懸掛鋼尺法在地鐵高程聯(lián)系測量中的應(yīng)用

姜韶，匡志威，張翠峰

(長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，湖南長沙 410007)

1 引言

在城市地鐵的建設(shè)中，地下車站及地下區(qū)間竣工貫通后，為檢核隧道施工成果、線路調(diào)線調(diào)坡設(shè)計、軌道鋪設(shè)及設(shè)備安裝等提供高程基準(zhǔn)，需在地下結(jié)構(gòu)內(nèi)建立高精度的高程控制網(wǎng)。

為將高程控制網(wǎng)從地上引入地下，需進(jìn)行高程聯(lián)系測量，一般在車站、豎井等結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行。高程聯(lián)系測量分為三步:地上的近井水準(zhǔn)測量、高程傳遞測量及地下近井水準(zhǔn)測量。地上的近井水準(zhǔn)測量和地下近井水準(zhǔn)測量，我們一般可以采用常規(guī)的水準(zhǔn)測量進(jìn)行。高程傳遞測量是高程聯(lián)系測量的關(guān)鍵所在，高程傳遞測量的精度直接影響地下近井點(diǎn)的高程精度。

常見的高程傳遞測量方法有懸掛鋼尺法、常規(guī)水準(zhǔn)測量法以及全站儀三角高程法。相比其他方法，懸掛鋼尺法具備對測量場地環(huán)境要求小、外業(yè)作業(yè)流程簡便等特點(diǎn)，在地下結(jié)構(gòu)的高程聯(lián)系測量中，應(yīng)用更廣泛。以長沙市軌道交通2號線一期工程為例，大部分的站口在進(jìn)行竣工測量時期，負(fù)一層至負(fù)二層的通道還未修好，根本無法進(jìn)行普通的水準(zhǔn)測量。而盾構(gòu)井都進(jìn)行了封頂，只留下很小的施工井，這就限制了利用全站儀三角高程進(jìn)行高程傳遞測量。而懸掛鋼尺法則不受這些影響，能在較短時間內(nèi)獲得地下近井點(diǎn)高程，且精度可靠。

2 懸掛鋼尺法高程傳遞測量

2.1 測量原理

懸掛鋼尺法是目前使用比較成熟的高程傳遞測量方法，能夠滿足城市二等水準(zhǔn)測量的精度要求，其原理如圖1所示。

圖1 懸掛鋼卷尺高程傳遞測量示意圖

首先在豎井邊沿固定一金屬構(gòu)架并做好井上近井點(diǎn)A和井下近井點(diǎn)B，將鋼卷尺固定在構(gòu)架頂端，鋼卷尺下端懸掛一核定質(zhì)量的重物。在相同時刻測量出井上井下的水準(zhǔn)尺刻度值h1、h2和鋼制卷尺的刻度值a1、a2，則兩個近井點(diǎn) A、B 的高差為:

由于鋼制卷尺在溫度、拉力以及自身重力作用下存在變形，所以我們必須對尺長進(jìn)行改正，則近井點(diǎn)A、B的高差為:

式中∑△H為溫度、拉力以及自身重力等引起的各項(xiàng)尺長變形改正。

2.2 誤差源分析

在實(shí)際作業(yè)中，懸掛鋼尺法主要誤差有:受到周圍溫度、被施加張力及自身重力影響而存在變形，人眼觀測卷尺刻度的觀測差。

卷尺的溫度尺長改正、張力誤差改正及自重誤差改正是不能忽略的。以溫度誤差改正為例，如卷尺測量有效長度為 15 m，當(dāng)氣溫高于20℃，每增加2℃，需要改正量如表1所示:

溫度改正分析數(shù)據(jù) 表1

在夏季，地面氣溫可達(dá)到30℃ ～40℃，而在盾構(gòu)井下的溫度一般在25℃左右。單獨(dú)以卷尺有效觀測長度的某一端測量溫度進(jìn)行改正，存在近 2 mm的差值。為了減小這種誤差，在卷尺與周邊環(huán)境溫度達(dá)到一致后，我們采用在卷尺有效觀測長度的兩端記錄溫度，然后取均值進(jìn)行溫度誤差改正。

同時，人為觀測卷尺也可能存在誤差，而這種觀測差是不可避免的。為了減小這種誤差，我們選擇增加觀測次數(shù)的辦法，選擇固定、熟練的技術(shù)人員進(jìn)行觀測。同時為了減小不同型號電子水準(zhǔn)儀和銦鋼尺的誤差，我們采用相同型號的水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)尺，水準(zhǔn)儀也必須經(jīng)過嚴(yán)格的檢校。

3 工程實(shí)例與結(jié)果分析

長沙市軌道交通2號線一期工程共有19個地下車站，全長 22.262 km;在進(jìn)行該線路第三方竣工貫通測量時，共在14個車站進(jìn)行了高程聯(lián)系測量，均采用懸掛鋼尺法進(jìn)行。作業(yè)時，為提高高程聯(lián)系測量精度，將地面近井點(diǎn)及地下近井點(diǎn)埋設(shè)在豎井附近，保證一次性將高程傳遞到井下。

3.1 外業(yè)施測

(1)在豎井出口設(shè)置固定金屬架，將鋼卷尺掛在固定金屬架上;鋼卷尺下方懸掛重錘，調(diào)整尺長至適合位置并固定;

(2)在井上、井下適合位置架設(shè)水準(zhǔn)儀;

(3)為方便水準(zhǔn)儀讀數(shù)，需調(diào)整鋼尺面，使其對準(zhǔn)水準(zhǔn)儀;待其穩(wěn)定后，井上、井下兩臺儀器必須同時刻觀測。

根據(jù)《城市軌道交通工程測量規(guī)范》要求，至少要測量3個測回;為了保證數(shù)據(jù)可靠準(zhǔn)確，本項(xiàng)目作業(yè)做均觀測6個測回，同時保證測回間高差互差小于 3 mm。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于鋼制卷尺受到周圍溫度、被施加張力及自身重力影響存在變形，因此需要對外業(yè)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，改正參數(shù)需采用鋼尺檢定的額定參數(shù)，具體如下:

(1)溫度的誤差補(bǔ)正計算方法:

(2)張力的誤差補(bǔ)正計算方法:

(3)因尺帶重力而引起的誤差補(bǔ)正計算方法:

則改正后的近井點(diǎn)高差為:

在Excel表格里，輸入上面改正公式，然后輸入觀測數(shù)據(jù)，就可以得到高差值、改正數(shù)，得到最終的高程差值。

某一站點(diǎn)的高程傳遞測量數(shù)據(jù)計算如表2所示。

某站觀測數(shù)據(jù)改正表2

從表中可以看出，各測回間高差互差最大值為0.3 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的 3 mm，故可取6測回平均值作為最終的觀測結(jié)果。

3.3 平差計算

結(jié)合該車站地面近井水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)、地下近井水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)，即可將高程從地上引入地下;相鄰兩處高程聯(lián)系測量車站間，施測地下水準(zhǔn)測量后，結(jié)合高程聯(lián)系測量數(shù)據(jù)，可構(gòu)成附合水準(zhǔn)線路或閉合水準(zhǔn)線路(如圖2所示)。本項(xiàng)目共在14個車站進(jìn)行了高程聯(lián)系測量，并形成14條附合水準(zhǔn)線路，按《城市軌道交通工程測量規(guī)范》二等水準(zhǔn)精度要求進(jìn)行外業(yè)觀測，平差計算采用南方平差易2005軟件進(jìn)行計算，定權(quán)采用按距離定權(quán)方式，計算結(jié)果如表3所示。

圖2 附合水準(zhǔn)線路示意圖

水準(zhǔn)平差信息 表3

從表3中可以看出，各水準(zhǔn)線路測量精度均優(yōu)于規(guī)范要求，可滿足地鐵施工建設(shè)要求。

4 結(jié)論

利用水準(zhǔn)儀和鋼制卷尺進(jìn)行高程傳遞測量具有高精度，高可靠性，受施工環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)。但需要注意的是，外業(yè)觀測時，需將鋼制卷尺固定在井上架構(gòu)上，懸掛重物后鋼制卷尺可能會下沉。為消除觀測時由于下沉帶來的誤差，要求井上、井下兩臺儀器必須同時刻觀測。

同時，為了盡可能地降低儀器觀測誤差，應(yīng)注意以下三點(diǎn):①選用經(jīng)過檢校的相同型號的水準(zhǔn)儀以及配套的水準(zhǔn)尺進(jìn)行同時觀測;②為了保證觀測數(shù)據(jù)的可靠性，在每天觀測前應(yīng)對儀器i角進(jìn)行檢查;③觀測時，盡可能的保證儀器到卷尺和水準(zhǔn)尺的距離相等，且觀測距離不應(yīng)過遠(yuǎn)，能清楚觀測卷尺刻度。

［1］GB50308－2008.城市軌道交通工程測量規(guī)范［S］.

［2］GB/T12897－2006.國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范［S］.

［3］王巖，岳建平，馬保衛(wèi)等.三種高程傳遞方法的精度分析［J］.北京測繪，2005(1):20～24.

［4］王榮權(quán).軌道交通工程聯(lián)系測量方法的應(yīng)用［J］.北京測繪，2008(1):38～41.

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