Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ laser trong công tác trắc địa phục vụ công trình đường hầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - A CHT

V TRUNG TI

NGHIÊN CứU KHả NĂNG ứNG DụNG CÔNG NGHệ
LASER TRONG CÔNG TáC TRắC ĐịA PHụC Vụ
CÔNG TRìNH ĐƯờNG HÇM

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - A CHT

V TRUNG TI

NGHIÊN CứU KHả NĂNG ứNG DụNG CÔNG NGHệ
LASER TRONG CÔNG TáC TRắC ĐịA PHụC Vụ
CÔNG TRìNH ĐƯờNG HÇM
Chuyên ngành: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA
Mã số

: 60.52.85

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. V−¬ng Träng Kha

Hà Nội – 2011


3

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số liệu, kết
quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.

Tác giả luận văn

Vũ Trung Tới


4

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa

2

Lời cam đoan

3

Mục lục

4

Danh mục các bảng biểu

6

Danh mục các hình vẽ

7

MỞ ĐẦU

9

Chương 1.

TỔNG QUAN VỀ CƠNG TÁC TRẮC ĐỊA TRONG XÂY
DỰNG CƠNG TRÌNH ĐƯỜNG HẦM

13

1.1

Khái niệm về cơng trình ngầm

13

1.1.1

Định nghĩa, phân loại cơng trình ngầm

13

1.1.2

Các giai đoạn thiết kế cơng trình ngầm

14

1.1.3

Cơng nghệ thi cơng cơng trình ngầm

15

1.2

Cơng tác trắc địa trong xây dựng đường hầm

15

1.2.1

Đo vẽ bản đồ phục vụ thiết kế đường hầm

15

1.2.2

Phương pháp bố trí đường hầm

16

1.2.3

Cơ sở trắc địa trong xây dựng đường hầm

19

1.2.3.1

Xây dựng hệ thống khống chế mặt bằng trên mặt đất

19

1.2.3.2

Định hướng cơ sở trắc địa trong hầm

23

1.2.3.3

Thành lập khống chế trắc địa trong hầm

24

1.2.4

Sai số đào thông hầm

29

1.2.4.1

Phân loại sai số đào thông hầm và hạn sai cho phép

29

1.2.4.2

Các nguồn sai số đào thông hầm và phân phối chúng

30

1.2.5

Ảnh hưởng của khống chế trắc địa trên mặt đất đối với độ chính
xác đào thơng hầm

1.2.5.1

Ảnh hưởng sai số đo đường chuyền đối với độ chính xác hướng
ngang đào thông hầm

1.2.5.2

34

34

Ảnh hưởng sai số đo thủy chuẩn trên mặt đất đối với độ chính xác
hướng ngang đào thơng hầm

36

1.3

Cơng tác trắc địa trong q trình thi cơng đào hầm

37

1.3.1

Chỉ hướng đào hầm trong mặt phẳng nằm ngang

37

1.3.2

Chỉ hướng đào hầm trong mặt phẳng thẳng đứng

39


5

Chương 2.

KHẢO SÁT TÍNH NĂNG KỸ THUẬT MÁY TỒN ĐẠC ĐIỆN
TỬ LASER LEICA FLEXLINE TS02

41

2.1

Đặc điểm của tia Laser

41

2.1.1

Khái niệm

41

2.1.2

Phân loại

41

2.1.3

Tính chất

42

2.2

Khảo sát các tính năng kỹ thuật của máy toàn đạc điện tử Leica
Flexline TS02

42

2.2.1

Giới thiệu máy toàn đạc điện tử Leica Flexline TS02

42

2.2.2

Khảo sát các tính năng kỹ thuật của máy toàn đạc điện tử Leica
Flexline TS02

2.2.3

Các chương trình ứng dụng của máy tồn đạc điện từ Leica
Flexline TS02

Chương 3.

43
51

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LASER TRONG CÔNG TÁC TRẮC
ĐỊA PHỤC VỤ XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH ĐƯỜNG HẦM

67

3.1

Đo chiều dài cạnh chuẩn

67

3.2

Khảo sát độ chính xác đo chiều dài

68

3.3

Đo chiều dài bằng Laser ở các khoảng cách khác nhau

68

3.4

Đo chiều dài bằng Laser ở các độ nghiêng khác nhau

69

3.5

Đo chiều dài bằng Laser đến các vật liệu khác nhau

71

3.6

Đo chiều dài bằng Laser đến vật thể trong môi trường độ ẩm khác
nhau

3.7

Đo chiều dài bằng Laser đến bề mặt phản xạ (nhẵn, sần sùi) khác
nhau

3.8

3.10

76

Đo chiều dài bằng Laser đến bề mặt vật thể tạo với tia Laser các
góc khác nhau

3.9

75

80

Đo chi tiết đường hầm bằng phương pháp tọa độ vng góc theo
tia Laser

82

Đo chiều dài bằng Laser cạnh lưới khống chế đường hầm

84

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ

87

TÀI LIỆU THAM KHẢO

89

PHỤ LỤC

91


6

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1

Các chỉ tiêu kỹ thuật của lưới tam giác

21

Bảng 1.2

Cấp hạng thủy chuẩn trong trắc địa cơng trình đường hầm

23

Bảng 1.3

Quy định sai số trung phương hướng ngang và sai số trung
phương độ cao cho phép khi đào hầm

Bảng 3.1

Kết quả đo chiều dài chuẩn phục vụ kiểm định chương trình đo
chiều dài của máy

Bảng 3.2

75

Khảo sát đo chiều dài bằng Laser với các vật liệu trong đường
hầm

Bảng 3.5

69

Kiểm định đo chiều dài bằng Laser ở các độ nghiêng ống kính
khác nhau

Bảng 3.4

67

Kết quả đo chiều dài chuẩn so với kết quả đo chiều dài bằng
Laser của máy Leica Flexline TS02

Bảng 3.3

30

71

Khảo sát đo chiều dài bằng Laser đến vật thể trong môi trường
độ ẩm khác nhau trong đường hầm

75

Bảng 3.6a

Đo chiều dài bằng Laser đến bề mặt phản xạ Gỗ khác nhau

77

Bảng 3.6b

Đo chiều dài bằng Laser đến bề mặt phản xạ Đá khác nhau

78

Bảng 3.6a

Đo chiều dài bằng Laser đến bề mặt phản xạ Gạch khác nhau

79

Bảng 3.7

Đo chiều dài bằng Laser khi các vật thể tạo với tia Laser những
góc khác nhau

81

Bảng 3.8

Sai số vị trí điểm trong từng lần đo

83

Bảng 3.9a

Đo chiều dài bằng Laser với bảng ngắm màu trắng

84

Bảng 3.9b

Đo chiều dài bằng Laser với bảng ngắm màu nâu

85


7

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1

Phương pháp trực tiếp bố trí đường hầm

Hình 1.2

Ảnh hưởng của sai số đo góc đối với độ chính xác hướng
ngang đào thơng hầm

Hình 1.3

Trang
17

34

Ảnh hưởng của sai số đo cạnh đối với độ chính xác hướng
ngang đào thơng hầm

35

Hình 1.4

Phương pháp trung tuyến đào hầm nằm ngang

37

Hình 1.5

Phương pháp xuyên tuyến đào hầm nằm ngang

38

Hình 1.6

Chỉ hướng đào hầm trong mặt phẳng thẳng đứng

39

Hình 2.1

Máy tồn đạc điện tử Leica Flexline TS02

43

Hình 2.2

Các bộ phận của máy

44

Hình 2.3

Bàn phím máy

45

Hình 2.4a

Bọt thủy chưa cân bằng

52

Hình 2.4a

Bọt thủy đã được cân bằng

52

Hình 2.5

Cài đặt cho máy

53

Hình 2.6

Cài đặt đo khoảng cách

54

Hình 2.7

Các chức năng trong phím function

55

Hình 2.8

Các bước cài đặt

58

Hình 2.9

Đặt tên cơng việc

59

Hình 2.10

Lập điểm trạm đo

60

Hình 2.11

Lập điểm trạm máy bằng cách nhập trực tiếp tọa độ

60

Hình 2.12

Lập điểm định hướng

61

Hình 2.13

Định hướng bằng cách nhập góc

62

Hình 2.14

Định hướng bằng cách nhập tọa độ

62


8

Hình 2.15

Bắt đầu đo

Hình 2.16

Cấu tạo các bộ phận đo dài bằng Laser được tích hợp trong

63

máy tồn đạc điện tử Leica Flexline TS02

64

Hình 2.17

Sự thay đổi tiết diện Laser (Laser spot) theo khoảng cách đo

65

Hình 3.1

Sơ đồ bố trí các điểm chuẩn kiểm định

67

Hình 3.2

Mơ tả bề mặt vật thể với tia Laser

80


9

MỞ ĐỞU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trắc địa cơng trình ngầm nói chung là một bộ phận của khoa học kỹ thuật
trắc địa. Trong suốt quá trình từ khâu thăm dò, thiết kế, xây dựng đến khi đưa vào
sử dụng, thường xun có sự tham gia của cơng tác trắc địa. Nội dung chủ yếu của
trắc địa là thông qua các phép đo đạc và xử lý kết quả đo để biểu diễn hệ thống
đường hầm, phục vụ quá trình thi cơng xây dựng các cơng trình dưới mặt đất.

So với trắc địa trên mặt đất, các nội dung cơng tác trắc địa cơng trình
đường hầm phải thực hiện dưới mặt đất, trong các điều kiện đặc thù riêng, đặc biệt
là:
- Không gian di chuyển trong đường hầm chật hẹp, khó khăn
- Cơng tác đo ngắm tiến hành trong điều kiện khơng có ánh sáng, tối tăm
- Điều kiện làm việc nóng ẩm, thiếu khơng khí, q trình đo ngắm lâu trong
đường hầm sẽ cảm thấy ngột ngạt.
- Nhiều đường hầm đơi khi cịn có khả năng lở đất đá, nổ khí ln tiềm ẩn
các tai họa gây nguy hiểm đến tính mạng con người.
Cho đến nay, do nhiều ngun nhân khác nhau, trong các cơng trình đường
hầm ở nước ta, một số nội dung công tác trắc địa vẫn được tiến hành bằng các
phương pháp truyền thống. Để đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật và độ chính xác, các
phương pháp trắc địa truyền thống đòi hỏi nhiều thời gian và công sức, thời gian
lao động quá dài trong đường hầm ảnh hưởng không nhỏ đến sức khoẻ của người
làm công tác trắc địa và xác suất chịu tác động rủi ro cũng tăng cao.
Trong những năm vừa qua, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa
học kỹ thuật, nhiều thiết bị và công nghệ mới được ứng dụng rộng rãi trong cơng
tác trắc địa nói chung và trắc địa cơng trình đường hầm nói riêng. Việc tiếp tục
nghiên cứu các đề tài ứng dụng công nghệ mới vào các nội dung cơng tác trắc địa
cơng trình đường hầm là hết sức cần thiết, góp phần nâng cao độ chính xác đảm
bảo các yêu cầu kỹ thuật, làm giảm thời gian, cơng sức, và an tồn cho người lao
động.


10

Laser là kỹ thuật hiện đại đã được ứng dụng trong nhiều ngành, nhiều lĩnh
vực khác nhau. Các thiết bị laser cũng đã được ứng dụng trong một số nội dung
cơng tác trắc địa trên mặt đất. Với các tính chất như: ánh sáng đơn sắc, cường độ
mạnh, độ hội tụ chùm tia lớn, khả năng đo không gương các thiết bị laser trở thành

một trong những công cụ phù hợp mang lại hiệu quả kỹ thuật và kinh tế cao nhất
cho cơng tác trắc địa cơng trình đường hầm. Tuy nhiên để triển khai ứng dụng
rộng rãi và khảo sát độ chính xác của chúng thì vẫn là một vấn đề cần phải tiếp tục
nghiên cứu hoàn thiện.
Từ các yêu cầu và lý do trên đây, việc lựa chọn đề tài luận văn thạc sỹ :
“Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ Laser trong công tác trắc địa phục vụ
cơng trình đường hầm” là đề tài có cơ sở khoa học xuất phát từ thực tiễn về công
tác trắc địa cơng trình đường hầm ở Việt Nam.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích chính của đề tài là chứng minh khả năng ưu việt của thiết bị đo
Laser trong cơng tác trắc địa phục vụ cơng trình đường hầm ở một số nội dung đo
chiều dài (khoảng cách) trong hầm nhằm nâng cao độ chính xác, giảm thời gian
cơng sức và an tồn lao động, góp phần nâng cao hiệu quả trong cơng tác xây
dựng cơng trình đường hầm.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Luận văn tập trung nghiên cứu tổng quan công tác trắc địa trong xây dựng
cơng trình đường hầm, khảo sát tính năng ứng dụng của máy toàn đạc điện tử
Leica Flexline TS02.
Sau khi nghiên cứu lý thuyết có liên quan, tiến hành khảo sát thực nghiệm
ứng dụng để tìm giải pháp tối ưu về trang thiết bị điện tử có tích hợp chương trình
đo Laser một cách hợp lý.
4. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được các mục đích đề ra, luận văn tập trung vào các nội dung
chính sau:


11

- Nghiên cứu tổng quan về công tác trắc địa trong xây dựng cơng trình
đường hầm.

- Nghiên cứu đặc điểm của tia Laser
- Nghiên cứu các tính năng kỹ thuật máy toàn đạc điện tử Leica Flexline
TS02.
- Đo đạc thực nghiệm
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
- Phương pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp và xử lý các thông tin, các tài
liệu có liên quan.
- Phương pháp phân tích: Tổng hợp, xử lý các tài liệu, giải quyết các vấn đề
đặt ra.
- Phương pháp so sánh: Đối chiếu với kết quả thu được với kết quả đã có để
đưa ra kết luận xác thực.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Đánh giá tổng hợp về khả năng ứng dụng thiết bị Laser để đo chiều dài
không gương với môi trường khác nhau trong đường hầm.
- Giảm được nhiều thời gian, công sức, kinh phí, nâng cao chất lượng an
tồn lao động và độ chính xác so với phương pháp truyền thống.
- Thể hiện tính ưu việt của cơng nghệ Laser trong cơng trình đường hầm.
Đồng thời rút ra những khuyết điểm nhằm hướng tới sự hồn thiện của thiết bị
cơng nghệ Laser.
- Kết quả nghiên cứu đã khẳng định khả năng và điều kiện ứng dụng từng
loại thiết bị laser phù hợp với điều kiện thực tế của cơng trình đường hầm ở Việt
nam.


12

7. Cơ sở tài liệu của luận văn
- Các tài liệu trong lĩnh vực trắc địa cơng trình ngầm.
- Các tài liệu về công nghệ Laser.

- Các bài báo, các báo cáo khoa học, đề tài nghiên cứu khoa học liên quan
đến nội dung luận văn.
- Các tài liệu liên quan khác thu thập từ sách chuyên ngành và Internet.
8. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm phần Mở đầu, 3 chương và phần kết luận được trình bày trong
90 trang với 26 hình 15 bảng.
Lời cảm ơn!
Để có được kết quả này ngồi sự nỗ lực phấn đấu, tìm tịi nghiên cứu tơi xin
bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn TS. Vương Trọng Kha, người đã
dìu dắt tơi trong suốt q trình định hướng đề cương nghiên cứu và làm luận văn.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tập thể thầy cô giáo trong khoa Trắc địa, đặc
biệt là bộ môn Trắc địa mỏ, Trung tâm Công nghệ Laser và Môi trường Mỏ - Địa
chất, phòng đào tạo sau đại học Trường đại học Mỏ Địa chất cùng bạn bè đồng
nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập và làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!


13

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA TRONG XÂY DỰNG CƠNG
TRÌNH ĐƯỜNG HẦM
1.1 Khái niệm về cơng trình ngầm
1.1.1 Định nghĩa, phân loại cơng trình ngầm
Cơng trình ngầm là các loại cơng trình được xây dựng dưới mặt đất. Ví dụ:
đường hầm trên các tuyến đường sắt, đường bộ, đường tàu điện ngầm, … là các
cơng trình ngầm tiêu biểu.
Dựa vào cơng dụng, có thể chia cơng trình ngầm thành các loại:
a. Cơng trình ngầm giao thơng vận tải
Bao gồm đường hầm trên các tuyến đường sắt, đường bộ, đường tàu điện

ngầm; đường hầm cho khách bộ hành ở thành phố; đường hầm trên tuyến đường
thủy; đường hầm vận chuyển nguyên vật liệu từ nơi khai thác đến nhà máy,…
b. Cơng trình ngầm thủy cơng
Cơng trình ngầm loại này bao gồm các đường hầm trong hệ thống thủy lợi,
thủy điện.
c. Cơng trình ngầm cơng chính
Thuộc cơng trình loại này là các cơng trình ngầm đơ thị như đường hầm
thốt nước, đường ống cấp nước, đường ống dẫn khí, dẫn chất lỏng, cáp ngầm điện
lực, thơng tin, truyền hình.
d. Cơng trình ngầm khai khống
Cơng trình ngầm loại này là các hầm lị để khai khai thác, vận chuyển
khống sản, lị thơng gió của các khu mỏ.
e. Các cơng trình ngầm loại khác
Ngồi các cơng trình ngầm kể trên cịn có các cơng trình khác như các kho
tàng, cơng xưởng ngầm, hầm chứa máy bay, xe cộ, hầm ở các nhà máy gia tốc hạt
nhân và các cơng trình ngầm có cơng dụng đặc biệt.
Dựa vào vị trí xây dựng, có thể chia cơng trình ngầm thành các loại:
a. Cơng trình ngầm ở vùng núi
b. Cơng trình ngầm ở thành phố


14

c. Cơng trình ngầm ở dưới đáy nước sơng, biển
Sự phân loại cơng trình ngầm trên chỉ là tương đối, nhằm phân tích đặc điểm
và yêu cầu xây dựng đối với từng loại cơng trình địi hỏi cơng tác trắc địa cần phải
đáp ứng.
1.1.2 Các giai đoạn thiết kế công trình ngầm
a. Thiết kế sơ bộ
Nội dung chủ yếu của thiết kế sơ bộ là thuyết minh sự cần thiết phải xây

dựng cơng trình ngầm, vị trí và các yếu tố chủ yếu của cơng trình ngầm.
b. Thiết kế kỹ thuật
Giai đoạn này cần xác định hình dạng, kích thước, kết cấu từng phần của
cơng trình ngầm. Xác định phương pháp và trình tự xây dựng cơng trình ngầm. Xác
định khối lượng các công việc và giá thành xây dựng cơng trình.
c. Thiết kế thi cơng
Trước hết ta cần thành lập bản đồ thi công và các bản vẽ chi tiết cho việc thi
cơng các phần của cơng trình ngầm.
Trong quá trình thiết kế đường hầm, vấn đề quan trọng là xác định độ cao
điểm cao nhất của đường hầm và vị trí cửa hầm. Dựa vào mặt cắt dọc của đường
hầm, điểm cao nhất có thể là điểm nằm giữa đường hầm hoặc là điểm tại một cửa
hầm.
Ở vùng núi, chiều dài của đường hầm tuỳ thuộc vào độ cao của nó và độ dốc
của địa hình khu vực. Độ cao của đường hầm cũng phụ thuộc vào điều kiện địa chất
và ảnh hưởng đến việc sử dụng đường hầm. Về mặt thiết kế, độ cao của đường hầm
sẽ ảnh hưởng chiều dài đường dẫn ở hai cửa hầm và độ dốc cho phép của tuyến
đường. Vì vậy để xác định độ cao của đường hầm cần phải có đầy đủ tư liệu về địa
hình, địa chất, khí tượng, thuỷ văn và điều kiện kinh tế cơng trình.
Vị trí cửa hầm được quyết định chủ yếu bởi điều kiện địa hình và địa chất
khu vực.Vì vậy trong quá trình thết kế cần phải tìm hiểu tồn diện điều kiện địa
hình, địa chất cơng trình, địa chất thuỷ văn và địa tầng khu vực mà đường hầm
xuyên qua.


15

1.1.3 Cơng nghệ thi cơng cơng trình ngầm
Tuỳ thuộc vào điều kiện địa chất, kích thước mặt cắt của đường hầm và thiết
bị thi cơng hiện có mà lựa chọn cơng nghệ thi cơng thích hợp. Đối với đường hầm
nơng thì đào và xây bằng phương pháp lộ thiên. Ở vùng chưa xây dựng thì đào hào,

ở vùng đã xây dựng thì trong hào có bố trí trụ đặt khung chống, tường chắn, …, đào
đến đâu thì xây hoặc đổ bê tơng đến đó rồi lấp lại.
Đối với đường hầm sâu thì thường dùng phương pháp đào ngầm. Ở vùng đất
mềm, đường tàu điện ngầm thành phố hoặc đường hầm xuyên qua dưới đáy nước
thường đào bằng máy kích đẩy, vách hầm được đổ bê tông tại chỗ hoặc được lắp
ghép các khoanh kim loại hoặc bê tông đúc sẵn. Ở vùng đá cứng, đào hầm bằng
phương pháp khoan nổ. Trong trường hợp này, để gia cố và làm nhẵn vách hầm
người ta thường đóng cọc sắt, đặt lưới thép và phun bê tông.
Tuỳ thuộc vào công nghệ thi công đào hầm khác nhau mà ta lựa chọn phương
pháp trắc địa thích hợp nhằm bảo đảm xây dựng hầm đúng với thiết kế.
1.2 Công tác trắc địa trong xây dựng cơng trình đường hầm
1.2.1 Đo vẽ bản đồ phục vụ thiết kế đường hầm
Trong giai đoạn thiết kế đường hầm, công tác trắc địa chủ yếu là đo vẽ bản
đồ để cung cấp tài liệu địa hình. Tỷ lệ bản đồ cần đo vẽ phụ thuộc vào chiều dài và
mục đích sử dụng đường hầm, tuỳ thuộc vào điều kiện địa hình khu vực và giai
đoạn thiết kế.
Dựa vào yêu cầu đo vẽ bản đồ, có thể chia làm hai trường hợp tương ứng với
hai loại đường hầm:
1. Đường tàu điện ngầm thành phố
- Giai đoạn thiết kế sơ bộ: Cần dùng bản đồ địa hình tỷ lệ 1: 2000 hoặc 1:
5000. Trên bản đồ có vẽ đường đỏ quy hoạch thành phố, các cơng trình ngầm đã có
của thành phố, vị trí lỗ khoan và hào khảo sát địa chất. Khi thiết kế ga, lối xuống
hầm, giếng đứng và khu vực đào lộ thiên, cần có bản đồ tỷ lệ 1: 500, phạm vi đo vẽ
tuỳ theo yêu cầu của đơn vị thiết kế. Khoảng cao đều giữa các đường đồng mức là:
0,25m - 0,50m.


16

- Giai đoạn thiết kế kỹ thuật: Cần đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1: 500 dọc theo tuyến

đường hầm thiết kế. Chiều rộng của dải đo vẽ tuỳ thuộc vào độ sâu của đường hầm
và điều kiện địa chất của khu vực. Trong điều kiện bình thường, chiều rộng của dải
đo vẽ cũng không nhỏ hơn 3 lần độ sâu của đường hầm. Ở cửa hầm lớn, nơi có
nhiều cơng trình kiến trúc cần có bản đồ tỷ lệ 1: 200 hoặc 1: 100. Trên bản đồ loại
này, các góc nhà lớn đều phải đo và xác định toạ độ.
- Giai đoạn thiết kế thi công: Không yêu cầu đo vẽ bản đồ, công tác trắc địa
chủ yếu lúc này là kiểm tra, đối chiếu hiện trường.
2. Đường hầm xuyên núi
Đây là một phần của tuyến đường sắt, đường bộ hoặc của một tuyến vận
chuyển nào đó nên vị trí đường hầm đã được xác định khi khảo sát chọn tuyến
đường. Lúc đó vị trí của đường hầm được xác định sơ bộ trên bản đồ địa hình 1:
10.000 hoặc 1: 50.000.
- Giai đoạn thiết kế sơ bộ: Tỷ lệ của bản đồ cần đo vẽ phụ thuộc vào chiều
dài đường hầm, cụ thể như sau:
Chiều dài đường hầm L ≤ 2 km, tỷ lệ bản đồ cần đo vẽ là 1: 2000
Chiều dài đường hầm 2 km < L ≤ 5 km, tỷ lệ bản đồ cần đo vẽ là 1:5000
Chiều dài đường hầm L > 5 km, tỷ lệ bản đồ cần đo vẽ là 1: 10.000
Chiều rộng của dải đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1: 2000 - 1: 5000 tuỳ thuộc vào chiều
dài của hầm và điều kiện địa chất mà xác định trong khoảng 400m - 1000m. Đối với
khu vực có địa hình phức tạp thì đo vẽ bản đồ trên dải rộng hơn. Khu vực cửa hầm
cần đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1: 2000.
- Giai đoạn thiết kế kỹ thuật: Cần đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1: 2000 dọc theo tuyến
đường hầm, chiều rộng dải đo vẽ khoảng 200m - 400m. Khu vực cửa hầm và giếng
đứng cần đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1: 1000 hoặc 1: 500.
1.2.2 Phương pháp bố trí đường hầm
Bố trí đường hầm thực chất là chuyển trục đường hầm từ bản thiết kế ra thực
địa. Để bố trí đường hầm ta có hai phương pháp sau:


17

1. Phương pháp hình học hay cịn gọi là phương pháp trực tiếp
Trong phương pháp này, vị trí mặt bằng của trục đường hầm được vạch và
đánh dấu trực tiếp trên mặt đất dùng làm căn cứ cho thi công đường hầm.
- Đối với đường hầm thẳng:
Giả thiết A và D là hai điểm đã biết trên trục hầm tại hai cửa hầm, nhưng
khơng thể nhìn thơng nhau. Cần xác định hai điểm B và C trên hướng trục hầm để
làm căn cứ chỉ hướng đào hầm.
C
B

D

A

A

B

C

D

C'

D'

B'

Hình 1.1 Phương pháp trực tiếp bố trí đường hầm

Dựa vào toạ độ thiết kế của A và D ta tính được phương vị của AD. Trên
thực địa ta chọn điểm B’ nằm trên hướng AD với khả năng có thể. Tại B’ đặt máy
kinh vĩ và dùng phương pháp thuận đảo ống kính để kéo dài đoạn AB’ đến C’. Đặt
máy kinh vĩ tại C’, dùng phương pháp thuận đảo ống kính để kéo dài B’C’ đến D’.
Điểm D’ chệch so với điểm D một đoạn DD’ trên thực địa. Đo chiều dài AB’, B’C’,
C’D’ bằng phương pháp thị cự hoặc đo trên bản đồ, ta tính được:
DD '
CC =
AC '
'
AD
'

để điều chỉnh vị trí điểm C’ về điểm C.
Sau đó đặt máy tại C, kéo dài DC đến B và từ B kéo dài CB đến A. Lần này
điểm A được xác định trên đường kéo dài, ký hiệu là A’, có thể vẫn chưa trùng với


18

điểm A đã biết. Đo trực tiếp độ lệch AA’. Ta tính và điều chỉnh vị trí các điểm B, C
cho đến khi hai điểm B, C thực sự nằm trên hướng trục AD.
Cuối cùng đóng cọc đánh dấu hai điểm B, C trên thực địa để làm căn cứ thi
công đường hầm.
- Đối với đường hầm cong:
Dựa vào các yếu tố đường cong đã thiết kế, theo phương pháp bố trí đường
cong để vạch và đánh dấu trục đường hầm trên thực địa với độ chính xác theo yêu
cầu. Sau đó đo lại chính xác hơn chiều dài và góc ngoặt của trục hầm làm căn cứ thi
cơng đường hầm.
* Ưu điểm của phương pháp:

- Không cần lập lưới khống chế trắc địa
- Việc đo đạc đơn giản
- Không phải tính tốn phức tạp.
* Nhược điểm của phương pháp:
- Độ chính xác khó bảo đảm thơng hầm đối hướng trong điều kiện địa
hình vùng núi hoặc thành phố, rất khó khăn cho việc đo đạc và bố trí.
Chính vì lý do đó mà phương pháp này chỉ ứng dụng để bố trí đường hầm
ngắn trong giao thơng và các cơng trình thuỷ lợi - thuỷ điện khi điều kiện địa hình
khơng phức tạp và u cầu độ chính xác khơng cao.
2. Phương pháp giải tích
Trong phương pháp này, sau khi thiết kế đường hầm, người ta thành lập cơ
sở trắc địa mặt bằng và độ cao trên mặt đất. Từ đó xác định được vị trí tương hỗ của
hai cửa hầm và toạ độ các điểm trên trục hầm trong hệ toạ độ thi cơng đường hầm.
Trong q trình thi công, chuyền toạ độ và độ cao từ trên mặt đất xuống hầm
qua cửa hầm, hầm bằng, giếng đứng, giếng nghiêng. Từ đó lập cơ sở trắc địa trong
hầm. Vị trí các điểm trên trục đường hầm và các kiến trúc trong hầm đều được bố
trí trên cơ sở hệ toạ độ và độ cao này.
* Nhược điểm của phương pháp:
- Việc đo đạc, tính tốn trở lên phức tạp


19

* Ưu điểm của phương pháp:
- Hạn chế sự tích luỹ sai số đo đạc và bảo đảm độ chính xác thơng
hầm đối hướng cũng như độ chính xác của các cơng trình kiến trúc nằm sâu trong
lịng đất.
Do đó phương pháp giải tích là phương pháp bố trí đáng tin cậy và được ứng
dụng rộng rãi trong xây dựng đường hầm.
1.2.3 Cơ sở trắc địa trong xây dựng đường hầm

Nhiệm vụ của công tác trắc địa trong xây dựng đường hầm là đảm bảo đào
thông hầm đối hướng với độ chính xác theo u cầu. Ngồi ra cần đảm bảo xây
dựng các cơng trình kiến trúc trong hầm đúng với hình dạng, kích thước thiết kế,
quan trắc biến dạng các cơng trình trong lúc thi cơng cũng như khi sử dụng đường
hầm.
Để đảm bảo yêu cầu đó, ta cần thành lập cơ sở trắc địa trong xây dựng cơng
trình đường hầm với các nội dung chủ yếu sau:
-

Xây dựng hệ thống khống chế trắc địa trên mặt đất.

-

Định hướng cơ sở trắc địa trong hầm

-

Thành lập khống chế trắc địa trong hầm.

1.2.3.1 Xây dựng hệ thống khống chế trắc địa trên mặt đất.
Quá trình thành lập lưới khống chế trắc địa trên mặt đất cần phải được hoàn
thành trước khi bắt đầu đào hầm.
Tuỳ thuộc vào chiều dài, hình dạng của đường hầm, điều kiện địa hình khu
vực và thiết bị đo đạc hiện có mà lưới khống chế mặt bằng có thể được thành lập
dưới dạng lưới tam giác đo góc, lưới tam giác đo cạnh, lưới đo góc-cạnh, đường
chuyền hoặc lưới GPS. Các điểm chủ yếu của trục đường hầm phải được bao gồm
trong lưới khống chế đó. Hệ toạ độ của lưới khống chế thường lấy trục y trùng với
trục hầm (nếu đường hầm thẳng), hoặc trục y trùng với một tiếp tuyến tại điểm đào
thông hầm (nếu đường hầm cong).

20

Để thành lập khống chế độ cao, ta thường thành lập các tuyến thuỷ chuẩn
xuất phát từ điểm thuỷ chuẩn nhà nước và có thể tạo thành lưới. Tại các cửa hầm và
gần kề các miệng giếng cần có các mốc độ cao.
1. Lưới khống chế cơ sở mặt bằng.
Tuỳ thuộc vào quy định sai số hướng ngang đào thông hầm, điều kiện địa
hình khu vực và kinh phí thành lập lưới mà ta có thể thành lập loại lưới nào phù hợp
nhất. Đối với đường hầm tương đối dài, đầu tư tương đối lớn thì ta cần thành lập
nhiều phương án thiết kế lưới và tiến hành thiết kế tối ưu hoá lưới khống chế.
a. Lưới tam giác trên mặt đất.
Trong xây dựng cơng trình đường hầm, lưới tam giác trên mặt đất thường
được sử dụng rộng rãi là lưới đo góc-cạnh. Tiêu chuẩn độ chính xác của lưới chính
là “giá trị ảnh hưởng” đối với độ chính xác hướng ngang đào thông hầm đối hướng.
Các nguyên tắc thành lập lưới tam giác:
- Chuỗi tam giác nên có dạng duỗi thẳng. Đối với đường hầm cong thì các
điểm đầu và điểm 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 ít nhất.
- Có thể giảm u cầu về cường độ đồ hình của các tam giác (chẳng hạn như
khơng cần phải thoả mãn quy định góc đối diện với cạnh tính chuyền chiều dài phải
lớn hơn 300)


21

- Các chỉ tiêu kỹ thuật của lưới tam giác được qui định trong (bảng 1.1)
Bảng 1.1 Chỉ tiêu kỹ thuật của lưới tam giác

Chỉ tiêu

Cấp hạng lưới
Cấp 1

Cấp 2

Cấp 3

- Lớn nhất

5 km

4 km

3 km

- Nhỏ nhất

1 km

0,8 km

0,5 km

Góc giữa các hướng cùng cấp khơng nhỏ hơn

200

200

200

Số lượng tam giác giữa các cạnh khởi tính

10

10

10

Sai số khép góc lớn nhất trong tam giác

20”

20”

20”

4”

6”

9”

Sai số trung phương cạnh khởi tính

1: 50.000

1: 30.000

1: 15.000

Sai số tương đối cạnh yếu nhất

1: 30.000

1: 15.000

1: 8.000

Chiều dài các cạnh tam giác

Sai số trung phương đo góc tính theo sai số khép
tam giác.

b. Đường chuyền đa giác trên mặt đất.
Đường chuyền đa giác trên mặt đất thường được dùng để làm khống chế độc
lập. Cho đến nay đường chuyền đa giác ít được áp dụng, ngun nhân chính là do
cơng tác đo chiều dài cạnh gặp nhiều khó khăn. Gần đây, cùng với sự phát triển phổ
biến của máy đo dài điện tử đường chuyền đa giác ngày càng được thay thế, đặc
biệt trong những điều kiện địa hình khó khăn mà phương pháp tam giác không thực
hiện được.
Nguyên tắc thành lập đường chuyền:
- Đối với đường hầm thẳng, để giảm ảnh hưởng sai số đo cạnh đường chuyền
đến độ chính xác hướng ngang đào thơng hầm thì cố gắng thành lập đường chuyền
dọc theo các trục hầm. Số lượng điểm đường chuyền không nên quá nhiều để giảm
ảnh hưởng sai số đo góc đến độ chính xác hướng ngang đào thơng hầm.
- Đối với đường hầm cong, đường chuyền cũng nên có dạng duỗi thẳng dọc
theo đường thẳng nối hai cửa hầm nhưng điểm đầu, điểm cuối của đường cong và

22

hai điểm trên tiếp tuyến của đường cong cũng phải được bao gồm trong đường
chuyền.
- Trong trường hợp có hầm bằng, giếng đứng, giếng nghiêng thì đường
chuyền cần đi qua các miệng hầm để giảm bớt các điểm chuyền vào miệng hầm.
- Các góc ngoặt của đường chuyền phải lớn hơn 1350, chiều dài cạnh lớn hơn
250m, việc đo góc phải được tiến hành với các máy móc có độ chính xác cao, sai số
khép góc phải thoả mãn:
f β ≤ 10 n đối với đường chuyền cấp 1
f β ≤ 20 n đối với đường chuyền cấp 2

Trong đó: n - là số góc ngoặt của đường chuyền.
Chiều dài đường chuyền cấp 1 phải được đo bằng máy đo dài điện tử
Sai số tương đối chiều dài cạnh đo phải đảm bảo độ chính xác 1: 15
000 với đường chuyền cấp 1 và 1: 8 000 đối với đường chuyền cấp 2
c. Lưới GPS.
Công nghệ GPS hiện đang được ứng dụng rộng rãi, phổ biến. Trong công tác
trắc địa xây dựng đường hầm chúng ta chỉ cần chọn điểm ở các miệng hầm.
Nguyên tắc thành lập lưới GPS.
- Đối với đường hầm thẳng, trên đó khơng có giếng đứng, hầm bằng thì các
điểm ở cửa hầm được chọn ngay trên trục tim hầm, ngoài ra ở mỗi cửa hầm cần có
hai điểm định hướng. Điểm miệng hầm và điểm định hướng cần phải nhìn thơng
nhau.
- Đối với đường hầm cong, các điểm chủ yếu như điểm đầu, điểm cuối và hai
điểm trên mỗi tiếp tuyến của đường cong cũng phải là lưới GPS.
2. Lưới khống chế độ cao trên mặt đất.
Cấp hạng thuỷ chuẩn để thành lập lưới khống chế độ cao trên mặt đất không

chỉ phụ thuộc vào chiều dài đường hầm mà quan trọng hơn là phụ thuộc vào địa
hình khu vực đường hầm vì chiều dài của tuyến thuỷ chuẩn phụ thuộc vào điều
kiện địa hình đó.


23

Cấp hạng thuỷ chuẩn trong trắc địa cơng trình đường hầm được quy định
trong (bảng 1.2) sau:
Bảng 1.2 Quy định cấp hạng thủy chuẩn trong trắc địa cơng trình đường hầm
Chiều dài tuyến thuỷ

Cấp
hạng

chuẩn giữa hai miệng hầm

Loại máy thuỷ

(km)

II

> 36

III

13 - 36

IV

5 - 13

chuẩn

Loại mia thuỷ chuẩn

S1

Mia invar khắc vạch

S1

Mia invar khắc vạch

S3

Mia gỗ chia khoảng cm

S3

Mia gỗ chia khoảng cm

Khi đo thuỷ chuẩn trên mặt đất, dùng độ cao điểm đã có trong giai đoạn định
tuyến làm độ cao khởi tính. Ở mỗi miệng hầm có ít nhất hai mốc thuỷ chuẩn. Tuyến
thuỷ chuẩn nên tạo thành vòng khép hoặc lập hai tuyến độc lập xuất phát từ điểm
thuỷ chuẩn đã biết độ cao ở miệng hầm này đến điểm ở miệng hầm khác.
1.2.3.2 Định hướng cơ sở trắc địa trong hầm
Định hướng hay còn gọi là đo đạc liên hệ hoặc đo nối là quá trình chuyền toạ
độ và phương vị từ hệ thống khống chế trắc địa mặt bằng trên mặt đất xuống hầm

để tạo số liệu khởi tính cho cơ sở trắc địa trong hầm.
Thực hiện công tác định hướng sẽ tạo ra sự thống nhất trong một hệ thống
toạ độ của lưới trắc địa trên mặt đất và dưới hầm . Sự thống nhất về hệ toạ độ trên
mặt đất và dưới hầm là u cầu hàng đầu để có được độ chính xác và độ tin cậy
trong việc đo vẽ thành lập bản đồ trong hầm, đảm bảo thực hiện các công việc quan
trọng về kỹ thuật như đào thông hầm đối hướng, bố trí các cơng trình quan trọng
trong hầm và nhiều nhiệm vụ khác,...
Việc định hướng có thể được thực hiện qua cửa hầm, hầm bằng, giếng đứng
hoặc giếng nghiêng. Trong đó định hướng qua giếng đứng hoặc giếng nghiêng sẽ
phức tạp hơn.


24

1.2.3.3 Thành lập khống chế trắc địa trong hầm
Khống chế trắc địa trong hầm bao gồm đường chuyền và thuỷ chuẩn.
1. Đặc điểm và phương pháp thành lập đường chuyền trong hầm
Đường chuyền trong hầm phải được thành lập với độ chính xác cần thiết và
cùng chung trong hệ toạ độ thống nhất với khống chế trên mặt đất để chỉ hướng đào
hầm, bố trí trục tim hầm bảo đảm thơng hầm đối hướng với độ chính xác theo quy
định.
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 chuyển từ mặt đất
xuống hầm qua giếng đứng, giếng nghiêng hoặc hầm bằng.
Đường chuyền trong hầm có những đặc điểm chủ yếu sau:
* 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 khơng 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 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 thoả mãn hai yêu cầu sau đây:
- Vị trí điểm đường chuyền phải ở gần gương hầm để tiện chỉ hướng đào
hầm và bố trí gương hầm. Như vậy cạnh đường chuyền phải ngắn, số góc ngoặt
nhiều.
- Sai số hướng ngang của đường chuyền ở mặt đào thông không được vượt
quá giá trị quy định. Như vậy cạnh đường chuyền phải dài, số góc ngoặt ít.
Để thoả mãn cả hai yêu cầu này, đường chuyền trong hầm được thành lập 3
cấp (không kể đường chuyền tiệm cận):
- Đường chuyền thi cơng, có cạnh dài khoảng 25 – 50m.
- Đường chuyền cơ bản, có cạnh dài khoảng 50 – 100m.
- Đường chuyền chủ yếu, có cạnh dài khoảng 150 – 800m.
Điểm của đường chuyền cấp cao thường là điểm của đường chuyền cấp thấp.


25

* Độ chính xác phương vị khởi đầu của đường chuyền trong hầm có khi cịn
thấp hơn độ chính xác đo góc của đường chuyền. Sau khi đào thơng hầm, hai tuyến
đường chuyền nhánh tạo thành đường chuyền phù hợp. Khi bình sai đường chuyền
phù hợp này phải xét đến sai số của phương vị khởi đầu (sai số số liệu gốc).
Tuỳ trường hợp cụ thể có thể bỏ cấp đường chuyền chủ yếu, tức là trên cơ sở
đường chuyền thi công trực tiếp thành lập đường chuyền cạnh dài. Trên đoạn hầm
thẳng, chiều dài cạnh đường chuyền không ngắn hơn 200m; trên đoạn hầm cong,
chiều dài cạnh đường chuyền không ngắn hơn 70m.
Các quy tắc kỹ thuật khi thành lập đường chuyền trong hầm:
- Đường chuyền trong hầm cố gắng thành lập dọc theo trục tim hầm hoặc
lệch trục tim hầm một khoảng thích hợp, có các cạnh xấp xỉ bằng nhau. Các điểm
đường chuyền được chọn ở nơi an tồn, ổn định, ít bị ảnh hưởng do thi cơng, điều
kiện nhìn thơng tốt, tia ngắm phải cách chướng ngại vật trên 0,2m. Đối với đường

hầm dài có tiết diện lớn có thể lập đường chuyền tạo thành vịng khép kín hoặc
đường chuyền chính và đường chuyền phụ tạo thành vịng khép kín. Trong trường
hợp có đường hầm dẫn song song với hầm chính thì đường chuyền đơn trong hầm
dẫn cùng với đường chuyền trong hầm chính tạo thành vịng khép để có điều kiện
kiểm tra, nâng cao độ chính xác.
- Chiều dài cạnh của đường chuyền cạnh dài cần được thiết kế theo yêu cầu
độ chính xác đào thông hầm. Mỗi lần đo để xác định một điểm mới của đường
chuyền cần phải đo kiểm tra điểm đường chuyền đã lập trước đó; ở đoạn đường
thẳng chỉ cần đo kiểm tra góc; ở đoạn cong cần đo kiểm tra cả góc và cạnh.
- Khi đo góc cần cố gắng giảm thiểu ảnh hưởng sai số định tâm máy và định
tâm tiêu bằng cách định tâm lại máy và tiêu giữa các vịng đo hoặc dùng mốc có cấu
tạo định tâm bắt buộc. Khi quan trắc, dùng phương pháp hai lần ngắm hai lần đọc
số. Nếu tiêu ngắm là dây dọi thì đằng sau nó nên đặt phơng sáng. Khi cạnh đường
chuyền tương đối dài thì có thể dùng bảng ngắm, nhưng phải chiếu sáng mục tiêu
bằng nguồn sáng đủ mạnh để bảo đảm độ chính xác.