精密陀螺全站儀在城市綜合地下管廊中的應用研究

馬 驥，楊志強，石 震

(長安大學地質工程與測繪學院，陜西 西安710054)

一、引 言

隨著國民經濟和城市建設的不斷發展，地下管網作為城市各行各業有機連接和運轉的“生命線”，承受的壓力不斷增加［1］。長期以來，我國地下管線多是以直接埋放的方式布設于地下，導致在進行管線維修改造時，不可避免地對路面進行破壞，同時加劇了城市建設用地的矛盾。這不僅造成交通的不便，影響居民生活質量，而且在施工維護的過程中也經常造成管線無謂的損壞，致使人力、物力資源極大的浪費。為了解決城市建設用地緊張、道路交通擁堵、環境污染等問題［2］，一種高度集約型的城市市政綜合管線載體——地下綜合管廊應運而生。

二、建設城市綜合地下管廊優勢

地下綜合管廊，是在地下修建一個廊道空間，將兩種以上的城市管線(如市政、電力、通信、給排水等管線)集中設置于同一空間中，設有專門的檢修口、吊裝口和監測、監控系統，實施統一規劃、統一設計、統一建設管理的一種現代化、集約化的城市基礎設施。

綜合地下管廊作為城市血液和脈絡新的載體，與傳統管線直埋方式的地下管線相比，其具有明顯的優勢:

1)管線直埋的施工方式和管線維護致使道路的反復開挖造成周圍環境影響和交通延滯所帶來的直接或間接經濟損失要遠遠高于地下管線的建設成本，而且隨著時間的推移及城市的發展，帶來的破壞和損失將越來越高。而綜合地下管廊的建設一次性投入大，但其對城市交通的影響是暫時的，地下管廊修建完成后，其維護成本很低，不會對道路路面產生影響。因此，從長遠的利益來看綜合地下管廊的綜合成本比直埋管線更低，綜合地下管廊具有明顯的經濟效益。

2)綜合管廊建設避免了由于管線維修反復挖掘路面帶來交通和居民的不便和干擾，保持路面的完成和城市的美觀。綜合管廊內管線布置緊湊合理，有效地利用了地下空間，節約了城市建設用地［3-4］。

3)保證城市各項功能穩定、集約、高效地運轉。綜合管廊可以實現城市基礎設施功能集聚，便于統一管理，消除“城市蛛網”的視覺污染，創造和諧的城市生態環境。同時綜合管廊整體剛度大，有利于抗震，同時可抵御冰凍、侵蝕等多種自然災害，增加了管線的使用壽命。

4)便于各種管線的敷設、增減、維修和日常管理，可滿足幾十年的管線擴容需求，做到一次投資，長期使用。

三、地下綜合管廊平面控制網布設方法

區別于地下管線直埋方式，地下綜合管廊的出現，使得地下管線的施工測量任務有所變化，首先需要在地下開挖一條用于敷設各種管線的廊道。為了確保廊道在開挖面相向施工過程中，使廊道中線符合線路平面及縱斷面設計要求，在限差滿足允許誤差的范圍條件下正確貫通，使廊道結構符合設計要求，避免施工浪費和減少成本是地下工程控制測量工作的主要任務?？刂茰y量精度與貫通精度息息相關，為確保廊道在指定精度條件下貫通，就必須做好控制測量工作，盡可能減小控制測量的誤差，提高控制測量精度。

管線廊道控制測量工作內容可以分為地面控制測量、地下控制測量及聯系測量(豎井需要貫通時)，地面控制測量由于GPS定位技術的發展，具有精度高、時間短的優勢，其測量誤差對貫通誤差的影響很小，而地下控制測量的誤差是引起廊道貫通誤差的關鍵因素。因此，在進行地下廊道貫通測量時應根據工程需要布設相應的地下控制網。

由于狹長的管線廊道空間使得地下平面控制網圖形結構的選擇受限，一般只能采用布設狹長導線網的形式來完成地下平面控制測量工作。常見的地下導線網有如下幾種布設形式。

1．支導線

在廊道貫通之前，受限于廊道形狀和狹窄的工作空間，傳統的地下平面控制測量一般采用布設支導線的方法，導線隨著廊道的開挖方向逐步向前延伸，廊道地線支導線如圖1所示。盡管采用支導線進行地下平面控制具有布設方案簡單靈活、工作強度和工作量較少的優點，但支導線缺乏約束條件和多余觀測，無法對工作出現的錯誤進行檢核。而且隨著支導線的延伸，導線端點平面及高程的測量誤差迅速累積并增大，不利于廊道的正確貫通［5］。

圖1 地下支導線

2．閉合導線

地下閉合導線如圖2所示，它是由一條已知邊，測量導線邊長和水平夾角后又符合到該已知邊的測量方法。閉合導線網適用于較短廊道，其圖形強度和檢核條件比支導線多，對于長度小于1 km的廊道，是比較適合的布網方式。

圖2 地下閉合導線

3．主副導線

為了檢核導線的施測效果，可以在廊道內布設不同等級的主副導線。在廊道開挖掘進時先布設邊長較短的副導線，指明掘進的方向;當廊道開挖至1～2 km時，再布設邊長更長的，測量精度更高的主導線，主副導線可以起到相互校核的作用。地下主副導線如圖3所示，單雙線分別表示副導線和主導線［6］。副導線需要測量角度，距離可測可不測;主導線角度和距離都必須進行觀測。主副導線布網方式比較適用于中長廊道，采用該種布網形式可以有效控制住廊道前進的方向，達到提高貫通精度的目的，但主副導線的網型強度不高，多余觀測較少，橫向貫通精度依賴于角度測量的精度。

圖3 地下主副導線

4．全導線網

如圖4所示，全導線網相互并行的導線在兩點間交叉，每一個新導線點通過兩條路線測量得出縱坐標。布設全導線網的主要目的是讓控制網的網型強度增加，可以明顯提高橫向貫通精度。全導線網適用于大部分地下廊道布網。但對于較短的廊道，全導線網的工作量較大，成本較高，應綜合考慮取舍。

圖4 全導線網

5．交叉雙導線網

如圖5所示，交叉雙導線網是在全導線網的基礎上，沒有進行靠近廊道邊墻的邊長觀測，相較全導線網而言，減小了將近一半的工作量，并且有效避免了旁折光的影響，網型強度很高，可以有效減小橫向相貫通誤差，交叉雙導線網適用于高貫通精度的廊道地下控制測量。

圖5 交叉雙導線網

6．單側交叉導線網

單側交叉導線網如圖6所示。單側交叉導線網適用于曲線廊道彎道處布設，它可以看作是交叉導線與支導線的組合。由于彎道處的導線邊長較短，應該盡可能提高導線的測角精度，以減小測角誤差對橫向貫通誤差的影響。

圖6 單側交叉導線網

四、精密陀螺全站儀在管廊貫通測量中的應用

地下廊道修建時，需要將地面坐標基準傳遞至地下，通過平硐或斜井采用幾何定向方法傳遞坐標時，一般采用布設導線方法對地面外控制點進行聯測即可;對于立井而言，幾何定向(如一井定向、兩井定向等)通過懸掛鋼絲垂球線將地面控制點的坐標傳遞到地下，這種方法的定向精度較低，難以滿足現代地下廊道建設的需要。而采用陀螺全站儀定向不受時間和環境限制，它通過敏感地球自轉角動量獨立測定任意測線真北方位角，檢核地下導線方位角，操作簡便而且能夠保證極高的定向精度，因此陀螺全站儀定向測量已經逐漸取代了沿用已久的幾何定向方法。

在地下工程的重要貫通工作中，通常會布設很長距離的地下導線，由于地下導線測角誤差的不斷累積，難以保證較高的橫向貫通精度。由于地下環境的限制，導線測角精度難以大幅度提升，因此在實際貫通測量工作中，可以采用加測陀螺定向邊的方法提高地下導線的精度，減小測角誤差對橫向貫通誤差的影響［7-8］。下文將分析加測陀螺方位角對橫向貫通誤差的影響規律。

1．加測N條陀螺方位角的橫向貫通誤差影響值

對于未加測陀螺方位角的地下導線，導線測角誤差度對橫向貫通誤差的影響值為

式中，Ry'為支導線各導線點到x'軸的垂直距離。

如圖7所示，若地下導線網中加測了陀螺定向邊α1、α2、…、αN共N條，每條陀螺邊定向中誤差為mα1、mα2、…、mαN，可將導線分成N段附合導線，各段導線的重心為OI、OII、…、ON，由D點至貫通點K的一段為支導線。

由導線測角誤差引起K點貫通誤差為

式中，mβ為導線測角中誤差;η為各導線點至本段導線重心O的連線y'軸上的投影長度;Ry'為由D至K的支導線各導線點與在導線邊與K點連線在y'軸上的投影長度。由陀螺定向邊的定向誤差引起K點貫通誤差為

若mα1=mα2=…=mαN=mα，則有

現對等邊直伸型地下導線加測陀螺方位角后橫向貫通誤差的變化規律進行分析，分析加測不同數量的陀螺定向邊對貫通精度增益的規律。

圖7 加測N條陀螺方位角的橫向貫通誤差影響

2．加測不同數量陀螺邊對貫通誤差增益規律

現取廊道長度為7000 m，并取陀螺定向中誤差mα=3″，導線測角精度mα=1″，可計算加測不同數量陀螺邊情況下的橫向貫通誤差mq，其結果列入表1中，表1中精度增益代表加測陀螺方位角后的橫向貫通誤差與未加測時相比誤差減少的百分率。

表1 加測不同數量陀螺邊貫通精度增益比較

圖8是根據表1繪制的加測陀螺方位角個數與橫向貫通誤差的關系曲線。

圖8 加測陀螺方位角個數與橫向貫通誤差的關系曲線

五、結 論

由上述分析可以得出以下結論:

1)無論是從經濟效益方面還是從社會效益方面，采用地下管廊的形式進行城市管網的布設都比地下直埋管線方式具有更明顯的優勢。

2)為了確保地下管線廊道的準確貫通，應根據實際的工程需求選擇適當的地下導線布網形式，以提高管線廊道的貫通精度。

3)陀螺全站儀定向測量方法能夠獨立地將坐標方位基準從地面傳遞至地下，傳統的幾何定向方法已逐漸被取代。

4)在地下導線網中加測適當數量的陀螺定向邊是減小廊道測角誤差累積行之有效的方法，隨著陀螺邊加測的數量越多，貫通精度越小，但加測至一定數量時，其增益效果不明顯，對于小于10 km的管線廊道，加測2～3條陀螺定向邊為宜;對于超過10 km的地下管線廊道，建議每隔3 km加測一條陀螺邊，以保證廊道管線精確貫通。

［1］ 王璇，陳壽標．對綜合管溝規劃設計中若干問題的思考［J］．地下空間與工程學報，2006，2(4):523-527．

［2］ 孫云章．城市地下管線綜合管廊項目建設中的決策支持研究［D］．上海:上海交通大學，2008．

［3］ 王曦，祝付玲．基于博弈分析的城市綜合管廊收費對策研究［J］．地下空間與工程學報，2013，9(1):197-203．

［4］ 姚龍龍．城市地下綜合管溝工程建設及問題探討［J］．城市道橋與防洪，2008(3):100-104．

［5］ 鄧川．現代長大隧道洞內控制測量與監測技術研究［D］．成都:西南交通大學，2012．

［6］ 周立吾，張國良，林家聰．礦山測量學［M］．徐州:中國礦業大學出版社，1987．

［7］ 李忠金．GAT磁懸浮陀螺全站儀在馬坑鐵礦豎井定向測量中的應用［J］．礦山測量，2012(1):38-40．

［8］ 張正祿，張松林，伍志剛，等．20～50 km隧道(洞)橫向貫通誤差允許值研究［J］．測繪學報，2004，33(1):83-88．