đồ án trắc địa công trình đồ án nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS để thành lập lưới khống chế thi công hầm

Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay ở trên thế giới và ở nước ta, các công trình dạng hầm được ứng
dụng rất nhiểu trong các lĩnh vực khác nhau như giao thông, thủy lợi, thủy
điện Công trình dạng hầm là một trong những dạng công trình có yêu cầu
độ chính xác cao. Do đó, công tác trắc địa trong đó cũng cần phải có những
yêu cầu riêng.
Thông thường, khi chúng ta thành lập lưới khống chế thi công theo phương
pháp truyền thống thì số lượng điểm khống chế là rất lớn, nhưng lại không hề
sử dụng hết tất cả các điểm trong lưới. Bởi lẽ trong quá trình thi công hầm
chúng ta chỉ sử dụng các điểm khống chế nằm ở các cửa hầm để phục vụ thi
công, như vậy sự xuất hiện của các điểm trung gian là không cần thiết và còn
gây lãng phí về mặt nhân lực cũng như mặt kinh tế. Vấn đề đặt ra là cần phải
có một phương pháp thành lập lưới khác phương pháp thành lập truyền thống
để giảm thiểu số lượng điểm khống chế và tận dụng tối đa các điểm khống
chế phục vụ cho công tác thi công.
Hiện nay ngoài các phương pháp truyền thống phục vụ cho công tác thành
lập lưới thì chúng ta còn có thể thành lập lưới bằng công nghệ GPS. Bởi lẽ
khi thành lập lưới bằng công nghệ GPS sẽ khắc phục được rất nhiều những
nhược điểm của công nghệ cũ mà chúng gặp phải khi thành lập lưới như khả
năng chọn điểm linh hoạt hơn, độ chính xác cao có thể cao … Tuy có nhiều
ưu điểm như vậy nhưng để có thể áp dụng vào công tác thành lập lưới khống
chế thi công hầm thì chúng ta cần phải nghiên cứu một cách kỹ lưỡng hơn.
Chính vì lý do đó nên tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ
GPS để thành lập lưới khống chế thi công hầm” làm đề tài tốt nghiệp của
mình. Đồ án này gồm có 3 chương:
Chương 1: Công tác trắc địa trong xây dựng đường hầm.
Chương 2: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS để thành lập lưới
không chế thi công hầm.
Chương 3: Thực nghiệm “Thiết kê lưới khống chế thi công công trình
hầm thủy điện Nậm Chiến – Sơn La”

Sinh viên: Tăng Quốc Cường 1 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
Sau một thời gian dài dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS.Trần Viết Tuấn,
các bạn đồng nghiệp cùng với sự nghiên cứu của bản thân thì đồ án đã được
hoàn thành. Do khả năng của bản thân và quá trình tiếp xúc với công nghệ
GPS còn hạn chế nên trong đồ án sẽ không thể tránh khỏi được các thiếu sót.
Rất mong nhận được những ý kiến đóng của thầy cô và các ban.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 3 năm 2012
Sinh viên thực hiện:
Tăng Quốc Cường
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 2 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
Mục Lục
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 3 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
Chương 1
CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM
1.1 CƠ SỞ TRẮC ĐỊA TRONG THI CÔNG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH HẦM
Nhiệm vụ chủ yếu của trắc địa trong thi công xây dựng đường 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 quá trình thi công cũng như trong quá trình sử dụng đường hầm.
Cơ sở trắc địa phục vụ xây dựng một công trình đường hầm là lập lưới
khống chế trắc địa trên mặt đất, chuyền tọa độ, phương vị và độ cao xuống
hầm qua các cửa hầm, lỗ 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 đường hầm, là cơ sở của lười khống chế trắc
địa trong hầm mà dựa vào sẽ tiến hành đào hầm, bố trí các kiến trúc bên trong
hầm và có thể tiến hành quan trắc cũng như kiểm tra hầm khi hầm được đưa
vào sử dụng.
Việc thành lập lưới khống chế mặt bằng trên mặt đất được hoàn thành
trước khi tiến hành 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 những năm 90 của thể kỷ
trước, nước ta đã bắt đầu ứng dụng công nghệ GPS để xây dựng lưới khống
chế mặt bằng trong thi công đường hầm, điển hình là hầm Hải Vân, lưới GPS
thi công đường hầm thủy điện A Vương… Các điểm chủ yếu của trục hầm sẽ
được nằm hoàn toàn trong lưới. Hệ tọa độ giả định của lưới khống chế thi
công hầm thường lấy trục Y trùng với trục hầm là hầm thẳng hoặc trục Y
trùng với tiếp tuyến tại điểm đào thông hầm nếu hầm cong.
Thành lập lưới khống chế mặt bằng trên mặt đất bằng công nghệ GPS có
ưu tiên vượt trội so với lưới trắc địa truyền thống, chỉ cần từng cặp điểm
thông hướng với nhau và thông thoáng với bầu trời, độ chính xác cao, đồ hình
linh hoạt, đo nhanh, chi phí thấp nên công nghệ GPS ngày càng được sử dụng
rộng rãi.
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 4 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
1.1.2 Định hướng cơ sở trắc địa trong hầm
Việc chuyền tọa độ và phương vị từ hệ thống khống chệ mặt bằng trên
mặt đất xuống hầm để tạo số liệu khởi tính cho cơ sở trắc địa trong hầm gọi là
định hướng cơ sở trắc địa trong hầm, hoặc còn gọi là đo liên hệ hoặc đo nối.
Qua đó làm cho lưới khống chế mặt bằng trong hầm có cúng quan hệ tọa độ
với lưới không chế trên mặt đất.
Có thể định hướng qua cửa hầm hoặc lối đao phụ 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, phía trên có giếng đứng thì có thể định

hướng đường hầm qua giếng đứng bằng phương pháp tam giác liên hệ hoặc
kinh vĩ con quay để 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 địa trong
hầm được xây dựng dưới dạng lưới đường chuyền. Đường chuyền trong hầm
có những đặc điểm sau:
- Hình dạng 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 toàn bộ đường chuyền cùng một lúc mà
phải đo ở hai điểm cuối kề nhau trong quá trình phát triển, muốn kiểm tra ta
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 sau:
- Vị trí điểm đường chuyền phải nằm gần gương hầm để tiện chỉ hướng đào
hầm và bố trí kiến trúc hầm.
- Sai số hướng ngang của đường chuyền ở mặt đào thông không được vượt quá
gí trị quy định.
Để đảm bảo yêu cầu thứ nhất, canh đường chuyền phải ngắn, số điểm
đo góc ngoặt nhiều. Để đảm bảo yêu cầu thứ hai, cạnh đường chuyền phải dài
và số góc ngoặt ít. Vậy để thỏa mãn hai yêu cầu trên, đường chuyền trong
hầm được thành lập làm 4 cấp ( kể cả đường truyền tiệm cận):
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 5 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
1. Đường chuyền tiệm cận:
Trong trường hợp giếng đứng được đào lệnh sang một bên của đường
hầm thì cần thành lập đường chuyền tiệm cận để dẫn tọa độ và phương vị từ
lưới không chế trên mặt đất xuống đường hầm chính. Đường chuyền tiệm cận
được thành lập trong đường hầm tiệm cận.

2. Đường chuyền thi công:
Được thành lập với cạnh ngắn (Khoảng 25-50 m) để tiện chỉ đạo đào
hầm theo tiến độ thi công hầm. Mục đích của đường chuyền thi công là để
thuận lợi cho công tac bố trí trục tim hầm tại gương hầm và bố trí tiết diện của
gương hầm tuy nhiền đường chuyền thi công có nhược điểm là cạnh ngắn nên
phải chuyền phương vị qua nhiều cạnh, điều này dẫn đến phương vị cạnh cuối
sẽ tích lũy sai số đo góc và gây ra sai số dịch vị ngang ở điểm cuối đường
chuyền. Vì vậy, nếu sử dụng điểm cuối này để bố trí tiếp trục tim hầm thì sẽ
không đảm bảo độ chính xác phương vị cho đoạn hầm tiếp theo.
3. Đường chuyền cơ bản:
Khi hầm đã đào được một đoạn dài, đường chuyền thi công gồm nhiều
cạnh ngắn sẽ không đảm bảo độ chính xác về phương vị. Lúc đó cần thành lập
đường chuyền cơ bản 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
cơ bản có chiều dài cạnh khoảng 50-100 m.
4. Đường chuyền chủ yếu:
Khi đường hầm dài hoặc khoảng cách giữa các giếng đứng quá xa, để
tăng độ chính xác chuyền phương vị từ cạnh khởi đầu đến cạnh kề gương
hầm, người ta lập đường chuyền chủ yếu trên cơ sở các điểm của đường
chuyền cơ bản nhưng có cạnh dài hơn, khoảng cách các cạnh 150-800 m.
1.1.4 Thành lập hệ thống khống chế độ cao
Trục đường hầm và các kiến trúc trong hầm được xác định và bố trí
trong không gian ba chiều. Để đảm bảo thông hầm đối hướng, xây dựng các
công trình kiến trúc của hầm, 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:
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 6 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
1. Không chế độ cao trên mặt đất:
Thành lập tuyến thủy chuẩn xuất phát từ điểm thủy chuẩn nhà nước và

có thể tạo thành lưới. Mục đích để kết nối các điểm độ cao giữa các cửa hầm
vào cùng một hệ thống độ cao thống nhất, đảm bảo tính quy hoạch của dự án
trong tổng thể chung. Tại các cửa hẩm và gần miệng giếng đứng cần hai điểm
mốc độ cao.
Độ chính xác của điểm độ cao trên mặt đất tùy thuộc vào yêu cầu độ
chính xác đào thông hầm, chiều dài đường hầm, sai số cho phép lắp đặt thiết
bị trong hầm và yêu cầu độ chính xác đo biến dạng… Vì vậy buộc phải dẫn
thủy chuẩn hình học, cấp độ đo cao tùy thuộc theo mỗi công trình. Những dự
án quan trọng ta cần đo với độ chính xác của thủy chuẩn hạng II, còn đối với
những dự án thông thường thì chỉ cần đo với độ chính xác của thủy chuẩn
hạng III là đạt yêu cầu.
2. Chuyền độ cao từ mặt đất xuống hầm:
Mục đích là kết nối hệ thống độ cao trên mặt đất cà độ cao trong hầm.
Từ càc 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.
3. Khống chế độ cao trong hầm:
Chủ yếu thành lập đường chuyền thủy chuẩn hạng IV từ các mốc độ
cao ở các cửa hầm hoặc giếng đứng để dẫn độ cao đến các điểm đường
chuyền thi công nhằm hai mục đích: thông hầm và bố trí kiến trúc hầm.
1.2 SAI SỐ ĐÀO THÔNG HẦM VÀ CÁC HẠN SAI CHO PHÉP
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 hàm bao gồm
sai số do trắc địa, do thi công, do thiết kế… ở đây ta 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 đo 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 gặp nhau chính xác tuyệt dối 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).

Sinh viên: Tăng Quốc Cường 7 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
▲ ▲
Trục hầm sau khi điều chỉnh
∆A B
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
Hình 1.1. Sai số đào thông hầm trong mặt phẳng nằm ngang.
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 8 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
H
∆
∆q
H
X
A
P1
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 9 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
Hình 1.2. Sai số thông hầm trong không gian.
+ Hình chiếu của ∆ trên hướng trục tim hầm được gọi là sai số hướng
dọc, ký hiệu là ∆
l
, sai số trung phương tương ứng là M
l
. Sai số này phải nằm
trong phạm vi nhất định:
M
l
: sai số trung phương hướng dọc
L: chiều dài đoạn hầm đào đối hướng (m)
- Hình chiếu của ∆ trên hướng vuông góc với trục hầm trong mặt phẳng ngang

gọi là sai số hướng ngang, ký hiệu là ∆
q
, sai số trung phương tương ứng là M
q
.
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 lại
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 là M
h
.Sai số độ cao cũng quan trọng như sai số
hướng ngang nhưng với kỹ thuật đo cao hiện nay dễ dàng đáp ứng được yêu
cầu về độ chính xác độ cao.
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 phương hướng ngang và sai số trung phương độ
cao cho phép đào thông hầm đối hướng.
Chiều dài đoạn hầm đào đối
hướng (km)
≤4 4÷8
8÷1
0
10÷1
3
13÷1
7
17÷2

0
Sai số trung phương hướng ngang
M
q
(mm)
50 75 100 150 200 250
Sai số trung phương độ cao M
h

(mm)
25
1.2.1 Các nguồn sai số thông hầm và nguyên tắc phân phối
Sai số đào thông hầm chủ yếu là sai số của khống chế trên mặt đất, sai
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 cáng nguồn sai số ảnh hưởng
đến độ chính xác hướng ngang đào thông hầm đối hướng.
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 10 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
1. Các nguồn sai số ảnh hưởng tới độ chính xác hướng ngang đào thông hầm
a. Đối với đường hầm thẳng
Các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác hướng ngang đào thông
hầm đối hướng:
- Sai số trung phương hướng ngang của khống chế trắc địa mặt đất, ký hiệu là
m
1
.
- 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

ngiêng hoặc hầm phụ dài) thì sai số hướng ngang của định hướng qua giếng
đứng ký hiệu là m
2
.
+ Nếu định hướng qua hai giếng đứng thí có sai số hướng ngang của
định hướng qua hai giếng đứng, ký hiệu là m
2
và m
3
.
- Sai số trung phương hướng ngang của khống chế trắc địa trong hầm, ký hiệu
là m
4
và m
5
.
Với giả thiết các nguốn 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:
Đối với đoạn hầm được định hướng qua một cửa hầm và một giếng
đứng:
Đối với đoạn hầm được định hướng qua hai giếng đứng:
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 (1.2), (1.3), (1.4), phải
thay bằng sai số trung phương tổng hợp hướng ngang và hướng dọc của các
nguồn sai số tương ứng là ( i= 1,2,3,4,5). Với giả thiết sai số trung phương
hướng dọc bằng sai số trung phương hướng ngang, ta có:

Sinh viên: Tăng Quốc Cường 11 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
(1.4)
(1.3)
(1.2)
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 12 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
(1.5)
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
2. Các nguồn sai số ảnh hưởng tới độ chính xác về dộ cao đào thông hầm
Phân tích tương tự như trên, 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, ký hiệu là m
h1
- 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 m
h2
.
+ Nếu chuyền độ cao qua hai giếng đứng, ta có m
h2
và m
h3
.
- Sai số của khống chế độ cao trong hầm, tức sai số của hai tuyến thủy chuẩn
nhánh trong hầm, ký hiệu là m
h4
và m
h5

.
Với giả 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 sử
dụng công thức sau:
Với đoạn hầm được chuyền độ cao qua hai cửa hầm:
Với đoạn hầm được chuyền độ cao qua một cửa hầm và một giếng
đứng:
Với đoạn hầm được chuyền độ cao qua hai giếng đứng:
3. Nguyên tắc phân phối sai số
Trong quá trình tính toán ta 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:
a. Nguyên tắc ảnh hưởng bằng nhau:
Nếu điều kiện thực tế cho thấy các nguồn sai số thành lập độ 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 (1.2), (1.3), (1.4), ta có:
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 13 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
(1.6)
(1.7)
(1.8)
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
- Với đường hầm thẳng ta có công thức tương ứng:
- Với đường hầm cong ta có công thức tương ứng:
Trong đó M
q
là sai số trung phương hướng ngang cho phép đào thông
thầm đối hướng (Bảng 1.1)
Từ đó, tùy thuộc vào số mặt đào thông hầm mà ta có được ảnh hưởng
tổng hợp của sai số khống chế mặt đát đến sai số hướng ngang đào thông

hầm.
Với i, j, k là số thứ tự đoạn hầm đào thông đối hướng
b. Nguyên tắc ảnh hưởng không bằng nhau:
Nếu dựa vào điều kiện thực tế như dạng lưới thiết kế, máy móc thiết bị
hiện có, phương pháp đo… ta có thể dự tính trước ảnh hưởng của một số
nguồn sai số thành phần sau đó ta thay số liệu đó vào về phải của công thức
(1.2), (1.3), (1.4) và áp dụng nguyên tắc đồng ảnh hưởng bằng nhau cho các
nguồn sai số còn lại để tính.
1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG
HẦM
1.3.1 Phương pháp thành lập lưới truyền thống
1. Lưới tam giác đo góc
Trước đây khi chưa xuất hiện các máy đo dài thì phương pháp tam giác
đo góc là phương pháp chủ yêu trong việc thành lập các mạng lưới khống chế
mặt bằng. Loại lưới này có ưu điểm và nhược điểm như sau:
- Ưu điểm:
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 14 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
(1.9)
(1.10)
(1.11)
(1.12)
(1.13)
(1.14)
(1.15
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
Lưới tam giác đo góc có nhiều trị đo thừa, tạo điều kiện cho việc kiểm
tra các sai lầm trong quá trình đo đạc, đồng thời góp phần nâng cao độ chính
xác của lưới.
- Nhược điểm:
+ Việc đo góc thường chịu ảnh hưởng nhiều của môi trường đặc biệt là

ảnh hưởng của chiết quang ngang. Các tia ngắm khi đi qua khu vực có địa vật
đặc biệt (nhà cao tầng, ống khói nhà máy…) sẽ chịu ảnh hưởng của chiết
quang cục bộ. Để giảm ảnh hưởng của loại chiết quang này đến kết quả đo
góc, ta nên bố trí lưới tam giác sao cho các tia ngắm cách xa các chướng ngại
vật này.
+ Hình dáng của tam giác trong lưới cũng cần được thiết kế sao cho gần
với tam giác đều nhất để nâng cao độ chính xác của kết quả đo. Đây là một
trở ngại rất lớn gây khó khăn cho công tác chọn điểm.
+ Độ chính xác của lưới tam giác đo góc không cao ( sai số vị trí điểm,
sai số chiều dài của cạnh đo lớn).
2. Lưới tam giác đo cạnh
Sự ra đời của các thế hệ máy toàn đạc điện tử cho phép đo cạnh với độ
chính xác cao, đã cho phép thành lập lưới trắc địa công trình theo phương
pháp đo cạnh một cách thuận tiện, linh hoạt và nhanh chóng với độ chính xác
cần thiết.
Tuy nhiên, lưới tam giác đo cạnh cũng có một số nhược điểm sau:
+ Số lượng trị đo thừa trong lưới ít
+ Độ chính xác xác định phương vị thấp
+ Các góc trong lưới có độ chính xác không đồng đều ( Các góc càng
nhọn thì độ chính xác càng cao)
3. Lưới tam giác đo góc – cạnh
Ở trên chúng ta đã phân tích những ưu điểm và nhược điểm của lưới
tam giác đo toàn góc và toàn cạnh. Để khắc phục những nhược điểm của hai
phương pháp đó ta thành lập lưới thi công theo phương pháp tam giác đo góc
– cạnh. Trong lưới đo góc – cạnh, có thể đo tất cả hoặc chỉ đo một số góc và
cạnh nhất định trong lưới. So với lưới tam giác đo góc và cạnh, lưới tam giác
đo góc – cạnh có đồ hình chặt chẽ, ít phụ thuộc hơn vào kết cấu hình học của
lưới, giảm đáng kể sự phụ thuộc giữa dịch vị dọc và dịch vị ngang, đảm bảo
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 15 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp

kiểm tra chặt chẽ các trị đo góc và cạnh. Khi bình sai lưới đo góc – cạnh nảy
sinh vấn đề lựa chọn quan hệ giữa sai số đo góc và đo cạnh. Quan hệ này
được coi là hợp lý khi đảm bảo điều kiện:
Trong thực tế người ta cố gắng đảm bảo quan hệ này trong phạm vi:
Do đó, trong trắc địa công trình nói chung hay trắc địa công trình
đường hầm nói riêng người ta thường thành lập lưới tam giác đo góc cạnh.
Đặc biệt lưới được dùng làm lưới khống chế mặt đất trong thi công các công
trình hầm thường được thiết kế dưới dạng chuỗi tam giác đơn như hình dưới
đây. Trong đó O và C là hai cửa hầm và O được chọn làm gốc hệ tọa độ giả
định.
x
y
Hình 3. Lưới tam giác
Các nguyên tắc thành lập lưới tam giác:
- Chuỗi tam giác nên có dạng duỗi thẳng dọc theo đường hầm. Đối với đường
hầm cong, các điểm đầu và cuối của đường cong, điểm ngoặt trên các đoạn
thẳng phải được bao gồm trong chuỗi tam giác.
- Số lượng hình tam giác và số lượng điểm khống chế trên đường tính chuyền
nên là ít nhất.
- Có thể giảm được các yêu cầu đối với tam giác trong lưới (ví dụ: không cần
phải thỏa mãn quy định góc đối diện với cạnh tính chuyền chiều dài phải lớn
hơn 30
o
).
Đối với đường hầm thẳng và đường hầm cong loại 1, “giá trị ảnh
hưởng” sai số đo lưới tam giác đối với độ chính xác hướng ngang đào thông
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 16 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
5
3
1

P
C
6
4
2
C
7
O
P
O
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
hầm không có liên quan đến vị trí điểm khởi tính, hướng khởi đầu và cạnh
đáy.
Đối với đường cong loại 2, “giá trị ảnh hưởng” có quan hệ đến vị trí và
số lượng cạnh đo. Khi X
C
– X
O
càng lớn thì ảnh hưởng sai số đo cạnh đến độ
chính xác hướng ngang đào thông hầm càng lớn. Vì vậy khi thiết kế mặt đào
thông hầm cần lưu y sao cho góc tạo thành giữa đường thẳng OC và trục Y
thật nhỏ gần như đường hầm cong loại 1.
4. Lưới đường chuyền mặt đất
Lưới đường chuyền trên mặt đất thường sử dụng hai dạng: đường
chuyền phù hợp và đường chuyền khép kín. Trong thực tế lưới đường chuyền
thường có dạng đường chuyền phù hợp liên kế hai cửa hầm và bao gồm các
điểm cơ bản của trục hầm như giếng đứng, giếng nghiêng, tiếp đầu, tiếp cuối,
điểm chuyển hướng của đoạn hầm cong. Ngoài ra người ta còn bố trí thêm
một vài điểm phụ (lập đường chuyền phụ) nhằm liên kết đo nối khép góc
đường chuyền.

Lưới đường chuyền trên mặt đất được bố trí như vậy nhằm tăng điều
kiện kiểm tra và nâng cao độ chính xác đo góc trong đường chuyền. Cùng với
đó sẽ làm giảm ảnh hưởng sai số đo góc đối với độ chính xác hướng ngang
đào thông hầm.
Tuy nhiên lưới đường chuyền trên mặt đất được bố trí tùy tuộc vào điều
kiện địa hình và dạng đường hầm để giảm sai số hướng ngang đào thông hầm.
Cụ thể:
- Đối với đường hầm thẳng: Thành lập đường chuyền dọc theo trục hầm, số
lượng điểm không nên quá nhiều để giảm sai số đo góc đường chuyền.
- Đối với hầm cong: Đường chuyền có dạng duỗi thẳng nối hai điểm của cửa
hầm.
Sai số đường chuyền là tổng hợp sai số đo cạnh và sai số đo góc của
đường chuyền. Tuy hai nguồn sai số này cùng ảnh hưởng trực tiếp đến kết
quả đo nhưng chúng lại độc lập ảnh hưởng đến độ chính xác đào thông hầm.
1.3.2 Phương pháp thành lập lưới khống chế thi công bằng công
nghệ GPS
Đối với lưới được thành lập bằng công nghệ GPS thì các điểm được
chọn sẽ được đặt trước cửa hầm. Tùy theo từng loại hầm mà ta có các phương
pháp chọn điểm khác nhau:
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 17 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
- Đối với hầm thẳng, trên đó không có giếng đứng hoặc giếng nghiêng thì các
điểm được chọn sẽ nằm ngay trên trục tim hầm, ngoài ra ở mỗi cửa hầm sẽ
được bố trí thêm hai điểm định hướng. Các điểm được đặt trước cửa hầm cần
đảm bảo yêu cầu thông hướng giữa chúng ( thường cách nhau khoảng từ 300-
500 m).
- Đối với hầm cong, các điểm chủ yếu như điểm đầu, điểm cuối và hai điểm
trên mỗi tiếp tuyến của đường cong cũng phải là điểm lưới GPS. Kết cấu đồ
hình lưới GPS phải theo nguyên tắc “ mỗi điểm trong lưới ít nhất được đặt
trạm đo hai lần độc lập”, ngoài ra còn tùy thuộc vào yêu cầu độ chính xác cần

thành lập, số lượng máy thu GPS và kinh phí thành lập của lưới.
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 18 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
§o¹n sö dông
(User Segment)
§o¹n ®iÒu khiÓn
(Control Segment
)
C¸c tr¹m gi¸m s¸t
(Monitor Stations)
§o¹n kh«ng gian
(Spase Segment)
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
Chương 2
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỂ THÀNH LẬP LƯỚI
KHÔNG CHẾ THI CÔNG HẦM
2.1 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
Hệ thống định vị toàn cầu có tên gọi đầy đủ là NAVSTAR GPS là tên
viết tắt của Navigation Satelite Timing and Ranging Global Positioning
System. Hệ thống này được xây dựng từ năm 1973 bao gồm có 32 vệ tinh
hoạt động trên 6 quỹ đạo. Trước năm 1980, hệ thống này chỉ dùng cho mục
đích quân sự của Mỹ nhưng từ sau năm 1980 thì chính phủ Mỹ đã cho phép
sử dụng hệ thống này vào mục đích dân sự. Cũng từ đó đến nay hệ thông GPS
đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong có trắc địa.
2.1.1. Cấu trúc hệ thống GPS
Hệ thống GPS bao gồm 3 bộ phận chính cấu thành đó là:
- Đoạn không gian
- Đoạn điều khiển
- Đoạn sử dụng
Hình 2.1 Các thành phần của hệ thống GPS
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 19 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3

Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
2.1.2. Các nguyên lý định vị GPS
Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo. Tùy thuộc vào đặc điểm cụ
thể của việc xác định tọa độ người ta chia thành 2 loại định vị cơ bản: định vị
tuyệt đối và định vị tương đối.
1. Định vị tuyệt đối
Định vị tuyệt đối là bài toán giao hội nghịch không gian khi biết tọa độ
của các vệ tinh và khoảng cách tương ứng đến máy thu (khoảng cách đo
được giữa vệ tinh và máy thu không phải là khoảng cách chính xác mà là
khoảng cách giả).
2. Định vị tương đối
Định vị tương đối đối là việc sử dụng tối thiểu hai máy thu tín hiệu vệ
tinh đông thời và kết quả của phương pháp này không phải là tọa độ điểm
mà là vector không gian nối hai điểm đặt máy thu hay là các thành phần gia
số tọa độ (δX, δY, δZ) hoặc (δB, δL, δH)của hai điểm trong hệ tọa độ
WGS-84. Đây cũng là điểm khác biệt so với phương pháp định vịnh tuyệt
đối.
2.1.3 Các phương pháp đo GPS
1. Đo GPS tuyệt đối
Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định
ngay ra tọa độ của điểm quan sát trong hệ tọa độ WGS-84. Đó có thể là các
thành phần tọa độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần tọa độ
mặt cầu (B, L, H). Phương pháp này được thực hiện giữa trên cơ sở sử dụng
nguyên lý định vị tuyệt đối và chỉ sử dụng một máy thu tín hiệu vệ tinh.
2. Đo GPS tương đối.
Đo GPS tương đối sử dụng nguyên lý định vị tương đối. Sử dụng nhiều
máy thu cùng một lúc. Độ chính xác của phương pháp này rất cao do loại trừ
được nhiều nguồn sai số gặp phải khi tiến hành xác định tọa độ ngoài thực
địa. Tùy theo quan hệ của các trạm đo với nhau mà người ta phân chia ra các
phương pháp khác nhau trong đo GPS tương đối:

a. Đo tĩnh (Static):
Phương pháp đo tĩnh được sư dụng để xác định hiệu tọa độ giữa hai
điểm xét với độ chĩnh xác cao, thường được sử dụng trong công tác trắc địa -
địa hình. Trong trường hợp này cần có hai máy thu, một máy đặt tại điểm đã
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 20 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
biết tọa độ, còn máy còn lại sẽ đặt tại điểm cần biết tọa độ. Cả hai máy phải
đồng thời thu tín hiệu của một số vệ tinh chung liên tục trong một khoảng thời
gian nhất định tạo thành ca đo đồng bộ. Số vệ tính chung tối thiểu cho cả hai
trạm quan sát là 3, nhưng thường được lấy nhiều hơn để đề phòng trường hợp
thu tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn. Khoảng thời giann quan sát phải kéo dài đủ
để cho đồ hình phân nố vệ tinh thay đổi mà từ đó ta có thể xác định được số
nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời là để có nhiều trị đo nhằm nâng cao độ
chính xác và độ ổn định cho trị đo.
Khi quyết định khoảng thời gian thu tín hiệu trong từng ca đo cần căn
cứ vào:
- Chiều dài cạnh cần đo
- Số lượng vệ tinh có thể quan sát
- Đồ hình của vệ tính
- Độ ổn định của tín hiệu vệ tính thu được
Thông thường khi vệ tinh càng nhiều thì đồ hình vệ tinh dàng tốt và
thời gian thu tín hiệu có thể rút ngắn hơn. Thời gian thu tín hiệu cũng có thể
rút ngắn đối với cạnh đo có chiều dài ngắn. Bảng sau đây thể hiện khoảng
thời gian đo hợp lý cho tưng trường hợp thu tín hiệu từ 4 vệ tinh trở lên với
điều kiện khí tượng bình thường.
Bảng 2.1 Thời gian đo cho từng ca đo tương ừng với chiều dài
Đây là phương pháp cho phép đạt độ chính xác cao nhất trong việc định
vị tương đối bằng GPS, độ chính xác có thể cơ centimet hoặc thậm chí còn
đến mm ở khoảng cách giữa hai điểm tới hàng chục và hàng trăm km. Nhược
điểm chủ yếu là thời gian đo phải kéo dài lâu dẫn đến năng suất không cao.

b. Đo tĩnh nhanh ( Fast Static):
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 21 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
Phương pháp đo tĩnh nhanh lại đòi hỏi về cầu hình phần cứng của máy
và thời gian đo. Đây cũng là hai yếu tố để dễ dàng phân biệt phương pháp này
với các phương pháp đo GPS khác.
c. Đo động (Kinematic):
Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đồi của hàng loạt
điểm so với điểm đã biết, trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong
một vài phút thầm chí vài giây.
Đối với phương pháp này chúng ta cần có tối thiểu là hai máy thu và
hai máy này (gồm máy cố định và máy đi động) phải đồng thời liên tục thu tín
hiệu từ vệ tinh trong suốt chu kỳ đo. Vì lý do đó nên tuyến đo phải được bố trí
ở khu vực thoáng đãng không để xảy ra tình trạng tín hiệu thu bị gián đoạn.
Nếu tín hiệu thu bị gián đoạn phải tiến hành khởi đo lại cạnh đáy xuất phát
hoặc sử dụng một cạnh đáy khác được thiết lập dự phòng.
2.1.4 Các nguồn sai số trong đo GPS
Bảng 2.2 Các nguồn sai số trong đo GPS
Nguồn sai số Nguyên nhân
Sai số do hệ thống
- Sai số của đồng hồ
- Sai số của quỹ đạo vệ tinh
- Sai số do các mã gây nhiễu
- Sai số do đồ hình vệ tinh
Sai số do môi trường
- Chiết quang tầng Ion
- Chiết quang tầng đối lưu
Một số nguồn sai số khác
- Lệch pha anten
- Hiện tượng đa đường dẫn

- Sai do con người
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 22 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
2.2 ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐỂ THÀNH LẬP LƯỚI THI CÔNG
CÔNG TRÌNH HẦM
2.2.1. Thành lập lưới khống chế thi công hầm bằng công nghệ GPS
Khắc phục được những nhược điểm của các phương pháp thành lậplưới
khống chế truyền thống như: khó khăn trong việc thông hướng, kết cấu đồ
hình không linh hoạt, số lượng điểm nhiều Thì công nghệ GPS đã cho thấy
đươc sự ưu việt của nó trong công tác xây dựng lưới:
- Cho phép xác định trực tiếp các thành phần tọa độ không gian với độ
chính xác cao
- Linh hoạt trong công tác bố trí chọn điểm, rút ngắn thời gian đo
- Khả năng tự động hóa cao, cả trong nội nghiệp và ngoại nghiệp
- Giảm nhân công, giá thành và thời gian thi công
Khi áp dụng công nghệ GPS vào việc thành lập lưới thi công công trình
hầm thì số lượng điểm khống chế tại mỗi cửa hầm luôn luôn phải ít nhất 3
điểm. Khoảng cách từ các điểm khống chế này tời điểm cửa hẩm tối thiểu là
300 (m).
2.2.2. Một số ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới khống
chế thi công hầm ởi nước ta
Từ những thập niên 90 của thế kỷ trước, nước ta đã bắt đầu ứng dụng
công nghệ GPS để xây dựng lưới khống chế mặt bằng trong thi công đường
hầm. Điển hình như:
- Lưới khống chế thi công hầm đường bộ: hầm đường bộ đèo Hải Vân
- Lưới khống chế thi công hầm thủy điện: Hầm thủy điển A Vương, hầm thủy
điện Bản Cốc, hầm thủy điện Quảng Trị
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 23 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
2. 3 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ ƯỚC TÍNH ĐỘ CHÍNH XÁC LƯỚI

GPS ĐỂ THÀNH LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG HẦM
2.3.1. Thiết kế lưới GPS cho công trình hầm
1. Thiết kế độ chính xác
Đây là một khâu rất quan trọng của trắc địa. Dựa vào chiều dài của các
đoạn hầm đối hướng và sai số hướng ngang cho phép trong Bảng 1.1 ta sẽ
tính được các giá trị ảnh hưởng cho từng đoạn hầm và tính được ảnh hưởng
tổng hợp của lưới khống chế trên mặt đất. Từ đóa tính ra sai số cho phép xác
định mặt bằng trong lưới khống chế trên mặt đất.
2. Thiết kế gốc lưới GPS
Kết quả đo GPS là vector đường đáy – số gia tọa đô không gian 3 chiều
trong hệ tọa độ WGS-84. Còn thực tế tọa độ cần dùng lại trong hệ tọa độ địa
phương hay độc lập. Do đó, khi thiết kế lưới GPS phải xác định rõ kết quả
GPS dung trong hệ tọa độ và số liệu gốc nào, tức là phải thiết kế gốc lưới
GPS. Gốc của lưới GPS bao gồm vị trí gốc, phương vị gốc và chiều dài gốc.
Phương vị gốc thường lấy là phương vị khởi tính đã cho hoặc cũng có thể là
phương vị của vector đường đáy GPS. Kích thước gốc thường được lấy là
cạnh đo bằng máy đo dài mặt đất hoặc khoảng cách giữa các điểm khởi tính
hoặc có thể lấy luôn chiều dài vector đường đáy GPS. Vị trí gốc lưới thường
được xác định từ tọa độ điểm khởi tính đã cho. Do vậy, thiết kế gốc lưới GPS
thực tế là xác định gốc của lưới GPS.
3. Điều kiện đặc trưng của lưới GPS
- Số ca đo được tính theo công thức: C =
N
mn.
=
N
K
(2.1)
Trong đó C: số ca đo
n: số điểm trong lưới

m: số lần đặt máy trung bình tại mỗi điểm
K: tổng số lần đặt máy thu
N: số máy thu
- Tổng số đường đáy trong lưới: J
t
=
2
1)-C.N.(N
(2.2)
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 24 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3
Bộ môn: Trắc Địa Công Trình Đồ Án Tốt Nghiệp
- Số đường đáy cần thiết: J
ct
= n-1 (2.3)
- Số đường đáy độc lập: J
đl
= C.(N-1) (2.4)
- Số đường đáy dư: J
dư
= C.(N-1) – (n-1) (2.5)
4. Thiết kế đồ hình lưới
Trong trắc địa truyền thống, thiết kế đồ hình lưới là rất quan trọng. Còn
trong đồ hình của lưới GPS chỉ cần từng cặp điểm thông hướng với nhau và
thông hướng lên bầu trời nên đồ hình rất linh hoạt. Thiết kế đồ hình GPS chủ
yếu là tuỳ thuộc yêu cầu sử dụng, kinh phí, thời gian, nhân lực và số lượng
máy thu.
Thông thường có 3 phương thức cơ bản thành lập lưới:
- Liên kết điểm
- Liên kết cạnh
- Liên kết lưới

2.3.2. Phương pháp ước tính độ chính xác lưới GPS trong thành lập
lưới khống chế thi công hầm
So với các dạng lưới khống chế truyền thống thì lưới GPS có những
đặc điểm riêng, lưới GPS được ứng dụng trong trắc địa công trình phải đáp
ứng các yêu cầu riêng của trắc địa công trình. Vì vậy phải có phương pháp
thích hợp để ước tính độ chính xác của lưới. Khi cần thiết, có thể ước tính độ
chính xác trên một hướng bất kỳ thông qua Ellipse sai số vị trí điểm hoặc
Ellipse sai số tương hỗ vị trí điểm.
Lưới GPS ứng dụng trong trắc địa công trình cần phải ước tính độ
chính xác vị trí mặt bằng điểm lưới. Trong trường hợp này, sử dụng phương
pháp ước tính bình sai gián tiếp trên máy tính bằng phần mềm GP.AGE
Ước tính độ chính xác vị trí mặt bằng điểm lưới GPS được tiến hành
theo các bước sau đây:
Bước 1: Chọn ẩn số: ẩn số được chọn là toạ độ của các điểm thiết kế
Bước 2: Chọn trị gần đúng (được chọn là toạ độ của tất cả các điểm)
Bước 3: Thành lập phương trình số hiệu chỉnh.
V = A.X + L (2.6)
Trong đó: A: là ma trận hệ số của phương trình sai số
V: vector số hiệu chỉnh
X: vector ẩn số
Sinh viên: Tăng Quốc Cường 25 Lớp Liên Thông Trắc Địa A – K3