超深豎井聯(lián)系測(cè)量的分析與研究

趙鵬飛，黃于保，陳功亮，雷婉南

(1.上海市測(cè)繪院，上海 200063； 2.上海隧道工程有限公司，上海 200127)

1 前 言

深層排水調(diào)蓄管道系統(tǒng)工程簡(jiǎn)稱深隧工程，是大型城市解決城市內(nèi)澇、建設(shè)雨污分流體系的重要手段及措施[1，2]。世界上一些大城市如芝加哥、巴黎、倫敦、新加坡、東京和香港都曾斥巨資建設(shè)深隧工程，近年來(lái)我國(guó)很多城市也在積極建設(shè)深隧工程。為了有效建設(shè)“海綿城市”，實(shí)現(xiàn)特大型城市的精細(xì)化管理，上海開始投入建設(shè)蘇州河深隧工程。蘇州河深隧工程全長(zhǎng) 15.3 km，其中試驗(yàn)段位于整體工程的西端，包括2井1區(qū)間，區(qū)間隧道長(zhǎng)度 1.67 km，豎井深度約 60 m。

如何保證蘇州河深隧工程地上、地下測(cè)量基準(zhǔn)的統(tǒng)一，是工程面臨的巨大困難之一。聯(lián)系測(cè)量是把地面坐標(biāo)、方位和高程傳遞到地下的測(cè)量工作，包括平面聯(lián)系測(cè)量和高程聯(lián)系測(cè)量，是整個(gè)測(cè)量工作中最關(guān)鍵的一環(huán)，能否做好聯(lián)系測(cè)量直接關(guān)系到深隧工程是否順利貫通。高程聯(lián)系測(cè)量較為簡(jiǎn)單，一般多采用鋼尺法、電磁波測(cè)距法[3，4]等，本文不再具體敘述。

2 平面聯(lián)系測(cè)量

平面聯(lián)系測(cè)量主要包括[5]：一井定向法、兩井定向法、導(dǎo)線直接傳遞法、陀螺全站儀和鉛垂儀組合法，投點(diǎn)定向法等方法。一井定向法即聯(lián)系三角形法，適用于井口小、深度大的豎井聯(lián)系測(cè)量。

2.1 聯(lián)系三角形法

根據(jù)蘇州河深隧工程的特點(diǎn)，選擇聯(lián)系三角形法作為平面聯(lián)系測(cè)量的主要方法。

聯(lián)系三角形法[6]是通過(guò)在豎井懸掛兩根鋼絲，在井上近井點(diǎn)測(cè)定鋼絲的距離和角度，從而計(jì)算得出鋼絲的坐標(biāo)以及它們之間的方位角，在井下認(rèn)為鋼絲的坐標(biāo)和方位角已知，通過(guò)測(cè)量和計(jì)算得出地下導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)和方位角，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)和方位角的傳遞，工作示意及原理示意如圖1、圖2所示：

圖1 聯(lián)系三角形測(cè)量工作示意圖

圖2 聯(lián)系三角形原理示意圖

根據(jù)正弦定理解算α和α′：

(1)

可以由B-A-O2-O1-A′-B′的路線推算方位角并計(jì)算坐標(biāo)，地下起始邊方位角的計(jì)算公式為：

αA′B′=αBA+ω-α+α′+ω′±n×180°

(2)

2.2 精度分析

坐標(biāo)傳遞誤差對(duì)隧道貫通的影響是一個(gè)常數(shù)，而方位角傳遞誤差的影響將隨著地下導(dǎo)線長(zhǎng)度的增加而增大。根據(jù)規(guī)范[5]的要求，隧道的橫向貫通中誤差應(yīng)為 ±50 mm。隧道測(cè)量的各工序既相互聯(lián)系，又相互獨(dú)立，中誤差分配一般采用不等影響分配原則，故可分配[7]聯(lián)系測(cè)量的中誤差為：m2=±22.8 mm，由此可推算地下起始邊方位角的允許中誤差mt為：

(3)

式中L為隧道長(zhǎng)度，按1.67 km計(jì)，ρ=206 265″。即在蘇州河深隧工程試驗(yàn)段中，聯(lián)系測(cè)量必須滿足起始邊方位角的中誤差≤±2.82″。下面對(duì)聯(lián)系三角形法進(jìn)行精度分析。

聯(lián)系三角形應(yīng)布設(shè)成直伸三角形，即三角形的三點(diǎn)應(yīng)近似在一條直線上。當(dāng)α、γ很小的情況下，正弦公式可寫為：

(4)

對(duì)公式兩邊進(jìn)行微分：

(5)

根據(jù)誤差傳播定律，則有：

(6)

上式中，前兩項(xiàng)是測(cè)距引起的中誤差，后一項(xiàng)是測(cè)角引起的中誤差。

一般來(lái)說(shuō)，ms=ma=mc，則測(cè)距引起的中誤差為：

(7)

從上式可以看出，要想減小測(cè)距引起的中誤差，則鋼絲之間的距離c要盡量大，a/c要盡量小，γ要盡量小。

而角度測(cè)量引起的中誤差為：

(8)

從上式可以看出，要想減小測(cè)角引起的中誤差，則a/c要盡量小。

所以地下起始邊方位角的中誤差公式為：

(9)

2.3 精度模擬計(jì)算

根據(jù)蘇州河深隧工程試驗(yàn)段豎井的實(shí)際情況，兩根鋼絲之間的距離可控制在 10 m～20 m之間，測(cè)距精度ms能夠達(dá)到 ±1 mm。根據(jù)式(9)，模擬計(jì)算測(cè)距引起的地下起始邊方位角中誤差如表1所示：

測(cè)距引起的起始邊方位角中誤差(單位/″) 表1

從表1可以明顯看出，當(dāng)滿足a/c≤1.0、c≥15 m，且γ≤30′時(shí)，測(cè)距引起的起始邊方位角中誤差≤1″，這時(shí)測(cè)距基本不對(duì)起始邊方位角精度產(chǎn)生影響。

下面來(lái)分析測(cè)角引起的地下起始邊方位角中誤差，實(shí)際中測(cè)角精度mθ一般能達(dá)到±1″，此處按1″和2″兩種測(cè)角精度進(jìn)行模擬計(jì)算。

測(cè)角引起的起始邊方位角中誤差(單位/″) 表2

從表2可以看出，當(dāng)滿足a/c≤1.0，且測(cè)角精度達(dá)到±1″時(shí)，地下起始邊方位角中誤差能夠滿足貫通要求。

根據(jù)精度分析結(jié)果，結(jié)合蘇州河深隧工程試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)條件，可通過(guò)以下措施保證平面聯(lián)系測(cè)量精度：

(1)達(dá)到較強(qiáng)的圖形條件，一般應(yīng)滿足γ、γ′≤30′，a/c、a′/c≤1.0，c≥15 m。

(2)保證較高的測(cè)量精度，可采用高精度全站儀(標(biāo)稱精度：0.5″、1 mm+1 ppm)測(cè)量角度及距離，角度測(cè)量9測(cè)回，距離測(cè)量4測(cè)回。

所以，只要聯(lián)系三角形能夠滿足圖形強(qiáng)度條件及測(cè)量精度條件，即可以滿足蘇州河深隧工程試驗(yàn)段的聯(lián)系測(cè)量要求。此外，還可以采用三絲法、雙測(cè)站法、移動(dòng)垂線法等進(jìn)一步提高聯(lián)系三角形的精度，并起到相互檢核的作用。聯(lián)系三角形的具體計(jì)算方法在相關(guān)文獻(xiàn)[8～11]中有詳細(xì)的闡述，本文不再贅述。

3 有關(guān)因素的影響分析

聯(lián)系三角形測(cè)量必須滿足以下兩個(gè)前提條件：

(1)必須采取措施保證兩根鋼絲自由懸掛，不能碰到井壁、井底或其他障礙物。

為了滿足以上兩個(gè)前提條件，定向應(yīng)選用高強(qiáng)度細(xì)鋼絲并懸掛重錘，重錘應(yīng)浸沒(méi)在阻尼液中。以下對(duì)重錘、鋼絲及阻尼液等影響因素加以分析研究。

3.1 重錘質(zhì)量

垂線(鋼絲)越長(zhǎng)，它受側(cè)向力(例如風(fēng)力)的影響越大，根據(jù)力學(xué)定律分析鋼絲受側(cè)向力所產(chǎn)生的位移偏差，如下式：

(10)

上式中，△為受側(cè)向力所產(chǎn)生的位移偏差，F(xiàn)為側(cè)向力，P為荷重(重錘質(zhì)量)，L為鋼絲長(zhǎng)度，式(10)可簡(jiǎn)化為：

(11)

為了減小側(cè)向力的影響，須減少側(cè)向力和加大荷重?？刹扇≡谥劐N周圍加設(shè)防風(fēng)罩、測(cè)量時(shí)停止通風(fēng)、增加重錘質(zhì)量等措施。根據(jù)式(11)，假設(shè)側(cè)向力為 0.005 kg，鋼絲長(zhǎng)度L為 60 m，為了使偏差小于 10 mm，則重錘質(zhì)量應(yīng)大于 30 kg。

3.2 鋼絲直徑

鋼絲的直徑直接關(guān)系到鋼絲的荷重能力。高強(qiáng)度鋼絲(φ0.3 mm～φ1.0mm)的抗拉強(qiáng)度[12，13]一般能達(dá)到 2 500 MPa，即 250 kg/mm2。由于鋼絲的屈服強(qiáng)度一般不容易估算，為了保證鋼絲承受力在屈服強(qiáng)度內(nèi)，只能對(duì)抗拉強(qiáng)度進(jìn)行保守估算。按抗拉強(qiáng)度的70%保守估算，即計(jì)算強(qiáng)度為 175 kg/mm2條件下，φ0.3 mm、 φ0.5 mm、 φ0.7 mm、 φ1.0 mm四種高強(qiáng)度鋼絲能承受的最大荷重。

鋼絲直徑及所能承受的最大荷重 表3

從表3可以看出，若重錘達(dá)到 30 kg，則鋼絲直徑應(yīng)達(dá)到 0.5 mm，若重錘達(dá)到 40 kg，則應(yīng)該考慮直徑 0.7 mm的鋼絲。

3.3 鋼絲的伸長(zhǎng)

鋼絲在重錘作用下會(huì)發(fā)生伸長(zhǎng)，如果忽略了鋼絲的伸長(zhǎng)，鋼絲在重錘的拉力下會(huì)伸長(zhǎng)并擱底。如果鋼絲荷重超過(guò)鋼絲的屈服強(qiáng)度，鋼絲發(fā)生塑性伸長(zhǎng)，更容易發(fā)生重錘擱底，這時(shí)的鋼絲就會(huì)偏離鉛垂，聯(lián)系測(cè)量就會(huì)失去基礎(chǔ)條件。

當(dāng)拉伸力小于鋼絲的屈服強(qiáng)度時(shí)，根據(jù)胡克定律計(jì)算鋼絲伸長(zhǎng)量：

(12)

上式中，S為鋼絲橫截面積，E為鋼絲的彈性模量，約為2104kg/mm2。表4計(jì)算當(dāng)P=30 kg、40 kg，L=60 m時(shí)，φ0.5 mm、φ0.7 mm、φ1.0 mm三種鋼絲的彈性伸長(zhǎng)量。

鋼絲直徑及對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)量 表4

由表4可看出鋼絲伸長(zhǎng)量較大，不能忽略其影響，必須要考慮到鋼絲的伸長(zhǎng)，防止重錘擱底。如果考慮到阻尼液的浮力作用，則鋼絲的最大承重量會(huì)增加，相應(yīng)鋼絲伸長(zhǎng)量會(huì)減少，具體變化量與阻尼液的密度有關(guān)。

3.4 鋼絲、重錘的運(yùn)動(dòng)

鋼絲和重錘構(gòu)成了一個(gè)單擺，其擺幅和初始狀態(tài)及外界擾動(dòng)有關(guān)。而單擺運(yùn)動(dòng)在偏角小于10°的條件下，周期為：

(13)

可以看出周期只與擺長(zhǎng)有關(guān)。上式中g(shù)為重力加速度(9.8 m/s2)，當(dāng)L=60 m時(shí)，周期約為 15.5 s。由于運(yùn)動(dòng)擺幅較小和周期較長(zhǎng)，在很短時(shí)間內(nèi)鋼絲似乎是靜止不動(dòng)的，但事實(shí)上在做單擺運(yùn)動(dòng)，瞬間觀測(cè)的鋼絲位置并不是需求的鉛垂位置。

解決措施：可測(cè)定擺動(dòng)的對(duì)稱中心。觀測(cè)時(shí)，可注視鋼絲一周期時(shí)間，在望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)鋼絲振幅達(dá)到極大值的左右兩個(gè)位置時(shí)讀數(shù)，兩個(gè)讀數(shù)的中數(shù)即為鋼絲鉛垂位置的水平角讀數(shù)。

3.5 阻尼液

當(dāng)擺幅太大時(shí)是很難觀測(cè)的，為了在較短時(shí)間內(nèi)減小振幅，需把重錘浸在阻尼液中。阻尼液的黏度必須恰當(dāng)，黏度既不能太大也不能太?。寒?dāng)黏度太小時(shí)，擺幅的衰減太慢，不利于觀測(cè)；當(dāng)黏度太大時(shí)，重錘可能滯留在某個(gè)位置而不回歸到鉛垂的位置。

一般可選用廢機(jī)油等具有一定黏度的液體作為阻尼液。

4 工程試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證聯(lián)系三角形法在超深豎井中的有效性及可靠性，選擇場(chǎng)地模擬蘇州河深隧工程，開展超深豎井聯(lián)系測(cè)量試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用一座高度約100 m的高樓模擬深邃工程豎井，在樓頂、樓底部布設(shè)強(qiáng)制歸心觀測(cè)標(biāo)志，模擬深隧工程豎井的井上近井點(diǎn)及井下近井點(diǎn)；在距離高樓約 150 m處布設(shè)強(qiáng)制歸心觀測(cè)標(biāo)志，模擬定向點(diǎn)，該點(diǎn)與樓頂點(diǎn)及樓底點(diǎn)均保持通視。在樓頂上安裝懸掛支架，懸掛兩根 φ0.6 mm的高強(qiáng)度鋼絲，形成聯(lián)系三角形，并保證足夠的圖形強(qiáng)度，配套 30 kg重錘及阻尼液。

定向控制點(diǎn)為W，樓頂?shù)目刂泣c(diǎn)為X，樓底部的控制點(diǎn)為Y，鋼絲分別為O1、O2。以定向控制點(diǎn)W為原點(diǎn)，W至X為縱軸方向，建立假定坐標(biāo)系，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量可以精確確定X及Y的坐標(biāo)。方位及坐標(biāo)的傳遞方向?yàn)閃-X-O1-O2-Y-W，最終的方位角較差及坐標(biāo)較差可作為判定聯(lián)系測(cè)量精度的標(biāo)準(zhǔn)。

表5列出了某一組觀測(cè)數(shù)據(jù)及平差數(shù)據(jù)：

聯(lián)系三角形觀測(cè)數(shù)據(jù)及平差數(shù)據(jù) 表5

表6為W、Y的理論坐標(biāo)與傳遞坐標(biāo)的對(duì)比：

坐標(biāo)對(duì)比表 表6

表7為W-Y方向的理論方位角與傳遞方位角的對(duì)比：

方位角對(duì)比表 表7

從以上數(shù)據(jù)可以看出聯(lián)系三角形法的精度是比較高的，在超深豎井聯(lián)系測(cè)量中的應(yīng)用是可靠而有效的。

5 結(jié) 論

超深豎井聯(lián)系測(cè)量至關(guān)重要，將對(duì)蘇州河深隧工程試驗(yàn)段的建設(shè)起到關(guān)鍵性作用。本文通過(guò)對(duì)聯(lián)系三角形法進(jìn)行原理闡述、精度分析、有關(guān)因素研究、工程試驗(yàn)等方面的探索，得出以下有益的結(jié)論：

(1)聯(lián)系三角形法在超深豎井聯(lián)系測(cè)量中是可行的，能夠取得較高的定向精度；

(2)必須保證聯(lián)系三角形的圖形強(qiáng)度和測(cè)量精度；

(3)針對(duì)鋼絲、重錘及阻尼液等有關(guān)因素的不利影響，應(yīng)采取相應(yīng)措施，為聯(lián)系三角形提供基礎(chǔ)保證。