3 地下工程测量

地下工程

地下工程的种类

根据工程建设的特点可分为：

• 地下通道工程（隧道、地铁等）
• 城市地下建（构）筑物（商业街、地下仓库、人防工程等）
• 地下埋藏物（管线）
• 为开采各种矿产为建设的地下采矿工程（矿井、巷道）

地下工程的施工方式

明挖：把地面挖开施工，最后覆土；

暗挖：不破坏地表，地下施工，通过出入口（平洞、竖井等）与地面连接。采用盾构法（软土）、矿山法（硬）、顶管法（铺设地下管线）作业。

地下工程测量特点

1. 地下工程施工面黑暗潮湿，环境较差，需要经常进行点下对中，有时边长较短，因此测量精度难以提高；
2. 地下工程的坑道往往采用独头掘进，洞室之间互不相通，不便组织校核，出现错误不能及时发现。随着坑道的进展，点位误差累积越来越大；
3. 地下工程的施工面狭窄，而且坑道往往只能前后通视，仅适合布设导线。
4. 测量工作随着坑道工程的掘进而不间断进行，一般先以低等级导线指示坑道掘进，而后布设高级导线进行检核；
5. 由于地下工程的需要，往往采用一些特殊的测量方法和仪器；
6. 地下环境为土壤、岩石、水等复杂情况，使得测量信号传输更为困难，衰减更大，误差也更大。

地下管线

地下管线：城市范围内提供生产生活功能的管线及其附属基础设施

主要类型：供水、排水、燃气、热力、电力、通信、广播电视、工业等（没有光纤）

主要材料：钢、铁、玻璃纤维、塑料

地下管线测绘

在数据采集方面，通过既有数据整理、普查，广泛使用物探技术与 GPS 测量相结合的方法，获取基本管线数据；

在数据更新方面，通过补测、跟踪测量或竣工测量获得动态变更数据。

跟踪测量/竣工测量：管线铺设中，回填前进行水平及垂直位置测量定位。

主要探测技术分类

开挖与触媒相结合。 非开挖的物理探测：

• 电探测法
  • 直流电：电流自电极入地，形成电场，金属管线吸引，非金属管线排斥，使得电流密度分布异常
  • 交流电：交变电磁场对导电性或导磁性或介电性的物体具有感应作用，即可通过二次电磁场进行探测
    • 电磁法：频率域电磁法、时间域电磁法
    • 电磁波法：探地雷达法
• 磁探测法：铁质管道在地球磁场作用下磁化，形成自身磁场
• 弹性波法（地震波法）
• 红外辐射法：地下管线传输物质和外界存在温差，主要探测浅层

频率域电磁法

• 优点：
  • 可追踪和识别各种类型的金属管线；
  • 非侵入式探测，没有破坏性；
  • 可在地面测量管线埋深；
  • 探测设备小，便于携带，工作效率高；
  • 适用各种土壤条件，甚至可以水下探测。
• 缺点：不能探测非金属管线（可通过埋没示踪金属线解决）

频率域电磁法原理

点电荷产生电场、移动电荷产生磁场。

毕萨定律：在线电流上取一线元 $\mathrm{d}l$，$\mathrm{d}l$ 的方向与该处的电流流向一致，该电流元在真空某点的磁感应强度 $\mathrm{d}B$ 可表示为：

$$\mathrm{d}\vec{B}=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{I\mathrm{d}\vec{L}\times \hat{r}}{r^2}$$

根据电磁感应原理，当交变电磁场通过一个线圈时，会产生一个相应的交变电压；当线圈内有铁氧体磁棒时，附近更多的磁通量会通过线圈。

峰值法

水平天线：在离管线最近且与管线垂直时响应最大；

峰值法：当水平线圈轴线与通电导线垂直并处于通电导线正上方时信号最强。

水平响应曲线越对称、越陡峭越好。

采用双水平天线的优点：

• 响应更窄用于精确定位
• 抗干扰
• 无线电工作模式
• 直读法深度测量

谷值法

垂直天线：在管线正上方时磁通量快速下降到 0。

谷值法：当垂直线圈处于通电导线正上方时信号响应最小。

为什么不能使用双垂直天线实现双水平天线同样效果？垂直天线在管线正上方磁通量快速下降到响应值过小导致相对误差大。

直读法计算

激励信号的来源种类

被动激励（电力线辐射信号等）、主动激励（直连法、夹钳法、感应法）

追踪管线

选取探测范围、选取峰值法/谷值法、在响应下降点附近走动寻找最小点

多天线解决探测干扰问题

多点采样能够进行数据融合，减少噪声误差，提高精度。

多天线可进行信号叠加，增强信号强度。

探地雷达

原理：一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收地下介质面的反射波。根据电磁波在介质中传播的时间、幅度和波形变换，可以得到地下介质的分布情况。

在工程研究里将各类岩石、土、混凝土、木材、玻璃、塑料、金属等材料通称为工程介质，其电磁学性质可用电导率 $\sigma$、介电常数 $\epsilon$ 和磁导率 $\mu$ 表示。

介电常数大的介质更多的吸收电磁波，减慢电磁波传播。

磁导率高的介质产生磁感应，减慢电磁波传播。

电导率高的介质到电能力强，电磁波衰减大。

$$\begin{array}{c}\alpha =\omega \sqrt{\mu \epsilon }\sqrt{\frac{1}{2}\left[1+{\left(\frac{\sigma }{\omega \epsilon }\right)}^2-1\right]}\\ \beta =\omega \sqrt{\mu \epsilon }\sqrt{\frac{1}{2}\left[1+{\left(\frac{\sigma }{\omega \epsilon }\right)}^2+1\right]}\\ v=\frac{c}{\sqrt{{\epsilon }_r}}\end{array}$$

探测方式：A-Scan（1D）、B-Scan（2D）、C-Scan（3D）

管道检测与监测技术

• 视觉技术：机器人、管道内窥镜等
• 电磁技术：磁漏法、磁场涡流法、远场磁场涡流法
  • 磁漏法：测量被测物外的磁场
    • 优点：精度高
    • 缺点：只能用于金属管道
  • 磁场涡流法：利用线圈电磁感应测定被测物内部感生涡流的变化
    • 优点：
      • 对导电材料的表面和近表面精度高
      • 检测线圈和被测物非接触，不影响被测物性能
      • 可在高温、细线等其他方法不适用的场合
    • 缺点：不适合大体积被测物；难以区分缺陷类型
  • 远场磁场涡流法：激励线圈和检测线圈相距两倍管内距
    • 优点：不受趋肤效应影响
    • 趋肤效应：感应出的涡流集中在靠近激励线圈的被测物表面的现象
• 声学技术：声纳，听漏仪，相关仪（分析管道上两个传感器采集的噪声）
  • 阀栓听音法
  • 地面听音法
  • 相关检漏法
  • 噪音自动监测法
  • 多探头相关仪监测法
• 传感器（网络）技术
• 其他技术（分布式光纤传感技术）

地下管网 GIS 系统的结构和功能

组成结构：几何网络（节点和边的特征集合）与逻辑网络（节点和边拓扑）

功能：管线数据显示、分析处理、维护更新、信息共享等。

局限：功能较简单、信息共享能力弱、高级分析能力弱、发布方式单一。

地下工程测量概述

测量环节：建立地面控制网，地面和地下的联系测量，地下坑道中的控制、竣工及施工测量。

测量要求：

• 先控制后碎部，高级控制低级，对测量成果逐项检核
• 地面控制测量的精度高于地下测量
• 严格控制隧道工程中的横向和高程误差

地面控制测量

平面控制的常见作法

现场标定法、控制网解析法。

直线隧道测两洞口坐标，曲线隧道额外测中线坐标。

地面高程控制测量

在每一洞口埋设不少于 2 个水准点，其高差控制在一次测量可测范围内。

联系测量

一井定向、两井定向、横洞与斜井的定向、陀螺经纬仪定向

一井定向

1. 推算导线点坐标

2. 联系三角形平差改正解算

   

   $$\begin{array}{c}{a}_{算}^2=b^2+c^2-2bc\cos \alpha \\ \Delta a=a_{算}-a_{测}\le \pm 2\mathrm{mm}\\ v_a=v_b=-v_c=-\frac{\Delta a}{3}\end{array}$$

3. 推算起始方位角（选择小角作为推算角）

   

   $${\alpha }_{A^{\prime }{B}^{\prime }}={\alpha }_{BA}+\omega +\beta -{\beta }^{\prime }+{\omega }^{\prime }\pm 360^{\circ }$$

贯通测量误差

高程贯通误差、纵向贯通误差、横向贯通误差

陀螺经纬仪

定轴性（无外力时指向恒定）、进动性（有外力时进动）