允许误差为±20mm，格栅垂直度允许误差为3°。 二衬施工使用自制定型模板，直接控制模板定位，采用中线与边墙高程控制即可。二衬钢筋作业与开挖作业原理相同，使用五寸台增加点位控制。测量精度要求达到±30mm即可。 8.3.7隧道贯通测量 隧道贯通前约50米左右要增加施工测量的次数，并进行控制导线的全线复测，直至保证隧道贯通。 贯通后，应进行横向贯通误差，纵向贯通误差及高程贯通误差测量。进行综合评定。 8.3.8竣工测量 （1）线路中线测量 以施工控制导线点为依据，利用隧道施工控制中线点组成附合导线。中线点的间距直线上平均150m 。 中线点组成的导线就采用Ⅰ级全站仪，左、右角各测一测回，左、右角平均值之和与360°的较差应小于5″，测距往返观测各二测回。 （2）隧道净空断面测量 以测定的中线点为依据，直线段每20 ,曲线元素点每10米应测设一个结构横断面，结构断面可采用全站仪进行施测，测定断面里程误差允许±50㎜，断面测量精度允许误差为±10㎜。 五、 检查 能否按时完成实训任务，提交1 实训报告；实训报告内容是否完整、准确。 序号 检查内容 标准分 优秀：按时并很好地完成实训任务，提交实训报告；实训报告内容完整，条理清晰，结构逻辑性强，用词准确，能准确运用专（20分） 20 业术语；合格：基本能按时完成实训任务，提交实训报告；报告内容较完整，条理基本清晰，用词基本准确，基本能运用专业术语；（15评价标准 分） 不及格：不能按时完成实训任务，不能按时提交实训报告；报告内容不完整，条理不清晰，不能运用专业术语。（10分） 优秀：技术设计书内容完整，逻辑性强、用词准确；（20分） 技术设计书编2 写内容是否完整 合格：技术设计书内容较完整，逻辑性强、20 用词准确；，程序基本正确；（15分） 不及格：完成了技术设计书编写，内容不够完整。（10分） 优秀：隧道地面控制测量前期准备工作完善，作业程序合理、施工方法正确；（20分） 合格：隧道地面控制测量前期准备工作较测图前期准备3 工作是否完善 20 完善，作业程序较合理、施工方法基本正确；（15分） 不及格：完成了隧道地面控制测量的前期准备工作，作业程序不够合理、施工方法有误。（10分） 优秀：完成了隧道地面控制网的技术设计书编写，措施完善、合理；（20分） 合格：完成了隧道地面控制网的技术设计技术设计书质4 量评定 20 书编写，措施基本完善、较为合理；（15分） 不及格：完成了隧道地面控制网的技术设计书编写。（10分） 优秀：考核过程中，回答问题准确，思路非常清晰，语言表达能力强；（20分） 合格：考核过程中，回答问题基本准确，5 考核情况 20 思路较清晰，语言表达能力一般；（15分） 不及格：考核过程中，回答问题不准确，思路不清晰。（10分） 六、评价 从对技术设计要求、原则及相关知识的掌握程度，工程资料及规范要求的理解程度，技术设计书的编写思路内容掌握，隧道控制测量前期工作的工作程序、施工方法，任务工单的填写情况等多方面进行分析评价。并对本任务的学习重点、薄弱环节及学习方法给予指导性意见。