Giáo trình gồm 4 chương: Chương 1:Khái niệm về trái đất và bản đồ. Chương 2: Lưới khống chế và thành lập bản đồ Chương 3: Máy trắc địa Chương 4: Trắc địa công trình Trắc địa là một nghành khoa học chuyên nghiên cứu về hình dạng, kích thước quả đất, về các phương pháp đo đạc và biểu thị bề mặt quả đất dưới dạng Bản đồ và số liệu....
Bài giảng Trắc địa Cơng trình Nguyễn Thành Lê §I.1 KHÁI NIỆM MƠN HỌC - HÌNH DẠNG TRÁI ĐẤT I Khái niệm môn học Khái niệm chuyên nghành Trắc địa a Khái niệm Trắc địa nghành khoa học chuyên nghiên cứu hình dạng, kích thước đất, phương pháp đo đạc biểu thị bề mặt đất dạng Bản đồ số liệu b Các chuyên ngành Trắc địa Trắc địa bao gồm nhiều môn khoa học kỹ thuật quan hệ chặt chẽ với nhau, mơn có chức riêng: Trắc địa địa hình - địa chính: Nghiên cứu quy trình cơng nghệ thành lập đồ địa hình, đồ địa phương pháp đo vẽ trực tiếp phương pháp sử dụng ảnh chụp từ máy bay hay ảnh vũ trụ Trắc địa ảnh chuyên nghiên cứu phương pháp chụp ảnh bề mặt trái đất công nghệ đo ảnh phục vụ thành lập đồ Trắc địa cao cấp chun nghiên cứu hình dạng, kích thước tồn vùng rộng lớn bề mặt trái đất, nghiên cứu tượng biến dạng vỏ trái đất, xây dựng mạng lưới toạ độ quốc gia có độ xác cao Bản đồ có nhiệm vụ nghiên cứu phương pháp vẽ, cách biểu diễn in loại đồ Trắc địa công trình chuyên nghiên cứu phương pháp trắc địa ứng dụng khảo sát địa hình phục vụ thiết kế cơng trình, chuyển thiết kế thực địa, theo dõi thi cơng, kiểm tra kết cấu cơng trình đo đạc biến dạng cơng trình xây dựng Đây nội dung giới thiệu mơn học (Trắc địa cơng trình) Ví dụ: Để hiểu tầm quan trọng cơng tác trắc địa cơng trình, hình dung thơng qua quy trình xây dựng nhà cao tầng Trong giai đoạn khảo sát, thiết kế, công tác trắc địa phục vụ thành lập đồ địa hình khu vực xây dựng Sau thành lập đồ, dựa đồ người ta thiết kế chi tiết cơng trình Cơng tác trắc địa chuyển đồ thực địa dựa vào thiết kế thực địa bao gồm hệ thống trục nhà, vị trí trụ, yếu tố chi tiết nhà cơng tác trắc địa có nhiệm vụ chuyển tất vị trí trục nhà, trụ ngồi thực địa cho với thiết kế.Và công trình xây dựng xong, kỹ sư trắc địa phải tiến hành công tác quan trắc biến dạng, khảo sát ổn định nhà Qua ví dụ cơng tác trắc địa xây dựng nhà, thấy tầm quan trọng công tác trắc địa cơng trình cơng trình xây dựng Ngồi ra, trắc địa liên hệ mật thiết với nhiều ngành khoa học khác như: toán học, vật lý, địa mạo, địa chất, kỹ thuật chụp ảnh, kỹ thuật điện, tin học Lịch sử phát triển mơn học Bài giảng Trắc địa Cơng trình Nguyễn Thành Lê a Trên giới Sự đời phát triển ngành Trắc địa gắn liền với phát triển xã hội loài người Thuật ngữ “Trắc địa” có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp có nghĩa phân chia đất đai Sau ngôn ngữ khác dùng thuật ngữ như: Tiếng Anh Geodesy, Tiếng Pháp Géodesie Ngành trắc địa phát triển sớm, Ai Cập (khoảng ba ngàn năm trước công nguyên),vào khoảng ba nghìn năm trước cơng ngun, việc phân chia chiếm hữu đất đai hình thành Ai Cập hình thành, hàng năm sau đợt lũ sơng Nin, người ta phải phân chia lại ranh giới chiếm hữu đất Điều thúc đẩy người sáng tạo dụng cụ đo đạc phương pháp thích hợp để đo đạc Sau văn minh Hy Lạp cổ đại Cùng với phát triển loài người, ngành trắc địa ghi vào lịch sử tên tuổi nhà bác học lừng danh như: nhà thiên văn học Teleme, người vẽ đồ giới vào kỷ thứ II sau Cơng ngun; hai nhà bác học người Pháp kỷ XVIII Delambre Machain đo xác chiều dài cung kinh tuyến qua Paris tính từ xích đạo đến cực Bắc trái đất, mở bước tiến quan trọng việc đời định nghĩa đơn vị đo dài quốc tế hệ SI (mét) Và kể đến nhiều tên tuổi nhà bác học đóng góp vào phát triển ngành trắc địa Gauss, Kruger, Helmet, Kraxovski b Việt Nam Từ thời Âu Lạc, tổ tiên ta biết sử dụng kiến thức trắc địa kỹ thuật đo đạc để xây dựng thành Cổ Loa xốy trơn ốc sau xây dựng kinh Thăng Long Năm 1469, vua Lê Thánh Tông lệnh vẽ đồ đất nước Việt Nam có tập đồ “Đại Việt Hồng Đức”, dấu ấn quan trọng chứng tỏ tổ tiên ta sớm có kiến thức biết ứng dụng Trắc địa - Bản đồ quản lý xây dựng đất nước Thời kỳ Pháp thuộc, người Pháp lập “Sở Đạc điền Đông Dương” để thành lập đồ địa hình, địa phục vụ khai thác vơ vét tài nguyên Đông Dương Trải qua thăng trầm lịch sử, ngành trắc địa Việt Nam có đóng góp việc thành lập loại đồ địa hình, địa đồ chun đề phục vụ điều tra bản, quản lý, xây dựng bảo vệ Tổ quốc Vai trò ngành trắc địa kinh tế quốc dân quốc phòng Để hiểu vai trò ngành trắc địa, đánh giá vai trò chuyên ngành hẹp ngành trắc địa, ngành đồ Trong công xây dựng kinh tế nước ta cơng tác trắc địa đóng vai trò quan trọng Cơng tác trắc địa cung cấp số liệu khảo sát đất đai tài nguyên khu vực cho nhà quản lý, ngành có liên quan nơng nghiệp, lâm nghiệp, xây dựng, địa chất, thuỷ lợi, giao thơng để có quy hoạch tổ chức sản xuất hợp lý Còn quân sự, đồ chiếm vị trí quan trọng Bản đồ phục vụ cho việc nghiên cứu địa hình, phản ánh tình hình chiến đấu lập kế hoạch tác chiến chiến dịch Trong thời đại nay, phải đối mặt với chiến tranh công nghệ cao kiến thức trắc địa lại đặc biệt quan trọng việc sử lý thông tin ảnh vệ tinh thiết bị thám, việc sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positionning System) để làm hệ thống dẫn đường cho tên lửa tầm xa Bài giảng Trắc địa Cơng trình Nguyễn Thành Lê II Các đơn vị đo dùng trắc địa Đơn vị đo chiều dài Năm 1791, tổ chức đo lường quốc tế lấy đơn vị đo chiều dài hệ SI mét với quy định: “Một mét chiều dài ứng với 4.10-7 chiều dài kinh tuyến qua Paris Từ sau kỷ 19, độ xác thước chuẩn khơng đáp ứng yêu cầu đo lường phần tử vô nhỏ Năm 1960, Tổ chức đo lường quốc tế quy định đơn vị đo chiều dài mét hệ SI sau: “Một mét chiều dài 1.650.763,73 chiều dài bước sóng xạ chân không nguyên tử Kripton-86, tương đương với quỹ đạo chuyển dời điện tử hai mức lượng 2P10 5d5” Đơn vị đo chiều dài khác: 1m = 10 dm = 100 cm = 1000mm = 10 µm = 109 nanomet (nm) Đơn vị đo diện tích m2, km2, Ngồi ra, số nước dùng đơn vị đo chiều dài Anh: foot = 0,3048m, 1inch=25.3mm dặm, hải lý Đơn vị đo góc Trong trắc địa thường dùng ba hệ đo góc Độ, Radian Grad a Độ (o) góc tâm đường tròn chắn cung tròn có chiều dài 1/360 chu vi đường tròn góc tròn = 360o 1o = 60′ 1′ = 60″ b Grad (gr) góc tâm chắn cung tròn có độ dài 1/400 chu vi đường tròn góc tròn = 400 gr 1gr = 100c 1c = 100cc c Radian (rad) góc phẳng có đỉnh trùng với tâm vòng tròn chắn cung đường tròn với chiều dài cung tròn bán kính đường tròn Góc tròn góc tâm đường tròn chắn cung tròn có chiều dài chu vi hình tròn Chu vi hình tròn có chiều dài 2πR nên góc tròn có độ lớn 2π rad d Quan hệ đơn vị Từ định nghĩa ba loại đơn vị đo góc, ta có quan hệ chuyển đổi đơn vị đo góc tính tốn Từ quan hệ đơn vị rad đơn vị độ: 2πrad = 360o → rad tương ứng với hệ số sau: Bài giảng Trắc địa Cơng trình Nguyễn Thành Lê ρo = 180o/π = 57o17′ 44″.8 ρ′ = (180o × 60)/π = 3438′ ρ″ = (180o × 60× 60)/π = 206265″ Từ quan hệ đơn vị độ đơn vị grad: 360 o = 400gr → 1grat ứng với 1gr = 360 = 0o.9 400 Trong tốn kỹ thuật, tính tốn giá trị hàm số lượng giác góc nhỏ dùng quan hệ tương đương, nghĩa lấy số hạng bậc công thức triển khai hàm số lượng giác thành chuỗi số: ε3 ε5 + +K ≈ ε 3! 5! ε3 ε5 tgε = ε + + + K ≈ ε 3! 5! sin ε = ε + * Lưu ý: Khi biểu thị góc nhỏ dạng hư số (số khơng có đơn vị), biểu thị ε ′′ d ε ∆ ε sau: ; ; ρ ′′ ρ ′′ ρ ′′ III Hình dạng kích thước trái đất Hình dạng tự nhiên trái đất Bề mặt trái đất mặt phẳng Nó có diện tích 510.573 km 2, đại dương chiếm 71.8%, lục địa chiếm 28.2% Độ cao trung bình khoảng H tb = + 875m độ sâu trung bình Htb = -3800m Chênh lệch độ cao điểm cao (đỉnh núi Chomoluma 8882 m) điểm sâu (hố Marian -11032m) vỏ trái đất khoảng 20km Bán kính trung bình vỏ trái đất 6371km Với số liệu ta hình dung trái đất thu nhỏ cầu nước có bán kính 3m mà với vết gợn lớn bề mặt 1cm (bằng 1/300 bán kính) Các mặt chuẩn qui chiếu độ cao a Mặt thuỷ chuẩn đất mặt thuỷ chuẩn gốc Để đặc trưng cho hình dạng đất người ta đưa khái niệm mặt thuỷ chuẩn đất Mặt thuỷ chuẩn đất định nghĩa mặt nước đại dương trung bình, yên tĩnh kéo dài xuyên qua lục địa, hải đảo tạo thành mặt cong khép kín Mặt thuỷ chuẩn đất gọi mặt Geoid người ta lấy làm mặt chuẩn độ để xác định độ cao Tuy nhiên chuẩn xác, quốc gia số liệu đo đạc cụ thể xây dựng mặt chuẩn độ cao riêng gọi mặt thuỷ chuẩn gốc Ở Việt Nam, chọn mặt thuỷ chuẩn gốc qua mốc Hòn Dấu - Đồ Sơn - Hải Phòng Bài giảng Trắc địa Cơng trình Nguyễn Thành Lê b Geoid KvaziGeoid Geoid khối vật thể bao bọc mặt thuỷ chuẩn đất Tâm Geoid trùng với tâm đất điểm mặt đất phương trọng lực g vng góc với mặt Geoid Vì vật chất lòng trái đất phân bố không đồng nên phương lực điểm Geoid không hội tụ tâm đất, nghĩa mặt Geoid mặt gợn sóng khối Geoid hình dạng vật lý trái đất Việc xác định Geoid khó, thực tế ta xác định Geoid gần gọi mặt Kvazigeoid Mặt Kvazigeoid mặt chuẩn độ cao thường thường dùng mạng lưới độ cao nhà nước Mặt Kvazigeoid đại dương lục địa chênh khoảng đến 3m MTC quy ước H=0 MTC gốc (Geoid) Hình I.1.1 KvaziGeoid mặt chuẩn hệ độ cao thường thường dùng mạng lưới độ cao nhà nước c Ellipsoid đất Ellipsoid thực dụng Vì mặt Geoid KvaziGeoid bề mặt vật lý nên dạng cong tốn học trơn Trong số liệu trắc địa phải tính tốn, xử lý bề mặt tốn học Vì lý đó, người ta thay Geoid mặt gần với nó, elip tròn xoay gọi Ellipsoid đất Ellipsoid x u b n g a KvaziGeoid Ellipsoid Geoid Geoid Ellipsoid đất có tính chất sau: - Tâm Ellipsoid trùng với tâm đất - Thể tích Ellipsoid thể tích Geoid - Mặt phẳng xích đạo Ellipsoid trùng với mặt phẳng xích đạo đất Bài giảng Trắc địa Cơng trình Nguyễn Thành Lê - Tổng bình phương mặt Ellipsoid đất mặt Geoid nhỏ [ξ2] = - Tại điểm bề mặt đất phương pháp tuyến vng góc với mặt Ellipsoid Như vậy, mặt Geoid mặt Ellipsoid không trùng điểm bề mặt đất phương trọng lực g phương pháp tuyến n không trùng mà hợp với góc u , u gọi độ lệch dây dọi xác định phương pháp trọng lực trắc địa cho phép tính chuyển số liệu đo từ mặt đất sang mặt Ellipsoid đất Việc xác định xác Ellipsoid đất phương pháp trắc địa đòi hỏi phải có số liệu đo đạc với mật độ lớn toàn bề mặt trái đất, việc đòi hởi khó khăn Mặt khác, lĩnh vực thành lập đồ địa hình vị trí quốc gia khác nên việc sử dụng hệ qui chiếu Ellipsoid đất bị biến dạng, xác Do đó, quốc gia số liệu đo đạc xây dựng mặt Ellipsoid riêng gọi Ellipsoid thực dụng hay Ellipsoid tham khảo (reference Ellipsoid) Kích thước Ellipsoid nhiều nhà bác học xác định nhiều phương pháp khác Trước đây, sử dụng hệ toạ độ HN - 72, Việt Nam lựa chọn Ellipsoid nhà bác học Krasovski với kích thước sau: - Bán kính lớn: a = 6378245 m - Độ dẹt: α = a −b = a 298.31 Hiện nay, sở số liệu Ellipsoid WGS-84 số liệu đo đạc mình, Việt Nam xây dựng Ellipsoid thực dụng riêng, sở toán học hệ toạ độ VN 2000 với kích thước sau: - Bán kính lớn: a = 6378137 m - Độ dẹt: α = a −b = a 298.257 §I.2 CÁC HỆ TOẠ ĐỘ DÙNG TRONG TRẮC ĐỊA - TỶ LỆ VÀ DANH PHÁP BẢN ĐỒ I Các hệ toạPđộ thường dùng trắc địa Để xác định vị trí điểm gtrên bề mặt mặt đất, Trắc địa tùy theo mục đích sử dụng người ta xác định hệ toạ độ khác Một số hệ tọa độ thường sử dụng Gtrắc địa: hệ tọa độ địa lý, hệ tọa độ trắc địa, hệ tọa độ vng góc phẳng, hệ tọa độ M quy ước Hệ toạ độ địa lý (ϕ, λ ) W ϕ O λ E M' Mặt phẳng kinh tuyến: mặt phẳng chứa trục quay Trái đất Mặt phẳng kinh tuyến qua đài thiên văn Greenwich (ở ngoại ô P' Bài giảng Trắc địa Công trình Nguyễn Thành Lê London nước Anh) quy ước mặt phẳng kinh tuyến gốc Đường kinh tuyến: giao tuyến mặt phẳng kinh tuyến với mặt cầu Đường kinh tuyến gốc giao tuyến mặt phẳng kinh tuyến qua đài thiên văn Greenwich với mặt cầu Mặt phẳng vĩ tuyến: mặt phẳng vng góc với trục quay Trái đất PP' Mặt phẳng vĩ tuyến chứa tâm O trái đất gọi mặt phẳng xích đạo Đường vĩ tuyến: giao tuyến mặt phẳng vĩ tuyến với mặt cầu Đường vĩ tuyến tạo mặt phẳng xích đạo mặt cầu gọi đường xích đạo * Trong hệ toạ độ địa lý nhận đất hình cầu, tâm đất gốc toạ độ, hai mặt phẳng toạ độ mặt phẳng xích đạo mặt phẳng kinh tuyến gốc Toạ độ địa lý điểm M xác định vĩ độ ϕ kinh độ λ Vĩ độ địa lý (ϕ) điểm M góc nhọn tâm O trái đất hợp phương đường dây dọi qua điểm M với mặt phẳng xích đạo, ≤ ϕ ≤ 900, điểm M nằm phía Bắc bán cầu có vĩ độ Bắc ngược lại M nằm Nam bán cầu có vĩ độ Nam Kinh độ địa lý (λ ) điểm M góc nhị diện hợp mặt phẳng kinh tuyến gốc mặt phẳng kinh tuyến qua điểm M, ký hiệu λ, ≤ λ ≤ 1800, điểm M nằm phía Tây kinh tuyến gốc có kinh độ Tây nằm phía Đơng kinh tuyến gốc có kinh độ Đơng VD: Việt Nam nằm hồn tồn phía Bắc bán cầu phía Đơng kinh tuyến gốc nên điểm thuộc lãnh thổ VN có vĩ độ Bắc kinh độ Đông hiệu vĩ độ hai điểm M N: ϕM - ϕN = ∆ϕ gọi vĩ sai hiệu kinh độ hai điểm M N: λM - λN = ∆λ gọi kinh sai Trong tờ đồ toạ độ địa lý biểu thị bốn góc khung Toạ độ địa lý (ϕ, λ ) xác định phương pháp thiên văn trắc địa nên gọi toạ độ thiên văn P tt Hệ toạ độ trắc địa xác lập Elipxoid đất có gốc tâm O hai mặt phẳng tọa độ mặt phẳng xích đạo mặt phẳng kinh tuyến gốc Toạ độ điểm M xác định độ vĩ trắc địa B độ kinh trắc địa L M G W Hệ toạ độ trắc địa (B, L) r n O B L E M' P’ Bài giảng Trắc địa Cơng trình Nguyễn Thành Lê + Vĩ độ trắcc địa B điểm M góc nhọn hợp pháp tuyến n mặt Elipxoid điểm với mặt phẳng xích đạo + Kinh độ trắc địa M góc nhị diện hợp mặt phẳng kinh tuyến gốc mặt phẳng kinh tuyến qua điểm Hệ toạ độ vng góc qui ước Khi đo vẽ khu vực nhỏ độc lập khơng có xa lưới khống chế toạ độ nhà nước, ta giả định hệ toạ độ vng góc, chọn trục tung OX hướng Bắc - Nam hướng gần (ox) để tránh trị số x y mang dấu âm ta chọn gốc tọa độ O góc Tây Nam khu đo X Khu đo A xA Y O yA Hệ tọa độ vng góc phẳng Gauss UTM II Khái niệm phép chiếu Bản đồ - Hệ toạ độ vng góc phẳng Khái niệm phép chiếu Bản đồ Để biểu thị yếu tố địa hình (dáng đất) yếu tố địa vật (sông, suối, nhà của, …) lên mặt phẳng Bản đồ cho xác, bị biến dạng ta phải sử dụng phép chiếu hình đồ thích hợp, gọi tắt phép chiếu đồ Thơng thường quy trình chiếu đồ tiến hành qua hai bước: - chiếu yếu tố bề mặt đất lên mặt cầu chuẩn (hoặc elipxoid) - chuyển từ mặt cầu hay elipxoid sang mặt phẳng Phép chiếu Gauss Để thể yếu tố địa vật, địa hình lên đồ cách xác, nhà khoa học đề xuất nhiều phép chiếu hình khác để biểu thị bề mặt trái đất lên mặt phẳng đồ phép chiếu hình nón, phép chiếu phương vị, phép chiếu hình trụ đứng, phép chiếu hình trụ ngang Tuỳ thuộc vào vị trí địa lý vùng lãnh thổ yêu cầu đặc điểm biến dạng mà người ta sử dụng phép chiếu khác Trong đó, phép chiếu hình trụ ngang áp dụng phổ biến Vào kỷ XIX, nhà toán học Gauss đề xuất phép chiếu hình trụ ngang, đồng góc N Có thể mơ tả phép chiếu Gauss sau: Greenwich xích đạo 18 19 S Bài giảng Trắc địa Cơng trình Nguyễn Thành Lê Chia trái đất thành 60 múi, múi tương ứng o đánh số thứ tự 1-60 từ Tây sang Đông kinh tuyến gốc qua đài thiên văn Greenwich Mỗi múi chia thành phần đối xứng qua kinh tuyến (hay gọi kinh tuyến trục) Đặt đất nội tiếp hình trụ ngang có bán kính bán kính đất cho kinh tuyến múi thứ tiếp xúc hình trụ Lấy tâm chiếu O chiếu múi thứ lên hình trụ sau tịnh tiến hình trụ xoay trái đất cho kinh tuyến múi thứ hai tiếp xúc với hình trụ, tiếp tục chiếu lên hình trụ Cứ tiếp tục múi thứ 60, sau cắt mặt trụ theo hai đường sinh KK' ta hình chiếu 60 múi Mặt phẳng gọi mặt phẳng chiếu hình Gauss X N K Q O C K' xíc hạo O đ Q S Y 500 km Mặt phẳng chiếu hình Gauss có đặc điểm sau: - Kinh tuyến có chiều dài khơng đổi vng góc với đường xích đạo Còn hình chiếu kinh tuyến khác đoạn cong có bề lõm quay phía kinh tuyến Hai kinh tuyến biên múi bị biến dạng nhiều - Hình chiếu xích đạo đoạn thẳng vng góc với kinh tuyến chiều dài bị biến dạng Còn đường vĩ tuyến khác đoạn cong có bề lõm quay phía cực đối xứng qua xích đạo - Trong phạm vi múi chiếu Gauss, góc khơng bị biến dạng nên gọi phép chiếu đẳng góc, hình chiếu kinh tuyến vĩ tuyến giao 90 0, diện tích múi chiếu mặt phẳng Gauss lớn mặt cầu Ví dụ : Lãnh thổ Việt nam theo phép chiếu Gauss nằm chủ yếu phạm vi múi thứ 18, phần miền Trung (từ Đà nẵng đến Bình thuận quần đảo Hoàng Sa) thuộc múi thứ 19 quần đảo Trường Sa thuộc múi thứ 20 Bài giảng Trắc địa Cơng trình Nguyễn Thành Lê Phép chiếu Gauss Kruger phát triển hoàn chỉnh cơng thức tính tốn nên gọi phép chiếu hình Gauss - Kruger 3) Hệ toạ độ vng góc phẳng Gauss -kruger (X,Y) Hệ toạ độ vng góc phẳng Gauss xây dựng dựa mặt phẳng múi chiếu o phép chiếu Gauss - Kruger Trong đó, nhận hình chiếu kinh tuyến múi làm trục tung X, hình chiếu xích đạo làm trục hoành Y gốc toạ độ giao điểm hình chiếu kinh tuyến trục hình chiếu xích đạo X Y 500km Hình I.2.5 Như vậy, tính từ điểm gốc phía Bắc trục X mang dấu dương, phía Nam trục X mang dấu âm Còn trị số Y phía Đơng mang dấu dương, phía Tây mang dấu âm Lãnh thổ Việt Nam nằm hoàn toàn Bắc bán cầu nên hệ toạ độ vng góc phẳng Gauss tung độ X điểm lãnh thổ Việt Nam luôn dương trị số hồnh độ Y âm, dương Để tính tốn tránh trị số Y âm người ta quy ước điểm gốc O có toạ độ X o = 0, Yo=500 km Nghĩa tịnh tiến kinh tuyến múi phía Tây 500 km (bởi chiều dài gần 1o đường kinh tuyến đường xích đạo 111km nên chỗ rộng tương ứng với nửa múi (3o) ≈ 333 km) Ngồi ra, để nhận biết vị trí điểm cần xác định thuộc múi chiếu 60 múi chiếu, người ta quy ước trước giá trị hoành độ Y điểm ghi thêm số thứ tự múi phép chiếu Gauss Quy định chữ số phần nghìn giá trị hồnh độ Y kí hiệu số thứ tự múi phép chiếu Gauss Ví dụ : Điểm M có toạ độ : X =2065,46 km Y =18 598,12 km Trong : Điểm M cách xích đạo phía Bắc 2065,46 km 18 số thứ tự múi chứa điểm M phép chiếu Gauss 10 Bài giảng Trắc địa Cơng trình Nguyễn Thành Lê Hình 4.4.5 - Sơ đồ quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình theo phương pháp đo hướng Trong có điểm (ví dụ III) thẳng hàng với mốc kiểm tra 1, 2, vng góc với hướng dự kiến chuyển dịch cơng trình, góc giao hội không nhỏ 300 Giá trị chuyển dịch điểm kiểm tra tính theo cơng thức sau: q = l i Trong đó: ∆β ′′ ρ ′′ li khoảng cách từ điểm sở đến mốc kiểm tra; ∆β" đại lượng thay đổi hướng đến mốc kiểm tra i hai chu kì quan trắc Các hướng ngắm từ điểm sở tới điểm định hướng 01; 02; 03 chu kỳ phải giữ nguyên dùng để kiểm tra độ ổn định mốc sở * Các phương pháp quan trắc chuyển dịch ngang khác Phương pháp tam giác giao hội góc thường sử dụng để quan trắc dịch chuyển ngang cơng trình xây dựng vùng đồi núi đập thuỷ điện, thuỷ lợi Các điểm kiểm tra bố trí độ cao khác bao lưới tam giác điểm đặt máy kinh vĩ, khơng chúng xác định giao hội thuận (hình 4.4.6a) Phương pháp đường chuyền đa giác thường ứng dụng để quan trắc dịch chuyển ngang cơng trình có dạng hình cung đường cong, đập cong (hình 4.4.6b) 50 Bài giảng Trắc địa Cơng trình Nguyễn Thành Lê VI V 1 I IV I II II I II a) b) Hình 4.4.6 Sơ đồ quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình theo phương pháp tam giác giao hội góc Thành lập tuyến đa giác sở qua điểm I, 1, 2, II Trong chu kỳ đo tất cạnh, góc đa giác, bình sai tính tọa độ điểm kiểm tra Độ dịch chuyển điểm hiệu tọa độ tính hai chu kỳ quan trắc: + Độ xác quan trắc chuyển dịch ngang thường đòi hỏi cao, đo góc, đo hướng cần sử dụng loại máy kinh vĩ có độ xác 2’’ dụng cụ đo dài với sai số tương đối 1/300.000 + Hiện nay, nhờ có thiết bị đo đạc đại máy tồn đạc điện tử có khả lúc xác định tọa độ khơng gian điểm đo với độ xác cao nên việc áp dụng phương pháp đo tọa độ tiện lợi kinh tế III Quan trắc độ nghiêng cơng trình Khái niệm - Đối với cơng trình dạng tháp, cột cao (ống khói, tháp vơ tuyến truyền hình, cột ăng ten, nhà cao tầng ) độ nghiêng độ lệch tâm so với tâm cơng trình Độ xác quan trắc độ nghiêng cơng trình dạng tháp cao ± 0.0005 H (H – chiều cao tháp) tường nhà công nghiệp dân dụng ± 0.0001H (H – chiều cao tường) - Đối với bệ máy có chiều dài móng lớn độ nghiêng không đồng phẳng bệ máy theo hướng Độ xác quan trắc độ nghiêng bệ máy quy định ± 0.00001L (với L chiều dài bệ máy) Phương pháp xác định độ nghiêng Tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể khu vực, chiều cao cơng trình độ xác cần thiết mà sử dụng phương pháp sau: phương pháp tọa độ, phương pháp đo góc ngang, phương pháp đo góc nhỏ, phương pháp chiếu đứng, phương pháp đo thuỷ chuẩn xác, phương pháp đo khoảng thiên đỉnh nhỏ v.v a Phương pháp toạ độ Phương pháp tọa độ có độ xác cao, sử dụng để xác định độ nghiêng cơng trình dạng tháp có chiều cao lớn ống khói cơng nghiệp 51 Bài giảng Trắc địa Cơng trình Nguyễn Thành Lê Trong phương pháp tọa độ, độ nghiêng xác định cách đặt đường chuyền gồm 34 điểm sở (I, II, III) chạy xung quanh cách cơng trình khoảng lần chiều cao (hình 4.4.7a) I II γ γ2 B C B Qy mia Qx SI I x , C Qy , Qx SI I I γ8 γ γ6 a) γ4 γ3 γ5 II y b) II Hình 4.4.7 Sơ đồ quan trắc độ nghiêng cơng trình phương pháp toạ độ Độ nghiêng cơng trình xác định phương pháp toạ độ, thực chất xác định toạ độ tâm toạ độ tâm cơng trình Phương pháp xác định tiến hành sau: - Trong chu kỳ đầu (1), điểm sở cần đo góc ngang hướng tới điểm sở lân cận hướng tới cơng trình tâm thiết diện C (đỉnh) tâm thiết diện móng B - Ở chu kỳ sau (i+1) đo để xác định tọa độ tâm thiết diện C nhờ tính độ nghiêng thành phần: Q x = xi - x1; Qy = yi - y1 Độ nghiêng toàn phần hướng nghiêng tính theo cơng thức: Q = QX2 + QY2 tgαQ = QY QX b Phương pháp đo góc ngang Trong trường hợp chân cơng trình bị che khuất, áp dụng phương pháp đo góc ngang () điểm quan trắc I, II (hình 4.4.8) hướng tới điểm sở M, N hướng tới điểm tâm (trên) cơng trình M Q QII QI IN l2 ∆β1 I 52 β2 II l1 β1 ∆β Bài giảng Trắc địa Cơng trình Nguyễn Thành Lê Hình 4.4.8 Sơ đồ quan trắc độ nghiêng cơng trình phương pháp đo góc ngang Dựa vào giá trị thay đổi góc ∆β"I ∆β"II chu kỳ khác khoảng cách SI, SII để tính độ nghiêng thành phần: QI = SI ∆β"I/ρ" QII = SII ∆β"II/ρ" Độ nghiêng toàn phần hướng nghiêng cơng trình xác định: Q = ( QI2 + QII2 )1/2 tgαQ = QI / QII Nếu hướng từ trạm đo tới tâm công trình khơng giao góc vng (γ ≠ 900) độ nghiêng tồn phần tính theo cơng thức sau: Q = ( QI2 + QII2 -2QI QII cosγ )/ sinγ c Phương pháp chiếu đứng Qua trình đo trên, chu kỳ xác định độ nghiêng Còn chu kỳ, xác định thay đổi độ nghiêng cơng trình Trong phương pháp chiếu đứng, từ hai điểm I, II (hình 4.4.7b) nằm hai trục vng góc cơng trình cách xa khoảng hai lần chiều cao nó, ta dùng máy kinh vĩ xác (ở vị trí bàn độ đứng) chiếu điểm tâm thiết diện (C) tâm thiết diện (B) xuống mia ngang đặt chân công trình (ngang tầm máy) Biết khoảng cách (S) từ máy đến mia, bán kính (R) cơng trình hiệu trị số đọc mia ngang QI’, QII’ chu kỳ ta tính độ nghiêng thành phần Qx, Qy theo công thức: Q x(y) = Q′i Trong đó: (Si +R) Si R bán kính thiết diện chân đế cơng trình; Si khoảng cách ngang từ điểm quan sát đến mia Độ nghiêng toàn phần theo công thức: Q = Q x2 + Q y2 §IV.5 CƠNG TÁC TRẮC ĐỊA TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG HẦM I Vai trò trắc địa xây dựng đường hầm Có thể nói cơng trình xây dựng đường hầm, người làm công tác trắc địa người trước sau hồn thành cơng việc quan trọng vào bậc Trong giai đoạn thiết kế, để chọn vị trí thuận lợi cho tuyến đường hầm để qui hoạch cơng trình phụ mặt đất có liên quan với tuyến đường, cần phải có loại đồ địa hình hệ thống tọa độ khu vực tương đối rộng lớn Trên sở nghiên cứu loại đồ người ta xác định số liệu địa chất cấu địa chất lớp đất đá, vị trí sụt lở, vùng nước ngầm v.v có kế hoạch sử dụng nguyên vật liệu địa phương Việc đo vẽ loại 53 Bài giảng Trắc địa Cơng trình Nguyễn Thành Lê đồ địa hình này, đo nối mặt độ cao giếng khoan thăm dò địa chất người làm cơng tác trắc địa thực Trong giai đoạn xây dựng, cơng tác trắc địa bố trí xác trục tuyến đường hầm mặt đất mặt đất, điều khiển hướng đào cho đoạn đường hầm đào đối hướng đảm bảo độ xác yêu cầu (vấn đề trình bày phần sau bài) Ngoài cách đo vẽ thành lập vẽ hồn cơng người trắc địa xác định khối lượng cơng tác hồn thành khoảng thời gian Sau xây dựng xong cơng trình, người làm cơng tác trắc địa có nhiệm vụ quan sát tượng biến dạng cơng trình mặt đất đường hầm, tham gia vào đợt sửa chữa lớn II Cơ sở trắc địa xây dựng đường hầm sai số đào thông hầm Nhiệm vụ: Nhiệm vụ chủ yếu trắc địa xây dựng đường hầm bảo đảm đào thông hầm đối hướng với độ xác theo yêu cầu Cơ sở trắc địa xây dựng đường hầm Để đảm bảo yêu cầu, cần thành lập sở trắc địa xây dựng đường hầm bao gồm nội dung sau: - Xây dựng hệ thống khống chế mặt mặt đất - Định hướng sở trắc địa hầm - Thành lập khống chế mặt hầm a Xây dựng hệ thống khống chế mặt mặt đất Khống chế mặt mặt đất thành lập dạng lưới tam giác đo góc, lưới đo cạnh, lưới đo góc – cạnh lưới GPS Các điểm chủ yếu trục đường hầm phải bao gồm lưới khống chế mặt mặt đất Các điểm chủ yếu trục đường hầm điểm cửa hầm, gần miệng giếng đứng, giếng nghiêng Những điểm phục vụ cho việc chuyền toạ độ phương vị từ mặt đất xuống hầm Hệ toạ độ lưới khống chế thường lấy trục Y trùng với đường hầm (nếu đường hầm thẳng); trục y trùng với tiếp tuyến điểm đào thông hầm (nếu đường hầm cong) X IV I n-1 VIII VI n Hình 4.5.1 Y II VII b Định hướng sởIII trắc địa hầm V * Định nghĩa: Việc chuyền toạ độ phương vị từ hệ thống khống chế mặt mặt đất xuống hầm để tạo số liệu khởi tính cho sở trắc địa hầm gọi định hướng sở trắc địa hầm, gọi đo liên hệ đo nối Giếng đứng * Mục đích: Tác dụng định hướng làm cho khống chế mặt hầm có hệ toạ độ với khống chế mặt mặt đất Việc định hướng thực qua cửa hầm, hầm bằng, giếng đứng giếng nghiêng (Hình 4.4.2) CHA CHB 54 Hầm (ngang với hầm chính) Bài giảng Trắc địa Cơng trình Nguyễn Thành Lê Hình 4.5.2 Chúng ta phải mở thêm giếng đứng, hầm bằng, hầm nghiêng hầm dài có nhược điểm : chiều dài lớn nên thời gian đào lâu điều kiện thơng gió hầm khó khăn Khi mở thêm giếng đứng, hầm bằng, hầm nghiêng mở thêm lối đào, chia hầm thành hai đoạn, rút ngắn thời gian đào hầm Đồng thời cải thiện điều kiện thơng gió hầm c Thành lập khống chế mặt hầm Khống chế mặt hầm thường thành lập dạng đường chuyền Đường chuyền hầm chia thành loại sau Đường chuyền tiệm cận: Trong trường hợp giếng đứng đào lệch sang bên đường hầm đào hầm tiệm cận để dẫn đường hầm Đường chuyền tiệm cận thành lập đường hầm tiệm cận để dẫn toạ độ phương vị chuyền từ mặt đất xuống hầm qua giếng đứng vào đường hầm (Hình 4.4.3) Giếng đứng Hầm tiệm cận Đường chuyền tiệm cận Hình 4.5.3 timTheo hầm tiến độ đào hầm, đường chuyền thi công thành Đường chuyền thiTrục công: lập với cạnh ngắn để tiện việc đạo đào hầm Đường chuyền : Khi hầm đào đoạn dài,đường chuyền thi công gồm nhiều cạnh ngắn nên độ xác phương vị cạnh cuối Đường chuyền thành lập sở điểm đường chuyền thi cơng có cạnh dài để đảm bảo độ xác phương vị Đường chuyền chủ yếu : Khi đường hầm dài khoảng cách giếng đứng xa, để tăng độ xác chuyền phương vị từ cạnh khởi đầu đến cạnh kề gương hầm, người ta lập đường chuyền chủ yếu sở điểm đường chuyền có cạnh dài Đường chuyền hầm đường chuyền nhánh d Thành lập hệ thống khống chế độ cao Để đảm bảo đào thông hầm đối hướng, xây dựng cơng trình kiến trúc, lắp đặt thiết bị hầm đo lún, cần phải thành lập hệ thống khống chế độ cao Tương tự lưới mặt bằng, hệ thống khống chế độ cao bao gồm: Khống chế độ cao mặt đất: Thành lập bác tuyến thuỷ chuẩn xuất phát từ điểm thuỷ chuẩn Nhà nước tạo thành lưới Tại cửa hầm gần kề miệng giếng cần có điểm mốc độ cao Chuyền độ cao từ mặt đất xuống hầm: Từ mốc độ cao cửa hầm gần miệng giếng đứng chuyền độ cao xuống hầm qua cửa hầm qua giếng đứng để làm số liệu khởi tính độ cao hầm 55 Bài giảng Trắc địa Cơng trình Nguyễn Thành Lê Khống chế độ cao hầm: Thành lập tuyến thuỷ chuẩn từ điểm khởi tính độ cao cửa hầm đáy giếng đứng đến gương hầm.Các điểm mốc độ cao hầm thường trùng với điểm đường chuyền hầm Tuyến thuỷ chuẩn hầm tuyến nhánh Sai số đào thông hầm a Khái niệm sai số đào thông hầm : Trong thi công đào hầm, sai số lưới khống chế mặt đất, sai số đo liên hệ, sai số lưới khống chế hầm sai số bố trí chi tiết nên hai trục tim hầm đào đối hướng khơng thể gặp xác tuyệt đối mà có độ lệch định gọi sai số đào thơng hầm đối hướng Hình chiếu độ lệch hướng trục hầm gọi sai số hướng dọc; hình chiếu hướng vng góc với trục hầm mặt phẳng nằm ngang gọi sai số hướng ngang hình chiếu phương thẳng đứng gọi sai số độ cao (Hình vẽ 4.4.4) P ∆ Hình 4.5.4 ∆h p1 Y Ký hiệu : ∆q - ∆ : sai số đào thông hầm độ lệch trục tim hầm đối hướng ∆ X - ∆ l : sai số hướng dọc l ∆q ∆ : sai số hướng ngang h : sai số độ cao M ,M ,M ,M l q h Và chúng có sai số trung phương tương ứng Đối với đường hầm tuyến đường sắt tàu điện ngầm, sai số hướng dọc cần không lớn sai số xác định chiều dài hầm để đảm bảo yêu cầu đặt ray Yêu cầu dễ đạt ( M l ) Sai số độ cao ảnh hưởng đến độ dốc đường hầm Tuy nhiên, với kỹ thuật đo cao dễ dàng đáp ứng yêu cầu độ xác độ cao Trên thực tế sai số hướng ngang quan trọng đáng ý Nếu sai số hướng ngang vượt giá trị làm thay đổi dạng hình học đường hầm; vượt giới hạn quy định phải đào xây lại để điều chỉnh, gây tổn thất cho cơng trình b Các hạn sai cho phép sai số đào thông hầm Các hạn sai đào thông hầm đối hướng thường lấy lần sai số trung phương tương ứng Sai số trung phương hướng dọc cho phép quy định : L M ≤ l 4000 Trong đó: L chiều dài đoạn hầm đào đối hướng 56 Bài giảng Trắc địa Cơng trình Nguyễn Thành Lê Sai số trung phương hướng ngang sai số trung phương độ cao cho phép đào thông hầm đối hướng quy định bảng sau : Bảng 4.5.1 Chiều dài đoạn hầm đào đối