地鐵豎井聯(lián)系測量技術(shù)研究*

王玉振 包永剛 王建華

(1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院土木系,450011,鄭州; 2.中鐵七局集團有限公司,450016,鄭州∥第一作者，講師)

地鐵豎井聯(lián)系測量技術(shù)研究*

王玉振1包永剛1王建華2

(1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院土木系,450011,鄭州; 2.中鐵七局集團有限公司,450016,鄭州∥第一作者，講師)

針對地鐵豎井聯(lián)系測量精度不高的問題,提出在地鐵豎井聯(lián)系測量中采用懸鏡照準(zhǔn)標(biāo)志并結(jié)合后方交會法。從理論和實測兩方面,對豎井聯(lián)系測量的原有方法(雙井定向聯(lián)系測量)與懸鏡法結(jié)合后方交會的新方法進行了對比分析。結(jié)果表明,鋼絲加可旋轉(zhuǎn)棱鏡的懸鏡法進行豎井聯(lián)系測量,不僅操作上更加簡單,且點位精度比常規(guī)導(dǎo)線法點位精度提高近3倍,使聯(lián)系測量點位精度大大提高；地上聯(lián)系測量采用后方交會,每個投點保證被觀測3次,大大提高聯(lián)系測量的投點精度,保證了每個投點的點位中誤差小于1 mm；減小了對施工進程的干擾,有力保證了各施工環(huán)節(jié)有序開展。

地鐵盾構(gòu)區(qū)間; 豎井聯(lián)系測量; 懸鏡法; 后方交會法

First-author′s address Henan Vocational College of Water Conservancy and Environment,450011,Zhengzhou,China

隨著地鐵區(qū)間距離的增長,聯(lián)系測量技術(shù)難點增大,目前國內(nèi)地鐵普遍采用的垂線式豎井聯(lián)系測量很難保證隧道正確貫通和達到隧道高精度控制的驗收要求。本文探討采用鋼絲加可旋轉(zhuǎn)棱鏡的方法進行豎井聯(lián)系測量,并結(jié)合相應(yīng)的工程實例,總結(jié)出豎井聯(lián)系測量新方法的關(guān)鍵點。該方法不但操作方便快捷,而且可提高豎井聯(lián)系測量中投點精度。

1 工程實例概況

該項目為鄭州軌道交通2號線上的兩站盾構(gòu)區(qū)間,區(qū)間長約2 000 m。項目研究以向陽路站—南四環(huán)站區(qū)間為依托,具體實施地點設(shè)在向陽路站。盾構(gòu)機從其中一站南端頭始發(fā),經(jīng)區(qū)間風(fēng)井至另一站北端盾構(gòu)吊出井吊出。盾構(gòu)接收井采用明挖法施工。

2 技術(shù)方案

2.1 常規(guī)的雙井定向聯(lián)系測量

雙井定向測量采用導(dǎo)線垂線式投點法，在地面上埋設(shè)4個近井點Q1、Q2、Q3、Q4,在井底板上埋設(shè)4個控制點T1、T2、T3、T4以構(gòu)成閉合導(dǎo)線,如圖1所示。通過測量Q1、Q2(借助盾構(gòu)井中懸吊的鋼絲D4)的方位角并通過底板上的T1、T2、T3、T4進行過渡(借助盾構(gòu)井中懸吊的鋼絲D1)，回測到Q3、Q4的方位角,最終可得T1、 T2、T3、T4的方位角坐標(biāo)。

2.2 聯(lián)系測量新方法

為保證近井控制點的精度,減少對中誤差對地面控制點的影響,在向陽路車站基坑外側(cè)設(shè)置4個強制對中控制點(K1、K2、K3、K4),測量時采用四邊形精密平面控制網(wǎng)(見圖2)。項目施工使用自主研發(fā)的懸鏡(已申報專利,見圖3)。其懸鏡框采用高強度鋁合金制作,能承受500 N拉力，上下用φ0.5 mm的鋼絲連接。鋼絲與懸鏡框的連接部分采用打死結(jié)的方式,以防止脫落。鋼絲穿過懸鏡框可旋轉(zhuǎn)部位時,鋼絲打的死結(jié)要陷入穿線孔內(nèi)，以保證鋼絲中心線與棱鏡中心線重合。鋼絲下部配10 kg重錘放入油桶中,油的液面要漫過重錘,利用油的阻力防止鋼絲旋轉(zhuǎn)擺動。棱鏡采用德國SIN棱鏡，其旋轉(zhuǎn)部分保證棱鏡偏離觀測方向時能夠做微小調(diào)整。上、下兩棱鏡中心偏差小于0.3 mm。通過以上措施，可有效避免傳統(tǒng)貼片因測距、測角不準(zhǔn)而帶來的投點精度損失,使豎井聯(lián)系測量從根本上減弱偶然誤差。

圖1 雙井定向測量示意圖

圖2 精密平面控制網(wǎng)

圖3 懸鏡

向陽路站的盾構(gòu)機吊出井及出土口為豎井聯(lián)系測量位置,共設(shè)置6個聯(lián)系測量鋼絲懸鏡,在每根鋼絲合適的位置處固定上、下2個高精度可旋轉(zhuǎn)棱鏡,利用0.5″全站儀進行后方交會測量,利用專業(yè)測量軟件對近井點與棱鏡進行聯(lián)合平差,得出點位精度優(yōu)于1 mm的鋼絲上的棱鏡坐標(biāo)。井上聯(lián)系平面控制網(wǎng)的施測以自由建站的后方交會方式進行,每站觀測4～6個目標(biāo),每站3個測回。測量時應(yīng)保證每個點至少在不同的測站上被測量2次以上,每測站重復(fù)觀測多于2個的目標(biāo)觀測點,每測站觀測距離不大于150 m,相鄰兩測站距離不大于120 m。外業(yè)觀測技術(shù)指標(biāo)見GB 50026—2007《工程測量規(guī)范》。

3 理論分析

3.1 雙井定向聯(lián)系測量方法精度分析

常規(guī)豎井聯(lián)系測量中采用導(dǎo)線測量,投點方式為垂線加貼片，其模型如圖4所示。

圖4 導(dǎo)線測量示意

取1 km長導(dǎo)線為單位權(quán)長度,導(dǎo)線平均邊長約70 m。最弱點W的權(quán)為PW=47.6×2=95.2。

單位權(quán)中誤差計算式為:

(1)

式中：

n——單位權(quán)長度導(dǎo)線邊數(shù),mm；

ms——測邊偶然誤差；

λ——測邊系統(tǒng)誤差,mm；

L——單位權(quán)導(dǎo)線閉合邊長度,mm；

mβ——測角中誤差,根據(jù)《工程測量規(guī)范》mβ=2.5″。

將具體數(shù)據(jù)代入式(1)可得mo=±28.1 mm。

最弱點W的點位誤差為:

(2)

3.2 采用懸鏡照準(zhǔn)標(biāo)志豎井聯(lián)系測量精度分析

本方案中，豎井聯(lián)系測量采用懸鏡的方式進行；外業(yè)采用自由建站、多站邊角后方交會技術(shù)及強制對中方法作業(yè)。

3.2.1 測角精度

水平角觀測采用Leica全站儀(0.5″,1 mm+10-6D),3測回觀測。水平角觀測的誤差來源主要有:

(1) 照準(zhǔn)誤差:ms=±60″/V=±60″/32=±1.9″(V為望遠鏡放大倍率)。

(3) 外界條件影響:mV=±0.5″,為經(jīng)驗值。

(4) 目標(biāo)照準(zhǔn)差:me=±(0.3mm/100 000mm)×206 265″=±0.6″,按懸鏡最大偏心0.3 mm、邊長100 m計。

(5) 半測回方向中誤差:

(3)

本方案中水平角觀測3測回,則測角中誤差mβ=±1.3″ 。

3.2.2 測邊精度

3.2.3 測站點點位精度

如圖5所示,設(shè)O為測站點(自由建站),A、B為已知點(地上控制點),P為懸鏡點(井上、井下聯(lián)系點)。在O上觀測邊長SA、SB、SP,觀測水平角γ(γ為交會角)、θ。邊長、水平角均按3測回觀測。則:

(4)

(5)

式中：

XO——測站點O的縱坐標(biāo)。

已知點誤差對于常規(guī)方法和本方案沒有區(qū)別,所以不考慮已知點誤差。按照誤差傳播定律可得:

3.2.4 懸鏡點點位精度分析

圖5 自由建站示意圖

(7)

取SB=100 m,SAB=200 m,mr=±1.3″,mSB=±1.1 mm,代入式(7)得mαAO=±0.6″。

由αOP=αAO+180°+θ可知:

(8)

將mαAO=±0.6″,mθ=±1.3″代入式(8),得mαOP=±1.4″。

XP=XO+SP·cosαOP,自由建站不考慮測站點誤差,按照誤差傳播定律可得:

(9)

本方案利用懸鏡、自由建站后方交會的方法得到的聯(lián)系測量點位誤差為1.2mm，而用常規(guī)導(dǎo)線進行豎井聯(lián)系測量時理論分析點位誤差值為2.9mm;由此可知，利用本方案進行豎井聯(lián)系測量在投點精度上比常規(guī)導(dǎo)線測量提高了近3倍。

4 實測對比分析

4.1 雙井定向聯(lián)系測量成果及點位精度

施工現(xiàn)場運用導(dǎo)線法進行聯(lián)系測量,結(jié)果見表1。其中，XJ1-1、XJ5-1為已知點,Q1、Q2、Q3、Q4為地面近井控制點,D1、 D4為鋼絲貼片點。

4.2 采用懸鏡照準(zhǔn)標(biāo)志的豎井聯(lián)系測量成果及點位精度

向陽路車站運用懸鏡結(jié)合后方交會的方法,測出聯(lián)系點的棱鏡坐標(biāo),并進行點位精度評定。結(jié)果見表2、表3。其中，G1、G2為懸鏡點;K1、K2、K3、K4為近井強制對中控制點。

表1 雙井定向聯(lián)系測量成果及點位誤差

表2 采用懸鏡照準(zhǔn)標(biāo)志的聯(lián)系測量成果

表3 采用懸鏡照準(zhǔn)標(biāo)志的聯(lián)系測量點位精度

4.3 精度對比分析

將表2、表3與表1進行對比可以看出:采用懸鏡法進行豎井聯(lián)系測量，最大點位誤差的吊點為G1,其橫向點位中誤差為0.30 mm,點位誤差為0.37 mm;而采用鋼絲貼片法進行豎井聯(lián)系測量，最大點位誤差的吊點為D4,其橫向點位中誤差為0.99 mm,點位誤差為1.00 mm。說明采用懸鏡法進行豎井聯(lián)系測量精度更高,更具可靠性。此結(jié)果與理論分析的懸鏡法比常規(guī)導(dǎo)線法精度提高近3倍的結(jié)論相對應(yīng)。

4.4 隧道貫通測量誤差分析

為證明采用懸鏡照準(zhǔn)標(biāo)志的豎井聯(lián)系測量技術(shù)的優(yōu)越性和可靠性,特在盾構(gòu)接收井井口安裝一組懸掛圓棱鏡吊絲(命名為GS′),通過洞外地面鄭州市首級GPS控制網(wǎng)測得鋼絲棱鏡中心GS′坐標(biāo)為(3 837 682.459 89,470 229.346 87),將該坐標(biāo)值與洞內(nèi)后方交會控制網(wǎng)測取的鋼絲棱鏡中心GS1坐標(biāo)值(3 837 682.448 44,470 229.306 87)進行對比,從而取得盾構(gòu)隧道洞內(nèi)外貫通誤差值(0.011,0.040)。該盾構(gòu)隧道洞內(nèi)外橫向貫通誤差值為40 mm,小于公路和高速鐵路隧道洞內(nèi)外貫通中誤差50 mm,遠低于隧道貫通限差100 mm的要求。而采用雙井定向聯(lián)系測量方法時,測得GS2坐標(biāo)為(3 837 682.439 91,470 229.279 87),橫向貫通誤差值為67 mm。說明本文提出的懸鏡法聯(lián)系測量技術(shù)對隧道橫向偏差影響更小、點位精度更高,完全滿足隧道貫通誤差限值要求,能夠更好、更精確地進行盾構(gòu)區(qū)間隧道施工。

5 結(jié)語

通過對測量點位理論精度和實測值的對比分析,總結(jié)出一套操作簡單、精度高、切實可行的地鐵豎井聯(lián)系測量的方法,結(jié)論如下:

(1) 鋼絲加可旋轉(zhuǎn)棱鏡的懸鏡法進行豎井聯(lián)系測量,不僅操作上更加簡單,且點位精度比常規(guī)導(dǎo)線法點位精度提高近3倍,聯(lián)系測量點位精度大大提高。

(2) 地上聯(lián)系測量采用后方交會,每個投點保證被觀測3次,大大提高聯(lián)系測量的投點精度,保證了每個投點的點位中誤差小于1 mm。

(3) 測量中點與點之間不需要通視,減小了對施工進程的干擾,有力保證了各施工環(huán)節(jié)有序開展。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.高速鐵路工程測量規(guī)范：TB 10601—2009[S].北京:中國鐵道出版社,2009.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.工程測量規(guī)范：GB 50026—2007[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.建筑物變形測量規(guī)程：JGJ/T 8—2007[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.城市軌道交通工程測量規(guī)范：GB50308—2008[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程：TB 10121—2007[S].北京:中國鐵道出版社,2007.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.地鐵設(shè)計規(guī)范：GB 50157—2013[S].北京:中國鐵道出版社,2013.

[7] 陶本藻,邱衛(wèi)寧,黃加納,等.誤差理論與測量平差[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2012:45-50.

[8] 隋立芬,宋力杰,柴洪洲,等.誤差理論與測量平差基礎(chǔ)[M].北京:測繪出版社,2001:87-89.

[9] 姬曉旭,劉成龍,何波.豎井聯(lián)系測量的新方法及其應(yīng)用[J].鐵道勘察,2009(5):14.

[10] 王玉振,王建華.鄭州地鐵控制測量工程實踐[J].測繪與空間地理信息,2014,37(9):178.

Study on Subway Shaft Connection Survey Technology

WANG Yuzhen, BAO Yonggang, WANG Jianhua

According to the low measurement accuracy of current shaft connection survey,a combination of mirror-hanging adjustment mark and the resection measurement method is proposed and compared with the old method from theoretical and engineering practice aspects.The result shows that the new method could improve 3 times the measurement accuracy with simpler operation.Based on this new method,every investment point will be survived for 3 times running,and the measurement error of each point could be controlled within 1mm.Thus,the interference on the construction is minimized and the construction process is guaranteed.

subway shieldsection; shaft connection survey; mirror-hanging method; resection method

U 452.1+3

10.16037/j.1007-869x.2016.07.032

2014-10-20)

*中鐵七局集團科研計劃(12A09)