2. Công thức điểm đào thông
2.3.2thiết kế một số dạng lới mặt bằng trong hầm
Tùy thuộc vào thiết kế của đờng hầm mà đờng chuyền trong hầm có thể đợc lập một cách khác nhau.Việc ớc tính đờng chuyền trong hầm đợc thực hiện nh phần 1.4 của chơng 1.
Trong những năm gần đây, công nghệ đo đạc phát triển rất mạnh với sự ra đời của nhiều loại máy toàn đạc điện tử của nhiều hãng khác nhau trên thế giới. Có thể thành lập lới khống chế mặt bằng trong hầm. Tuy nhiên đồ hình của lới không đáp ứng đợc các yêu cầu của quy phạm nh lới khống chế trên mặt đất, tác
dụng chủ yếu là tăng cờng điều kiện kiểm tra đối với khống chế trắc địa trong hầm. Dới đâylà một số dạng lới khống chế mặt bằng trong hầm:
Từ điểm khống chế trắc địa trên mặt đất ở cửa hầm , thiết kế đờng chuyền trong hầm có dạng là đờng chuyền nhánh đơn theo tiến độ đào hầm (hình 2.2).
CH-A
Hình 2.2 Đờng chuyền nhánh đơn
Từ điểm khống chế A ở cửa hầm, thiết kế đờng chuyền có dạng là đờng chuyền nhánh kép dọc theo hai thành đờng hầm (hình 2.3).
CH-A
Hình 2.3 đờng chuyền nhánh kép
Hình 2.4 là mô hình lới đờng chuyền trong hầm đợc thiết kế có dạng là đờng chuyền tạo thành vòng khép kín. Thuận tiện cho việc kiểm tra độ chính xác về góc.
CH-A
Hình 2.4 Đờng chuyền tạo thành vòng khép
Khi đờng hầm có hầm phụ đợc đào song song với hầm chính và thông với hầm chính thì lới đờng chuyền trong hầm đợc thiết kế có dạng khép nh (hình 2.5) đ- ờng chuyền nhánh hầm chính thông với hầm phụ.
CH-A
Hình 2.5 Đờng chuyền nhánh hầm chính thông với hầm phụ
2.4 Thiết kế đờng chuyền trong hầm có đo thêm phơng vị cạnh bằng máy con quay
Dùng máy con quay không những có thể xác định phơng vị khởi đầu mà còn có thể đo phơng vị một số cạnh đờng chuyền trong hầm để hạn chế tích lũy sai số đo góc, nâng cao độ chính xác hớng ngang đào thông hầm.
1. Giới thiệu tóm tắt về máy con quay a. Con quay
Con quay là một vật rắn đối xứng tròn xoay có thể quay xung quanh trục đói xứng của nó. Con quay thờng đợc chế tạo dới dạng một cái vô lăng (vành quay) và phần lớn khối lợng của nó tập trung ở đây. con quay có thể quay với vận tốc cao xung quanh trục đối xứng của nó, cỡ 18000 đến 24000 vòng/phút.
Con quay có hai tính chất cơ bản:
+ Tính chất trục cố định: Trục con quay luôn giữ một phơng không đổi trong không gian chừng nào cha có ngoại lực tác dụng len nó.
+ Tính chất tuế động: Khi có mo men ngoại lực tác đông lên con quay, trục quay của con quay có hiện tợng tuế động (chuyển động tuế sai).
Tự quay của trái đất có ảnh hởng tới chuyển động của con quay. Nhng khi con quay quay với vận tốc lớn ,dới tác dụng của mô men trong lực, trục quay của con quay tuế động về hớng của mô men trọng lực, tức trục quay của con quay của con quay tuế động hớng về mặt phăng kinh tuyến.
Năm 1852, nhà vật lý học ngời pháp leon Foucault đã đề ra nguyên lý chỉ h- ớng bắc của con quay, nhng do điều kiện kỹ thuật còn hạn chế nên đến đầu thế kỷ 20 nguyên lý ấy mới đợc ứng dụng lần đầu tiên trong nghành hàng hải. Trong trắc địa công trình, giữa thế kỷ 20 mới bắt đầu thí nghiệm nghiên cứu ứng dụng nguyên lý chỉ hớng bắc của con quay và có thể chia lam 4 thời kỳ:
Vào nhng năm 50, chủ yếu sử dụng loại máy con quay nổi trong dung dịch, trọng lợng của máy khoảng 250-640kg, thời gian một lân định hớng từ hai đến bốn giờ, độ chính xác một lần định hớng là ± 1’ ữ ± 1’30”. Vì máy quá nặng nên ít đợc sử dụng trong thực tế.
Những năm 60 sử dụng kết cấu dây treo kim loại để treo hộp con quay (bộ phân nhạy) nên đã giảm trọng lợng của máy xuống còn 35-80kg, thời gian một lần định hớng giam xuống cong 30-60 phút, độ chính xác một lần định hớng là
± 10” ữ ± 30”. Các loại máy tiêu biểu là: KT1, KT3, của cộng hòa liên bang Đức; Gi-B1, Gi-B2 của Hungari.
Những năm 70, để ứng dụng hiệu quả máy con quay trong trắc địa công trình thì máy phải có thể tích nhỏ, trọng lợng nhẹ, thời gian đo gắn, tiện vận chuyển và sử dụng còn độ chính xác không nhất thiết phai cao nắm nên chế tạo loại con quay nhỏ lắp trên máy kinh vĩ. Loai máy này có TK4 của cộng hòa liên bang Đức, GAK1 của thỵ sỹ, Gi-C11 của Hungari, trọng lợng của máy giảm còn 14- 30kg, thời gian một lần định hớng khoảng 17 đến 40 phút, độ chính xác một lần định hớng là ± 20” ữ ± 40”.
Gần đây cộng hòa liên bang Đức đã chế tạo thành công máykinh vĩ con quay Gyromat đo tự động dựa trên nguyên lý tích phân và đợc điều khiển bằng máy tính điện tử, thời gian đo chỉ cần 10 phút, độ chính xác một lần định hớng đạt khoảng ± 2” ữ ± 3”. Hãng MOM của Hungari cũng đã chế tạo đợc máy kinh vĩ con quay, mức độ tự động tơng đối cao, độ chính xác một lần định hớng khoảng ± 2” ữ ± 3”.
Trớc đây, máy kinh vĩ con quay bao gồm phần trên là máy kinh vĩ, phần dới là máy xác định phơng vị bằng máy con quay. Máy Gyromat 2000, Gyromat 3000 đợc cấu tạo với phần trên là máy toàn đạc điện tử chính xác, phần dới là máy con quay và càng ngày cạng hiện đại và có nhiều chức năng hơn (hình 2.7, 2.8)
Hình 2.7 Gyromat 2000
Hình 2.8 Gyromat 3000 a. Máy con quay Gyromat 3000
Trong trắc địa công trình hầm, độ chính xác của góc phơng vị chuyền từ mặt đất xuống hầm có ý nghĩa rất quan trọng vì nó ảnh hởng trực tiếp đến độ chính
xác hớng ngang đào thông hầm đối hớng. Trên thế giới ngời ta rất quan tâm đến vấn đề này, và để đáp ứng nhu cầu trên, DMT của cộng hòa liên bang Đức đã cho ra đời dòng máy Gyromat 3000 dựa trên cơ sở máy Gyromat 2000 nhng hiện đại hơn và cho độ chính xác cao hơn. Đặc điểm nổi bật nhất của dòng máy này là con quay hồi chuyển có khả năng đo đạc hoàn toàn tự động với độ chính xác cao. Thiết bị điện tử mới nhất, dung lợng bộ nhớ lớn, công nghệ kết nối không giây giữa các thiết bị của máy; màn hình hiển thị rộng nên rễ sử dụng, tiết kiệm thời gian, đo đạc nhanh, chính xác và kinh tế hơn trớc đây.
Máy Gyromat 3000 có thể đo hớng một cách chính xác ở bất kỳ khu vực nào của trái đất. Điều đó thực hiện nhờ vào con quay hồi chuyển quay rất nhanh, treo bên trong thiết bị. Trục của nó dao động quanh hớng bắc địa lý do kết quả của sự tơng tác của con quay hồi chuyển, lực hút và sự quay của trái đất. Theo cách đó, một hệ thống quét quang- điện đặc biệt xác định hoàn toàn tự động hớng bắc thực với độ chính xác cực cao . Điều quan trọng là máy làm việc nhanh, chỉ mất 10 phút để hoàn tất một phép đo theo một hớng với độ chính xác 1/1000 gon hoặc 10 đến 15 mm trên cạnh dài 1km (khoảng 2” đến 3” ).
Ngoài ra Gyromat 3000 còn có thể tăng tốc độ sử lý bằng cách cung cấp một góc phơng vị tham chiếu độc lập mà không cần đến GPS hoặc quan sát thiên văn. b. các đặc điểm nổi bật của máy Gyromat 3000
Pin hợp nhất đo đợc 25 đến 50 ca đo, trạm nạp điện điều khiển vi sử lý, thông minh với sự duy trì pin, không hoạt động khi để máy nghi lâu và tính năng tiếp tục các ca đo.
3 mã giao diện (RS 232) đợc nối với PC, máy toàn đạc điện tử hoặc các thiết bị khác. Điều khiển từ xa không dây và truyền dữ liệu qua cổng hồng ngoại (Bluetooth). Hai màn hình tạo thành một góc 1800 có thể hiển thị đợc nhiều dòng kết quả và bàn phím ngoài.
Đo đạc hoàn toàn tự động không cần định hớng trớc, hoạt động tơng tác với các thiết bị khác, menu điều khiển tơng tác với quá trình hoạt động. Chức năng
kết hợp kiểm tra với các tiện ích trợ giúp, định dạng các thông số cho thiết bị. Tự động cung cấp hớng bắc thực.
Trong lợng của máy Gyromat 3000 là 11,5kg. Nhiệt độ hoạt động trong khoảng -200C đến +500C.
3. Thiết kế đờng chuyền trong hầm có đo thêm phơng vị bằng máy con quay Khi dùng máy con quay xác định phơng vị của một số cạnh đờng chuyền trong hầm để hạn chế tích lũy sai số đo góc, nâng cao độ chính xác hớng ngang đào thông hầm N n.s k.s s1 1 1 2 k i n-1 n
Hình 2.9 Đo phơng vị con quay một số cạnh đờng chuyền
Đờng chuyền trong hầm hình 2.9 gồm n cạnh, chiều dài cạnh trung bình là s . Trong trờng hợp không đo thêm phơng vị bằng máy con quay thì sai số trung phơng hớng ngang của điểm cuối đờng chuyền nhánh đợc tính theo công thức:
6 ) 2 )( 1 ( ) . ( 2 2 2 2 2 2 2 = +m s n n+ n+ s n m mq ρ ρ β α (2.1)
Trong đó: mα là sai số trung phơng của phơng vị cạnh khởi đầu đờng chuyền ;
mβ là sai số trung phơng đo góc đờng chuyền
Trong trờng hợp đo thêm i góc phơng vị con quay và phân bố đều trên đờng chuyền thì sẽ tạo gia i đờng chuyền phù hợp phơng vị. Sai số trung phơng hớng ngang của điểm cuối đờng chuyền đợc tính theo công thức:
+ + − − + − − = 4 ) 2 1 ( 6 ) 1 2 )( 1 ( . 2 2 2 2 2 2 2 ω ω ρ β k k k k k k i s m mq 6 ) 1 ) ( 2 )( 1 )( ( ) ( 2 2 2 2 2 2 2 + − + − − + − +m i s n ik m s n ik n ik n ik ρ ρ β α (2.2) Trong đó β α ω m m
= ; k là số lợng cạnh trong mỗi tuyến đờng chuyền phù hợp.
Từ (2.2) tìm trị cực tiểu của m2
q theo k (tức mq2=min), tính tỉ số k và n, để tìm đợc trị tối u đẻ đo phơng vị con quay.
Với các phơng án thành lập đờng chuyền khác nhau về tổng chiều dài cạnh trung bình, số lợng cạnh có thể tính toán và so sánh hiệu quả độ chính xác của đ- ờng chuyền có đo thêm một, hai và nhiều phơng vị con quay .Kết quả cho thấy :
Trong trờng hợp mα =mβ tức ω=1 nếu đo thêm 1 hoặc hai phơng vị con quay thì mức độ tăng độ chính xác hớng ngang tơng đối lớn. Lúc đo thêm 1 phơng vị con quay thì vị trí con quay ở 2/3 chiều dài đờng chuyền là tốt nhất. Lúc đo thêm 2 phơng vị con quay trở lên thì phân bố đều trên toàn bộ chiều dài của đờng chuyền là tốt nhất.
Trong trờng hợp ω=4, tác dụng của việc đo thêm phơng vị con quay để nâng cao độ chính xác hớng ngang của điểm cuối đờng chuyền là rất nhỏ.
2.5 nâng cao độ chính xác chiếu điểm xuống hầm
Trong xây dựng đờng hầm ,để tăng diên tích đào hầm và cải thiện điều kiện thi công đào hầm , ngời ta thờng dùng biện pháp đào hầm bằng, giếng nghiêng, giếng đứng và đôi khi còn có cả lỗ khoan.
Lúc đó để đảm bảo điều kiện đảm bảo đào thông hầm đối hớng với độ chính xác quy định, cần phảichuyền tọa độ phơng vị và độ cao của lới khống chế trên mặt đất xuống hầm qua giếng đứng để làm số liệu khởi tính cho lới khống chế trong hầm. công việc đó gọi là đo liên hệ qua giếng đứng. Trong đó việc chuyền tọa độ và phơng vị qua giếng đứng gọi là định hớng qua giếng đứng.
Sai số chuyền tọa độ từ mặt đất xuống hầm làm cho điểm đờng chuyền trong hầm bị dịch chuyển một lợng nh nhau và ảnh hởng của nó đối với độ chính xác hớng ngang đào thông hầm là một hằng số (hình 2.10).
Có thể chuyền tọa độ xuống hầm qua giếng đứng bằng 2 phơng pháp phơng pháp dùng dây dọi hay phơng pháp dùng máy chiếu.
0 2 o1 mx my x m A C D E E' D' C' A' B B'
Hình 2.10 ảnh hởng của sai số chuyền tọa độ
2.4.1 Chiếu điểm bằng dây dọi
Chiếu điểm bằng dây dọi trong giếng đứng thờng dùng quả dọi đơn, trọng ổn định. Trọng lợng của quả dọi và tiết diện của dây dọi tùy thuộc vào độ sâu của giếng và độ bền của dây thép.
Để nâng cao độ chính xác của chiếu điểm cần phải quan trắc dao động của dây dọi nhằm xác định vị trí đứng yên của nó.
2.4.2 Phơng pháp chuyền tọa độ từ mặt đất xuống hầm bằng máy chiếu
1. Giới thiệu về máy chiếu đứng PXL, ZL và NL
Máy chiếu đứng quang học PZL và ZL (gọi là máy chiếu đứng ngợc) máy chiếu đứng quang học NL (gọi là máy chiếu đứng xuôi) có cấu tạo tơng tự nh máy chiếu đứng ngợc nhng có hớng ngắm từ trên xuống.
2. Nguyên tắc hoạt động của máy chiếu
Máy chiếu có cấu tạo là máy quang học có bộ tự cân bằng để tự động đựa trục ống kính trùng đờng thẳng đứng. Hoạt động của bộ tự cân bằng của máy chiếu nh sau:
Hình 2.11 Nguyên tắc hoạt động của bộ tự cân bằng
Gỉa sử khi máy chiếu bị nghiêng đi một góc α (hình 2.11) khi máy chiếu đứng không có cơ cấu tự cân bằng thì số đọc trên lới chiếu tọa độ sẽ sai lệch so với số đọc theo đờng thẳng đứng một đại lợng là a. Khi máy chiếu đứng có bộ phận tự cân bằng thì chùm tia sáng sẽ hội tụ một đại lợng là a, số đọc trên lới chiếu tọa sẽ đa về vị trí đúng (tức là tơng ứng với số đọc theo phơng ngắm thẳng đứng). Dựa trên cơ sở này để chế tạo bộ tự cân bằng. Thực chất bộ tự cân bằng trong máy chiếu đứng quang học PZL là một năng kính vuông góc (hình 2.11c). Khi năng kính chuyển dịch theo phơng cạnh huyền của nó một đại lợng bằng
2
a
dẫn tới tia sáng chuyền qua năng kính sẽ dịch chuyển so với vị trí ban đầu một đại lợng bằng a. Nếu lăng kính vuông góc trên hệ thống con lắc có chiều dài
2
f
thì khi máy nghiêng đi một góc α . Lăng kính vuông góc dới tác dụng của trọng lực sẽ dịch chuyển theo hớng cạnh huyền một lợng:
" 2 ρ α f a = (2. 3 ) a a a 2 a
Lúc đó, tia sáng qua phản xạ trong lăng kính sẽ di chuyển một đại lợng bằng a. Hay nói cách khác, nhờ có bộ tự cân bằng mà ta vẫn nhận đợc trên lới chiếu tọa độ tơng ứng với tia ngắm thẳng đứng.
Để đảm bảo độ chính xác đo đạc thì, trớc khi sử dụng máy vào công tác chiếu điểm cần kiểm tra các điều kiện cơ bản :
+ Trục ống thủy dài vuông góc với trục quay của máy. + Tia ngắm quang học của máy phải thẳng đứng.
+ Trục ngắm của bộ phận định tâm quang học phải trùng với trục quay của máy.
3. Chuyền tọa độ từ mặt đất xuống hầm bằng máy chiếu đứng
Hiện nay chủ yếu là máy chiếu đứng quang học và máy chiếu đứng lazer, qua khảo sát thì máy chiếu đứng quang học cho độ chính xác cao hơn. a. Nguyên lý chiếu điểm
Định tâm máy chiếu trên điểm mốc đã có tọa độ. Cân bằng máy để đa đờng ngắm về vị chí thẳng đứng. ở độ cao cần chuyền tọa độ, đặt một tấm kính hoặc nhựa trong suốt kẻ lới ô vuông (paletka) có chia vạch đến 1mmì1mm, hình 2.12: Dựa vào lới kẻ trên paletka để xác định vị trí của tâm chiếu theo trục X và trục Y. tâm chiếu đợc xác định nhiều lần, sau mỗi lần chiếu lại xoay đế máy đi 900, quá trình đo đạc đợc thực hiện theo chiều thuận chiều ngợc kim đồng hồ, mỗi chiều đều có đo khép vòng. vị trí điểm ngợc xác định theo giá trị Xi và Yi,