Đồ án Một số biện pháp nâng cao độ chính xác khống chế trắc địa mặt bằng trong hầm

Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-481 Mục lục Mục lục 1 Mở đầu 2 Chương1 công tác trắc địa trong xây dựng đường hầm 1.1 Cơ sở trắc địa trong xây dựng công trình đường hầm 5 1.1.1 Lưới khống chế mặt bằng trên mặt bằng trên mặt đất 5 1.1.2 Định hướng cơ sở trắc địa trong hầm 6 1.1.3 Lưới khống chế trắc địa trong hầm 6 1.1.4 Thành lập hệ thống khống chế độ cao 7 1.2 Sai số đào thông hầm 8 1.2.1 Phân loại sai số đào thông hầm và hạn sai cho phép 8 1.2.2 Các nguồn sai số đào thông hầm 10 1 Các nguồn sai số ảnh hưởng tới độ chính xác hướng ngang đào thông hầm 2 Các nguồn sai số ảnh hưởng tới độ chính xác về độ cao đào thông hầm 1.2.3 Nguyên tắc phân phối các nguồn sai số 12 1. Nguyên tắc ảnh hưởng bằng nhau 2. Nguyên tắc ảnh hưởng không bằng nhau 1.3. Ước tính sai số của lưới khống chế trắc địa trên mặt đất đối với độ chính xác đào thông hầm 13 1.3.1. Lưới đường chuyền 13 1. Công thức điểm cuối 2. Công thức điểm đào thông 1.3.2. Lưới tam giác và lưới GPS 16 Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-482 1. Ước tính theo sai số trung phương vị trí điểm cuối chuỗi 2. Ước tính sai số hướng ngang điểm đào thông hầm 1.4 Ước tính độ chính xác đo đường chuyền trong hầm 20 1.4.1 Đối với đoạn hầm thẳng hoặc cong có bán kính rất lớn 20 1.4.2 Đối với đoạn hầm có bán kính nhỏ 21 Chương 2: một số biện pháp nâng cao độ chính xác khống chế trắc địa mặt bằng trong hầm 22 2.1 Đặc điểm của khống chế trắc địa mặt bằng trong hầm 22 2.2 Các phương pháp thành lập lưới mặt bằng trong hầm 24 2.3 Các phương pháp nâng cao độ chính xác lưới 25 2.3.1 Nâng cao độ chính xác đo đạc 25 2.3.2 thiết kế một số dạng lưới mặt bằng trong hầm 26 2.4Thiết kế đường chuyền trong hầm có đo thêm phương vị bằng máy con quay 27 2.5 Nâng cao độ chính xác chuyền tọa độ từ mặt đất xuông hầm 33 CHƯƠNG 3: THIếT Kế Và ĐO ĐạC THựC NGHIệM Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-483 Mở ĐầU Những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế thì công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa được thúc đẩy một cách mạnh mẽ: quy hoạch phát triển đô thị xây dựng các nhà máy để đi vào sản xuất, xây dựng mạng lưới giao thông, nhà máy thủy điện…ngày càng được xây dựng một nhiều hơn, công trình cũ được tu bổ cho hiện đại hơn. Hoà chung trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật, thì yêu cầu thi công vận hành công trình nói trung và công trình hầm nói giêng ngày một đòi hỏi có độ chính xác cao, đảm bảo cho công trình có độ chính xác quy định. Để đáp ứng nhu cầu đó thì công tác trắc địa trong xây dựng công trình hầm giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong suốt quá trình thiết kế, thi công, sử dụng công trình hầm. Trong đó, đảm bảo đào thông hầm đổi hướng được đưa lên hàng đầu. Cơ sở trắc địa phục vụ xây dựng một công trình đường hầm là lập lưới khống chế trắc địa trên mặt đất và xây dựng hệ thống khống chế trắc địa trong hầm. Vì vậy việc thành lập lưới khống chế có độ chính xác có vai trò rất quan trọng, trong việc đào thông hầm đổi hướng. Đối với công trình cụ thể, tùy từng đặc điểm cụ thể của đường hầm mà ta có các phương pháp thành lập lưới khống chế khác nhau. Với mục đích trên dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Phạm Quốc Khánh tôi được nhận đề tài: “ Một số biện pháp nâng cao độ chính xác khống chế trắc địa mặt bằng trong hầm” Nội dung cụ thể được trình bày như sau: Chương 1: Công tác trắc địa trong xây dựng đường hầm Trong chương này sẽ nêu nên cơ sở trắc địa trong xây dựng công trình hầm, sai số đào thông hầm, ước tính sai số của lưới khống chế trắc địa trên mặt đất Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-484 với độ chính xác đào thông hầm và ước tính độ chính xác đo đường chuyền trong hầm. Chương 2: Một số biện pháp nâng cao độ chính xác khống chế trắc địa mặt bằng trong hầm Nói nên đặc điểm của khống chế trắc địa mặt bằng trong hầm, các biện pháp thành lập lưới lưới mặt bằng trong hầm và một số biện pháp nâng cao độ chính xác khống chế trắc địa mặt bằng trong hầm. Chương 3: Thiết kế và đo đạc lưới thực nghiệm Giới thiệu về mô hình đường hầm, thiết kế một số dạng lưới mặt bằng trong hầm và đo đạc và sử lý số liệu sẽ là chứng minh cụ thể cho đề tài. Để hoàn thành được các chủ đề nêu trên của đồ án, tôi được các thầy cô trong khoa giúp đỡ cùng sự chỉ bảo hướng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm Quốc Khánh . Mặc dù đã cố gắng nhưng do kiến thức chuyên môn còn hạn hẹp, thời gian nghiên cứu đề tài còn ít nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo và các đồng nghiệp để đồ án được hoàn chỉnh hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn Hà Nội 6-2008 Sinh viên Vũ Văn Trung Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-485 CHƯƠNG I CÔNG tác TRắC ĐịA TRONG XÂY DựNG ĐƯờng HầM 1.1 CƠ sở TRắC ĐịA TRONG XÂY DựNG CÔNG TRìNH ĐƯờNG HầM Nhiệm vụ chủ yếu của trắc địa trong xây dựng đưòng hầm là bảo đảm đào thông hầm đối hướng với độ chính xác theo yêu cầu. Đồng thời bảo đảm độ chính xác xây dựng đường hầm,các công trình kiến trúc trong hầm đúng với hình dạng kích thước thiết kế và quan trắc biến dạng công trình trong lúc thi công cung như lúc sử dụng đường hầm. Cơ sở trắc địa phục vụ xây dựng một công trình hầm là lập lưới khống chế trắc địa trên mặt đất,chuyền tọa độ, phương vị và độ cao xuống hầm qua cửa hầm, thông gió, giếng đứng, giếng nghiêng… và xây dựng hệ thống khống chế trắc địa trong hầm 1.1.1 Lưới khống chế mặt bằng trên mặt đất Lưới khống chế trắc địa trên mặt đất là điều kiện cơ bản, quyết định toàn bộ các công việc trong xây dựng hầm, là cơ sở của luới khống chế trắc địa trong hầm mà dựa vào đó để chỉ đạo đào hầm, bố trí các kiến trúc trong hầm và quan trắc biến dạng công trình khi hầm được đưa vào sử dụng. Việc thành lập lưới khống chế mặt bằng trên mặt đất được hoàn thành trước khi đào hầm. trước đây lưới khống chế mặt bằng thường được thành lập dưới dạng chuỗi tam giác đo góc có đo thêm cạnh đáy, lưới tam giác đo góc cạnh hoặc lưới đường chuyền. Từ nhưng năm 90 của thế kỷ truớc, nước ta đã bắt đầu ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới khống chế mặt bằng trong thi công đường hầm điẻn hình là lưới GPS hầm HảI VÂN, lưới GPS thi công đường hầm thủy điện A VƯƠNG… Thành lập lưới khống chế mặt bằng trên mặt đất bằng công nghệ GPS có ưu điểm vượt trội so với lưới trắc địa truyền thống; không cần thông hướng, độ Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-486 chính xác cao, đồ hình lưới linh hoạt, đo nhanh, chi phí thấp nên công nghệ GPS ngày càng được sử dụng rộng rãi 1.1.2 Định hướng cơ sở trắc địa trong hầm Việc chuyền tọa độ và phương vị từ hệ thống khống chế mặt bằng trên mặt đất xuống hầm để tạo số liệu khởi tính cho cơ sở trắc địa trong hầm gọi là định huớng cơ sở trắc địa trong hầm,hoặc còn gọi là đo liên hệ hoặc đo nối.Qua đó làm cho khống chế mặt bằng trong hầm có cùng hệ tọa độ với khống chế mặt bằng trên mặt đất. Có thể định hướng qua cửa hầm hoặc nối đào phụ tùy thuộc vào từng hầm cụ thể.Nếu đường hầm được định hướng qua cửa hầm thì đo nối như lưới khống chế trên mặt đất, nếu đường hầm dài trên có giếng đứng thì có thể định hướng đường hầm qua giếng đứng bằng phương pháp tam giác liên hệ hoặc dùng máy con quay xác định phương vị khởi đầu của đường chuyền trong hầm. 1.1.3 Lưới khống chế trắc địa trong hầm Do điều kiện thi công trong hầm chật hẹp nên khống chế trắc đia trong hầm được xây dựng dưới dạng là lưới đường chuyền.Đường chuyền trong hầm được chia thành các loại sau: Đường chuyền tiệm cận: trong trường hợp giếng đứng được đào lệch sang một bên của đường hầm thì cần thành lập đường chuyền tiệm cận để dẫn tọa độ và phương vị được chuyền từ trên mặt đất xuống vào đường hầm chính. Đường chuyền thi công: được thành lập với cạnh gắn để tiện chỉ đạo đào hầm theo tiến độ thi công hầm . Đường chuyền cạnh dài: Khi hầm đã đào được một đoạn dài, đường chuyền thi công gồm nhiều cạnh gắn sẽ không đảm bảo độ chính xác về phương vị. Lúc đó cần thành lập đường chuyền cạnh dài dựa trên các điểm của đường chuyền thi công (bỏ qua một số điểm trung gian) để đảm bảo độ chính xác phương vị. Đường chuyền trong hầm là đường chuyền nhánh. Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-487 1.1.4 Thành lập hệ thống khống chế độ cao Trục đường hầm và các kiến trúc trong hầm được xác định và được bố trí trong không gian ba chiều. Để đảm bảo thông hầm đối hướng, xây dựng các công trình kiến trúc, lắp đặt các thiết bị trong hầm và đo lún, cần phải thành lập hệ thống khống chế độ cao tương tự như khống chế mặt bằng, hệ thống khống chế độ cao bao gồm: + Khống chế độ cao trên mặt đất: thành lập các tuyến thủy chuẩn xuất phát từ điểm thủy chuẩn nhà nước và có thể tạo thành lưới. Tại các cửa hầm và gần miệng giếng đứng cần có điểm mốc độ cao. Độ chính xác của mốc độ cao trên mặt đất tùy thuộc vào yêu cầu độ chính xác đào thông hầm đối hướng theo phương thẳng đứng (độ cao), tùy thuộc vào chiều dài đường hầm, sai số cho phép lắp đặt thiết bị trong hầm và yêu cầu độ chính xác đo biến dạng. Nhưng thông thường thủy chuẩn hạng III có thể đáp ứng nhu cầu đó. Ngoài ra có thể đo cao băng GPS. Khi đo cao bằng GPS cần chú ý đến dị thường độ cao để chú ý chuyển độ cao trắc địa về độ cao thường. HTD= H + (1.1) + Chuyền độ cao từ mặt đất xuống hầm: từ các mốc độ cao ở cửa hầm hoặc gần miệng giếng đứng chuyền độ cao xuống hầm qua cửa hầm hoặc qua giếng đứng để làm số liệu khởi tính độ cao trong hầm. + Khống chế độ cao trong hầm: thành lập các tuyến thủy chuẩn từ các điểm khởi tính độ cao ở cửa hầm hoặc ở đáy giếng đứng đến gương hầm. Các điểm mốc độ cao trong hầm thường trùng với các điểm đường chuyền trong hầm. Tuyến thủy chuẩn trong hầm là tuyến nhánh. Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-488 1.2 sai số ĐàO THÔNG HầM 1.2.1 Phân loại sai số đào thông hầm và hạn sai cho phép Các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác đào thông hầm bao gồm sai số do trắc địa, do thi công, do thiết kế, ở đây chỉ quan tâm tới sai số do trắc địa. Trong thi công đào hầm, do sai số của lưới khống chế trên mặt đất, sai số do liên hệ, sai số của lưới khống chế trong hầm và sai số bố trí chi tiết nên hai trục tim hầm đào đối hướng không thể gạp nhau chính xác tuyệt đối được mà có một tỷ lệ lệch nhất định gọi là sai số đào thông hầm đối hướng. Ký hiệu là  ,sai số trung phương tương ứng ký hiệu là M (hình 1.1 , hình 1.2) Hình 1.1 sai số đào thông hầm trong mặt phẳng nằm ngang Hình 1.2 sai số đào thông hầm trong không gian ▲ ▲A B Trục hầm sau khi điều chỉnh h P2 C Y q lX A H  P1 Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-489 + Hình chiếu của  trên hướng trục tim hầm gọi là sai số hướng dọc, ký hiẹu là l, sai số trung phương tương ứng la Ml. Sai số này phải nằm trong một phạm vi nhất định Ml ≤ 4000 L (1.2) Ml: sai số trung phương hướng dọc L: chiều dài đoạn hầm đào đối hướng, đơn vị là mét + Hình chiếu của  trên hướng vuông góc với trục hầm trong mặt phẳng nằm ngang gọi là sai số hưóng ngang, kí hiệu là q, sai số trung phương tương ứng là Mq, đây là sai số quan trọng nhất vì nếu sai số này vượt quá hạn sai cho phép thì sẽ làm thay đổi hình dạng hình học của đường hầm dẫn tới phải điều chỉnh đào đắp gây tổn thất cho công trình. + Hình chiếu của  trên phương thẳng đứng gọi là sai số độ cao, ký hiệu làh, sai số trung phương tương ứng la Mh, sai số độ cao cũng quan trọng như sai số hướng ngang nhưng với kỹ thuạt đo cao hiện nay dễ dàng đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác. Sai số trung phương hướng ngang và sai số trung phương độ cao cho phép khi đào thông hầm đối hướng theo quy định như bảng 1.1. Bảng 1.1. Sai số trung phưong hướng ngang và sai số trung phương độ cao đào thông hầm đối hướng Chiều dài đoạn hầm đào đối hướng (km) ≤4  8  10 1013 1317 1720 Sai số trung phương hướng ngang Mq (mm) 50 75 100 150 200 250 Sai số trung phương độ cao Mh (mm) 25 Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4810 1.2.2 Các nguồn sai số đào thông hầm Sai số đào thông hầm chủ yếu là sai số của khống chế trên mặt đất, số đo liên hệ và sai số của khống chế trong hầm. Như đã biết, để đảm bảo đào thông hầm đối hướng với độ chính xác quy định thì sai số hướng ngang là quan trọng và đáng chú ý nhất. Vì vậy cần xét các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác hướng ngang đào thông hầm đối hướng. 1. Các nguồn sai số ảnh hướng tới độ chính xác hướng ngang đào thông hầm. a) Đối với đường hầm thẳng Các nguồn sai số ảnh hưởng tới độ chính xác hướng ngang đào thông hầm đối hướng Sai số trung phương hướng ngang của khống chế trắc địa trên mặt đất, ký hiệu là m1. Sai số trung phương hướng ngang của định hướng hầm: nếu định hướng qua hai cửa hầm thì không có sai số này. + Nếu định hướng qua một cửa hầm và một giếng đứng (hoặc giếng nghiêng hoặc hầm phụ dài) thì sai số hướng ngang của định hướng qua giếng đứng, ký hiệu la m2. + Nếu định hướng qua hai giếng đứng thì có sai số hướng ngang của định hướng qua hai giếng đứng, ký hiệu là m2 và m3. Sai số trung phương hướng ngang của khống chế trắc địa trong hầm, ký hiệu là m4 va m5. Với giả thiết các nguồn sai số độc lập với nhau thì sai số trung phương tổng hợp hướng ngang ở chỗ đào thông hầm đối hướng sẽ tùy trường hợp mà tính theo công thức sau: Đối với đoạn hầm được định hướng qua hai cửa hầm: Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4811 Mq= 252421 mmm  (1.3) Đối với đoạn hầm được định hướng qua một cửa hầm và một giếng đứng: Mq= 25242221 mmmm  (1.4) Đối với đoạn hầm được định hướng qua hai giếng đứng: Mq= 2524232221 mmmmm  (1.5) b) Đối với đường hầm cong Sai số trung phương hướng ngang và sai số trung phương hướng dọc của khống chế trắc địa đều có ảnh hưởng tới độ chính xác hướng ngang đào thông hầm đối hướng vì vậy vế phải của công thức (1.3), (1.4) ,(1.5), phải thay bằng sai số trung phương tổng hợp hướng ngang và hướng dọc của các nguồn sai số tương ứng la mi’ (i= 1, 2, 3, 4, 5) Với giả thiết sai số trung phương hướng dọc bằng sai số trung phương hướng ngang, ta có: mi’= mi 2 , (i= 1, 2, 3, 4, 5) (1.6) 2. Các nguồn sai số ảnh hưởng tới độ chính xác về đồ cao đào thông hầm Phân tích tương tự như trên thì ta có các nguồn sai số ảnh hưởng tới độ chính xác độ cao đào thông hầm: Sai số của khống chế độ cao trên mặt đất: mh1 . Sai số chuyền độ cao từ trên mặt đất xuống hầm: + Nếu chuyền độ cao qua hai cửa hầm thì xem như không có sai số này. + Nếu chuyền độ cao qua một cửa hầm và một giếng đứng thì có sai số chuyền độ cao qua giếng đứng đó, ký hiệu là mh2 . + Nếu chuyền độ cao qua hai giếng đứng, ta có mh2 và mh3 . Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4812 Sai số của khống chế độ cao trong hầm , tức sai số của hai tuyến thủy chuẩn nhánh trong hầm, ký hiệu là mh4 và mh5 . Gỉa thiết các nguồn sai số độc lập nhau thì sai số trung phương tổng hợp độ cao ở chỗ đào thông hầm đối hướng sẽ tùy từng trường hợp mà áp dụng công thức : Với đoạn hầm được chuyền độ cao qua hai cửa hầm: Mh= 222 541 h mhmhm  (1.7) Với đoạn hầm được chuyền qua một cửa hầm và một giếng đứng : Mh= 25 2 4 2 2 2 1 h mhmhmhm  (1.8 ) Với đoạn hầm mà độ cao được chuyền qua hai giếng đứng: Mh= 25 2 4 2 3 2 2 2 1 h mhmhmhmhm  (1.9) ảnh hưởng của các nguồn sai số độ cao thành phần đến độ chính xác độ cao đào thông hầm trong hầm thẳng cũng như trong hầm cong nên chỉ áp dụng các công thức (1.7), (1.8), (1.9) cho từng trường hợp cụ thể. 1.2.3 Nguyên tắc phân phối các nguồn sai số Trên thực tế thi công thường cần phải phân phối thỏa đáng sai số cho phép đào thông hầm đối hướng cho các nguồn sai số thành phần. Như vậy phương án trắc địa mới có tính khả thi và hiệu quả cao. Có hai nguyên tắc phân phối: 1. Nguyên tắc ảnh hưởng bằng nhau Nếu điều kiện thực tế cho thấy các nguồn sai số thành phần độc lập nhau và có ảnh hưởng xấp xỉ như nhau đến độ chính xác hướng ngang đào thông hầm đối hướng thì từ các công thức (1.3), (1.4), (1.5) ta có m1=m4=m5= 3 qM =0,58Mq (1.10 ) Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4813 m1=m2=m4=m5= 4 qM =0.5Mq (1.11 ) m1=m2=m3=m4=m5= 5 qM =0.45Mq (1.12 ) Với đường hầm cong ta có công thức tương ứng: m1=m4=m5= 2 58,0 qM =0,41Mq (1.13 ) m1=m2=m4=m5= 2 5,0 qM =0,35Mq (1.14 ) m1=m2=m3=m4=m5= 2 45,0 qM =0,31Mq (1.15 ) Trong đó Mq là sai số hướng ngang đào thông hầm đối hướng 2. Nguyên tắc ảnh hưởng khônng bằng nhau Nếu dựa vào điều kiện thực tế như mạng dạng lưới thiết kế, máy móc thiết bị hiện có phương pháp đo … có thể dự tính trước ảnh hưởng của một số nguồn sai số thành phần thì thay số liệu đó vào vế phải của công thức (1.3), (1.4), (1.5) và áp dụng nguyên tắc ảnh hưởng bằng nhau của các nguồn sai số còn lại để tính. 1.3 ƯớC TíNH SAI Số CủA LƯới KHốNG CHế TRắC ĐịA TRÊN MặT ĐấT ĐốI VớI Độ CHíNH XáC ĐàO THÔNG HầM 1.3.1 Lưới đường chuyền Nếu dùng đường chuyền làm khống chế độc lập trên mặt đất thì phải thành lập đường chuyền khép kín hoặc ít nhất cũng phải chọn ngoài đường chuyền một vài điểm, từ đó (có thể đo góc không đo cạnh) đo hai góc nối ở điểm đầu và điểm cuối đường chuyền để tạo thành đa giác khép kín về góc. 1. Công thức điểm cuối Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4814 Công thức tính sai số trung phương hướng ngang cx m của điểm cuối đường chuyền sau khi bình sai điều kiện khép góc: 2 c x m =[ms2 cos2 ] + 2 2  m [ 2 ] (1.16) Trong đó ms , m là sai số trung phương đo cạnh và sai số trung phương đo góc đường chuyền.  là góc phương vị cạnh đường chuyền.  là hoành độ của điểm đường chuyền khi lấy trọng tâm của đường chuyền làm gốc của hệ tọa độ. i = yi – y0 ; y0 = 1 ][ n y ; n là số cạnh đường chuyền. 2. Công thức điểm đào thông ảnh hưởng của sai số đo góc và đo cạnh đường chuyền đối với độ chính xác hướng ngang đào thông hầm được tính theo công thức: x m =   "m ][ 2yR (1.17) sx m = s m s ' ][ 2xd (1.18) Trong đó m là sai số trung phương đo góc; [R2y] là tổng bình phương khoảng cách từ các điểm của đường chuyền đến mặt đào thông, hình 1.3. s m s là sai số trung phương tương đối đo cạnh đường chuyền; [d2x] là tổng bình phương hình chiếu của các cạnh đường chuyền lênmặt đào thông. Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4815 Y X 0 R y4R y2 R y3 y1 4 C3R1 T M Trục tim hầmM ặt đào thông Hình 1.3 Khoảng cách từ điểm đường chuyền tới mặt đào thông Có thể cho rằng ảnh hưởng sai số đo góc và đo cạnh đường chuyền đối với độ chính xác hướng ngang đào thông hầm là độc lập với nhau thì ta có: mq= 22 xsx mm  mq=    22 2 " " x s y d s mR m         (1.19) Nếu mặt đào thông ở chính giữa đường hầm , tức mặt đào thông đi qua trọng tâm của đường chuyền thì hai công thức (1.16) và (1.19) là như nhau. Trong trường hợp khống chế mặt bằng trên mặt đất là chuỗi tam giác, nếu muốn áp dụng công thức đường chuyền thì chọn trong chuỗi tam giác một đường chuyền gần với trục tim hầm nhất và dùng công thức (1.16) hoặc (1.19) để ước tính Đối với lưới lưới đường chuyền công thức (1.16) và (1.19) có thể xem là công thức ước tính chặt chẽ. Khi áp dụng cho chuỗi tam giác thì hai công thức trên là công thức ước tính gần đúng. Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4816 1.3.2 Lưới tam giác và lưới GPS Với chuỗi tam giác có thể ước tính gần đúng bằng các công thức lập sẵn, trong trường hợp đó thường sử dụng thuật toán bình sai điều kiện để ứớc tính. Hiện nay sử dụng máy tính điện tử để giải các bài toán trắc địa dựa vào thuật toán bình sai gián tiếp đã trở nên thông dụng. Trong trắc địa công trình đường hầm, phương pháp này được áp dụng cho hầu hết các dạng lưới khống chế. Với lưới tam giác hoặc GPS có các phương án ước tính sau: 1. Ước tính theo sai số trung phương vị trí điểm cuối chuỗi 1) Chọn ẩn Giả sử hệ thống cơ sở trắc địa có (m) điểm cần xác định tức có (2m) ẩn số, có (n) trị đo (đaị lượng đo): 2) Xác định trọng số cho các trị đo Trọng số của các trị đo được xác định theo công thức 2 2 i i m CP  (1.22) Trong đó mi là sai số trung phương của trị đo thứ i: C là hằng số tự chọn. 3) Lập phương trình số hiệu chỉnh Phương trình có dạng tuyến tính Vi= ai1x1+ ai2x2+ ai3x3+…+ aikxk+ li (1.23) Bằng phép tính ma trận ta có thể biểu diễn tất cả các phương trình số hiệu chỉnh dưới dạng: V=A.X+L (1.24) Trong đó: A là ma trận hệ số, V là véc tơ số hiệu chỉnh, L là véc tơ số hạng tự do, X là véc tơ ẩn số. Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4817                                     knnknn k k xl l l aaa aaa aa A    ... x x X; ... L; v ... v v V; ... ............ ... ...a 2 1 2 1 n 2 1 21 22221 11211 4) Lập hệ phương trình chuẩn Từ các phương trình số hiệu chỉnh và ma trận trọng số P ta lập được hệ phương trình chuẩn: ATPAX + ATPL =0 (1.25) RX + B =0 X =-R-1B=-Q-1B Q = R-1 Với R=ATPA, B=ATPA 5) Đánh giá độ chính xác iii XXx Qm  , iii YYY Qm  (1.26) YYXXp QQm   (1.27) + Sai số trung phương một yếu tố bất kỳ được tính theo công thức: F F p m 1  (1.28) Trong đó fQf p T F 1 với f là vector hệ số hàm trọng số cần đánh giá;  là sai số trung phương trọng số đơn vị. + Sai số trung phương hướng ngang điểm cuối chuỗi được tính theo công thức: C C X X p m 1  (1.29) Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4818 C C X X Q p 1 Là một phần tử trên đường chéo chính của ma trận nghịch đảo hệ số hệ phương trình chuẩn. 2. Ước tính theo sai số trung phương điểm đào thông hầm Có thể coi sai số hướng ngang tại điểm đào thông hầm là hiệu tung độ của điểm đào thông hầm từ hai hưóng. Sai số trung phương hướng ngang điểm đào thông được tính theo công thức: q q p m 1  (1.30) Với  là sai số trung phương trọng số đơn vị: qp 1 Là trọng số đảo độ lệch hướng ngang (hàm) của điểm dào thông p Phương pháp này ứng dụng thích hợp cho lưới tam giác đo góc lưới đo góc cạnh, đường chuyền và lưới hỗn hợp. Có thể bổ sung một số chương trình con vào chương trình bình sai gián tiếp thông thường để tính ảnh hưởng của lưới khống chế măt đất đối với độ chính xác hướng ngang đào thông hầm. Từ đó có thể tính “giá trị ảnh hưởng” của các phương án khác nhau khi thành lập lưới. Khi bình sai gián tiếp còn có phương pháp giản tiện hơn đó là phương pháp “ellipse sai số điểm không”. Như hình (1.4) từ hai điểm khống chế ở hai cửa hầm , thông qua góc j , c và khoảng cách Sjp, Scp tính được tọa độ diểm đào thông PA và Pc. Do ảnh hưởng của sai số đo lưới khống chế trên mặt đất nên hai điểm này không trùng nhau. Nếu lấy j , c , Sjp và Scp là các trị đo không có sai số tức trong số vô cung lớn, và bình sai cùng với lưới khống chế trên mặt đất sẽ vẽ được ellipse sai số tương hỗ vị trí điểm PA PC, Vì hai điểm này cần phải trùng nhau, khoảng cách giữa chúng phải bằng không. Do đó gọi là ellipse sai số điểm ‘không’. Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4819 Hình 1.4 Phương pháp ellipse sai số điểm không Các thông số ellipse sai số vị trí điểm. Bán trục lớn bán trục nhỏ được tính: E2 = 2 2 (Qxx+Qyy +K ) (1.31) F2 =  KQQ YYXX 2 2 (1.32) K= 22 4)( xyYYXX QQQ  (1.33) Với Qxx, Qyy, Qyy là hệ số trọng số của các ẩn số trên ma trận trọng số đảo. Góc định hướng YYXX XY QQ Q tg  22 0 Khi 02tg cùng dấu với QXY thì 0 là góc định hướng bán trục lớn của ellipse. Khi 02tg trái dấu với QXY thì 0 là góc định hướng của bán trục nhỏ của ellipse. + Ellipse sai số tương hỗ vị trí điểm: E2 =  KQQ   ,,22 (1.34) F2 =  KQQ   ,,22 (1.35) X J C 642 A PC PA yC Định hướng vào cửa C 753 1 Định hướng vào cửa A Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4820 K= 22 4)( YXYYXX QQQ   (1.36) Góc định hướng: YYXX YX QQ Q tg    22 0 (1.37) Trong đó: kkkiii XXXXXXXX QQQQ  2 (1.38) kkkiii YYYYYYYY QQQQ  2 (1.39) kkikkiii YXYXYXYXYX QQQQQ  (1.40) Hình chiếu của ellipse sai số trên mặt đào thông hầm chính là “giá trị ảnh hưởng”, tính theo công thức:  22222 sincos FEmq  (1.41) Trong đó:  là góc phương vị của truc X khi lấy bán trục lớn của ellipse làm hướng khởi đầu, 00360   ; E, F, 0 là các yếu tố của ellipse sai số tương hỗ vị trí điểm “không”. 1.4 ƯớC TíNH Độ CHíNH XáC ĐO ĐƯờNG CHUYềN TRONG HầM Đường chuyền trong hầm phải được thành lập với độ chính xác cần thiết và cùng chung hệ tọa độ thống nhất với khống chế trên mặt đất để chỉ hướng đào hầm, bố trí trục tim hầm , bảo đảm thông hầm đối hướng với độ chính xác quy định. Ước tính độ chính xác lưới khống chế trong hầm chính là thiết kế độ chính xác đo đường chuyền trong từng đoạn hầm đào đối hướng. Có thể lấy độ chính xác cao nhất làm chỉ tiêu độ chính xác đo đường chuyền trong tất cả các đoạn hầm. 1.4.1 Đối với đoạn hầm thẳng hoặc cong có bán kính rất lớn Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4821 Đường chuyền trong hầm có thể coi là đường chuyền duỗi thẳng. Nếu chiều dài các cạnh đường chuyền xấp xỉ bằng nhau thì sai số trung phương vị trí điểm cuối đường chuyền nhánh trong hầm được thính theo công thức: 3 5,122 2 2 22  nsnmnmM s   (1.42) Trong đó : n là số cạnh của đường chuyền nhánh; m , ms là sai số trung phương đo góc và sai số trung phương đo cạnh đường chuyền. Vế phải là của công thức (1.33) là bình phương sai số trung phương hướng ngang của điểm cuối đường chuyền. theo nguyên tắc ảnh hưởng bằng nhau đối với hướng ngang và hướng dọc, đối với sai số đo góc và đo cạnh ta có gia trị thiết kế sai số trung phương đo góc và sai số trung phương đo cạnh: 5,1 3. " "  nnS K m   (1.43) n K m s  (1.44) trong đó K là sai số trung phương hướng nganng cho phép của đường chuyền nhánh trong hầm được ước tính tùy thuộc vào từng trường hợp đào hầm. Sai số trung phương hướng ngang cho phép của đường chuyền nhánh trong đoạn hầm thẳng dược tính: K = 0,58Mq nếu đoạn hầm được định hướng qua hai cửa hầm K = 0,5Mq nếu đoạn hầm được định hướng qua một cửa hầm và một giếng đứng K = 0,45Mq nếu đoạn hầm được định hướng qua hai giếng đứng Mq làsai số trung phương hướng ngang cho phép đào thông hầm lấy từ bảng 1.1. 1.4.2 Đối với đoạn hầm có bán kính nhỏ Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4822 đường chuyền trong hầm không thể được xem là đường chuyền duỗi thẳng nhưng các cạnh vẫn đựoc đo với độ chính xác như nhau thì sai số trung phương điểm cuối đường chuyền nhánh trong hầm được tính theo công thức:  2 ,12 2 22 ins D m nmM    (1.45) Trong đó Dn+1,i là khoảng cách từ điểm cuối đến điểm i của đường chuyền. Theo nguyên tắc ảnh hưởng bằng nhau đối với sai số hướng ngang và sai số hướng dọc, đối với sai số đo gó và sai số đo cạnh ta có giá trị thiết kế sai số trung phương đo góc và sai số trung phương đo cạnh là:  2 ,1 " " inD K m    (1.46) n K m s  (1.47) với K lấy giá trị sai số hướng ngang của đường chuyền nhánh áp dụng đối với hầm cong, công thức (1.13), (1.14), (1.15). CHƯƠNG 2 Một số biện pháp nâng cao độ chính xác Khống chế trắc địa mặt bằng trong hầm 2.1 đặc điểm của khống chế trắc địa trong hầm Khống chế trắc địa trong hầm gồm khống chế mặt bằng và khống chế độ cao. Khống chế mặt bằng trong hầm thường được thành lập dưới dạng đường chuyền. Đường chuyền trong hầm trong hầm phải được thành lập với độ chính xác cần thiết và cùng chung hệ tọa độ thống nhất với khống chế trên mặt đất để chỉ hướng đào hầm, bố trí trục tim hầm, bảo đảm thông hầm đối hướng với độ chính xác quy định. Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4823 Điểm và phương vị khởi đầu của đường chuyền trong hầm là điểm và phương vị của lưới khống chế mặt đất ở cửa hầm hoặc được chuyền từ trên mặt đất xuống hầm qua giếng đứng, giếng nghiêng … đường chuyền trong hầm có những đặc đặc điểm: + Hình dạng của đường chuyền phụ thuộc vào hình dạng của đường hầm. + Đường chuyền trong hầm là đường chuyền nhánh được phát triển theo tiến độ đào hầm. Vì vậy không thể đo đường chuyền liền một lúc mà phải đo ở hai điểm cuối kề nhau trong quá trình phát triển, muốn kiểm tra phải đo lại. + Đường chuyền trong hầm được thành lập theo cách phân cấp từ độ chính xác thấp đến độ chính xác cao. Đường chuyền trong hầm phải thỏa mãn hai yêu cầu: Vị trí điểm đường chuyền phải ở gần gương hầm để tiện chỉ hướng đào hầm và bố trí gương hầm. Do vậy cạnh đường chuyền phải ngắn thì mới đáp ứng được nhu cầu này. Để hạn chế tích lũy sai số hướng ngang của đường chuyền ở mặt đào thông thì cần thành lập cạnh đường chuyền dài, số góc ngoặt phải ít. Để thỏa mãn hai yêu cầu trên thì đường chuyền trong hầm được thành lập 2 cấp. Đường chuyền thi công, có cạnh dài khoảng 20-80m Đường chuyền cạnh dài ,cạnh dài khoảng 80-600m Điểm của đường chuyền cấp cao là điểm của đường chuyền cấp thấp bỏ qua một số điểm trung gian như hình 2.1 C H - A Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4824 Hình 2.1 Lưới khống chế trắc địa trong hầm + Độ chính xác của phương vị khởi đầu của đường chuyền trong hầm có khi còn thấp hơn độ chính xác đo góc của đường chuyền. Sau khi đào thông hầm, hai tuyến đường nhánh tạo thành đường chuyền phù hợp. Khi bình sai đường chuyền phù hợp này phải xét tới sai số số liệu gốc. Tùy từng trường hợp cụ thể mà đường chuyền trong hầm có nguyên tắc thành lập thích hợp. + Đường chuyền trong hầm thành lập dọc theo trục tim hầm hoặc lệch tim hầm một khoảng thích hợp, có các cạnh xấp xỉ bằng nhau. Các điểm đường chuyền được chọn ở nơi an toàn, ổn định ít bị ảnh hưởng do thi công, điều kiện nhìn thông tốt, tia ngắm phải cách chướng ngại vật trên 0,2m. + Đối với đường hầm dài có tiết diện lớn có thể thành lập đường chuyền khép kín hoặc đường chuyền chính và đường chuyền phụ tạo thành vòng khép kín. Trong trường hợp có đường hầm dẫn song song với đường chuyền chính thì đường chuyền đơn trong hầm dẫn cùng với đường chuyền trong hầm chính tạo thành vòng khép để có điều kiện kiểm tra. 2.2 các phương pháp thành lập lưới mặt bằng trong hầm Đường chuyền trong hầm được thành lập để trực tiếp chỉ đạo đào thông hầm đối hướng do vậy tùy vào từng trường hợp cụ thể, có các phương pháp thành lập khác nhau: + Phương pháp thành lập đường chuyền bằng thước thép. Thành lập đường chuyền trong hầm bằng thước thép có độ chính xác cao nhưng quá trình thực hiện lại phức tạp ảnh hưởng tới quá trình thi công hầm. + Phương pháp thành lập đường chuyền trong hầm bằng máy toàn đạc điện tử tuy không chính xác bằng thành lập đường chuyền bằng thước thép nhưng rất tiện lợi ít cản trở quá trình đào thông hầm đối hướng. Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4825 2.3 các phương pháp nâng cao độ chính xác lưới không chế mặt bằng trong hầm 2.3.1 Nâng cao độ chính xác đo đạc Đường chuyền trong hầm được thành lập để chỉ hướng đào hầm , bố trí tim hầm, bảo đảm thông hầm đối hướng với độ chính xác quy định. Do vậy cần thiết kế độ chính xác đo đường chuyền trong hầm trong từng đoạn hầm đối hướng và có thể lấy độ chính xác cao nhất làm chỉ tiêu độ chính xác đo đường chuyền trong tất cả các đoạn đường hầm. Đối với hầm thẳng hoặc hầm cong có bán kính lớn thì sai số trung phương vị trí điểm cuối đường chuyền nhánh trong hầm được tính theo công thức: 3 5,122 2 2 22  nsnmnmM s   (2.1) Từ đó giá trị thiết kế của sai số trung phương đo góc và sai số trung phương đo cạnh như công thức 1.43, 1.44 trong chương1. Với đường hầm có bán kính nhỏ thì sai số trung phương điểm cuối được tính theo công thức:  2 ,12 2 22 ins D m nmM    (2.2) Công thức tính sai số trung phương đo góc và đo cạnh được tính theo công thức 1.46, 1.47 trong chương1. Ta thấy sai số trung phương đo góc và sai số trung phương đo cạnh ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến sai số trung phương điểm cuối của đường chuyền nhánh vì vậy càng nâng cao độ chính xác đo góc và đo cạnh thì càng đảm bảo độ chính xác thông hầm đối hướng. Do vậy để đảm bảo độ chính xác thông hầm đối hướng theo quy định thì cần lựa chon máy móc có giá trị sai số trung phương đo góc và đo cạnh có độ chính xác nhỏ hơn hoặc bằng giá trị thiết kế. Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4826 Qúa trình đo đạc đường chuyền trong hầm còn chịu ảnh hưởng của sai số định tâm máy và sai số định tâm tiêu .. Để giảm bớt sai số định tâm máy và định tâm tiêu thì nên dùng mốc định tâm bắt buộc. 2.3.2 Thiết kế một số dạng lưới mặt bằng trong hầm Tùy thuộc vào thiết kế của đường hầm mà đường chuyền trong hầm có thể được lập một cách khác nhau.Việc ước tính đường chuyền trong hầm được thực hiện như phần 1.4 của chương 1. Trong những năm gần đây, công nghệ đo đạc phát triển rất mạnh với sự ra đời của nhiều loại máy toàn đạc điện tử của nhiều hãng khác nhau trên thế giới. Có thể thành lập lưới khống chế mặt bằng trong hầm. Tuy nhiên đồ hình của lưới không đáp ứng được các yêu cầu của quy phạm như lưới khống chế trên mặt đất, tác dụng chủ yếu là tăng cường điều kiện kiểm tra đối với khống chế trắc địa trong hầm. Dưới đâylà một số dạng lưới khống chế mặt bằng trong hầm: Từ điểm khống chế trắc địa trên mặt đất ở cửa hầm , thiết kế đường chuyền trong hầm có dạng là đường chuyền nhánh đơn theo tiến độ đào hầm (hình 2.2). C H -A Hình 2.2 Đường chuyền nhánh đơn Từ điểm khống chế A ở cửa hầm, thiết kế đường chuyền có dạng là đường chuyền nhánh kép dọc theo hai thành đường hầm (hình 2.3). C H - A Hình 2.3 đường chuyền nhánh kép Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4827 Hình 2.4 là mô hình lưới đường chuyền trong hầm được thiết kế có dạng là đường chuyền tạo thành vòng khép kín. Thuận tiện cho việc kiểm tra độ chính xác về góc. C H - A Hình 2.4 Đường chuyền tạo thành vòng khép Khi đường hầm có hầm phụ được đào song song với hầm chính và thông với hầm chính thì lưới đường chuyền trong hầm được thiết kế có dạng khép như (hình 2.5) đường chuyền nhánh hầm chính thông với hầm phụ. C H - A Hình 2.5 Đường chuyền nhánh hầm chính thông với hầm phụ 2.4 Thiết kế đường chuyền trong hầm có đo thêm phương vị cạnh bằng máy con quay Dùng máy con quay không những có thể xác định phương vị khởi đầu mà còn có thể đo phương vị một số cạnh đường chuyền trong hầm để hạn chế tích lũy sai số đo góc, nâng cao độ chính xác hướng ngang đào thông hầm. 1. Giới thiệu tóm tắt về máy con quay a. Con quay Con quay là một vật rắn đối xứng tròn xoay có thể quay xung quanh trục đói xứng của nó. Con quay thường được chế tạo dưới dạng một cái vô lăng (vành quay) và phần lớn khối lượng của nó tập trung ở đây. con quay có thể quay với vận tốc cao xung quanh trục đối xứng của nó, cỡ 18000 đến 24000 vòng/phút. Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4828 Con quay có hai tính chất cơ bản: + Tính chất trục cố định: Trục con quay luôn giữ một phương không đổi trong không gian chừng nào chưa có ngoại lực tác dụng len nó. + Tính chất tuế động: Khi có mo men ngoại lực tác đông lên con quay, trục quay của con quay có hiện tượng tuế động (chuyển động tuế sai). Tự quay của trái đất có ảnh hưởng tới chuyển động của con quay. Nhưng khi con quay quay với vận tốc lớn ,dưới tác dụng của mô men trong lực, trục quay của con quay tuế động về hướng của mô men trọng lực, tức trục quay của con quay của con quay tuế động hướng về mặt phăng kinh tuyến. b. Sự phát triển của máy con quay Năm 1852, nhà vật lý học người pháp leon Foucault đã đề ra nguyên lý chỉ hướng bắc của con quay, nhưng do điều kiện kỹ thuật còn hạn chế nên đến đầu thế kỷ 20 nguyên lý ấy mới được ứng dụng lần đầu tiên trong nghành hàng hải. Trong trắc địa công trình, giữa thế kỷ 20 mới bắt đầu thí nghiệm nghiên cứu ứng dụng nguyên lý chỉ hướng bắc của con quay và có thể chia lam 4 thời kỳ: Vào nhưng năm 50, chủ yếu sử dụng loại máy con quay nổi trong dung dịch, trọng lượng của máy khoảng 250-640kg, thời gian một lân định hướng từ hai đến bốn giờ, độ chính xác một lần định hướng là  1’   1’30”. Vì máy quá nặng nên ít được sử dụng trong thực tế. Những năm 60 sử dụng kết cấu dây treo kim loại để treo hộp con quay (bộ phân nhạy) nên đã giảm trọng lượng của máy xuống còn 35-80kg, thời gian một lần định hướng giam xuống cong 30-60 phút, độ chính xác một lần định hướng là  10”   30”. Các loại máy tiêu biểu là: KT1, KT3, của cộng hòa liên bang Đức; Gi-B1, Gi-B2 của Hungari. Những năm 70, để ứng dụng hiệu quả máy con quay trong trắc địa công trình thì máy phải có thể tích nhỏ, trọng lượng nhẹ, thời gian đo gắn, tiện vận chuyển và sử dụng còn độ chính xác không nhất thiết phai cao nắm nên chế tạo loại con quay nhỏ lắp trên máy kinh vĩ. Loai máy này có TK4 của cộng hòa Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4829 liên bang Đức, GAK1 của thỵ sỹ, Gi-C11 của Hungari, trọng lượng của máy giảm còn 14-30kg, thời gian một lần định hướng khoảng 17 đến 40 phút, độ chính xác một lần định hướng là  20”   40”. Gần đây cộng hòa liên bang Đức đã chế tạo thành công máykinh vĩ con quay Gyromat đo tự động dựa trên nguyên lý tích phân và được điều khiển bằng máy tính điện tử, thời gian đo chỉ cần 10 phút, độ chính xác một lần định hướng đạt khoảng  2”   3”. Hãng MOM của Hungari cũng đã chế tạo được máy kinh vĩ con quay, mức độ tự động tương đối cao, độ chính xác một lần định hướng khoảng  2”   3”. 2. Giới thiệu về máycon quay hiện đại (GYROMAT) Trước đây, máy kinh vĩ con quay bao gồm phần trên là máy kinh vĩ, phần dưới là máy xác định phương vị bằng máy con quay. Máy Gyromat 2000, Gyromat 3000 được cấu tạo với phần trên là máy toàn đạc điện tử chính xác, phần dưới là máy con quay và càng ngày cạng hiện đại và có nhiều chức năng hơn (hình 2.7, 2.8) Hình 2.7 Gyromat 2000 Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4830 Hình 2.8 Gyromat 3000 a. Máy con quay Gyromat 3000 Trong trắc địa công trình hầm, độ chính xác của góc phương vị chuyền từ mặt đất xuống hầm có ý nghĩa rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác hướng ngang đào thông hầm đối hướng. Trên thế giới người ta rất quan tâm đến vấn đề này, và để đáp ứng nhu cầu trên, DMT của cộng hòa liên bang Đức đã cho ra đời dòng máy Gyromat 3000 dựa trên cơ sở máy Gyromat 2000 nhưng hiện đại hơn và cho độ chính xác cao hơn. Đặc điểm nổi bật nhất của dòng máy này là con quay hồi chuyển có khả năng đo đạc hoàn toàn tự động với độ chính xác cao. Thiết bị điện tử mới nhất, dung lượng bộ nhớ lớn, công nghệ kết nối không giây giữa các thiết bị của máy; màn hình hiển thị rộng nên rễ sử dụng, tiết kiệm thời gian, đo đạc nhanh, chính xác và kinh tế hơn trước đây. Máy Gyromat 3000 có thể đo hướng một cách chính xác ở bất kỳ khu vực nào của trái đất. Điều đó thực hiện nhờ vào con quay hồi chuyển quay rất nhanh, treo bên trong thiết bị. Trục của nó dao động quanh hướng bắc địa lý do kết quả của sự tương tác của con quay hồi chuyển, lực hút và sự quay của trái đất. Theo cách đó, một hệ thống quét quang- điện đặc biệt xác định hoàn toàn Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4831 tự động hướng bắc thực với độ chính xác cực cao . Điều quan trọng là máy làm việc nhanh, chỉ mất 10 phút để hoàn tất một phép đo theo một hướng với độ chính xác 1/1000 gon hoặc 10 đến 15 mm trên cạnh dài 1km (khoảng 2” đến 3” ). Ngoài ra Gyromat 3000 còn có thể tăng tốc độ sử lý bằng cách cung cấp một góc phương vị tham chiếu độc lập mà không cần đến GPS hoặc quan sát thiên văn. b. các đặc điểm nổi bật của máy Gyromat 3000 Pin hợp nhất đo được 25 đến 50 ca đo, trạm nạp điện điều khiển vi sử lý, thông minh với sự duy trì pin, không hoạt động khi để máy nghi lâu và tính năng tiếp tục các ca đo. 3 mã giao diện (RS 232) được nối với PC, máy toàn đạc điện tử hoặc các thiết bị khác. Điều khiển từ xa không dây và truyền dữ liệu qua cổng hồng ngoại (Bluetooth). Hai màn hình tạo thành một góc 1800 có thể hiển thị được nhiều dòng kết quả và bàn phím ngoài. Đo đạc hoàn toàn tự động không cần định hướng trước, hoạt động tương tác với các thiết bị khác, menu điều khiển tương tác với quá trình hoạt động. Chức năng kết hợp kiểm tra với các tiện ích trợ giúp, định dạng các thông số cho thiết bị. Tự động cung cấp hướng bắc thực. Trong lượng của máy Gyromat 3000 là 11,5kg. Nhiệt độ hoạt động trong khoảng -200C đến +500C. 3. Thiết kế đường chuyền trong hầm có đo thêm phương vị bằng máy con quay Khi dùng máy con quay xác định phương vị của một số cạnh đường chuyền trong hầm để hạn chế tích lũy sai số đo góc, nâng cao độ chính xác hướng Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4832 ngang đào thông hầm N n . s k . s s1 1 1 2 k i n - 1 n Hình 2.9 Đo phương vị con quay một số cạnh đường chuyền Đường chuyền trong hầm hình 2.9 gồm n cạnh, chiều dài cạnh trung bình là s . Trong trường hợp không đo thêm phương vị bằng máy con quay thì sai số trung phương hướng ngang của điểm cuối đường chuyền nhánh được tính theo công thức: 6 )2)(1().( 2 2 2 2 2 2 2  nnnsmsnmmq   (2.1) Trong đó: m là sai số trung phương của phương vị cạnh khởi đầu đường chuyền ; m là sai số trung phương đo góc đường chuyền Trong trường hợp đo thêm i góc phương vị con quay và phân bố đều trên đường chuyền thì sẽ tạo gia i đường chuyền phù hợp phương vị. Sai số trung phương hướng ngang của điểm cuối đường chuyền được tính theo công thức:     4 )21( 6 )12)(1( . 2 222 2 2 2    kkkkkkis m mq 6 )1)(2)(1)(()( 2 2 2 22 2 2  iknikniknsmiknsm i   (2.2) Trong đó   m m ; k là số lượng cạnh trong mỗi tuyến đường chuyền phù hợp. Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4833 Từ (2.2) tìm trị cực tiểu của m2q theo k (tức mq2=min), tính tỉ số k và n, để tìm được trị tối ưu đẻ đo phương vị con quay. Với các phương án thành lập đường chuyền khác nhau về tổng chiều dài cạnh trung bình, số lượng cạnh có thể tính toán và so sánh hiệu quả độ chính xác của đường chuyền có đo thêm một, hai và nhiều phương vị con quay .Kết quả cho thấy : Trong trường hợp  mm  tức 1 nếu đo thêm 1 hoặc hai phương vị con quay thì mức độ tăng độ chính xác hướng ngang tương đối lớn. Lúc đo thêm 1 phương vị con quay thì vị trí con quay ở 2/3 chiều dài đường chuyền là tốt nhất. Lúc đo thêm 2 phương vị con quay trở lên thì phân bố đều trên toàn bộ chiều dài của đường chuyền là tốt nhất. Trong trường hợp 4 , tác dụng của việc đo thêm phương vị con quay để nâng cao độ chính xác hướng ngang của điểm cuối đường chuyền là rất nhỏ. 2.5 nâng cao độ chính xác chiếu điểm xuống hầm Trong xây dựng đường hầm ,để tăng diên tích đào hầm và cải thiện điều kiện thi công đào hầm , người ta thường dùng biện pháp đào hầm bằng, giếng nghiêng, giếng đứng và đôi khi còn có cả lỗ khoan. Lúc đó để đảm bảo điều kiện đảm bảo đào thông hầm đối hướng với độ chính xác quy định, cần phảichuyền tọa độ phương vị và độ cao của lưới khống chế trên mặt đất xuống hầm qua giếng đứng để làm số liệu khởi tính cho lưới khống chế trong hầm. công việc đó gọi là đo liên hệ qua giếng đứng. Trong đó việc chuyền tọa độ và phương vị qua giếng đứng gọi là định hướng qua giếng đứng. Sai số chuyền tọa độ từ mặt đất xuống hầm làm cho điểm đường chuyền trong hầm bị dịch chuyển một lượng như nhau và ảnh hưởng của nó đối với độ chính xác hướng ngang đào thông hầm là một hằng số (hình 2.10). Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4834 Có thể chuyền tọa độ xuống hầm qua giếng đứng bằng 2 phương pháp phương pháp dùng dây dọi hay phương pháp dùng máy chiếu. 0 2 o1 mx my xm A C D E E'D' C'A' B B ' Hình 2.10 ảnh hưởng của sai số chuyền tọa độ 2.4.1 Chiếu điểm bằng dây dọi Chiếu điểm bằng dây dọi trong giếng đứng thường dùng quả dọi đơn, trọng ổn định. Trọng lượng của quả dọi và tiết diện của dây dọi tùy thuộc vào độ sâu của giếng và độ bền của dây thép. Để nâng cao độ chính xác của chiếu điểm cần phải quan trắc dao động của dây dọi nhằm xác định vị trí đứng yên của nó. 2.4.2 Phương pháp chuyền tọa độ từ mặt đất xuống hầm bằng máy chiếu 1. Giới thiệu về máy chiếu đứng PXL, ZL và NL Máy chiếu đứng quang học PZL và ZL (gọi là máy chiếu đứng ngược) máy chiếu đứng quang học NL (gọi là máy chiếu đứng xuôi) có cấu tạo tương tự như máy chiếu đứng ngược nhưng có hướng ngắm từ trên xuống. 2. Nguyên tắc hoạt động của máy chiếu Máy chiếu có cấu tạo là máy quang học có bộ tự cân bằng để tự động đựa trục ống kính trùng đường thẳng đứng. Hoạt động của bộ tự cân bằng của máy chiếu như sau: Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4835 Hình 2.11 Nguyên tắc hoạt động của bộ tự cân bằng Gỉa sử khi máy chiếu bị nghiêng đi một góc  (hình 2.11) khi máy chiếu đứng không có cơ cấu tự cân bằng thì số đọc trên lưới chiếu tọa độ sẽ sai lệch so với số đọc theo đường thẳng đứng một đại lượng là a. Khi máy chiếu đứng có bộ phận tự cân bằng thì chùm tia sáng sẽ hội tụ một đại lượng là a, số đọc trên lưới chiếu tọa sẽ đưa về vị trí đúng (tức là tương ứng với số đọc theo phương ngắm thẳng đứng). Dựa trên cơ sở này để chế tạo bộ tự cân bằng. Thực chất bộ tự cân bằng trong máy chiếu đứng quang học PZL là một năng kính vuông góc (hình 2.11c). Khi năng kính chuyển dịch theo phương cạnh huyền của nó một đại lượng bằng 2 a dẫn tới tia sáng chuyền qua năng kính sẽ dịch chuyển so với vị trí ban đầu một đại lượng bằng a. Nếu lăng kính vuông góc trên hệ thống con lắc có chiều dài 2 f thì khi máy nghiêng đi một góc  . Lăng kính vuông góc dưới tác dụng của trọng lực sẽ dịch chuyển theo hướng cạnh huyền một lượng: "2  fa  (2. 3 ) Lúc đó, tia sáng qua phản xạ trong lăng kính sẽ di chuyển một đại lượng bằng a. Hay nói cách khác, nhờ có bộ tự cân bằng mà ta vẫn nhận được trên lưới chiếu tọa độ tương ứng với tia ngắm thẳng đứng. a a a 2 a Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4836 Để đảm bảo độ chính xác đo đạc thì, trước khi sử dụng máy vào công tác chiếu điểm cần kiểm tra các điều kiện cơ bản : + Trục ống thủy dài vuông góc với trục quay của máy. + Tia ngắm quang học của máy phải thẳng đứng. + Trục ngắm của bộ phận định tâm quang học phải trùng với trục quay của máy. 3. Chuyền tọa độ từ mặt đất xuống hầm bằng máy chiếu đứng Hiện nay chủ yếu là máy chiếu đứng quang học và máy chiếu đứng lazer, qua khảo sát thì máy chiếu đứng quang học cho độ chính xác cao hơn. a. Nguyên lý chiếu điểm Định tâm máy chiếu trên điểm mốc đã có tọa độ. Cân bằng máy để đưa đường ngắm về vị chí thẳng đứng. ở độ cao cần chuyền tọa độ, đặt một tấm kính hoặc nhựa trong suốt kẻ lưới ô vuông (paletka) có chia vạch đến mmmm 11  , hình 2.12: Dựa vào lưới kẻ trên paletka để xác định vị trí của tâm chiếu theo trục X và trục Y. tâm chiếu được xác định nhiều lần, sau mỗi lần chiếu lại xoay đế máy đi 900, quá trình đo đạc được thực hiện theo chiều thuận chiều ngược kim đồng hồ, mỗi chiều đều có đo khép vòng. vị trí điểm ngược xác định theo giá trị Xi và Yi, trong đó: 2 1800 ' ii i XX X  ; 2 27090 ' ii i YY Y  (2.4) Khi chiếu điểm n lần thì ta có giá trị trung bình:   n X X itb '  ;   n Y Y itb '  (2.5) Sai số trung phương chiếu điểm được tính theo công thức:     1  n VVVV m YIYIXIxi (2.6) Với Vxi =X’i –Xitb ; Vyi=Y’i-Ytbi Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4837 Khi sử dụng máy chiếu đứng chiếu điểm từ mặt bằng móng lên các tầng cao gọi là chiếu thuận còn chiếu từmặt đất xuống hầm gọi là chiếu ngược, quy trình chiếu ngược thực hiện như sau: Xác định mốc cần chuyền tọa độ trên nền của giếng (điểm p) ở vị trí thuận lợi, định tâm máy chiếu đứng trên mốc P, cân bằng máy. Trên miệng giếng, thiết kế một giá đỡ tấm paleka (hình 2.13) sao cho tấm paletka có thể dịch chuyển được vào đường ngắm của máy chiếu đứng. Đọc số và tính tọa độ tâm chiếu P trên tấm paletka theo công thức (2.4), (2.5). Để tọa độ điểm đường chuyền trong hầm nằm trong hệ tọa độ của khống chế trên mặt đất phải xác định tọa độ của tâm chiếu O từ các điểm của lưới khống chế trên mặt đất gần miệng giếng bằng phương pháp tọa độ cực, phương giao hội…Đó cũng là tọa độ tâm mốc P dưới nền giếng đứng. Gía đỡ Tấm paletka O P B Hình 2.12 Chuyền tọa độ từ mặt đất xuống hầm bằng phương pháp chiếu chiếu thẳng đứng. b. Ước tính độ chính xác của phương pháp Thông số kỹ thuật của nhà sản suất thì sai số trung phương chiếu điểm của máy chiếu đứng PZL hoặc ZL là 1mm trên độ cao 100m. Các nguồn sai số khi chiếu điểm từ mặt đất xuống hầm bằng máy chiếu đứng quang học: Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4838 Sai số định tâm máy mđt Sai số đưa đường ngắm về vị trí thẳng đứng mc Sai số ngắm mn Sai số đọc trên lưới ô vuông mđ Sai số do ảnh hưởng của ngoại cảnh mnc Sai số trung phương tổng hợp dạng tổng quát là: 222222 ncdncdt mmmmmm  (2.7) Sai số trung phương xác định theo chiếu điểm thực nghiệm là: m=(0,27+0,0141H) (2.8) trong đó 0,27(mm) là sai số định tâm máy chiếu đứng bằng bộ phận định tâm quang học; H(m) là độ cao chiếu điểm. Từ công thức (2.8). Khi độ cao chiếu điểm là 100m thì sai số trung phương là 1,68mm, kết quả này sát với thực tế sản xuất Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4839 Chương3 Thiết kế và đo đạc lưới thực nghiệm 3.1 Giới thiệu mô hình đường hầm Mô hình đường hầm là một đường hầm thẳng dài khoảng 2km không có nối đào phụ có hai cửa hầm A và C, lưới khống chế trên mặt đất giả thiết được đo bằng công nghệ GPS nằm ở khu đô thị mới mỹ đình. Lưới có đồ hình như hình 3.1. Hình 3.1 Mô hình đường hầm thực nghiệm 3.2 Thiết kế lưới mặt bằng trong hầm 3.2.1 Độ chính xác cần thiết đo đường chuyền trong hầm Với mô hình đường hầm như hình 3.1. thì ta chọn hệ trục tọa độ có điểm gốc O trùng với điểm A, trục Y trùng với đường nối giữa hai cửa hầm. Ký hiệu các nguồn sai số ảnh hưởng tới độ chính xác hướng ngang đào thông hầm đối hướng đoạn hầm AC là m1, m4, m5, khi đó sai số trung phương hướng ngang cho phép của khống chế trên mặt đất Mqmđ: 2 1 2 mM qmd  (3.1) 2 5 2 4 2 1 mmmM q  (3.2) áp dụng nguyên tắc ảnh hưởng bằng nhau của các nguồn sai số thành phần, do đoạn hầm có chiều dài bằng 2km nên Mq=50mm (bảng 1.1), suy ra: mm M mmm q 29 3 50 3541  (3.3) Thay vào công thức (3.1): Mqmđ=29mm Gỉa thiết đường chuyền trong hầm có các cạnh xấp xỉ bằng nhau (S=340m). 2km CA▲ ▲ Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4840 Số cạnh đường chuyền nhánh trong hầm là: 3 340.2 1000.2 n Từ công thức (1.42), (1.43), (1.44) tính được  5,13 3 300000.3 206265.29 m  3 29 Sm Đường chuyền trong hầm cần được đo với sai số trung phương đo góc ≤và sai số trung phương đo cạnh ≤ 3.3.2 Lưói khống chế trắc địa mặt bằng trong hầm Đường chuyền trong hầm được thành lập với độ chính xác cần thiết để đảm bảo độ chính xác thông hầm đối hướng theo quy định. Với mô hình đường hầm được thiết kế như hình 3.1 thì có thể thiết kế đường chuyền trong hầm có dạng như sau: + Lưới đường chuyền nhánh đơn 3 T 21A X Y mặt đào thông + Đường chuyền nhánh kép mặt đào thông 1' 2' 1 2A Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4841 Đồ án Tốt Nghiệp Trắc địa công trình Sinh Viên : Vũ Văn Trung Lớp Trắc : Địa B K-4842