地鐵測量基準的建立與應用及對測量工作的思考

唐紅軍

(西安市地下鐵道有限責任公司 西安 710018)

地鐵屬于城市軌道交通基本建設項目，按照《城市軌道交通工程測量規范》(以下簡稱《規范》)要求，地鐵工程的測量基準系統應該與所在城市采用的平面和高程系統一致，以便與城市的管網、道路等各種設施銜接，便于利用已有的城市勘測資料。測量基準系統由平面控制網和高程控制網組成。平面控制網按兩個等級布設，一等為衛星定位控制網，二等為精密導線網;高程控制網也按兩個等級布設，一等是與城市二等水準精度一致的水準網，二等是加密的水準網，即地鐵精密水準網。按照規范要求，其精度介于國家二、三等水準測量之間，一般按照二等水準觀測的技術要求作業。

1 西安地鐵測量基準控制網現狀

1.1 西安地鐵專用平面控制網的布設及建立

西安地鐵采用西安勘察測繪院(以下簡稱“測繪院”)建立的西安市任意平面直角坐標系。西安地鐵于2006年9月28日開工建設張家堡試驗段，測繪院提供了應急臨時平面控制點，隨后地鐵公司委托測繪院在市控制網的基礎上建立了2號線一期的平面控制網。2008年9月，在建立地鐵1號線和2號線南延段控制網時，鑒于1號、2號線十字交叉，同時又需要對2號線GPS控制網進行復測的情況，為了增強控制網的圖形強度和提高精度，1號線和2號線的GPS網進行統一測量，整體平差，通過對試用不同組的點起算，進行優化比選，最后確定了漢惠帝陵和涼馬臺作為起算點，其余所聯測的城市控制點作為檢核點。

1.2 西安地鐵專用高程控制網的布設及建立

西安地鐵采用的是國家85高程系統。與平面控制一樣，開工時也是采用應急的臨時高程控制點，隨后地鐵公司委托測繪院建立高程控制網。起算點采用了西安市南秦嶺腳下的太乙宮基巖點和淳化縣北部山區基巖點永樂環1，構成符合水準線路。2號線建造了兩座深層水準標石，為了給其測定高程，考慮到聯測永樂環1點水準路線要經過渭河，有50多km遠，一等水準精度很難保證，又不屬于同一區域板塊，其穩定性與西安所建地鐵地區關系不大，故決定在1號線和2號線南延段建立高程控制網時，由太乙宮基巖點起算，組成一個閉合環，舍棄原來用的永樂環1。由此，專為地鐵所建立的張家堡深層水準點和杜陵原深層水準點就成為國家一等水準高程點，地鐵公司的高程基準點正式啟用。

1.3 平面控制網的不足之處

西安地鐵平面測量控制網采用的是西安任意直角坐標系，由測繪院建立，委托測繪院建立地鐵專用平面控制網，其提交了GPS平面控制網成果。因沒有坐標系參數和高等級起算點，總體總包單位無法進行全面的質量把關，施工單位進場后，不能按照常規要求進行同精度復測，只能進行簡單的檢核，給工程的質量安全帶來了隱患，也給參建單位的工作增加了難度，同時也增加了成本。

1.4 高程控制網的不足之處

西安地裂縫和沉降漏斗較多，而此前基礎資料較少，相對可靠穩定的深層水準標石只有兩個，分別位于西安市北郊運動公園和南郊杜陵原，對其他線復測時需要遠距離測量，局部重點監測也沒有可靠的水準點，增加了工作量和費用。

2 建立地鐵專用基準網的必要性和可行性

2.1 建立有起算參數的專用網的必要性

目前，大西安規劃已開始實施，軌道交通網將快速發展，由于工程建設的不可逆性，因此穩定的高精度的地鐵測量基準網對于保證地鐵施工質量安全、保證準確貫通是必需的。地鐵測量基準網不但要考慮穩定性，還要考慮其拓展性。由于無基本的起算參數，對地鐵網的穩定性很難分析，對以后的控制網拓展也將造成成果的不一致。

建立有起算參數的專用網，可以使地鐵建設的測量工程具有嚴密的數學轉換參數，便于咨詢總體單位進行審核檢查，也便于進行同精度復測，并且滿足與國家控制網建立關系的規范要求。

2.2 建立有起算參數的專用網的可行性

地鐵控制網要與城市控制網一致，一致的主要目的是便于地鐵資料與已有的城市勘測資料銜接，便于地鐵設計、施工、運營、物業開發。地鐵控制網的精度要求高于同等級的城市控制網，由于地鐵設計所依據的地形圖點位中誤差為250 mm，圖根點中誤差為50 mm，所以要求地鐵平面控制網與城市原有平面控制網的重合點的坐標較差不大于50 mm，高程控制網的較差不大于20 mm。

2.2.1 專用網高程控制系統

西安地鐵高程控制系統所采用的起算點與西安城市高程坐標系統的起算點一樣，都是太乙宮基巖點，為國家85高程系統，是按照一等水準要求聯測到西安地鐵的兩個深層水準點。此兩點委托測繪院于2007年7月建立，深360 m，經測繪院監測，點位穩定，滿足設計要求，可以作為起算點使用，因此高程控制網可基本滿足要求，但深層水準點埋設太少，每次無論測量哪條地鐵線路，都要全部聯測，所以水準網的建立應該考慮地鐵建成后運營測量的需要，在每條線路兩端和線路交叉的地方建立深層水準標點，這樣對于平時重點監測和分段測量，可以只就近聯測，每隔一定年限，再全部聯測一次。

2.2.2 專用網平面控制系統

地球是個不規則的橢球體，測量是按照一定的數學法則將地面上的點轉換對應到假定的規則橢球體上，再按一定的法則投影到平面上，形成地形圖，設計時以地形圖為依據做設計，再按照一定的逆向法則放樣到地面，指導工程建設。為了保證圖紙平面上的數值與地面上實際量測值一致，需要設定一定的條件來保證變形最小，其中對兩點之間綜合長度的變形作了嚴格規定，《工程測量規范》和《城市測量規范》均對長度綜合變形的容許值作出了明確規定，即選擇獨立坐標系時，變形不超過±2.5 cm/km，如圖1所示。

圖1 長度變形與高程h和橫坐標y的關系

圖1中，h為所選橢球面的高度，y為距中央子午線的距離。西安任意直角坐標系的中央子午線在2號線測區中央，投影面高405 m。西安地鐵規劃區內高程約為370～470 m，則h值就在－35～65 m，由圖可以看出，距西安任意直角坐標系中央子午線(西安中軸線)40 km范圍內，綜合變形完全可滿足規范要求，即滿足地鐵施工要求。

西安地鐵專用網坐標系統采用西安任意直角坐標系，選擇地鐵現有的兩個穩定的GPS點作為已知點，通過旋轉、平移、縮放轉換到西安任意直角坐標系。這樣做對控制點成果影響最大的就是由于中央子午線的改變而造成投影的變化。通過分析，中央子午線相差60 s時，距西安50 km互差值最大的閻良控制點互差為4.8 cm，可滿足與城市控制點互差不大于5 cm的要求。如果取經過渭河車輛段的中央子午線，與西安任意直角坐標系的中央子午線最大誤差不超過30 s，完全滿足規范要求。通過對已有1號、2號控制網的計算驗證，可以確認選擇這些參數是正確的。這樣，既可提高地鐵專用網的內附精度，滿足地鐵施工高精度的要求，又可保持與城市坐標一致。

3 地鐵專用基準網的建立和布設

3.1 平面控制網的參數選擇和布設

建議選擇CGCS2000橢球，經過渭河車輛段的子午線為中央子午線(108°56'05″)，投影面高選擇 405 m。先將既有1、2號線兩端GPS點和交叉處的5個GPS點由C級升級到B級，與國家B級網聯測，按照國家規范要求建立轉換關系，這5個GPS點作為地鐵骨架網，以后所建立的網就以其中兩點作為起算點，其余點作為檢核點，建立相應線路的平面控制網，對于進入相鄰城市或遠離西安的控制網，根據變形限制要求進行分帶以及坐標轉換，以便與相鄰城市的坐標系統對接。

3.2 高程控制網的布設

高程控制網以現有的張家堡和杜陵原深層水準點作為起算基準點，另外在1號線兩端，3號線兩端，1、2、3號線交叉處補設深層水準點(標石埋深20～30 m，根據地質情況選擇在穩固的持力層上)，建立分布均勻、穩定的水準點，以作為對地裂縫和沉降漏斗以及運營監測的監測基點。建立時盡量選擇在開闊地，以便對有條件的地點進行GPS聯測，以后作為GPS高程測量的參考站。

4 測量基準網的維護及使用

4.1 平面控制網的維護及使用

每條地鐵線平面控制網一般是在開工前的半年左右建立，按照規定開工時必須進行同精度復測，以后每隔一年至少復測一次，直到工程完工。幾條線同時在建時，GPS控制網復測要統籌考慮，對控制網的穩定性進行評判。

在每條地鐵線初建GPS平面控制網時，必須聯測已有線路控制網兩端的GPS控制點，使其參與構網和平差，提高網形強度和網的可靠性，并作為檢核點進行檢核。如果超限需分析原因，根據情況決定是否啟用新坐標。

4.2 高程控制網的維護及使用

西安地鐵的兩個深層水準點啟用后，水準網由此算起，按照一等水準測量規范，每隔10年，此兩點需與國家水準網聯測，并委托測繪院保管維護，作為西安測繪的主管單位，定期進行與國家網的聯測，從而滿足了規范要求。在施工期間，地面水準網按照地鐵施工需要，定期進行復測。運營后，地面水準網每隔4年聯測一次，每次聯測深層水準標石和淺層水準標石以及部分穩定的普通水準點，對于重點監測區段，可以用深層水準點和淺層水準點作為起算點。

4.3 沉降監測

鑒于西安特殊的地質條件(地裂縫和沉降漏斗)，監測需要通盤考慮，根據地鐵建設階段，確定一般監測和重點監測，分階段實施。

1)盡量全面收集西安市有關地裂縫和沉降漏斗的歷史資料，對沉降區和地裂縫進行重點關注。對有規劃線路經過的地裂縫和沉降漏斗，可以利用現有的十字骨架測量網，利用GPS測量手段進行低精度、低頻率的觀測跟蹤，預測出沉降區段，于開工前一年進行高精度、高頻率的監測，以便為設計提供可靠的依據及處理對策。這樣既可大大節省開支，又可對興趣點進行有效監控。

2)對新開工的地鐵段，利用首次布網測量與開工復測的比對，確認沉降區段，結合前期的監測，編寫詳細的監測方案，對沉降區段進行重點監測。其中，要注意將區域沉降與施工局部沉降進行區分，全線要及時匯總各標段的測量數據，進行歸類整理，將現場第一手資料及時反饋給設計，以便及時做出判斷。

3)土建完工后，需要對地下隧道開始進行監測，地面可只監測地裂縫和沉降漏斗區段，其所對應的地下部分應進行重點監測。由于地下隧道空間狹小，特別是軌道交通運營后，車輛來往密集，運行速度高，監測難度特大，若采用傳統監測，將很難完成，建議提早考慮安裝自動監測儀器。

5 結語

由于測量工作時間跨度大，從工程籌劃到開工建設，再到建設完工、后續運營，地鐵物業開發、地鐵限界保護等都需要有測量的支持，這些工作繁雜而專業，作為測量工作者應做好克服各種困難的準備，積極配合各部門的工作，保證技術資料的及時準確性并主動提出具有建設性的意見，為地鐵的建設、運營、物業開發、地鐵保護等做好保障服務。

［1］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.

［2］CJJ 8—99 城市測量規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，1999.

［3］張華海，王寶山，趙長勝，等.應用大地測量學［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2007.

［4］孔祥元，郭際明，劉宗泉.大地測量學基礎［M］.武漢:武漢大學出版社，2006.

［5］梁振英，董鴻聞，姬恒煉.精密水準測量的理論和實踐［M］.北京:測繪出版社，2004.