CN104251688B - 顶管工程中利用激光直线定向测量工法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顶管工程中利用激光直线定向测量工法，其特征在于，包括以下步骤：平面控制点布设、竖井护壁布置导向点、竖井坐标传递、高程基准线布置、布置导轨和检测。本发明的有益之处在于：将传统激光束单点定向改为激光十字平面定向，对顶管施工不间断提供导向依据，及时发现顶进管道中心与设计轴线偏差，挺高了施工精准度；简单易懂，测量速度快，减少了繁杂的测量工作，消除了传统顶管定向测量过程中复测困难的问题，将测量人员从艰苦的测量环境中解放出来；测量的精度较高，激光扫平仪不仅可以准确快速复测机头是否有低头、抬头现象，而且可以设置流水坡度，从而对顶管进行有坡度快速感应测量。

Description

顶管工程中利用激光直线定向测量工法

技术领域

本发明涉及一种直线定向测量工法，具体涉及一种顶管工程中利用激光直线定向测量工法，属于建筑施工技术领域。

背景技术

市政工程的雨污水工程中管道敷设，一般采用全断面开挖施工，随着城市化进程的加快，污水管道的敷设越来越深，开挖施工随着管道的埋置深度的加深越来越不经济。加之城市基础设施十分拥挤繁杂，排水管线往往会穿越既有公路、铁路等交通设施，开挖施工往往会严重制约。在这些条件的限制下无论是设计单位还是施工单位均在寻求一种便捷的新型技术。

从经济、工期、质量方面顶管工程技术都有着无可比拟的优越性，当在地下水位以下或者地层易沉降的不稳定地层施工时，这种施工方法更加具有竞争优势。目前，非开挖技术应用十分广泛，一次性敷设管道长度记录不断被刷新，对于各种地层的适应能力越来越强，施工质量和速度可以得到更好的保证，已成为市政工程中不可或缺的施工手段。但是目前，国内顶管施工中的测量技术还比较落后，主要体现在：

1、在短距离顶管施工方面，测量工作的主要内容是在顶进过程中的检查测量，正常顶进时每隔60-80cm测量一次，测量误差较大时，每隔30-40cm就要观测一次，因而工作强度大，效率低，较大程度地制约了工程施工进度。

2、地下施工定向方法精度不高，仪器笨重，程序繁琐；导向测量的方法效率低，强度大，而城市地下顶管工程施工路径越来越长，精度要求越来越高，路线越来越复杂，传统的测量方法和仪器已不能适应现代地下工程的特点。

为此有必要在经济合理的前提下，加快国内顶管施工测量技术的精密化、自动化和智能化。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种经济合理、简单易懂、绿色环保、节能减排的利用激光直线定向测量工法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种顶管工程中利用激光直线定向测量工法，其特征在于，包括以下步骤：

(一)平面控制点布设：在顶管线轴线两侧且距顶管线轴线的距离为50-200m范围内设置控制点，同侧的所有控制点中相邻两个控制点之间的距离≤500m并且至少有两个控制点通视，选好所有GPS控制点的埋设位置后，先挖30cm深的桩孔，然后将带20cm长十字丝的铜质标芯固定在桩孔内，用长30cm、直径为10cm的钢护筒加以保护，浇筑混凝土，保证标芯高于混凝土面5-10mm；

(二)竖井护壁布置导向点：计算出轴线坐标，并放样于竖井护壁上，利用全站仪或者激光经纬仪瞄直法定向，使得激光点投射于竖井护臂之上，投射四点相互为90°夹角，两点位于轴线面上、两点位于法线面，投射的激光点位置用冲击钻打眼，用木制楔子紧紧楔入，利用带有十字丝的螺丝钉准确定位并作为导向点；

(三)竖井坐标传递：在工作井内管道顶进轴线方向上架设一台激光扫平仪，在工作井底板浇筑时利用激光扫平仪竖向激光线同时穿过四个护壁控制点，并向下竖向投射控制点，根据激光点位置做好标记，利用冲击钻在标记位置植入钢筋，并再次架设激光扫平仪，调整激光扫平仪，找出激光点在钢筋上的具体位置，利用钢锯在钢筋上准确刻出十字丝；

(四)高程基准线布置：计算竖井的深度，将地面标高引入井下，利用激光扫平仪的水平线制定基准水平面，在工作井护壁上做好标记，利用水平线的高程值计算管内底标高差值，利用刻度尺时刻测量水平和竖向的刻度，并以水平和竖向的刻度计算顶管的方向是否偏离设计轴线；

(五)布置导轨：首先确定轨距和导轨外露高度，然后令导轨与激光线平行并将导轨依据激光线呈轴线对称布置，用C30砼将导轨浇筑在底板上；

(六)检测：在顶管中利用激光扫平仪实施检测。

前述的顶管工程中利用激光直线定向测量工法，其特征在于，在步骤(二)中，前述导向点在地面以下1-2m。

前述的顶管工程中利用激光直线定向测量工法，其特征在于，在步骤(五)中，确定轨距和导轨外露高度的方法有两种：

第一种方法：

(1)假定导轨外露高度为H，前述H取管道的管壁厚度的1/10；

(2)根据下式确定轨距B：

$B=2\sqrt{H(D-H)}$

式中，D为管道外径。

第二种方法：

(1)假定导轨的轨距为B，前述轨距B为管道内径的一半，B＝r；

(2)根据下式确定轨道的外露高度H：

$H=\sqrt{R^2-{\left(\frac{1}{2}r\right)}^2}-r$

其中，R为管道外径的一半，r为管道内径的一半。

前述的顶管工程中利用激光直线定向测量工法，其特征在于，在步骤(五)中，前述导轨顺直、平行、等高，导轨的坡度与管道的设计坡度一致。

前述的顶管工程中利用激光直线定向测量工法，其特征在于，在步骤(五)中，当管道的设计坡度小于1％时，前述导轨按平坡铺设。

本发明的有益之处在于：

1、在顶管工程中改变了以往的测量思路，将传统激光束单点定向改为激光十字平面定向，对顶管施工不间断提供导向依据，及时发现顶进管道中心与设计轴线偏差，更加直观的确定开挖掌子面的范围，挺高了施工精准度；

2、简单易懂，测量速度快，同时也减少了繁杂的测量工作和简化了测量流程，消除了传统顶管定向测量过程中复测困难的问题，将测量人员从艰苦的测量环境中解放出来；

3、激光扫平仪提供的激光十字平面，简单易懂，符合工法的创新特点；

4、测量的精度较高，激光扫平仪不仅可以准确快速复测机头是否有低头、抬头现象，而且可以设置流水坡度，从而对顶管进行有坡度快速感应测量；

5、符合市政行业向标准化、工具化、节能化的发展趋势，工法中所用的激光扫平仪重复使用，节能环保、多次收益。

附图说明

图1是本发明的顶管工程中利用激光直线定向测量工法的主要流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

测量仪器设备：激光扫平仪、全站仪、GPS全球定位系统、水准仪、塔尺、三脚架、尺垫。

参照图1，本发明的测量工法包括以下步骤：

一、平面控制点布设

以原始的控制点(该控制点通常是甲方提供的，最好采用中纬Zenith10GPS进行动态复测校核，以确保甲方提供的控制点精度是满足规范要求的)作为首级进行控制点加密，控制点设置在顶管线轴线两侧且距顶管线轴线的距离为50-200m范围内，同侧的所有控制点中相邻两个控制点之间的距离≤500m并且至少有两个控制点通视。

选好所有GPS控制点的埋设位置后，先挖30cm深的桩孔，然后将带20cm长十字丝的铜质标芯固定在桩孔内，用长30cm、直径为10cm的钢护筒加以保护，浇筑混凝土，保证标芯高于混凝土面5-10mm，养护保护。

加密点外业观测时间不小于120min，测量完成后采用专业的GPS数据处理软件进行处理，在加密网中的最弱相对误差控制在1/100000，基线边方向中误差不大于1.7＂，空间三维无约束平差后，全网最弱边边长相对中误差小于5ppm，平面二维约束平差后，全网最弱边边长相对误差小于10ppm。

高程采用苏式DSZ2型水准仪进行测设，闭合差不大于±其中，L为复测路程。

二、竖井护壁布置导向点

查看图纸，准确读图，理解设计意图，计算顶管轴平面坐标，以此在CAD中绘制轴线上的任何一点坐标。

也可以通过方位角计算出轴线坐标，并放样于竖井护壁上，利用全站仪或者激光经纬仪瞄直法定向(几何定向，三点一线原理)，使得激光点投射于竖井护臂之上，投射四点相互为90°夹角(四点呈轴对称布置，对称轴线夹角为90°)，两点位于轴线面上、两点位于法线面，其中，法线面上的两点在无干扰或者干扰较小的位置形成交汇点，投射的激光点位置用冲击钻打眼，用木制楔子紧紧楔入，利用带有十字丝的螺丝钉准确定位并作为导向点。

导向点距地面不宜过高，在地面以下1-2m为宜，方便地上人员观测，能使得激光扫平仪的激光线准确经过每一点，确保其定向精度。

三、竖井坐标传递

在工作井内管道顶进轴线方向上架设一台激光扫平仪，激光扫平仪的底座平台与工作井底板单独连接，除此之外不与其他任何设备有接触，以免其他设备的震动或移动导致底座平台震动，间接导致激光扫平仪的不稳定，从而导致测量数据的不准确。

在工作井底板浇筑时利用激光扫平仪竖向激光线同时穿过四个护壁控制点，并向下竖向投射控制点，根据激光点位置做好标记，利用冲击钻在标记位置植入钢筋，并再次架设激光扫平仪，调整激光扫平仪，找出激光点在钢筋上的具体位置，利用钢锯在钢筋上准确刻出十字丝。

四、高程基准线布置

计算竖井的深度，将地面标高引入井下，利用激光扫平仪的水平线制定基准水平面，在工作井护壁上做好标记，利用水平线的高程值计算管内底标高差值，利用刻度尺时刻测量水平和竖向的刻度，并以水平和竖向的刻度计算顶管的方向是否偏离设计轴线。

将每次复测时间控制在几分钟以内，时刻监测顶管走向，及时发现顶管工程是否有低头、抬头、水平偏离等现象。

五、布置导轨

在顶进管道入土前，导轨承担导向功能，保证管节按照设计高程和前进方向和坡度前进。

布置导轨前，首先要确定轨距和导轨外露高度。

确定轨距和导轨外露高度有两种方法：

第一种方法：

首先，假定导轨外露高度H已知。

导轨外露高度H取管道的管壁厚度的1/10。管道的管壁厚度通常为100cm，故导轨外露高度H通常取100mm。

然后，根据导轨外露高度H来确定轨距B，轨距B具体根据下式来确定：

$B=2\sqrt{H(D-H)}$ 式(1)

式中，D为管道外径。

第一种方法适用于标准管道。

第二种方法：

首先，假定导轨的轨距B已知。

轨距B的取值取为管道内径的一半，管道内径可以用仪器测量得到，管道内径的一半用r表示，即B＝r。

然后，确定导轨外露高度H。

$\mathrm{Hg}=H^{\′}+r-\sqrt{R^2-b^2}$ 式(2)

H＝H'-Hg 式(3)

式中，Hg为导轨高程，H′为管内底高程，r为管道内径的一半，R为管道外径的一半，b为轨距B的一半，即

将式(2)与式(3)合并，得到下式：

$H=\sqrt{R^2-{\left(\frac{1}{2}B\right)}^2}-r$ 式(4)

因为B＝r，所以，最终得到的导轨外露高度H如下：

$H=\sqrt{R^2-{\left(\frac{1}{2}r\right)}^2}-r$ 式(5)。

式中，R为管道外径的一半，r为管道内径的一半，二者均可以用仪器测量得到。

第二种方法适用于非标准管道。

轨距和导轨外露高度确定后，令导轨与激光线平行，并将导轨依据激光线呈轴线对称布置，最后用C30砼将导轨浇筑在底板上即可。

浇筑在底板上的导轨应顺直、平行、等高，导轨的坡度与管道的设计坡度一致。

当管道的设计坡度小于1％时，导轨可以按平坡铺设。

导轨安装允许的偏差为：轴线位置3mm、顶面高程0-3mm、两导轨内距±2mm。

安装后的导轨须稳固，在顶进中承受各种负载时不产生位移、不沉降、不变形。

六、检测

在顶管中利用激光扫平仪实施检测，检测顶管是否有顶偏现象。

由此可见，本发明的测量工法具有如下优点：

1、激光扫平仪作为直线顶管工作中的定向测量仪器，可以改变传统意义上的激光单点定位，由原来的单点定位变为激光平面定位，更加直观的反映顶管过程中的轴线偏差，可以及时的纠正错误；

2、利用激光扫平仪可以做到对顶管施工不间断提供导向依据，缩短测量时间，提高工作效，消减部分记录误差；

3、从经济方面考虑，将激光扫平仪引进到顶管工程中，不仅仅是省去了频繁的复测工作，简化了测量原理，对复测人员的专业素质要求更低，操作便捷，只需要与塔尺相配合，任何人员只需要短暂培训讲解即可完全掌握测量要领，大大缩减了人力物力的投入；

4、经济合理，安全可靠，确保施工质量，使顶管施工直线定向测量简单化、流程化；

5、在顶管工程中由于测量环境会限制测量，仪器在管道内易受到施工环境如粉尘、温度、湿度等的影响，采光不足造成管内照明全部采用灯光，传统测量仪器难以读数，但是激光扫平仪可以消除以上问题，为顶管提供了准确的轴线方向。

本发明的测量工法适用于机械顶管、人工顶管、微型隧道等非开挖敷设直线管道工程，适应的断面有圆形、长方形以及其他不规则形状。

工程实例：

1、西咸新区空港新城第一大道顶管工程：全长7.24km，为城市主干线，并是新城的排水设施主线，管径达d3000。

2、西咸新区空港新城第五大道市政工程：全长6.8km，为城市主干线，并是新城的排水设施主线，管径达d3000，管道埋深达31m。

3、西咸新区空港新城新城五路顶管工程：该道路的排水管线最大达d2600，地下水位浅，管道埋深大，以顶管工程为主。

经多个工程实例验证，本发明的测量工法获得了极好的经济效益和社会效益：

1、经济效益：减少了测量人员的投入，缩短了测量时间，提高了测量效率。人员投入由原来3-4人，降低到1-2人；测量时间由原来的15-30min，缩减到4-5min，如果操作人员掌握技巧熟练操作，甚至可以在2min内完成所有复测工作。

2、社会效益：将激光扫平仪引进到顶管工程中，不仅仅从经济方面受益，还省去了频繁的复测工作，简化了测量原理，对复测人员的专业素质要求更低，操作便捷，只需要与塔尺相配合，任何人员只需要短暂培训讲解即可完全掌握测量要领，大大缩减了人力物力的投入，也将测量人员从恶劣的工作条件中解放出来；该工法在顶管工程中的实施，使得顶管工程在顶进质量得以控制，机头可以准确穿出预留孔到达接收井，减少了顶管工程因轴线偏差造成的损失。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.顶管工程中利用激光直线定向测量工法，其特征在于，包括以下步骤：

(一)平面控制点布设：在顶管线轴线两侧且距顶管线轴线的距离为50m-200m范围内设置控制点，同侧的所有控制点中相邻两个控制点之间的距离≤500m并且至少有两个控制点通视，选好所有平面控制点的埋设位置后，先挖30cm深的桩孔，然后将带20cm长十字丝的铜质标芯固定在桩孔内，用长30cm、直径为10cm的钢护筒加以保护，浇筑混凝土，保证标芯高于混凝土面5mm-10mm；

(二)工作井和接收井护壁布置导向点：计算出管道中心的轴线坐标，并放样于工作井和接收井护壁上，利用全站仪或者激光经纬仪瞄直法定向，使得激光点投射于竖井护臂之上，投射四点相互为90°夹角，两点位于管道中心的轴线面上、两点位于管道中心的法线面，投射的激光点位置用冲击钻打眼，用木制楔子紧紧楔入，利用带有十字丝的螺丝钉准确定位并作为导向点；

(三)工作井和接收井坐标传递：在工作井内管道顶进轴线方向上架设一台激光扫平仪，在工作井底板浇筑时利用激光扫平仪竖向激光线同时穿过四个护壁控制点，并向下竖向投射控制点，根据激光点位置做好标记，利用冲击钻在标记位置植入钢筋，并再次架设激光扫平仪，调整激光扫平仪，找出激光点在钢筋上的具体位置，利用钢锯在钢筋上准确刻出十字丝；

(四)高程基准线布置：计算工作井和接收井的深度，将地面标高引入井下，利用激光扫平仪的水平线制定基准水平面，在工作井护壁上做好标记，利用水平线的高程值计算管内底标高差值，利用刻度尺时刻测量水平和竖向的刻度，并以水平和竖向的刻度计算顶管的方向是否偏离设计轴线；

(五)布置导轨：首先确定轨距和导轨外露高度，然后令导轨与激光扫平仪的激光线平行并将导轨依据激光线呈轴线对称布置，用C30砼将导轨浇筑在底板上；

(六)检测：在顶管中利用激光扫平仪实施检测。

2.根据权利要求1所述的顶管工程中利用激光直线定向测量工法，其特征在于，在步骤(二)中，所述导向点在地面以下1m-2m。

3.根据权利要求1所述的顶管工程中利用激光直线定向测量工法，其特征在于，在步骤(五)中，确定轨距和导轨外露高度的方法如下：

(1)假定导轨外露高度为H，所述H取管道的管壁厚度的1/10；

(2)根据下式确定轨距B：

$B=2\sqrt{H(D-H)}$

式中，D为管道外径。

4.根据权利要求1所述的顶管工程中利用激光直线定向测量工法，其特征在于，在步骤(五)中，确定轨距和导轨外露高度的方法如下：

(1)假定导轨的轨距为B，所述轨距B为管道内径的一半，B＝r；

(2)根据下式确定轨道的外露高度H：

$H=\sqrt{R^2-{\left(\frac{1}{2}r\right)}^2}-r$

其中，R为管道外径的一半，r为管道内径的一半。

5.根据权利要求1所述的顶管工程中利用激光直线定向测量工法，其特征在于，在步骤(五)中，所述导轨顺直、平行、等高，导轨的坡度与管道的设计坡度一致。

6.根据权利要求5所述的顶管工程中利用激光直线定向测量工法，其特征在于，当管道的设计坡度小于1％时，所述导轨按平坡铺设。