一种基于支导线和陀螺定向的隧道测量方法与流程

1.本发明涉及隧道测量技术领域，尤其涉及一种基于支导线和陀螺定向的隧道测量方法。


背景技术：

2.隧道通过盾构机从起始端开挖至接收端贯通形成，在开挖过程中，隧道的精确贯通是至关重要的，其直接影响隧道的施工质量，尤其穿山、越江等超长距离的隧道对贯通精度要求更高，而隧道在掘进过程中的测量是保证隧道轴线精确度的重要保证。
3.目前大多数是在隧道内布设测量控制点进行多测回支导线线路测量，由起始端已知坐标的起始点出发，通过依次在各控制点上利用精密测量仪器进行观测，测定连接相邻控制点的各导线边的长度以及各转折角值，然后根据起始点(已知坐标)的起算数据，经平差计算等数据处理后推算得出各控制点的工程坐标，缺点在于：隧道越长，其累计误差越大，对于超长距离隧道，该测量方法无法满足隧道成型精度要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于支导线和陀螺定向的隧道测量方法，能够对隧道内控制点进行校核，提高隧道成型精度。
5.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
6.提供一种基于支导线和陀螺定向的隧道测量方法，隧道自起始端至接收端分n个区段依次进行开挖，第t个区段开挖完成后的测量步骤如下：
7.s1、在第t个区段的始端和末端之间依次布置多个导线点，相邻导线点之间形成支导线，定义末端的最后一条支导线为陀螺边；
8.s2、获取第t个区段内每条支导线的坐标方位角α；
9.s3、测量陀螺边的陀螺方位角β
陀螺边
；
10.s4、基于陀螺方位角β
陀螺边
获取每条支导线的修正坐标方位角γ；
11.s5、基于修正坐标方位角γ获取导线点的坐标；
12.s6、以导线点的坐标为基础指导第t+1个区段的开挖；
13.其中，n为大于1的正整数，1≤t＜n。
14.作为本发明提供的基于支导线和陀螺定向的隧道测量方法的优选方案，在步骤s4中，若支导线为陀螺边，则修正坐标方位角γ的计算公式为：
15.γ
陀螺边
＝xα
陀螺边
+yβ
陀螺边
；
16.其中，x+y＝1，且y≥x；
17.α
陀螺边
为陀螺边的坐标方位角，β
陀螺边
为陀螺边的陀螺方位角；
18.若支导线为非陀螺边，则修正坐标方位角γ的计算公式为：
19.γ
非
＝α
非
+y(β
陀螺边-α
陀螺边
)/m；
20.其中，m为第t个区段内支导线的总条数；
21.α
非
为非陀螺边的坐标方位角。
22.作为本发明提供的基于支导线和陀螺定向的隧道测量方法的优选方案，y值随t值的增加而增大。
23.作为本发明提供的基于支导线和陀螺定向的隧道测量方法的优选方案，设定n＝4，则，在第1个区段内y＝1/2，在第2个区段内y＝2/3，在第3个区段内y＝3/4。
24.作为本发明提供的基于支导线和陀螺定向的隧道测量方法的优选方案，在测量第t+1个区段内支导线的坐标方位角α时，以第t个区段内陀螺边的修正坐标方位角为基准。
25.作为本发明提供的基于支导线和陀螺定向的隧道测量方法的优选方案，在步骤s2中，支导线的坐标方位角α采用常规全站仪测量得出，测量时进行多余测量，以进行校核。
26.作为本发明提供的基于支导线和陀螺定向的隧道测量方法的优选方案，在步骤s3中，通过陀螺全站仪观测陀螺边的陀螺方位角β
陀螺边
。
27.作为本发明提供的基于支导线和陀螺定向的隧道测量方法的优选方案，第1个区段的起始端设置有与隧道内部连通的竖井，所述竖井的井壁上设置有至少一个导线点。
28.作为本发明提供的基于支导线和陀螺定向的隧道测量方法的优选方案，隧道开挖之前，在地面上选取平面控制点a1、a2、a3以及a4，a1、a2、a3以及a4之间两两相互通视，a1、a2、a3以及a4的坐标通过gps定位系统获取，基于a1、a2、a3以及a4的坐标和修正坐标方位角γ以获取导线点的坐标。
29.作为本发明提供的基于支导线和陀螺定向的隧道测量方法的优选方案，平面控制点a1、a2、a3以及a4均采用强制对中观测墩的形式设置。
30.本发明的有益效果：
31.本发明提供一种基于支导线和陀螺定向的隧道测量方法，隧道自起始端至接收端分n个区段依次进行开挖，第t个区段开挖完成后的测量步骤如下：s1、在第t个区段的始端和末端之间依次布置多个导线点，相邻导线点之间形成支导线，定义末端的最后一条支导线为陀螺边；s2、获取第t个区段内每条支导线的坐标方位角α；s3、测量陀螺边的陀螺方位角β
陀螺边
；s4、基于陀螺方位角β
陀螺边
获取每条支导线的修正坐标方位角γ；s5、基于修正坐标方位角γ获取导线点的坐标；s6、以导线点的坐标为基础指导第t+1个区段的开挖。隧道每开挖一个区段，便通过该区段末端的陀螺边的陀螺方位角对区段内所有导线点的坐标方位角进行校正，得到该区段内各个导线点的修正坐标方位角，进而计算得到各个导线点的坐标，从而根据导线点的坐标指导隧道下一个区段的开挖，避免隧道的轴线偏斜量超过预设范围，提高隧道成型精度。
附图说明
32.图1是本发明具体实施方式提供的在第t个区段开挖完成后的测量方法的流程图；
33.图2是本发明具体实施方式提供的隧道第1个区段内导线点的布置示意图；
34.图3是本发明具体实施方式提供的地面上平面控制点的布置示意图。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便
于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
36.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
38.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
39.隧道开挖过程中，由于沉降等地质因素的影响导致导线测量的结果存在误差，且随着隧道的开挖，这种误差越来越大，从而影响隧道的横向贯通精度。基于此问题，如图1所示，本实施例提供一种基于支导线和陀螺定向的隧道测量方法，能够对隧道内导线点进行校核，并根据校核结果指导隧道的继续开挖，提高隧道成型精度。
40.隧道自起始端至接收端分n个区段依次进行开挖，第t个区段开挖完成后的测量步骤如下：
41.s1、在第t个区段的始端和末端之间依次布置多个导线点，相邻导线点之间形成支导线，定义末端的最后一条支导线为陀螺边；
42.s2、获取第t个区段内每条支导线的坐标方位角α；
43.s3、测量陀螺边的陀螺方位角β
陀螺边
；
44.s4、基于陀螺方位角β
陀螺边
获取每条支导线的修正坐标方位角γ；
45.s5、基于修正坐标方位角γ获取导线点的坐标；
46.s6、以导线点的坐标为基础指导第t+1个区段的开挖；
47.其中，n为大于1的正整数，1≤t＜n。
48.本实施例中，隧道每开挖一个区段，便通过该区段末端的陀螺边的陀螺方位角对区段内所有导线点的坐标方位角进行校正，得到该区段内各个导线点的修正坐标方位角，进而计算得到各个导线点的坐标，从而根据导线点的坐标指导隧道下一个区段的开挖，避免隧道的轴线偏斜量超过预设范围，提高隧道成型精度。
49.在步骤s4中，若支导线为陀螺边，则修正坐标方位角γ的计算公式为：
50.γ
陀螺边
＝xα
陀螺边
+yβ
陀螺边
；
51.其中，x+y＝1，且y≥x；
52.α
陀螺边
为陀螺边的坐标方位角，β
陀螺边
为陀螺边的陀螺方位角；
53.若支导线为非陀螺边，则修正坐标方位角γ的计算公式为：
54.γ
非
＝α
非
+y(β
陀螺边-α
陀螺边
)/m；
55.其中，m为第t个区段内支导线的总条数；
56.α
非
为非陀螺边的坐标方位角。
57.为便于理解，以下结合图2说明上述公式的具体应用。
58.参照图2，所示的是第1个区段内导线点的布置图，图中d1、d2、d3
……
d13、d14均为导线点，相邻的两个导线点之间形成支导线。需要说明的是，第1个区段内首个导线点与d1与地面上的平面控制点形成起始的支导线(即图2中a4-d1)，也就是说，在第1个区段内具有14条支导线。而且，最末端的一条支导线，即d13-d14为第1个区段内的陀螺边。
59.在步骤s2中，支导线的坐标方位角α采用常规全站仪测量得出，测量时进行多余测量，以进行校核。具体到本实施例中的图2，布设完成导线点后，需采用常规全站仪测量第1个区段内每条支导线的坐标方位角α，期间进行多余测量的目的是为了进行校核，提高坐标方位角α的准确性。
60.本实施例中通过陀螺全站仪观测陀螺边的陀螺方位角β
陀螺边
。将陀螺全站仪架设在导线点d13的位置，即可进行观测。
61.上述测量完成后，陀螺边d13-d14具有两个参数：一是陀螺边d13-d14的坐标方位角α
(d13-d14)
，二是陀螺边d13-d14的陀螺方位角β
(d13-d14)
，这两个数值存在一定的差值，在本实施中，陀螺边d13-d14的修正坐标方位角γ
(d13-d14)
为其坐标方位角和陀螺方位角的加权平均值。即，综合考虑使用常规全站仪对陀螺边d13-d14进行导线测量的结果、以及使用陀螺全站仪测量的结果，并对这两个结果数据给与一定的权重，从而对陀螺边d13-d14的坐标方位角进行校正，校正后得到陀螺边d13-d14的修正坐标方位角。
62.具体地，在第1个区段内，陀螺边d13-d14的修正坐标方位角为：
63.γ
(d13-d14)
＝xα
(d13-d14)
+yβ
(d13-d14)
；
64.其中，x和y分别为坐标方位角α
(d13-d14)
所占的权重和陀螺方位角β
(d13-d14)
所占的权重。
65.进一步地，在第一个区段内，除陀螺边之外的其他支导线(即非陀螺边)的修正坐标方位角是将陀螺边上产生的误差平均分配至每一条支导线上获得的。
66.示例性地，支导线d5-d6的修正坐标方位角为：
67.γ
(d5-d6)
＝α
(d5-d6)
+y(β
(d13-d14)-α
(d13-d14)
)/m；
68.上述公式中，m取值为第1个区段内支导线的总条数14；α
(d5-d6)
为支导线d5-d6的坐标方位角，由常规全站仪测量得出。
69.第1个区段内其余非陀螺边的修正坐标方位角的计算方法类似，这里不再赘述。
70.优选地，y值随t值的增加而增大。即，随着隧道的开挖，在计算修正坐标方位角γ时，陀螺方位角的权重越来越大。其原因在于，随着隧道的推进，通过常规全站仪进行导线测量所得的结果的误差愈来愈大，因此，进行坐标方位角的修正时，常规全站仪测量结果的占比减小，陀螺全站仪测量结果的占比增加，以提高修正坐标方位角γ的准确性，进而得到隧道内导线点更为精确的坐标值，以便指导盾构机沿正确方向掘进。
71.示例性地，设定n＝4，即，隧道分4段进行开挖。开挖完成第1个区段后，对第1个区段内导线点的坐标进行校正，以便指导第2个区段的继续开挖。在第2个区段开挖完成后，对第2个区段内导线点的坐标进行校正，以便指导盾构机开挖第3个区段，开挖第4个区段时，
以第3个区段内校正后的导线点坐标作为指引。也就是说，隧道每推进一端距离后，便对其进行测量，以准确指导下一段隧道的开挖，减少隧道轴线的偏斜量，避免隧道横向贯通误差超限。
72.进一步地，在第1个区段内y＝1/2，在第2个区段内y＝2/3，在第3个区段内y＝3/4。即，在第1个区段内陀螺边的修正坐标方位角中，其陀螺方位角的权重为1/2。在第2个区段内陀螺边的修正坐标方位角中，其陀螺方位角的权重为2/3。在第2个区段内陀螺边的修正坐标方位角中，其陀螺方位角的权重为3/4。随着盾构机的掘进，陀螺方位角的权重逐渐增加。
73.本实施例中，在测量第t+1个区段内支导线的坐标方位角α时，以第t个区段内陀螺边的修正坐标方位角为基准。以n＝4为例，第2个区段内所有支导线的坐标方位角通过常规全站仪结合第1个区段内陀螺边的修正坐标方位角测出，有效提高第2个区段内所有支导线的坐标方位角的准确性。
74.以开挖某8公里隧道为例，其中n＝4，每推进两公里便进行一次测量，测量结果如表1所示。
75.结合表1和图2，第1个区段内的导线点为d1、d2
……
d14，共14个导线点，14条支导线，其中陀螺边为d13-d14。第2个区段内的导线点为d15、d16
……
d29，共15个导线点，15条支导线，其中陀螺边为d28-d29。第3个区段内的导线点为d30、d31
……
d40，共11个导线点，11条支导线，其中陀螺边为d39-d40。
76.表1中，d13-d14的坐标方位角为393-11-15.8，其表示角度为393
°
11
′
15.8
″
，d13-d14的陀螺方位角为393-11-18，其表示角度为393
°
11
′
18
″
。取陀螺方位角的权重为1/2后，计算得出d13-d14的修正坐标方位角γ
(d13-d14)
为393
°
11
′
16.9
″
。
77.表中δ＝y(β
(d13-d14)-α
(d13-d14)
)/m；在第1个区段内，δ＝1/2(β
(d13-d14)-α
(d13-d14)
)/14＝0.0785，将第1个区段内支导线的坐标方位角与δ值相加即可得出修正坐标方位角。
78.在第2个区段内，δ＝2/3(β
(d28-d29)-α
(d28-d29)
)/15＝-0.222；在第3个区段内，δ＝3/4(β
(d39-d40)-α
(d39-d40)
)/11＝-0.705；α
(d28-d29)
和β
(d28-d29)
分别为陀螺边d28-d29的坐标方位角和陀螺方位角，α
(d39-d40)
和β
(d39-d40)
分别为陀螺边d39-d40的坐标方位角和陀螺方位角，由此可计算出第2、3个区段内的支导线的修正坐标方位角。
79.表1：隧道测量数据
[0080][0081]
参见图3，隧道开挖之前，在地面上选取平面控制点a1、a2、a3以及a4，a1、a2、a3以及a4之间两两相互通视，a1、a2、a3以及a4的坐标通过gps定位系统获取。即，平面控制点a1、a2、a3以及a4的坐标已知。设置四个平面控制点的目的在于点与点之间可以互相校核，以得到更为精确的坐标数据。
[0082]
进一步地，本实施例中，第1个区段的起始端设置有与隧道内部连通的竖井，竖井的井壁上设置有至少一个导线点。隧道内的导线点能够通过竖井内的导线点与平面控制点
建立联系，基于a1、a2、a3以及a4的坐标和修正坐标方位角γ可获取导线点的坐标，进而以这些坐标指导盾构机的掘进，保证隧道贯通精度。
[0083]
本实施例中，竖井内设置有三个导线点，即图2中d1、d2以及d3均设置于竖井的井壁上，以便与地面上的平面控制点a1、a4建立联系。
[0084]
优选地，平面控制点a1、a2、a3以及a4均采用强制对中观测墩的形式设置，能够提高测量效率，降低测量时的劳动量，同时提升测量结果的准确性。
[0085]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。