城市軌道交通工程地下高精度平面控制網的建立

馬海志

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京100101)

城市軌道交通工程地下高精度平面控制網的建立

馬海志

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京100101)

通過深入分析城市軌道交通工程地下隧道的結構與施工特點，研究建立一套適合現行測量規范的地下隧道高精度平面控制網，并通過較詳實的精度分析，說明該網可代替傳統的控制基標，直接用于加密基標的測設，達到指導隧道內軌道鋪設精細化施工的目標。最后指出，在繼承傳統基礎上進行技術創新對城市軌道交通行業發展的迫切性和重大戰略意義。

地鐵;隧道;軌道鋪設;控制基標;CPIII網;導線網;自由設站;方位角閉合差;點位相對精度

一、前 言

我國高鐵測量技術在引進國外技術的基礎上，經過10多年的自主創新，已經建立了一套比較完善的控制網布設和施工測量體系，特別是在軌道控制網(CPIII網)的建設和使用上，引起了測量界的廣泛關注。高鐵軌道設標網(CPIII網)是在其上級控制網CPII或CPI基礎上建立起來的、直接用于高速鐵路軌道鋪設的高精度控制網，它與城市軌道交通工程的一個顯著區別就是可直接用它進行加密基標測設和軌道板精調，舍棄了中間環節——控制基標的測設(道岔區仍需測設，本文僅討論線路正線)。要達到這一目標，高鐵是通過保證CPIII網的平面相對高精度來實現的。那么，城市軌道交通工程(以下簡稱地鐵)測量能否借鑒高鐵思想，建立一套適合地鐵建設特點的高精度控制網，實現直接測設加密基標，以達到精細指導軌道鋪設的目的呢?筆者帶著這樣的疑問，經過深入研究，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是可以實現的。

本文首先分析CPIII網在網形上無法滿足地鐵隧道建網的原因，然后分析地鐵高精度網需達到的平面精度，在此基礎上提出建網方案，并詳細分析該網觀測后可以達到的精度，最后得出一些重要的結論。

二、高鐵CPIII網引入地鐵隧道所面臨的問題

高鐵CPIII網有兩種成熟網形，本文暫稱CPIII標準網和CPIII改進網(如圖1、圖2所示)，分別適用于寬闊環境和狹窄環境。有專業人士提出將CPIII改進網引入地鐵隧道施工的建議。

圖1 CPIII標準網布網形式

圖2 CPIII改進網布網形式

筆者認為，CPIII改進網用于地鐵隧道建網將遇到如下問題:

1)通視困難，觀測難以實現。高鐵線路兩側每對CPIII點橫距在10 m以上，即使單線隧道，也能達到8～9 m［3］。而北京地區的單線隧道，最大內徑多數為5.4 m，比高鐵縮小近一半，即使采用改進網形，自由設站由于位于隧道中線附近，觀測側壁CPIII點也十分困難。

2)外業觀測工作量較大。CPIII改進網形的設站間隔和CPIII控制點縱向間距一樣，都是60 m。每個自由設站點觀測至少8個邊長、8個方向。因此，不考慮與高級點的聯測，每千米隧道CPIII網至少要設站16.7個，觀測邊長133個，觀測方向133個。

3)無法配合施工，與施工方的技術條件不匹配。地鐵隧道在貫通之前，隧道施工單位多采用導線法指導隧道的定向和開挖，如果采用CPIII網布設軌道控制網，就無法充分利用施工單位布設的導線，也不能及時對該導線網進行檢測，也就達不到指導施工的目的。

4)無法滿足與高級點聯測的要求。高鐵軌道控制網CPIII要求每隔600～800 m要與高級點CPII或CPI進行聯測，這就要求地鐵隧道每隔600～800 m設置一個區間豎井，而地鐵區間隧道較難滿足這一要求;位于隧道內的高級控制點，目前也只能采用導線測量的方式進行傳遞。這些都是制約CPIII網布設的瓶頸。

5)精度要求偏高。高鐵CPIII網要求［2］相鄰60 m點的相對點位中誤差在±1 mm以內，這個要求是為保證高鐵高平順性而提出的，對地鐵鋪軌來說是否偏高，值得進一步商榷。

三、適用于地鐵工程的高精度平面控制網的建立

地鐵地下隧道高精度控制網，應建立在以“車站—區間—車站”(兩站一區間)為固定單元的基礎上，在區間隧道貫通后再進行統一觀測和整體嚴密平差處理。該網的起算點，仍為區間兩端用常規聯系測量方式傳遞到車站底板的平面控制點。

1.隧道內控制網點間距的確定

建立高精度平面控制網的目的是為適應地鐵鋪軌規范要求，達到直接指導加密基標測設的目標，因此需建立合適的控制點間距。《城市軌道交通工程測量規范》(GB 50308—2008)［1］規定，地鐵正線軌道鋪設控制基標直線段間隔為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，高精度平面控制網控制點縱向間隔取和 CPIII網相一致的60 m，既可滿足直線段、曲線段測設加密基標需要，又能滿足曲線地段控制點間的通視要求。

2.點位相對精度要求

《城市軌道交通工程測量規范》(GB 50308—2008)［1］規定，按連續3個控制基標推算的折角計算橫向相對偏差應控制在2 mm以內。因此，按照誤差傳播律，容易推得(按控制基標間距120 m計算)建立的高精度平面控制網縱向相鄰點(間距60 m)相對點位中誤差應在±1.4 mm以內。此分析也說明，按CPIII網相對點位中誤差±1 mm來建立地鐵鋪軌控制網，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網形

經過反復推敲，建立如圖3所示的平面控制網作為地鐵隧道高精度平面控制網。筆者將其命名為“附加測站極坐標觀測及自由設站觀測的附合導線網”。該網由骨架附合導線點和側幫強制對中觀測點兩部分組成。其中，骨架導線除兩段車站作為起算點外，均采用可架設全站儀的強制對中標志;側幫觀測點采用只能安置棱鏡的強制對中測桿，只觀測方向和距離，不設測站。該網觀測數據可劃分為3部分:第1部分是骨架導線觀測數據;第2部分是測站極坐標觀測數據;第3部分是自由設站點觀測數據。這3部分數據可以分步獨立觀測，也可以進行整體統一觀測，最后統一整體平差。

圖3 附加測站極坐標觀測及自由設站觀測的附合導線網示意圖

附加測站極坐標和自由設站觀測的附合導線網，具有如下鮮明特點:

1)充分利用施工導線。該網的骨架網可以充分利用貫通前施工單位布設在隧道兩側的強制對中標志，節約一部分埋點費用。控制網的觀測成果，包含了導線坐標數據，可作為施工導線檢測成果。

2)充分利用隧道狹窄空間。利用側幫設置的骨架導線點，按極坐標方式進行側幫其他點邊長、方向(角度)觀測，比隧道中間設站增強了觀測空間。

3)充分利用強制對中標的優勢，增強折角觀測，大量減少自由設站觀測的工作量。

4)適當自由設站點設置，增強點位相對精度。自由設站觀測設置，目的是彌補單一附合導線極坐標觀測的不足，增強觀測數據的可靠性，增強帶狀平面控制網的相關關系，適當提高控制點相對點位精度。

四、精度分析與結論

1.附合單導線的選取

為使分析結果具有說服力，選取一個具有代表性的工程實例。主要考慮如下因素:首先，實例應包含直線段和曲線段;其次，區間長度應適中，不能太短也不能太長;最后，附合導線觀測質量如方位角閉合差、導線全長相對閉合差不能太小，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1.8 km的地下盾構區間，貫通后的附合導線基本滿足以上各項要求，只是導線方位角閉合差質量稍高(限差為28″，實際為8″)。該附合導線除兩端位于車站內各兩個地面控制點外，其余全部為可架設全站儀的隧道側幫強制對中標志點。導線觀測情況如表1所示，平差詳情如表2所示。平差后的點位中誤差、相對點位中誤差分布如圖4、圖5所示。

表1 附合導線實例觀測情況

表2 附合導線實例平差結果

圖4 附合導線點位中誤差分布

圖5 附合導線相對點位中誤差分布

該網雖然觀測質量較好，但平差后相鄰點相對點位中誤差為±1.6 mm，尚不能達到取代控制基標直接用來測設加密基標的要求。

2.附加測站極坐標導線網精度分析

為逐步說明本文提出的高精度平面網的效果，在實際工程實例的基礎上，采用增加仿真觀測值來進行模擬計算。首先按測角±2″、測距±(1 mm+1× 10－6D)精度模擬測站極坐標邊角觀測值，導線網整體及局部放大形狀如圖6、圖7所示，觀測情況如表3所示，與實際觀測數據結合嚴密整體平差的結果如表4所示。平差后點位中誤差、相對點位中誤差分布如圖8、圖9所示。

圖6 附加測站極坐標觀測的附合導線整體網形

圖7 附加測站極坐標觀測的附合導線局部放大網形

圖8 附加測站極坐標觀測的導線網點位中誤差分布

圖9 附加測站極坐標觀測的導線網相對點位中誤差分布

從表4中可以發現，附合導線附加測站極坐標觀測值后，點位精度有少量提高，但相對點位精度幾乎沒有變化。

3.附加自由設站觀測后的導線網精度分析

接下來，在前兩步工作的基礎上，附加自由設站觀測，每站觀測相鄰的4個側幫點。所有附加數據仍采用仿真觀測值。此模擬網整體形狀如圖10所示，局部放大如圖11所示，觀測情況如表5所示，整體平差情況如表6所示。平差后的點位中誤差及相對點位中誤差分布如圖12、圖13所示。

圖10 附加自由設站導線網整體網形

圖11 附加自由設站導線網局部放大網形

表3 附加測站極坐標觀測的附合導線網觀測情況

表4 附加測站極坐標觀測的附合導線網平差結果

表5 附加自由設站、測站極坐標觀測的附合導線網觀測情況

表6 附加自由設站、測站極坐標觀測的附合導線網平差結果

圖12 附加自由設站的導線網點位中誤差分布

圖13 附加自由設站的導線網相對點位中誤差分布

通過對以上各表、圖分析可以看出，此時該網點位精度和相對點位精度都有大幅度的提高，其中相對點位中誤差已經達到了高鐵±1 mm的標準要求。當然亦可滿足地鐵隧道內直接測放加密基標的要求。

4.附合導線方位角閉合差問題

本例附合導線方位角閉合差較小，不具一般性。實踐表明，很大一部分地鐵區間附合導線方位角閉合差難以滿足《城市軌道交通工程測量規范》(GB 50308—2008)［1］規定的5方位角閉合差(規范無明確要求，此處暫按精密導線指標套用)限差要求。那么，在這種超限情況下，附加測站極坐標觀測及自由設站觀測的附合導線網是否能滿足地鐵鋪軌需要。為回答這個問題，假定該導線短邊一端(邊長24.8 m)的后視起算點產生了橫向5 mm的移動，且無法發現，仍舊使用其原坐標成果起算，這樣起始方位附加了42″的方位偏差，附合導線閉合差變為35″，已超過限差值(28″)。其余觀測值和模擬觀測值不變，對這個方位角閉合差超限的網進行整體嚴密平差。結果表明，控制網點位中誤差最大為±2.9 mm，相對點位中誤差最大為±1.2 mm，仍可滿足地鐵鋪軌施工需要。說明該高精度平面網具有抵御少量粗差的能力。

5.自由設站觀測的簡化

對比圖3和圖2可以發現，本文提出的高精度平面網與CPIII改進網相比，自由設站數相同，外業觀測量方向數、邊數顯著減少。另外從表6來看，該網平差后相對點位中誤差對地鐵施工來說還是比較小。因此，還可適當減少自由設站數，增加每站觀測方向和邊長數，在滿足直接測設加密基標的精度要求前提下，進一步減少外業工作量。

6.結 論

實例及仿真數據分析說明，筆者提出的附加測站極坐標觀測和自由設站觀測的附合導線網點位密度選取較合適，外業觀測量較高鐵CPIII網減少約20%，精度達到現行地鐵規范要求，是比較適應地鐵工程特點的地下高精度控制網。其建網思想可引申到地鐵工程的地面線和高架線。

五、總結與展望

城市軌道交通工程測量較其他土木工程測量來說，雖然測量技術比較成熟，精度較高，但仍存在許多不足的地方。因此，在繼承傳統的基礎上，進行有針對性的技術創新刻不容緩，走精細化施工道路將是行業發展的必然選擇。

當前，高鐵領域的測量技術經過十多年引進、吸收和再創新，已經走在了地鐵的前面，并有了向地鐵領域滲透的趨勢。但地鐵工程具有許多與高鐵不同的特點和難點，地鐵測量技術的創新，絕不能拋棄業界長期積累的寶貴經驗，機械地照搬高鐵。

本文提出的地鐵地下高精度平面控制網建立的思想，立足于地鐵工程自身特點，既繼承了傳統建網的成功經驗，又吸納了高鐵軌道設標網的優點，目的是在地鐵測量技術創新方面作個表率，拋磚引玉。希望能夠引起業界同仁的廣泛關注和高度重視，為推動城市軌道交通工程測量領域的科技進步開創一個百家爭鳴、百花齊放、積極探索、爭相創新的嶄新局面。

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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，教授級高級工程師，主要從事精密工程測量研究及測繪工程管理工作。