城市軌道交通工程控制測量建網策略

汪 博，王 建

(1．南京地下鐵道有限責任公司，南京 210008;2．中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

0 引言

城市軌道交通工程本身所具備的良好因素被越來越多的城市管理者所接受，一個城市為了滿足近期和遠期城市發展往往需要規劃多條城市軌道交通線路，建設周期長，建設環境(包括地理、社會環境等)變化大是地鐵建設必須面臨的問題。

隨著城市社會經濟的發展，城市軌道交通建設發展迅速。在我國，廣州、南京、北京、上海、成都、昆明、西安和沈陽等城市正在建設一條或多條軌道交通工程，部分城市已建成通車運營一條或多條線路。城市軌道交通工程測量工作也與以前有所不同，出現了一些新情況，面臨一些新問題。文獻［1］結合西安地鐵工程測量實際案例，對在不均勻沉降環境條件下的城市軌道交通測量基準點布設、數據處理及平差方法以及復測成果的使用等方面提出了若干措施和建議。文獻［2］從城市軌道交通工程建設的實際測量作業出發，對測量精度設計的主要原則和要求、地面控制測量技術方法、豎井聯系測量技術方法、隧道施工控制測量及貫通測量技術方法進行介紹，論述了軌道交通工程施工測量的精度要求及主要測量的手段和方法。文獻［3］以廣州市城市軌道交通建設中GPS基礎控制網布設測量的工程為實例，探討了城市軌道交通基礎控制網的施測技術。文獻［4］主要對地鐵施工中盾構控制測量的有效措施進行了探討。文獻［5］以蘇州軌道交通1號線星港街站—會展中心站2 352 m盾構區間的測量控制為實例，分析了區間長度大于1 500m的盾構區間的測量控制重點和難點，闡述了在實際作業中的測量控制方法及控制要點。文獻［6］結合GPS控制測量的實測數據，探討了建立城市軌道平面測量控制網的可行性，從分析地鐵工程測量投影變形的影響入手，研究了幾種補償坐標系的特點。可以看出，文獻［1-6］基本上都局限于某一條線路測量控制網研究，能夠解決某一條線路在城市中心區控制測量需要，但是無法解決目前軌道交通大范圍、長距離、多條線建設所面臨的基準不統一、遠離中心城區變形較大、新舊坐標系統不匹配等新問題，本文針對這些測量新問題進行分析，提出了解決策略及要求。

1 軌道交通工程建設趨勢

1)線路長度不斷增加、延伸的范圍向城市周邊地域發展。原來一條規劃線路往往分期建設，初期主要是為了緩解城市集中區客運交通壓力。隨著社會發展的加快，規劃和建設也要超前規劃和建設，一條線路的建設一方面要滿足人口密集區交通運輸的需要，另一方面軌道交通的建設要促進、帶動城市周邊地區的發展。線路覆蓋的范圍不斷延伸，明顯的特點就是遠離市區向城市周邊地域發展。

2)跨區域建設。特別是城際軌道交通工程建設，例如:機場專線、廣州的廣佛線、南京的寧天城際線、沈陽黎明至望濱城際鐵路工程等也采用地鐵建設模式進行建設和運營，往往委托城市軌道交通建設單位代管或代建，與原規劃的城市軌道交通工程存在多方聯系。

3)軌道交通工程線路之間的交叉換乘節點越來越多。這是城市軌道交通工程建設過程中越來越明顯的一個特征。雖然目前一般都預留了遠期建設接口，但是隨著國家測繪與地理信息的更新，這些接口資料與將來的新線設計資料是否一致、匹配，也是一件棘手的事情。

4)國家測繪與地理信息的更新。從2008年7月1日開始，國家啟用我國的2000國家大地坐標系，要求用8～10 a的時間，完成現行國家大地坐標系向2000國家大地坐標系的過渡和轉換。相應地完成地方城市坐標系向國家2000坐標系的轉換，從而產生新舊坐標系統的矛盾問題。

2 工程測量面臨的新問題

針對軌道交通建設總體呈現的上述現象，在城市軌道交通建設期間，從工程測量專業角度來講，可能存在以下問題。

1)目前控制網覆蓋范圍較小，控制網的范圍不能滿足建設需要。特別是部分規劃線路的端頭遠離市區，超出原有城區控制網范圍。如果僅通過目前逐步擴充的方式也很難滿足未來多條新線路的建設要求，且該種方法整體性較差［2］，不利于地鐵項目的實施。

2)新線控制網和既有線控制網的銜接。如果新建線路的沿線控制網系統與已建線路控制網系統不一致或者存在差異，則需要進行測量系統一致性處理，并消除差異，否則可能導致對工程結構測設質量的影響。

3)不同城市控制網之間的轉換和銜接。一個城市往往有這個城市獨立的城市坐標系統。城際線的建設要求2個城市之間的城際線測量系統必須一致，因此，要進行2個城市坐標系統的轉換，求得轉換參數。

4)原城市二等三角點建設時間較長，部分三角點遭到破壞，變形較大，成果的現勢性較差，較難滿足目前地鐵工程控制點的需要，與新布設城市B級網點之間坐標不匹配。更新的城市坐標系統與原來的城市坐標系統存在一定的差異，距主城區(控制點相對較多)越遠，新舊系統差別越大。

5)部分軌道交通工程范圍距離城市坐標系統中央子午線較遠，工程面距參考橢球面高度較大(超過規定范圍)，從而導致工程面每km的投影變形和高程歸化改正值超限。

上述軌道交通工程建設趨勢和工程測量面臨的問題在城市軌道交通建設不同時期可能存在一個或多個，因此，需要有針對性地規劃和解決城市軌道交通長期建設中可能出現的問題，避免因測量控制系統問題出現工程事故。

3 建立覆蓋規劃線路控制網策略

基于以上分析，需要建立覆蓋全部規劃線路范圍的城市軌道交通測量控制網，使各條線路之間有一個統一的平面、高程測量基準，解決目前各條線路測量系統不一致的情況，保證不同時期建設地鐵的準確銜接。為實現該目標，首先應建立覆蓋全市規劃線路范圍的測量控制框架網，在此基礎上建立測量基本網。框架控制網主要為線路基本網或專用高精度施工控制網提供坐標、高程基準。基本控制網則直接為線路勘測設計、施工和運營階段測量工作提供平面、高程控制。

3．1 基本要求

1)測量控制網建設必須符合現行法律、法規及技術規范的相關規定，充分借鑒國內成熟建網經驗，充分考慮城市環境的復雜性和軌道交通工程施工高精度、長期性、控制點使用頻繁等特點，建設一個高質量的測量控制網。

2)平面和高程系統必須根據國家和省、市現行的有關法律、法規、部門規章和規范性文件等，選擇合理、合法、合規的平面坐標系統和高程系統。

3)為了使軌道交通工程建設與城市坐標系統下的測量資料能互相利用，不至于造成城市規劃、城市工程建設及地下管道與軌道交通工程建構筑物產生矛盾和破壞性的影響，控制網的平面和高程系統應與城市規劃與國土部門采用的平面和高程系統一致。

4)控制網實施應遵循技術先進、經濟合理、質量可靠和安全適用的原則［7］，應充分利用城市已有的城市高等級平面、高程控制點以及各線路已建控制網點，以達到避免重復建設，促進測繪成果共享，也可以更好地與城市坐標和高程系統進行銜接。

5)應在城市一、二等平面和高程控制網的基礎上，建立專用平面、高程施工控制網，其與城市控制網重合點的坐標及高程互差，應分別不大于50 mm和20 mm，且應采用統一的坐標、高程系統。

6)相應于城市軌道交通線路的分期建設，覆蓋全部線路的軌道交通控制網也相應地分級、分期布設。所建立的控制網精度應以保證軌道交通工程建設中暗、明挖隧道和高架結構施工橫向貫通測量中誤差≤±50 mm、高程貫通測量中誤差≤±25 mm［8］為目的。

7)認真做好控制網的布設、控制點的選埋、控制網的優化設計、外業觀測和數據處理等各環節工作，確保控制網的質量。

3．2 框架網

3．2．1 平面框架網策略

1)軌道交通框架網必須建立在新的國家(城市)基礎坐標框架基礎上，具有高精度、高兼容性，覆蓋全部遠景規劃線路范圍。所有線路的建設及測繪將在GPS框架網建成后統一在GPS框架網坐標系統下進行。

2)框架網的精度及技術指標應達到住房和城鄉建設部頒發的CJJ/T 73—2010《衛星定位城市測量技術規范》規定的城市GNSS控制網二等網技術要求(見表1)。GPS框架網的技術指標、技術要求、野外觀測及數據處理等應參照規范中的相關規定執行。

表1 衛星定位測量控制網技術要求Table 1 Technical requirements for satellite positioning control network

3)凡符合框架網要求的現有城市控制點和已有線路控制網點的標石應充分利用。每條線路應至少布設3個以上框架網點(不同線路可以共用框架網點)，以滿足線路設計圖紙坐標轉換需要。

4)框架網測量單位必須做好建網方案設計，并組織專家論證評審通過后，報省、市測繪行政主管部門批準后實施。

3．2．2 高程框架網策略

1)高程系統采用與城市一致的高程系統，應充分利用已有的城市一、二等高程控制網點及高程數據，必要時聯測城市高程原點。

2)新建的框架網點必須選在利于點位長期保存，穩定的位置。必要時埋設一定數量的深樁或基巖點，滿足軌道交通長期建設需要。

3)高程框架網的布設、觀測、精度要求與城市二等水準測量要求相同。3．2．3 框架網的功能

1)覆蓋整個城市軌道交通規劃范圍，對軌道交通工程建設網絡進行整體控制，利于建設管理并顧及軌道交通建設工程遠景發展。

2)保證規劃線網測區范圍內平面坐標系統和高程系統的連續性、統一性，以保證各條線路的銜接和平順。

3)為地鐵基本網提供高精度的控制點起算成果，并為后期新、老坐標系提供統一的轉換參數。

3．3 基本網

3．3．1 平面基本網策略

1)按照工程建設規劃網中各條線路建設的先后次序，分階段沿線路獨立布設各條線路的地面平面基本控制網。基本網的起算基準(已知點)為框架網或更高等級控制網數據。

2)平面控制網的大小、形狀、點位分布應分別滿足各線路設計階段、施工階段和運營階段的測量和變形監測工作需要。

3)布網時應結合線路延伸和與其他線路交叉狀況。在線路延伸和交叉地段，必須有2個以上穩定的控制點重合，應對重合點進行兼容性分析，如果兼容，數據處理時采用強制約束平差的方法［9］。

4)GPS框架網建成后，充分利用已建成的線路基本網控制點［10］，通過GPS聯測，建立GPS框架網與各線路已有坐標系統的坐標轉換關系，以滿足不同時期設計資料坐標轉換及規劃征地的要求。

5)利用在建線路基本網定期復測的機會，聯測新坐標系下的框架網，計算在建線路控制點新坐標系成果，在施工期間積累在建工程在新坐標系下的竣工資料(測量結構在新坐標下的成果)，竣工時提供新舊2套坐標系下的竣工資料，滿足過渡時期資料使用需要和資料更新需要。

6)為了提高已建線路控制網與框架網的轉換精度，盡可能多地將基本網控制點與框架網聯測。必要時，可將所有基本網控制點與框架網聯測。

7)平面控制網的投影面高程的選擇應滿足軌道交通工程線路軌道的平均高程與城市投影面高程的高差影響每km不大于5 mm。

3．3．2 高程基本網策略

1)根據線路建設的次序，在高程框架網的基礎上分期獨立建立每條線路的高程基本控制網。

2)高程基本網的起算數據為高程框架控制網點或更高等級高程點。基本網的起算數據原則上不應少于3個。

3)有換乘或接口工程的新建線路高程基本網必須聯測已建線路穩定高程控制點。數據處理時，首先進行穩定性判斷，如果點位兼容則采取強制約束平差的方法，確保高程銜接。

4)有聯系的2條線路的高程基本網至少有1個相同起算點。

5)各條線路高程基本網點位分布應滿足各線路設計階段、施工階段和運營階段的測量和變形監測工作的需要。

6)高程基本網測量應滿足現行標準GB 50308—2008《城市軌道交通工程測量規范》中有關地面高程控制測量的要求。

3．3．3 基本網的功能

直接服務于各條線路建設，作為施工測量加密、測設的依據，指導施工。

4 控制網維護及更新策略

1)GPS框架網、基本網在地鐵工程建設期間的維護和更新工作由建網單位負責進行。

2)在城市軌道交通工程建設期間，對建成的GPS框架網、GPS基本網應定期進行復測維護。第1次復測應在開工之前進行，之后應每年復測1次，且應根據控制點的穩定情況適當調整復測頻次。復測精度不應低于首次測量精度，當控制點標石被破壞時，應重新埋設，復測時統一觀測，以確保控制網的穩定、連續和可靠。

3)復測后，應評價原網穩定狀況和可靠程度，確保平面和高程控制網滿足地鐵建設需要，并將最新可使用成果上報業主，由業主組織進行發布，各成果使用單位按照新成果進行后續測量工作。

5 結論與建議

目前控制測量建網策略能較好地解決軌道交通工程近遠期建設的測量問題，但在建立城市軌道交通地面控制網時還要注意以下幾點。

1)精度控制。由于城市軌道交通工程所處的空間位置、建設方法、精度要求、工藝要求與一般的市政工程有所區別，因此，控制網建設要有針對性地考慮以滿足軌道交通工程建設的需要。必要時應建立針對城市軌道交通工程建設的高精度專用控制網。

2)控制點密度。框架網密度一般以5～10 km為宜，布設點位密度要均勻;基本網的密度一般以500～2 000 m為宜，可分區域區別對待。

3)框架網要一次性布網，整體測量，保證框架網的整體性。

4)成本控制。根據國家要求和城市建設需要，一個城市本身要建立城市基礎控制網，由政府出資或其他相關部門出資建設，由城市基礎測繪部門負責實施。因此，城市軌道交通框架網建設可以考慮委托城市基礎測繪部門建立，城市基礎測繪部門在進行城市基礎測繪時，同時考慮軌道交通建設的特殊要求，統一規劃實施，達到市政基礎測繪與軌道交通建設的共用或部分共用，避免重復建設，達到資源共享，節約投資成本。

［1］姜雁飛，馬全明，唐紅軍，等．地裂縫和地面沉降條件下的城市軌道交通工程高程控制測量探討［J］．測繪通報，2011(3):48-51．(JⅠANG Yanfei，MA Quanming，TANG Hongjun，et al．On vertical control surveying for urban rail transit project under the condition of ground cracks and land subsidence［J］．Bulletin of Surveying and Mapping，2011(3):48-51．(in Chinese))

［2］馬全明．城市軌道交通工程精密施工測量技術的應用與研究［J］．測繪通報，2010(11):41-45．(MA Quanming．Precise construction survey technique for urban rail communication project:Application and development［J］．Bulletin of Surveying and Mapping，2010(11):41-45．(in Chinese))

［3］孫青平．城市軌道交通GPS控制網布設應用研究［D］．廣州:華南理工大學交通運輸工程專業，2009．(SUN Qingping．The research on application of GPS control network layout in urban rail transit［D］．GuangZhou:Traffic and Transportation Engineering，South China University of Technology，2009．(in Chinese))

［4］陳嘉強．試論地鐵施工中盾構控制測量的有效措施［J］．科技與企業，2012(6):60-63．

［5］張亞勇．城市軌道交通穿越湖底盾構區間測量控制技術［J］．鐵道建筑技術，2010(10):53-55，61．(ZHANG Yayong．Survey control technique of shield sections across lake bottom in urban rail transit［J］．Railway Construction Technology，2010(10):53-55，61．(in Chinese))

［6］姜雁飛，唐紅軍．利用GPS建立城市軌道交通專用坐標系和平面控制網的探討［J］．測繪通報，2010(9):19-22．(JⅠANG Yanfei，TANG Hongjun．Using GPS to establish special coordinate system and horizontal control network for urban rail transit［J］．Bulletin of Surveying and Mapping，2010(9):19-22．(in Chinese))

［7］中國有色金屬工業協會．GB 50026—2007工程測量規范［S］．北京:中國計劃出版社，2008．

［8］北京城建勘測設計研究院有限責任公司．GB 50308—2008城市軌道交通工程測量規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2008．

［9］秦飛翔，陳功亮．城市軌道交通建設項目中控制網布設常見問題探討［J］．城市勘測，2010(1):101-103．(QⅠN Feixiang，CHEN Gongliang．Mass transit control network laid discussion frequently asked questions［J］．Urban Geotechnical Ⅰnvestigation＆ Surveying，2010(1):101-103．(in Chinese))

［10］國家測繪局標準化研究所．GB/T 18314—2009全球定位系統(GPS)測量規范［S］．北京:中國標準出版社，2009．