地鐵豎井聯系測量技術研究*

王玉振 包永剛 王建華

(1.河南水利與環境職業學院土木系,450011,鄭州; 2.中鐵七局集團有限公司,450016,鄭州∥第一作者，講師)

地鐵豎井聯系測量技術研究*

王玉振1包永剛1王建華2

(1.河南水利與環境職業學院土木系,450011,鄭州; 2.中鐵七局集團有限公司,450016,鄭州∥第一作者，講師)

針對地鐵豎井聯系測量精度不高的問題,提出在地鐵豎井聯系測量中采用懸鏡照準標志并結合后方交會法。從理論和實測兩方面,對豎井聯系測量的原有方法(雙井定向聯系測量)與懸鏡法結合后方交會的新方法進行了對比分析。結果表明,鋼絲加可旋轉棱鏡的懸鏡法進行豎井聯系測量,不僅操作上更加簡單,且點位精度比常規導線法點位精度提高近3倍,使聯系測量點位精度大大提高；地上聯系測量采用后方交會,每個投點保證被觀測3次,大大提高聯系測量的投點精度,保證了每個投點的點位中誤差小于1 mm；減小了對施工進程的干擾,有力保證了各施工環節有序開展。

地鐵盾構區間; 豎井聯系測量; 懸鏡法; 后方交會法

First-author′s address Henan Vocational College of Water Conservancy and Environment,450011,Zhengzhou,China

隨著地鐵區間距離的增長,聯系測量技術難點增大,目前國內地鐵普遍采用的垂線式豎井聯系測量很難保證隧道正確貫通和達到隧道高精度控制的驗收要求。本文探討采用鋼絲加可旋轉棱鏡的方法進行豎井聯系測量,并結合相應的工程實例,總結出豎井聯系測量新方法的關鍵點。該方法不但操作方便快捷,而且可提高豎井聯系測量中投點精度。

1 工程實例概況

該項目為鄭州軌道交通2號線上的兩站盾構區間,區間長約2 000 m。項目研究以向陽路站—南四環站區間為依托,具體實施地點設在向陽路站。盾構機從其中一站南端頭始發,經區間風井至另一站北端盾構吊出井吊出。盾構接收井采用明挖法施工。

2 技術方案

2.1 常規的雙井定向聯系測量

雙井定向測量采用導線垂線式投點法，在地面上埋設4個近井點Q1、Q2、Q3、Q4,在井底板上埋設4個控制點T1、T2、T3、T4以構成閉合導線,如圖1所示。通過測量Q1、Q2(借助盾構井中懸吊的鋼絲D4)的方位角并通過底板上的T1、T2、T3、T4進行過渡(借助盾構井中懸吊的鋼絲D1)，回測到Q3、Q4的方位角,最終可得T1、 T2、T3、T4的方位角坐標。

2.2 聯系測量新方法

為保證近井控制點的精度,減少對中誤差對地面控制點的影響,在向陽路車站基坑外側設置4個強制對中控制點(K1、K2、K3、K4),測量時采用四邊形精密平面控制網(見圖2)。項目施工使用自主研發的懸鏡(已申報專利,見圖3)。其懸鏡框采用高強度鋁合金制作,能承受500 N拉力，上下用φ0.5 mm的鋼絲連接。鋼絲與懸鏡框的連接部分采用打死結的方式,以防止脫落。鋼絲穿過懸鏡框可旋轉部位時,鋼絲打的死結要陷入穿線孔內，以保證鋼絲中心線與棱鏡中心線重合。鋼絲下部配10 kg重錘放入油桶中,油的液面要漫過重錘,利用油的阻力防止鋼絲旋轉擺動。棱鏡采用德國SIN棱鏡，其旋轉部分保證棱鏡偏離觀測方向時能夠做微小調整。上、下兩棱鏡中心偏差小于0.3 mm。通過以上措施，可有效避免傳統貼片因測距、測角不準而帶來的投點精度損失,使豎井聯系測量從根本上減弱偶然誤差。

圖1 雙井定向測量示意圖

圖2 精密平面控制網

圖3 懸鏡

向陽路站的盾構機吊出井及出土口為豎井聯系測量位置,共設置6個聯系測量鋼絲懸鏡,在每根鋼絲合適的位置處固定上、下2個高精度可旋轉棱鏡,利用0.5″全站儀進行后方交會測量,利用專業測量軟件對近井點與棱鏡進行聯合平差,得出點位精度優于1 mm的鋼絲上的棱鏡坐標。井上聯系平面控制網的施測以自由建站的后方交會方式進行,每站觀測4～6個目標,每站3個測回。測量時應保證每個點至少在不同的測站上被測量2次以上,每測站重復觀測多于2個的目標觀測點,每測站觀測距離不大于150 m,相鄰兩測站距離不大于120 m。外業觀測技術指標見GB 50026—2007《工程測量規范》。

3 理論分析

3.1 雙井定向聯系測量方法精度分析

常規豎井聯系測量中采用導線測量,投點方式為垂線加貼片，其模型如圖4所示。

圖4 導線測量示意

取1 km長導線為單位權長度,導線平均邊長約70 m。最弱點W的權為PW=47.6×2=95.2。

單位權中誤差計算式為:

(1)

式中：

n——單位權長度導線邊數,mm；

ms——測邊偶然誤差；

λ——測邊系統誤差,mm；

L——單位權導線閉合邊長度,mm；

mβ——測角中誤差,根據《工程測量規范》mβ=2.5″。

將具體數據代入式(1)可得mo=±28.1 mm。

最弱點W的點位誤差為:

(2)

3.2 采用懸鏡照準標志豎井聯系測量精度分析

本方案中，豎井聯系測量采用懸鏡的方式進行；外業采用自由建站、多站邊角后方交會技術及強制對中方法作業。

3.2.1 測角精度

水平角觀測采用Leica全站儀(0.5″,1 mm+10-6D),3測回觀測。水平角觀測的誤差來源主要有:

(1) 照準誤差:ms=±60″/V=±60″/32=±1.9″(V為望遠鏡放大倍率)。

(3) 外界條件影響:mV=±0.5″,為經驗值。

(4) 目標照準差:me=±(0.3mm/100 000mm)×206 265″=±0.6″,按懸鏡最大偏心0.3 mm、邊長100 m計。

(5) 半測回方向中誤差:

(3)

本方案中水平角觀測3測回,則測角中誤差mβ=±1.3″ 。

3.2.2 測邊精度

3.2.3 測站點點位精度

如圖5所示,設O為測站點(自由建站),A、B為已知點(地上控制點),P為懸鏡點(井上、井下聯系點)。在O上觀測邊長SA、SB、SP,觀測水平角γ(γ為交會角)、θ。邊長、水平角均按3測回觀測。則:

(4)

(5)

式中：

XO——測站點O的縱坐標。

已知點誤差對于常規方法和本方案沒有區別,所以不考慮已知點誤差。按照誤差傳播定律可得:

3.2.4 懸鏡點點位精度分析

圖5 自由建站示意圖

(7)

取SB=100 m,SAB=200 m,mr=±1.3″,mSB=±1.1 mm,代入式(7)得mαAO=±0.6″。

由αOP=αAO+180°+θ可知:

(8)

將mαAO=±0.6″,mθ=±1.3″代入式(8),得mαOP=±1.4″。

XP=XO+SP·cosαOP,自由建站不考慮測站點誤差,按照誤差傳播定律可得:

(9)

本方案利用懸鏡、自由建站后方交會的方法得到的聯系測量點位誤差為1.2mm，而用常規導線進行豎井聯系測量時理論分析點位誤差值為2.9mm;由此可知，利用本方案進行豎井聯系測量在投點精度上比常規導線測量提高了近3倍。

4 實測對比分析

4.1 雙井定向聯系測量成果及點位精度

施工現場運用導線法進行聯系測量,結果見表1。其中，XJ1-1、XJ5-1為已知點,Q1、Q2、Q3、Q4為地面近井控制點,D1、 D4為鋼絲貼片點。

4.2 采用懸鏡照準標志的豎井聯系測量成果及點位精度

向陽路車站運用懸鏡結合后方交會的方法,測出聯系點的棱鏡坐標,并進行點位精度評定。結果見表2、表3。其中，G1、G2為懸鏡點;K1、K2、K3、K4為近井強制對中控制點。

表1 雙井定向聯系測量成果及點位誤差

表2 采用懸鏡照準標志的聯系測量成果

表3 采用懸鏡照準標志的聯系測量點位精度

4.3 精度對比分析

將表2、表3與表1進行對比可以看出:采用懸鏡法進行豎井聯系測量，最大點位誤差的吊點為G1,其橫向點位中誤差為0.30 mm,點位誤差為0.37 mm;而采用鋼絲貼片法進行豎井聯系測量，最大點位誤差的吊點為D4,其橫向點位中誤差為0.99 mm,點位誤差為1.00 mm。說明采用懸鏡法進行豎井聯系測量精度更高,更具可靠性。此結果與理論分析的懸鏡法比常規導線法精度提高近3倍的結論相對應。

4.4 隧道貫通測量誤差分析

為證明采用懸鏡照準標志的豎井聯系測量技術的優越性和可靠性,特在盾構接收井井口安裝一組懸掛圓棱鏡吊絲(命名為GS′),通過洞外地面鄭州市首級GPS控制網測得鋼絲棱鏡中心GS′坐標為(3 837 682.459 89,470 229.346 87),將該坐標值與洞內后方交會控制網測取的鋼絲棱鏡中心GS1坐標值(3 837 682.448 44,470 229.306 87)進行對比,從而取得盾構隧道洞內外貫通誤差值(0.011,0.040)。該盾構隧道洞內外橫向貫通誤差值為40 mm,小于公路和高速鐵路隧道洞內外貫通中誤差50 mm,遠低于隧道貫通限差100 mm的要求。而采用雙井定向聯系測量方法時,測得GS2坐標為(3 837 682.439 91,470 229.279 87),橫向貫通誤差值為67 mm。說明本文提出的懸鏡法聯系測量技術對隧道橫向偏差影響更小、點位精度更高,完全滿足隧道貫通誤差限值要求,能夠更好、更精確地進行盾構區間隧道施工。

5 結語

通過對測量點位理論精度和實測值的對比分析,總結出一套操作簡單、精度高、切實可行的地鐵豎井聯系測量的方法,結論如下:

(1) 鋼絲加可旋轉棱鏡的懸鏡法進行豎井聯系測量,不僅操作上更加簡單,且點位精度比常規導線法點位精度提高近3倍,聯系測量點位精度大大提高。

(2) 地上聯系測量采用后方交會,每個投點保證被觀測3次,大大提高聯系測量的投點精度,保證了每個投點的點位中誤差小于1 mm。

(3) 測量中點與點之間不需要通視,減小了對施工進程的干擾,有力保證了各施工環節有序開展。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.高速鐵路工程測量規范：TB 10601—2009[S].北京:中國鐵道出版社,2009.

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[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.建筑物變形測量規程：JGJ/T 8—2007[S].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.城市軌道交通工程測量規范：GB50308—2008[S].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.鐵路隧道監控量測技術規程：TB 10121—2007[S].北京:中國鐵道出版社,2007.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.地鐵設計規范：GB 50157—2013[S].北京:中國鐵道出版社,2013.

[7] 陶本藻,邱衛寧,黃加納,等.誤差理論與測量平差[M].武漢:武漢大學出版社,2012:45-50.

[8] 隋立芬,宋力杰,柴洪洲,等.誤差理論與測量平差基礎[M].北京:測繪出版社,2001:87-89.

[9] 姬曉旭,劉成龍,何波.豎井聯系測量的新方法及其應用[J].鐵道勘察,2009(5):14.

[10] 王玉振,王建華.鄭州地鐵控制測量工程實踐[J].測繪與空間地理信息,2014,37(9):178.

Study on Subway Shaft Connection Survey Technology

WANG Yuzhen, BAO Yonggang, WANG Jianhua

According to the low measurement accuracy of current shaft connection survey,a combination of mirror-hanging adjustment mark and the resection measurement method is proposed and compared with the old method from theoretical and engineering practice aspects.The result shows that the new method could improve 3 times the measurement accuracy with simpler operation.Based on this new method,every investment point will be survived for 3 times running,and the measurement error of each point could be controlled within 1mm.Thus,the interference on the construction is minimized and the construction process is guaranteed.

subway shieldsection; shaft connection survey; mirror-hanging method; resection method

U 452.1+3

10.16037/j.1007-869x.2016.07.032

2014-10-20)

*中鐵七局集團科研計劃(12A09)