軌道交通工程聯系測量方法的應用[摘 要] 結合北京城市軌道交通建設中測量的實際經驗, 通過對聯系測量應用實例的介紹和隧道貫通測量數據的統計, 對影響隧道工程安全貫通的重要環節—聯系測量的方法和手段進行了總結, 供測量工作者參考。[關鍵字] 軌道交通工程;聯系測量;隧道貫通 城市軌道交通工程對隧道貫通有較嚴格的要求, 為確保隧道安全貫通, 城市軌道交通工程的測量工作, 從首級控制網的建立到地上地下聯系測量以及地下控制測量等各環節均作了誤差估算和精度分析。通過實踐我們不難發現, 使地上地下坐標統一起來的聯系測量, 是影響隧道貫通的主要誤差來源之一, 同時也是由地上到貫通面整個測量工作中最難控制的環節。因此, 對城市軌道交通工程測量中有瓶頸效應的聯系測量的方法研究與經驗總結非常重要, 尤其是對新開展軌道交通工程建設的地區或城市, 顯得更為必要。1 地下隧道工程聯系測量精度設計 聯系測量是一項綜合測量工作, 它是將地面坐標、方位和高程傳遞到地下隧道, 作為地下控制測量起算數據的一組測量工作的統稱, 是實現地下隧道工程貫通控制的核心與關鍵。 聯系測量精度的確定, 首先依據《地下鐵道工程施工及驗收規范》確定貫通測量誤差的允許值(88.3mm), 然后再根據測量誤差的主要來源進行誤差配賦, 從而進行聯系測量精度的設計。 經推導, 地面 GPS 控制網點位測量中誤差為±20mm; 地面精密導線和近井導線測量中誤差為±15mm; 聯系測量中誤差為±20mm; 地下控制導線最遠點點位中誤差為±30mm。2 隧道工程聯系測量方法與實例 依據施工場地環境和測量條件, 聯系測量可選擇聯系三角形法、陀螺經緯儀與鉛垂儀(鋼絲) 組合法、導線直接傳遞法、投點法。2.1 聯系三角形法 聯系三角形法是一種傳統方法, 在采礦業中廣泛應用, 適合于井口小且深度大的豎井聯系測量。雖然其作業工作量較大, 但其精度穩定, 因而國內地鐵工程中許多單位在使用該法。 北京地鐵 5 號線雍和宮盾構試驗段盾構始發井采用聯系三角形法, 懸掛 0.5mm 鋼絲、施掛10kg 重錘并浸放在乏油阻尼液中。采用 LeicaTC2002 全站儀及配套覘板, 利用反射片測距(鋼尺量邊進行校核)。每次獨立測量三測回, 每測回三次讀數, 各測回較差小于 1mm; 地上與地下丈量的鋼絲間距較差小于 2mm; 角度用方向觀測法觀測六測回, 測回間角度較差小于 6″。
2.2 全站儀、陀螺經緯儀、鉛垂儀組合法 全站儀、鉛錘儀和陀螺經緯儀聯合定向方法, 與傳統的聯系三角形法相比, 克服了施工場地狹窄限制圖形強度的提高、占用豎井時間過長等缺點, 其靈活快捷和多檢核等特點更能適應軌道交通工程的環境條件, 因此在北京、廣州等地廣泛應用。 北京地鐵復 ￣ 八線區間隧道聯系測量, 采用Leica2002 全站儀 +NL1/20 萬鉛垂儀傳遞坐標, 利用 GAK1(±20″)+DCCSF 定向系統進行聯系測量。 施工平面控制測量布置見下圖。聯系測量以施工豎井為測量單元, A、B 點為鉛垂儀投測點,Y、Z 點分別為至隧道貫通方向的陀螺方位角測站點。 鉛垂儀(A、B)標志點觀測, 水平角四測回, 測回間互差小于 6″; 距離測量三測回(棱鏡沿 120°位置互換), 每測回三次讀數, 測回間較差小于1mm。 陀螺方位角測量, 當隧道開挖較短時觀測Y—A、Y—B 邊的方位角; 至隧道貫通方向隧道開挖較長時, 一般在某一條邊上對向觀測或在相鄰邊上觀測, 并利用相關條件進行檢核。每條邊獨立觀測三測回, 測回間較差小于 25″。 一次測量成果精度情況, 投測點的點位中誤差一般小于±8mm, 陀螺方位角中誤差一般小于±14″。2.3 導線直接傳遞法 導線直接傳遞法是導線測量方法將坐標和方位直接傳遞到地下或隧道內的聯系測量方法,較適合于井口大、深度淺等條件的明挖車站或明挖隧道, 也適合于出入隧道的斜井。此方法工作量小、精度高且簡單易行, 在具備條件時應用較多。 北京地鐵復 ￣ 八線熱電廠車站底板平面控制測量, 即采用導線直接傳遞法。其測量技術要求同精密導線, 但必須注意豎軸補償和測距儀原點與儀器豎軸同一性等問題。 導線直接傳遞坐標進行聯系測量如圖所示,常用的方法是對地下待定點(A、B)采用雙極坐標觀測。不同方向測定的 A、B 點的坐標互差一般小于 6mm。2.4 投點定向法 該方法利用車站兩端的下料口、出土井等,采用垂準儀或垂線直接將坐標傳遞到隧道內, 作為地下坐標起算數據, 如果需要所投測點作為起算方位, 則相鄰兩點須通視。另外, 當隧道貫通距離較長時, 為控制隧道掘進的方向誤差, 對淺埋隧道可在地面鉆一孔, 將坐標直接傳入地下隧道內,加強平面位置與方向的控制。此方法精度最優。3 貫通測量及精度統計3.1 北京地鐵復￣八線全線貫通測量誤差統計 北京地鐵復 ￣ 八線已于 1998 年 9 月 28 日建成通車, 聯系測量主要采用“全站儀、陀螺經緯儀(20″)、鉛垂儀組合法”, 全線貫通情況如下: 橫向貫通中誤差平均值為±12.1 mm, 縱向貫通中誤差平均值±13.51mm。3.2 北京地鐵 5 號線地下段貫通測量誤差統計 北京地鐵 5 號線于 2007 年 9 月 20 日建成通車, 線路全長約 27.7km, 其中地下線 14.88km,占全線長度的 54%。聯系測量主要采用“全站儀、陀螺經緯儀(20″)、鉛垂儀組合法”和“聯系三角形法”等。 地下段貫通情況統計如下: 橫向貫通中誤差平均值為±15.9 mm, 縱向貫通中誤差平均值±12.7 mm。3.3 北京地鐵 10 號線, 各貫通段貫通測量誤差精度統計見下表: 北京地鐵十號線正線全長 24.6 公里, 起于萬柳站止于勁松站, 全部是地下線, 工期自 2003 年12 月 27 日至 2007 年 12 月 31 日。聯系測量方法主要為“:全站儀 + 鉛錘儀 + 陀螺經緯儀 (20″)”和“全站儀 + 懸掛鋼絲 + 陀螺經緯儀(5″)”等方法, 貫通情況統計如下: 橫向貫通中誤差平均值為±16.3 mm, 縱向貫通中誤差平均值±9.1 mm。3.4 北京地鐵 4 號線貫通測量誤差統計 北京地鐵 4 號線, 馬家樓至龍背村, 正線全長 28.39km。聯系測量方法主要為“全站儀 + 鉛錘儀 + 陀螺經緯儀(5″)”“、投點定向法”等方法。全線貫通情況統計如下: 橫向貫通中誤差平均值為±9.4 mm, 縱向貫通中誤差平均值±4.4mm。3.5 貫通測量誤差分析 針對表 3￣ 表 6 不同地鐵線路貫通測量誤差數據作統計分析, 計算貫通測量誤差的均值以及貫通誤差實際測量值與所設計的貫通測量誤差的允許值(88.3mm)的關系。規定: 橫向貫通誤差為t; 縱向貫通誤差為 s 則: 貫通中誤差均值 =Mi/n=±17.8mm 實際貫通中誤差值為貫通測量中誤差控制值的 40%。4 結論 通過上述的總結與統計不難看出, 城市軌道交通工程測量中的關鍵環節—聯系測量, 其方法愈來愈多樣、成熟與可靠, 隨著經驗的積累, 地下隧道貫通誤差更加趨于安全和保險。 隨著測繪科學技術的迅速發展, 尤其是 GPS定位技術、高精度陀螺經緯儀的普及和自動跟蹤技術、全站儀空間交會解析技術等不斷的發展和廣泛地應用, 城市軌道交通工程測量技術定將會進入一個新時代。我們相信, 通過不斷的積累與嘗試, 工程測量各環節的新技術、新方法也將在安全經濟的前提下, 高精度地為迅速開展的軌道交通建設保駕護航。參考文獻[1] 地下鐵道、輕軌交通工程測量規范 GB50308- 1999[S][2] 陳家鼎,劉宛如,汪仁官編.概率統計[M].1982
2.2 全站儀、陀螺經緯儀、鉛垂儀組合法 全站儀、鉛錘儀和陀螺經緯儀聯合定向方法, 與傳統的聯系三角形法相比, 克服了施工場地狹窄限制圖形強度的提高、占用豎井時間過長等缺點, 其靈活快捷和多檢核等特點更能適應軌道交通工程的環境條件, 因此在北京、廣州等地廣泛應用。 北京地鐵復 ￣ 八線區間隧道聯系測量, 采用Leica2002 全站儀 +NL1/20 萬鉛垂儀傳遞坐標, 利用 GAK1(±20″)+DCCSF 定向系統進行聯系測量。 施工平面控制測量布置見下圖。聯系測量以施工豎井為測量單元, A、B 點為鉛垂儀投測點,Y、Z 點分別為至隧道貫通方向的陀螺方位角測站點。 鉛垂儀(A、B)標志點觀測, 水平角四測回, 測回間互差小于 6″; 距離測量三測回(棱鏡沿 120°位置互換), 每測回三次讀數, 測回間較差小于1mm。 陀螺方位角測量, 當隧道開挖較短時觀測Y—A、Y—B 邊的方位角; 至隧道貫通方向隧道開挖較長時, 一般在某一條邊上對向觀測或在相鄰邊上觀測, 并利用相關條件進行檢核。每條邊獨立觀測三測回, 測回間較差小于 25″。 一次測量成果精度情況, 投測點的點位中誤差一般小于±8mm, 陀螺方位角中誤差一般小于±14″。2.3 導線直接傳遞法 導線直接傳遞法是導線測量方法將坐標和方位直接傳遞到地下或隧道內的聯系測量方法,較適合于井口大、深度淺等條件的明挖車站或明挖隧道, 也適合于出入隧道的斜井。此方法工作量小、精度高且簡單易行, 在具備條件時應用較多。 北京地鐵復 ￣ 八線熱電廠車站底板平面控制測量, 即采用導線直接傳遞法。其測量技術要求同精密導線, 但必須注意豎軸補償和測距儀原點與儀器豎軸同一性等問題。 導線直接傳遞坐標進行聯系測量如圖所示,常用的方法是對地下待定點(A、B)采用雙極坐標觀測。不同方向測定的 A、B 點的坐標互差一般小于 6mm。2.4 投點定向法 該方法利用車站兩端的下料口、出土井等,采用垂準儀或垂線直接將坐標傳遞到隧道內, 作為地下坐標起算數據, 如果需要所投測點作為起算方位, 則相鄰兩點須通視。另外, 當隧道貫通距離較長時, 為控制隧道掘進的方向誤差, 對淺埋隧道可在地面鉆一孔, 將坐標直接傳入地下隧道內,加強平面位置與方向的控制。此方法精度最優。
3 貫通測量及精度統計3.1 北京地鐵復￣八線全線貫通測量誤差統計 北京地鐵復 ￣ 八線已于 1998 年 9 月 28 日建成通車, 聯系測量主要采用“全站儀、陀螺經緯儀(20″)、鉛垂儀組合法”, 全線貫通情況如下: 橫向貫通中誤差平均值為±12.1 mm, 縱向貫通中誤差平均值±13.51mm。3.2 北京地鐵 5 號線地下段貫通測量誤差統計 北京地鐵 5 號線于 2007 年 9 月 20 日建成通車, 線路全長約 27.7km, 其中地下線 14.88km,占全線長度的 54%。聯系測量主要采用“全站儀、陀螺經緯儀(20″)、鉛垂儀組合法”和“聯系三角形法”等。 地下段貫通情況統計如下: 橫向貫通中誤差平均值為±15.9 mm, 縱向貫通中誤差平均值±12.7 mm。3.3 北京地鐵 10 號線, 各貫通段貫通測量誤差精度統計見下表: 北京地鐵十號線正線全長 24.6 公里, 起于萬柳站止于勁松站, 全部是地下線, 工期自 2003 年12 月 27 日至 2007 年 12 月 31 日。聯系測量方法主要為“:全站儀 + 鉛錘儀 + 陀螺經緯儀 (20″)”和“全站儀 + 懸掛鋼絲 + 陀螺經緯儀(5″)”等方法, 貫通情況統計如下: 橫向貫通中誤差平均值為±16.3 mm, 縱向貫通中誤差平均值±9.1 mm。3.4 北京地鐵 4 號線貫通測量誤差統計 北京地鐵 4 號線, 馬家樓至龍背村, 正線全長 28.39km。聯系測量方法主要為“全站儀 + 鉛錘儀 + 陀螺經緯儀(5″)”“、投點定向法”等方法。全線貫通情況統計如下: 橫向貫通中誤差平均值為±9.4 mm, 縱向貫通中誤差平均值±4.4mm。3.5 貫通測量誤差分析 針對表 3￣ 表 6 不同地鐵線路貫通測量誤差數據作統計分析, 計算貫通測量誤差的均值以及貫通誤差實際測量值與所設計的貫通測量誤差的允許值(88.3mm)的關系。規定: 橫向貫通誤差為t; 縱向貫通誤差為 s 則: 貫通中誤差均值 =Mi/n=±17.8mm 實際貫通中誤差值為貫通測量中誤差控制值的 40%。4 結論 通過上述的總結與統計不難看出, 城市軌道交通工程測量中的關鍵環節—聯系測量, 其方法愈來愈多樣、成熟與可靠, 隨著經驗的積累, 地下隧道貫通誤差更加趨于安全和保險。 隨著測繪科學技術的迅速發展, 尤其是 GPS定位技術、高精度陀螺經緯儀的普及和自動跟蹤技術、全站儀空間交會解析技術等不斷的發展和廣泛地應用, 城市軌道交通工程測量技術定將會進入一個新時代。我們相信, 通過不斷的積累與嘗試, 工程測量各環節的新技術、新方法也將在安全經濟的前提下, 高精度地為迅速開展的軌道交通建設保駕護航。參考文獻[1] 地下鐵道、輕軌交通工程測量規范 GB50308- 1999[S][2] 陳家鼎,劉宛如,汪仁官編.概率統計[M].1982