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1、地下工程测量,第三章 联系测量,栾元重 山东科技大学,联系测量概念及分类: 通过平峒、斜井及竖井将地面的平面坐标系统及高程系统传递到地下,使地面与地下建立统一的坐标系统,该项工作称为联系测量。,竖井联系测量工作分为平面联系测量(也称为竖井定向测量)和高程联系测量(亦称为导入标高)。平面联系测量又分为几何定向(包括一井定向和两井定向)和陀螺经纬仪定向。 竖井平面联系测量的任务是:测定地下导线起算边的坐标方位角和地下导线起算点的平面坐标。高程联系测量的任务是确定地下高程基点的高程。,导线终点的点位中误差为: 式中,R1为导线终点到起算点的直线距离。假设,则导线终点的点位中误差。由此可见,竖井平面联
2、系测量确定的导线起算边坐标方位角误差对导线终点位置的影响是很大的;而竖井平面联系测量引起的坐标误差对导线各点位置的影响是相同的,其影响不随导线的伸长而累积。因此通常将竖井平面联系测量简称为竖井定向。,3.1 一 井 定 向,进行一井定向时,在竖井井筒中悬挂两根钢丝垂球线(如图3-1),在地面上利用地面控制点测定两垂球线的平面坐标及其联线方位角,在井下使用经纬仪测角量边把垂球线与井下起始控制点连接起来,通过计算确定井下起始控制点的坐标和方位角。,3.1.1投点与连接测量,1投点 投点时,通常采用单重投点法(即在投点过程中,垂球的重量不变)。单重投点可分为两类:单重稳定投点和单重摆动投点。 投点中
3、误差:,减少投点误差的主要措施: 尽管增加两垂球线间的距离,并选择合理的垂球线位置。例如使两垂球线连线方向尽量与气流方向一致。这样尽管沿气流方向的垂球线偏斜可能较大,但垂直于两垂球线连线方向上的倾斜却不大,因而可以减少投向误差。 尽量减少马头门处气流对垂球线的影响。定向时最好停止风机运转,以减少风速。,采用小直径、高强度的钢丝,适量加大垂球重量,并将垂球浸入稳定液中。 减少滴水对垂球线及垂球的影响,在淋水大的井筒,必须采用挡水措施,并在大水桶上加挡水盖。,1)投点设备,进行投点所需的设备和安装系统如图3-3所示。缠绕钢丝的手摇绞车固定在井口附近合适的位置,钢丝通过安装在井架横梁上或罐笼中的(罐
4、笼应用钢梁在井口托起)导向滑轮垂下。在钢丝下端挂上垂球,并将它放在装有稳定液的水桶中。,2)钢丝的下放和自由悬挂的检查 3)单重摆动投点 单重摆动投点就是通过观测垂球线的摆动,找出其静止位置并固定起来,然后进行连接测量。目前垂球线的摆动观测常采用定中盘法和标尺法,2连接测量,连接测量时,常采用连接三角形法(见图3-5)。C与C称为井上下的连接点,A、B点为两垂球线点,从而在井上下形成了以AB为公用边的三角形ABC和ABC。,在选择井上下连接点C和C时应满 足下列要求: CD和CD的长度应尽量大于20 m; 应使C和C点处的锐角及小于2,构成最有利的延伸三角形; 点C和C应适当地靠近最近的垂球线
5、,使a/c和b/c之值尽量小一些。,内业计算,内业计算时,首先应对全部记录进行检查。然后对边长加入各项改正,并按下式解算连接三角形各未知要素。,计算出的、角应满足下列条件:+r=180, 因计算、角时数值凑整误差的影响,上述条件可能出现会不满足。,若存有微小的残差时,则可将其平均分配给和。另外计算时应对两垂球线间距进行检查。设C丈为两垂线间距离的实际丈量值,C计为其计算值,则:,如在地面连接三角形中d2mm、井下连接三角形中d4mm,可在丈量的边长中分别加人下列改正数,以消除其差值。,上式是针对地面连接三角形而言,对于图3-5所示的井下连接三角形,其井下各边长改正数应为:,在对各边长加入上述改
6、正后,可依照DCABCD顺序构成支导线,按一般导线计算方法计算即可,3.1.2一井定向的工作组织,1)准备工作 2)制定地面的工作内容及顺序 3)制定定向水平上的工作内容及顺序 4)定向时的安全措施 5)定向后的技术总结,3.2 两井定向,两井定向就是在两井筒中各挂一根垂球线(见图3-6),在地面上测定两垂球线的坐标,并计算其连线的坐标方位角。然后在井下巷道中,用经纬仪导线将两垂球线进行连测,取一假定坐标系统来确定井下两垂球线连线的假定方位角,然后将其与地面上确定的坐标方位角相比较,其差值便是井下假定坐标系统和地面坐标系统的方位差,这样便可确定井下导线在地面坐标系统中的坐标方位角。,3.2.1
7、投点、连接测量及内业计算,在两个竖井中各悬挂一根垂球线A和B(投点设备和方法同于一井定向),一般采用单重稳定投点。 在地下定向水平沿巷道采用导线将A、B两垂球线连接起来,井上下采用的连测导线的精度等级应按定向的精度要求选择,一般地面采用级导线、地下采用7级导线进行连接测量。,内业计算,首先由地面测量结果求出两垂球线的坐标xA、yA、xB、yB,并计算出A、B连线的坐标方位角AB和长度cAB。,因地下定向水平的导线构成无定向导线,为解算出地下各点的坐标。假设A为假定坐标系的原点,A1边为假定纵轴x轴方向。由此可计算出地下各点在假定坐标系中的坐标,并求出A、B连线在假定坐标系中的坐标方位角AB及长
8、度cAB。,依此可重新计算出地下各点的坐标。由于测量误差的影响,地下求出的B点坐标与地面测出的B点坐标存有差值。如果其相对闭合差符合测量所要求的精度时,可进行分配。因地面连接导线精度较高,可将坐标增量闭合差按边长或坐标增量成比例反号分配给地下导线各坐标增量上。最后计算出地下各点的坐标。,式中H为竖井深度;R为地球的平均曲率半径。c应小于地面和地下连接测量中误差的两倍。则:,3.3 陀螺经纬仪及定向测量,3.3.1概述 陀螺经纬仪是一种将陀螺仪和经纬仪结合在一起的仪器。它利用陀螺仪本身的物理特性及地球自转的影响,实现自动寻找真北方向从而测定地面和地下工程中任意测站的大地方位角。,3.3.2陀螺仪
9、的基本特性,自由陀螺仪在高速旋转时具有两个重要特性: 陀螺仪自转轴在无外力矩作用时,始终指向其初始恒定方向。该特性称为定轴性。 陀螺仪自转轴受到外力矩作用时,将按一定的规律产生进动。该特性称为进动性。,陀螺仪的两个特性可通过杠杆陀螺仪(见图3-9)实验来说明。,通过实验还可以得出:进动的角速度P的大小与外加力矩MB成正比,与陀螺仪的动量矩H成反比,即: P = MB/H,3.3.3 陀螺经纬仪的工作原理 1地球自转及其对悬挂式陀螺仪的作用 在研究地球自转及其对悬挂式陀螺仪的关系时,应以太阳或其它恒星作为惯性参考系,而不能以地球作为惯性参考系。,其进动角速度为:,当陀螺仪轴x正端位于子午线以西时
10、,x轴的进动方向也朝向子午面。因此钟摆式陀螺仪在地转有效分量3的影响下,其主轴x总是向子午面方向进动的。,2陀螺仪轴对子午面的相对运动,由于地球自转垂直分量2的影响,子午面在不断地变换位置,造成陀螺仪轴与子午面之间产生相对运动。现结合(图3-11)来说明陀螺仪轴与子午面之间的相对运动过程。,3摆式陀螺仪的运动方程 在如图3-12所示的惯性坐标系(以地球为惯性参考)中。陀螺仪所受外加力矩可分解为Mx、My、Mz三个分量。在x方向,存在外力矩Mx;惯性力矩、yHz和zHy。据达朗伯原理(DAlembert principle),按动静法可列出平衡方程,3.3.4陀螺经纬仪的基本结构,1悬挂式陀螺仪
11、的组成 1)灵敏部 2)光学观测系统 3)锁紧限幅机构 4)陀螺仪外壳,3.3.5陀螺经纬仪的定向测量方法,1陀螺经纬仪定向的作业过程 在地面已知边上测定仪器常数,在地面上重新测定仪器常数 求算子午线收敛角 地理方位角和坐标方位角的关系为: A。 =0+。 (3-34) 子午线收敛角的符号,在中央子午线以东为正,以西为负;其值可依据测站点的高斯平面坐标求得,具体求法见表3-1。,2陀螺方位角的一次测定作业过程 将该作业过程称为陀螺方位角的一次测定,其作业步骤如下: 在测站上整平对中陀螺经纬仪,以一个测回测定待定边或已知边的方向值,然后将仪器大致对正北方。 粗略定向(测定近似北方向) 测前悬带零
12、位观测 精密定向(精密测定陀螺北) 测后悬带零位观测,3陀螺仪悬带零位观测 当陀螺马达不转动并且灵敏部下放时,陀螺灵敏部受悬挂带和导流丝的扭力作用而产生摆动的平衡位置应与目镜分划板的零刻划线重合。该位置称为悬带零位(也称无扭位置)。,4粗略定向 在精密测定已知边或待定边的陀螺方位角之前,必须把经纬仪望远镜视准轴置于近似北方,即进行粗略定向。 可分为:逆转点法和四分之一周期法,5精密定向 精密定向就是精确测定已知边和定向边的陀螺方位角。精密定向方法可分为两大类:一类是仪器照准部处于跟踪状态,即多年来国内外都采用的逆转点法;另一类是仪器照准部固定不动,国内外研究和提出的方法很多,如中天法、时差法、
13、摆幅法等。,1)逆转点法,2)中天法 在整个观测过程中,经纬仪照准部都固定在近似北方向上。启动陀螺马达,待达到额定转速后下放灵敏部,通过限幅,使光标像摆幅不超过目镜视场然后按下列顺序进行观测。 灵敏部指标线经过分划板零刻线时启动专用秒表,读取中天时间t1; 灵敏部指标线到达逆转点时,在分划板上读取摆幅读数aE; 灵敏部指标线返回零刻线时读取秒表读数t2; 灵敏部指标线到达另一逆转点时读摆幅读数aW; 灵敏部指标线返回零刻线时再次读取秒表上的中天时间t3; 观测完毕,托起并锁紧灵敏部,制动陀螺马达。计算近似北方向偏离平衡位置的改正数。,利用实际观测数据求c值时,首先把经纬仪照准部摆在偏东10和偏
14、西10左右,分别用中天法观测,求出时间差t1、t2以及摆幅值a1和a2,可列出如下方程式,以求解c值。,式中 m分划板分划值; T1跟踪摆动周期; T2不跟踪摆动周期,利用摆动周期计算比例系数c,3.3.6全自动陀螺经纬仪,1全自动陀螺经纬仪的基本结构,2.自动定向原理简介 1)光电观测方法 ( 1)光电时差法 (2)光电积分法 (3)积分测量原理,3、测量步骤 1、将陀螺经纬仪安置到三脚架上,对中、整平; 2、连接自动陀螺仪与电子经纬仪之间的数据通信电缆; 3、经纬仪开机,陀螺仪开机; 4、启动测量程序进行定向测量:,3.4 高程联系测量,为使地面与地下建立统一的高程系统,应通过斜井、平峒或
15、竖井将地面高程传递到地下巷道中,该测量工作称为高程联系测量(也称为导入高程)。 通过竖井导入高程的常用方法有,长钢尺法、长钢丝法、光电测距仪铅直测距法等。,3.4.1长钢尺法导入高程,如图3-22所示,分别在地面与井下安置水准仪分别在地面与井下安置水准仪,首先在A、B点水准尺上读取读数a、b。然后在钢尺上读取读数m、n。同时应测定地面、地下的温度t上和t下。由此可求得B点高程:,3.4.2钢丝法导入标高,长钢丝导入高程的过程基本同于长钢尺法。但因长钢丝无尺寸,因此在地面以及地下观测钢丝时,需要在钢丝上作出记号,然后在地面选一平坦区域,加悬挂时的重量将钢丝拉直,再用钢尺或光电测距仪丈量两记号间的长度。,3.4.3光电测距仪导入高程,当井筒内水汽较小时,可采用光电测距仪导入高程。导入高程时,可将罐笼提升至井口后固定(可用钢梁放在井口将罐笼托起),在其中固定一平台C,将光电测距仪直接竖直安放在平台上。另将反光镜平放在井底平台D上,用光电测距仪直接瞄准反光镜(为方便寻找目标,瞄准时可将一光源放置在反光镜上)测距s。并用水准仪在井上下测出AC、BD点之间的高差hAC及hBD,同时测定井上下的温度及气压。则A、B两点间高差可按下式计算:,
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