馬海志

(北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京100101)

城市軌道交通工程地下高精度平面控制網(wǎng)的建立

馬海志

(北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京100101)

通過(guò)深入分析城市軌道交通工程地下隧道的結(jié)構(gòu)與施工特點(diǎn)，研究建立一套適合現(xiàn)行測(cè)量規(guī)范的地下隧道高精度平面控制網(wǎng)，并通過(guò)較詳實(shí)的精度分析，說(shuō)明該網(wǎng)可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制基標(biāo)，直接用于加密基標(biāo)的測(cè)設(shè)，達(dá)到指導(dǎo)隧道內(nèi)軌道鋪設(shè)精細(xì)化施工的目標(biāo)。最后指出，在繼承傳統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新對(duì)城市軌道交通行業(yè)發(fā)展的迫切性和重大戰(zhàn)略意義。

地鐵;隧道;軌道鋪設(shè);控制基標(biāo);CPIII網(wǎng);導(dǎo)線網(wǎng);自由設(shè)站;方位角閉合差;點(diǎn)位相對(duì)精度

一、前 言

我國(guó)高鐵測(cè)量技術(shù)在引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)10多年的自主創(chuàng)新，已經(jīng)建立了一套比較完善的控制網(wǎng)布設(shè)和施工測(cè)量體系，特別是在軌道控制網(wǎng)(CPIII網(wǎng))的建設(shè)和使用上，引起了測(cè)量界的廣泛關(guān)注。高鐵軌道設(shè)標(biāo)網(wǎng)(CPIII網(wǎng))是在其上級(jí)控制網(wǎng)CPII或CPI基礎(chǔ)上建立起來(lái)的、直接用于高速鐵路軌道鋪設(shè)的高精度控制網(wǎng)，它與城市軌道交通工程的一個(gè)顯著區(qū)別就是可直接用它進(jìn)行加密基標(biāo)測(cè)設(shè)和軌道板精調(diào)，舍棄了中間環(huán)節(jié)——控制基標(biāo)的測(cè)設(shè)(道岔區(qū)仍需測(cè)設(shè)，本文僅討論線路正線)。要達(dá)到這一目標(biāo)，高鐵是通過(guò)保證CPIII網(wǎng)的平面相對(duì)高精度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。那么，城市軌道交通工程(以下簡(jiǎn)稱地鐵)測(cè)量能否借鑒高鐵思想，建立一套適合地鐵建設(shè)特點(diǎn)的高精度控制網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)直接測(cè)設(shè)加密基標(biāo)，以達(dá)到精細(xì)指導(dǎo)軌道鋪設(shè)的目的呢?筆者帶著這樣的疑問(wèn)，經(jīng)過(guò)深入研究，證明在地鐵隧道貫通后，建立一套這樣的地下高精度平面控制網(wǎng)是可以實(shí)現(xiàn)的。

本文首先分析CPIII網(wǎng)在網(wǎng)形上無(wú)法滿足地鐵隧道建網(wǎng)的原因，然后分析地鐵高精度網(wǎng)需達(dá)到的平面精度，在此基礎(chǔ)上提出建網(wǎng)方案，并詳細(xì)分析該網(wǎng)觀測(cè)后可以達(dá)到的精度，最后得出一些重要的結(jié)論。

二、高鐵CPIII網(wǎng)引入地鐵隧道所面臨的問(wèn)題

高鐵CPIII網(wǎng)有兩種成熟網(wǎng)形，本文暫稱CPIII標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)和CPIII改進(jìn)網(wǎng)(如圖1、圖2所示)，分別適用于寬闊環(huán)境和狹窄環(huán)境。有專業(yè)人士提出將CPIII改進(jìn)網(wǎng)引入地鐵隧道施工的建議。

圖1 CPIII標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)布網(wǎng)形式

圖2 CPIII改進(jìn)網(wǎng)布網(wǎng)形式

筆者認(rèn)為，CPIII改進(jìn)網(wǎng)用于地鐵隧道建網(wǎng)將遇到如下問(wèn)題:

1)通視困難，觀測(cè)難以實(shí)現(xiàn)。高鐵線路兩側(cè)每對(duì)CPIII點(diǎn)橫距在10 m以上，即使單線隧道，也能達(dá)到8～9 m［3］。而北京地區(qū)的單線隧道，最大內(nèi)徑多數(shù)為5.4 m，比高鐵縮小近一半，即使采用改進(jìn)網(wǎng)形，自由設(shè)站由于位于隧道中線附近，觀測(cè)側(cè)壁CPIII點(diǎn)也十分困難。

2)外業(yè)觀測(cè)工作量較大。CPIII改進(jìn)網(wǎng)形的設(shè)站間隔和CPIII控制點(diǎn)縱向間距一樣，都是60 m。每個(gè)自由設(shè)站點(diǎn)觀測(cè)至少8個(gè)邊長(zhǎng)、8個(gè)方向。因此，不考慮與高級(jí)點(diǎn)的聯(lián)測(cè)，每千米隧道CPIII網(wǎng)至少要設(shè)站16.7個(gè)，觀測(cè)邊長(zhǎng)133個(gè)，觀測(cè)方向133個(gè)。

3)無(wú)法配合施工，與施工方的技術(shù)條件不匹配。地鐵隧道在貫通之前，隧道施工單位多采用導(dǎo)線法指導(dǎo)隧道的定向和開(kāi)挖，如果采用CPIII網(wǎng)布設(shè)軌道控制網(wǎng)，就無(wú)法充分利用施工單位布設(shè)的導(dǎo)線，也不能及時(shí)對(duì)該導(dǎo)線網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)，也就達(dá)不到指導(dǎo)施工的目的。

4)無(wú)法滿足與高級(jí)點(diǎn)聯(lián)測(cè)的要求。高鐵軌道控制網(wǎng)CPIII要求每隔600～800 m要與高級(jí)點(diǎn)CPII或CPI進(jìn)行聯(lián)測(cè)，這就要求地鐵隧道每隔600～800 m設(shè)置一個(gè)區(qū)間豎井，而地鐵區(qū)間隧道較難滿足這一要求;位于隧道內(nèi)的高級(jí)控制點(diǎn)，目前也只能采用導(dǎo)線測(cè)量的方式進(jìn)行傳遞。這些都是制約CPIII網(wǎng)布設(shè)的瓶頸。

5)精度要求偏高。高鐵CPIII網(wǎng)要求［2］相鄰60 m點(diǎn)的相對(duì)點(diǎn)位中誤差在±1 mm以內(nèi)，這個(gè)要求是為保證高鐵高平順性而提出的，對(duì)地鐵鋪軌來(lái)說(shuō)是否偏高，值得進(jìn)一步商榷。

三、適用于地鐵工程的高精度平面控制網(wǎng)的建立

地鐵地下隧道高精度控制網(wǎng)，應(yīng)建立在以“車站—區(qū)間—車站”(兩站一區(qū)間)為固定單元的基礎(chǔ)上，在區(qū)間隧道貫通后再進(jìn)行統(tǒng)一觀測(cè)和整體嚴(yán)密平差處理。該網(wǎng)的起算點(diǎn)，仍為區(qū)間兩端用常規(guī)聯(lián)系測(cè)量方式傳遞到車站底板的平面控制點(diǎn)。

1.隧道內(nèi)控制網(wǎng)點(diǎn)間距的確定

建立高精度平面控制網(wǎng)的目的是為適應(yīng)地鐵鋪軌規(guī)范要求，達(dá)到直接指導(dǎo)加密基標(biāo)測(cè)設(shè)的目標(biāo)，因此需建立合適的控制點(diǎn)間距?！冻鞘熊壍澜煌üこ虦y(cè)量規(guī)范》(GB 50308—2008)［1］規(guī)定，地鐵正線軌道鋪設(shè)控制基標(biāo)直線段間隔為120 m，曲線段除曲線要素外，間隔為60 m;加密基標(biāo)直線段間距為6 m，曲線地段間距為5 m。因此，高精度平面控制網(wǎng)控制點(diǎn)縱向間隔取和 CPIII網(wǎng)相一致的60 m，既可滿足直線段、曲線段測(cè)設(shè)加密基標(biāo)需要，又能滿足曲線地段控制點(diǎn)間的通視要求。

2.點(diǎn)位相對(duì)精度要求

《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50308—2008)［1］規(guī)定，按連續(xù)3個(gè)控制基標(biāo)推算的折角計(jì)算橫向相對(duì)偏差應(yīng)控制在2 mm以內(nèi)。因此，按照誤差傳播律，容易推得(按控制基標(biāo)間距120 m計(jì)算)建立的高精度平面控制網(wǎng)縱向相鄰點(diǎn)(間距60 m)相對(duì)點(diǎn)位中誤差應(yīng)在±1.4 mm以內(nèi)。此分析也說(shuō)明，按CPIII網(wǎng)相對(duì)點(diǎn)位中誤差±1 mm來(lái)建立地鐵鋪軌控制網(wǎng)，精度要求偏高。

3.適用于地鐵隧道的地下高精度平面控制網(wǎng)網(wǎng)形

經(jīng)過(guò)反復(fù)推敲，建立如圖3所示的平面控制網(wǎng)作為地鐵隧道高精度平面控制網(wǎng)。筆者將其命名為“附加測(cè)站極坐標(biāo)觀測(cè)及自由設(shè)站觀測(cè)的附合導(dǎo)線網(wǎng)”。該網(wǎng)由骨架附合導(dǎo)線點(diǎn)和側(cè)幫強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)點(diǎn)兩部分組成。其中，骨架導(dǎo)線除兩段車站作為起算點(diǎn)外，均采用可架設(shè)全站儀的強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志;側(cè)幫觀測(cè)點(diǎn)采用只能安置棱鏡的強(qiáng)制對(duì)中測(cè)桿，只觀測(cè)方向和距離，不設(shè)測(cè)站。該網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)可劃分為3部分:第1部分是骨架導(dǎo)線觀測(cè)數(shù)據(jù);第2部分是測(cè)站極坐標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù);第3部分是自由設(shè)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)。這3部分?jǐn)?shù)據(jù)可以分步獨(dú)立觀測(cè)，也可以進(jìn)行整體統(tǒng)一觀測(cè)，最后統(tǒng)一整體平差。

圖3 附加測(cè)站極坐標(biāo)觀測(cè)及自由設(shè)站觀測(cè)的附合導(dǎo)線網(wǎng)示意圖

附加測(cè)站極坐標(biāo)和自由設(shè)站觀測(cè)的附合導(dǎo)線網(wǎng)，具有如下鮮明特點(diǎn):

1)充分利用施工導(dǎo)線。該網(wǎng)的骨架網(wǎng)可以充分利用貫通前施工單位布設(shè)在隧道兩側(cè)的強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志，節(jié)約一部分埋點(diǎn)費(fèi)用?？刂凭W(wǎng)的觀測(cè)成果，包含了導(dǎo)線坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可作為施工導(dǎo)線檢測(cè)成果。

2)充分利用隧道狹窄空間。利用側(cè)幫設(shè)置的骨架導(dǎo)線點(diǎn)，按極坐標(biāo)方式進(jìn)行側(cè)幫其他點(diǎn)邊長(zhǎng)、方向(角度)觀測(cè)，比隧道中間設(shè)站增強(qiáng)了觀測(cè)空間。

3)充分利用強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)的優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)折角觀測(cè)，大量減少自由設(shè)站觀測(cè)的工作量。

4)適當(dāng)自由設(shè)站點(diǎn)設(shè)置，增強(qiáng)點(diǎn)位相對(duì)精度。自由設(shè)站觀測(cè)設(shè)置，目的是彌補(bǔ)單一附合導(dǎo)線極坐標(biāo)觀測(cè)的不足，增強(qiáng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，增強(qiáng)帶狀平面控制網(wǎng)的相關(guān)關(guān)系，適當(dāng)提高控制點(diǎn)相對(duì)點(diǎn)位精度。

四、精度分析與結(jié)論

1.附合單導(dǎo)線的選取

為使分析結(jié)果具有說(shuō)服力，選取一個(gè)具有代表性的工程實(shí)例。主要考慮如下因素:首先，實(shí)例應(yīng)包含直線段和曲線段;其次，區(qū)間長(zhǎng)度應(yīng)適中，不能太短也不能太長(zhǎng);最后，附合導(dǎo)線觀測(cè)質(zhì)量如方位角閉合差、導(dǎo)線全長(zhǎng)相對(duì)閉合差不能太小，也不能太大。因此，筆者選取剛通車不久的北京某地鐵線一段長(zhǎng)1.8 km的地下盾構(gòu)區(qū)間，貫通后的附合導(dǎo)線基本滿足以上各項(xiàng)要求，只是導(dǎo)線方位角閉合差質(zhì)量稍高(限差為28″，實(shí)際為8″)。該附合導(dǎo)線除兩端位于車站內(nèi)各兩個(gè)地面控制點(diǎn)外，其余全部為可架設(shè)全站儀的隧道側(cè)幫強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志點(diǎn)。導(dǎo)線觀測(cè)情況如表1所示，平差詳情如表2所示。平差后的點(diǎn)位中誤差、相對(duì)點(diǎn)位中誤差分布如圖4、圖5所示。

表1 附合導(dǎo)線實(shí)例觀測(cè)情況

表2 附合導(dǎo)線實(shí)例平差結(jié)果

圖4 附合導(dǎo)線點(diǎn)位中誤差分布

圖5 附合導(dǎo)線相對(duì)點(diǎn)位中誤差分布

該網(wǎng)雖然觀測(cè)質(zhì)量較好，但平差后相鄰點(diǎn)相對(duì)點(diǎn)位中誤差為±1.6 mm，尚不能達(dá)到取代控制基標(biāo)直接用來(lái)測(cè)設(shè)加密基標(biāo)的要求。

2.附加測(cè)站極坐標(biāo)導(dǎo)線網(wǎng)精度分析

為逐步說(shuō)明本文提出的高精度平面網(wǎng)的效果，在實(shí)際工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，采用增加仿真觀測(cè)值來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算。首先按測(cè)角±2″、測(cè)距±(1 mm+1× 10－6D)精度模擬測(cè)站極坐標(biāo)邊角觀測(cè)值，導(dǎo)線網(wǎng)整體及局部放大形狀如圖6、圖7所示，觀測(cè)情況如表3所示，與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合嚴(yán)密整體平差的結(jié)果如表4所示。平差后點(diǎn)位中誤差、相對(duì)點(diǎn)位中誤差分布如圖8、圖9所示。

圖6 附加測(cè)站極坐標(biāo)觀測(cè)的附合導(dǎo)線整體網(wǎng)形

圖7 附加測(cè)站極坐標(biāo)觀測(cè)的附合導(dǎo)線局部放大網(wǎng)形

圖8 附加測(cè)站極坐標(biāo)觀測(cè)的導(dǎo)線網(wǎng)點(diǎn)位中誤差分布

圖9 附加測(cè)站極坐標(biāo)觀測(cè)的導(dǎo)線網(wǎng)相對(duì)點(diǎn)位中誤差分布

從表4中可以發(fā)現(xiàn)，附合導(dǎo)線附加測(cè)站極坐標(biāo)觀測(cè)值后，點(diǎn)位精度有少量提高，但相對(duì)點(diǎn)位精度幾乎沒(méi)有變化。

3.附加自由設(shè)站觀測(cè)后的導(dǎo)線網(wǎng)精度分析

接下來(lái)，在前兩步工作的基礎(chǔ)上，附加自由設(shè)站觀測(cè)，每站觀測(cè)相鄰的4個(gè)側(cè)幫點(diǎn)。所有附加數(shù)據(jù)仍采用仿真觀測(cè)值。此模擬網(wǎng)整體形狀如圖10所示，局部放大如圖11所示，觀測(cè)情況如表5所示，整體平差情況如表6所示。平差后的點(diǎn)位中誤差及相對(duì)點(diǎn)位中誤差分布如圖12、圖13所示。

圖10 附加自由設(shè)站導(dǎo)線網(wǎng)整體網(wǎng)形

圖11 附加自由設(shè)站導(dǎo)線網(wǎng)局部放大網(wǎng)形

表3 附加測(cè)站極坐標(biāo)觀測(cè)的附合導(dǎo)線網(wǎng)觀測(cè)情況

表4 附加測(cè)站極坐標(biāo)觀測(cè)的附合導(dǎo)線網(wǎng)平差結(jié)果

表5 附加自由設(shè)站、測(cè)站極坐標(biāo)觀測(cè)的附合導(dǎo)線網(wǎng)觀測(cè)情況

表6 附加自由設(shè)站、測(cè)站極坐標(biāo)觀測(cè)的附合導(dǎo)線網(wǎng)平差結(jié)果

圖12 附加自由設(shè)站的導(dǎo)線網(wǎng)點(diǎn)位中誤差分布

圖13 附加自由設(shè)站的導(dǎo)線網(wǎng)相對(duì)點(diǎn)位中誤差分布

通過(guò)對(duì)以上各表、圖分析可以看出，此時(shí)該網(wǎng)點(diǎn)位精度和相對(duì)點(diǎn)位精度都有大幅度的提高，其中相對(duì)點(diǎn)位中誤差已經(jīng)達(dá)到了高鐵±1 mm的標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)然亦可滿足地鐵隧道內(nèi)直接測(cè)放加密基標(biāo)的要求。

4.附合導(dǎo)線方位角閉合差問(wèn)題

本例附合導(dǎo)線方位角閉合差較小，不具一般性。實(shí)踐表明，很大一部分地鐵區(qū)間附合導(dǎo)線方位角閉合差難以滿足《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50308—2008)［1］規(guī)定的5方位角閉合差(規(guī)范無(wú)明確要求，此處暫按精密導(dǎo)線指標(biāo)套用)限差要求。那么，在這種超限情況下，附加測(cè)站極坐標(biāo)觀測(cè)及自由設(shè)站觀測(cè)的附合導(dǎo)線網(wǎng)是否能滿足地鐵鋪軌需要。為回答這個(gè)問(wèn)題，假定該導(dǎo)線短邊一端(邊長(zhǎng)24.8 m)的后視起算點(diǎn)產(chǎn)生了橫向5 mm的移動(dòng)，且無(wú)法發(fā)現(xiàn)，仍舊使用其原坐標(biāo)成果起算，這樣起始方位附加了42″的方位偏差，附合導(dǎo)線閉合差變?yōu)?5″，已超過(guò)限差值(28″)。其余觀測(cè)值和模擬觀測(cè)值不變，對(duì)這個(gè)方位角閉合差超限的網(wǎng)進(jìn)行整體嚴(yán)密平差。結(jié)果表明，控制網(wǎng)點(diǎn)位中誤差最大為±2.9 mm，相對(duì)點(diǎn)位中誤差最大為±1.2 mm，仍可滿足地鐵鋪軌施工需要。說(shuō)明該高精度平面網(wǎng)具有抵御少量粗差的能力。

5.自由設(shè)站觀測(cè)的簡(jiǎn)化

對(duì)比圖3和圖2可以發(fā)現(xiàn)，本文提出的高精度平面網(wǎng)與CPIII改進(jìn)網(wǎng)相比，自由設(shè)站數(shù)相同，外業(yè)觀測(cè)量方向數(shù)、邊數(shù)顯著減少。另外從表6來(lái)看，該網(wǎng)平差后相對(duì)點(diǎn)位中誤差對(duì)地鐵施工來(lái)說(shuō)還是比較小。因此，還可適當(dāng)減少自由設(shè)站數(shù)，增加每站觀測(cè)方向和邊長(zhǎng)數(shù)，在滿足直接測(cè)設(shè)加密基標(biāo)的精度要求前提下，進(jìn)一步減少外業(yè)工作量。

6.結(jié) 論

實(shí)例及仿真數(shù)據(jù)分析說(shuō)明，筆者提出的附加測(cè)站極坐標(biāo)觀測(cè)和自由設(shè)站觀測(cè)的附合導(dǎo)線網(wǎng)點(diǎn)位密度選取較合適，外業(yè)觀測(cè)量較高鐵CPIII網(wǎng)減少約20%，精度達(dá)到現(xiàn)行地鐵規(guī)范要求，是比較適應(yīng)地鐵工程特點(diǎn)的地下高精度控制網(wǎng)。其建網(wǎng)思想可引申到地鐵工程的地面線和高架線。

五、總結(jié)與展望

城市軌道交通工程測(cè)量較其他土木工程測(cè)量來(lái)說(shuō)，雖然測(cè)量技術(shù)比較成熟，精度較高，但仍存在許多不足的地方。因此，在繼承傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行有針對(duì)性的技術(shù)創(chuàng)新刻不容緩，走精細(xì)化施工道路將是行業(yè)發(fā)展的必然選擇。

當(dāng)前，高鐵領(lǐng)域的測(cè)量技術(shù)經(jīng)過(guò)十多年引進(jìn)、吸收和再創(chuàng)新，已經(jīng)走在了地鐵的前面，并有了向地鐵領(lǐng)域滲透的趨勢(shì)。但地鐵工程具有許多與高鐵不同的特點(diǎn)和難點(diǎn)，地鐵測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新，絕不能拋棄業(yè)界長(zhǎng)期積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)，機(jī)械地照搬高鐵。

本文提出的地鐵地下高精度平面控制網(wǎng)建立的思想，立足于地鐵工程自身特點(diǎn)，既繼承了傳統(tǒng)建網(wǎng)的成功經(jīng)驗(yàn)，又吸納了高鐵軌道設(shè)標(biāo)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，目的是在地鐵測(cè)量技術(shù)創(chuàng)新方面作個(gè)表率，拋磚引玉。希望能夠引起業(yè)界同仁的廣泛關(guān)注和高度重視，為推動(dòng)城市軌道交通工程測(cè)量領(lǐng)域的科技進(jìn)步開(kāi)創(chuàng)一個(gè)百家爭(zhēng)鳴、百花齊放、積極探索、爭(zhēng)相創(chuàng)新的嶄新局面。

［1］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50308—2008城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］ 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10601—2009高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2011.

［3］ 李向國(guó)，黃守剛，張?chǎng)?，?工作的開(kāi)始:高速鐵路施工新技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］ 胡伍生，潘慶林，黃騰.土木工程施工測(cè)量手冊(cè)［M］.2版.北京:人民交通出版社，2011.

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The Establishment of High-precise Control Network for Urban Tunnel Construction

MA Haizhi

0494-0911(2012)05-0001-06

P［258］

B

2012-04-20

馬海志(1967—)，男，北京人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事精密工程測(cè)量研究及測(cè)繪工程管理工作。