青島地鐵1號線過海隧道高精度貫通測量方法研究

王智，董雷，薛慧艷，胡玉祥，3，孟慶年

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島市西海岸基礎地理信息中心有限公司，山東 青島 266000；3.青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東 青島 266032；4.青島市海陸地理信息集成及應用重點實驗室，山東 青島 266032)

1 概 述

青島地鐵1號線全長約 60 km，是連接青島主城區與西海岸新區的南北骨干線路，過海區間總長約 8.1 km，其中海域段約 3.5 km，是全國第一條跨海地鐵隧道，也是目前國內最長的地鐵區間海底隧道。如何保證長距離海底隧道精確貫通，是過海段土建施工的關鍵工作。

項目建設前期建立了高精度的空間基準，為海底隧道精確貫通提供了保障，具體包括GNSS控制網、精密導線網以及二等水準網，其中GNSS衛星定位控制網以青島市連續運行基準站(QDCORS)作為起算，保證了與其他地鐵線路空間起算基準的一致性，對不同精度的GNSS基線提出加權優化平差方法，提高了解算精度；精密導線網采用全自動測量機器人，并搭載多測回測角程序，大大提高了作業效率；跨海高程采用國家二等水準觀測模式，聯測海域段兩側一等水準點，充分保證了跨海高程精度。土建施工階段采用雙導線聯系測量傳遞隧道內方向，并采用陀螺儀真北定向進行校核。通過綜合運用多種測量手段，最終過海隧道高精度貫通，橫向貫通精度為 5 mm，高程貫通精度為 9 mm。

2 高精度空間基準建立

2.1 衛星定位控制網測量及加權優化算法

衛星定位控制網采用GNSS靜態觀測，為了保證和青島其他已建地鐵線路在空間基準上保持一致性，起算點采用青島市連續運行基準站系統(QDCORS)[1]。QDCORS是山東省建立的首個GNSS連續運行參考站網系統， 該系統綜合運用了多種現代化的先進技術，包括實時差分數據批量自動化處理技術、網絡實時動態測量(RTK)技術、現代化通信技術、高程異常精密擬合技術、多星座GNSS定位技術、WEB網絡發布等[2]。考慮到CORS各個站點相互之間距離較遠，一般為十幾千米至幾十千米，甚至超過 100 km，為了保障長基線解算精度及可靠性，選取地鐵GNSS控制網中的若干個點與起算CORS站點組成骨架網，進行長達4個小時的觀測。

GNSS解算根據實際情況采用了多種軟件，其中長基線采用專業高精度軟件Gamit進行處理，短基線采用天寶TBC軟件進行解算。采用Gamit進行長基線處理，整理原始觀測數據時以年積日為單位，并將原始觀測數據統一轉換為通用的Rinex標準格式數據，采用Teqc分析軟件對觀測數據做質量分析[3]，下載同步時段的廣播星歷、精密星歷以及表文件進行數據解算。

GNSS平差計算前，所有同步時段觀測的基線經重復基線和同步環檢驗，合格后挑選精度較高、網形較好的基線形成獨立基線，獨立基線經異步環檢驗合格，若不合格或基線解算精度較差，則對這部分基線做精化處理，處理方法主要包括將衛星截止高度角數值增加，減小電離層與對流層的影響[4]，采用更加完善的模型對對流層與電離層的延遲進行進一步優化；將短時間觀測數據進行刪除，以確保解算基線的質量[5，6]。

考慮到Gamit和TBC兩種軟件解算出基線形成的方差-協方差陣精度差別較大，將這兩種不同精度的基線進行合并平差計算前，采用科傻平差軟件對這兩種基線分別定權，根據Gamit與TBC解算基線形成方差-協方差矩陣精度情況，將兩者權值分別設為10和1，然后再合并成一個文件進行平差計算。數據解算流程如圖1所示。

圖1 GNSS控制網數據解算流程圖

對Gamit和TBC兩種軟件解算的基線分別在定權和不定權兩種情況下進行合并平差，考慮到三維無約束平差相關指標更能體現基線內符合精度，對不定權以及定權合并三維無約束平差后的相關指標進行了對比：

兩種平差方法精度指標對比 表1

從表1可以看出，將Gamit解算基線和TBC解算基線分別定權再平差，其殘差加權平方和、中誤差、最弱點以及最弱邊精度均高于不定權平差的結果。

為進一步檢驗定權后Gamit基線與TBC基線內符合精度情況，對兩種平差方案中形成的異步環閉合差進行統計，選取異步環閉合差中線路閉合差及對應的限差分布做分析，結果如圖2所示。從圖2中可以看出，將Gamit與TBC解算基線分別定權后形成的異步環閉合差更為集中，圖形更為向中間收斂，說明基線網間的內符合性更高。經解算，GNSS控制網最弱點點位中誤差為 4.1 mm，最弱邊相對中誤差為1/582000，遠高于規范要求。

圖2 兩種平差方法異步環閉合差分布圖

2.2 高等級跨海水準聯測

將跨海兩側高程基準進行精準聯測是保證過海隧道高程貫通的前提工作，為減少環膠州灣長距離聯測水準產生的誤差積累，本項目以國家一等水準點作為起算點，并聯測沿線已有的若干個水準點，跨海段水準通過海底隧道將青島市區和黃島的水準網聯接起來。水準網設計考慮了多方面因素，使水準網的線路設計最優化，以提高水準網精度及觀測效益，對地鐵施工提供方便。高程控制網采用1985國家高程基準，按國家二等水準進行施測，水準網根據工程沿線路布設成結點網，與交叉線路之間保證有一個以上重合點，本工程高程點部分與精密導線點重合，聯測的一等水準點及過海段水準聯測網圖如圖3所示：

圖3 過海段水準聯測網圖

高程控制網共形成344個測段，根據下式計算每公里水準測量偶然中誤差M△。

外業觀測共形成20條附合水準路線，根據下式計算每公里水準測量全中誤差Mw。

經計算，地鐵1號線過海段跨海水準每公里水準測量偶然中誤差和全中誤差均滿足規范要求，高程控制網往返測精度統計表如表2所示：

高程控制網往返測精度統計表 表2

3 隧道內精準定向

建立了過海隧道的高精度空間基準后，如何在隧道開挖過程中保證與設計線路高度吻合是關鍵，隧道內控制導線是隨著隧道開挖而向前延伸的，一般布設成支導線，影響橫向貫通精度主要由測角誤差引起。因此若提高地下隧道的貫通測量精度，需采取措施提高測角精度，杜絕粗差。在過海段施工過程中，地下導線采用雙導線布設方式，以提高網形強度和測量精度，并在適當位置加測陀螺方位角，檢核地下導線的測量精度。

如圖4所示，在跨海段北側建立了高強度的導線網，以保障有足夠的測量檢核條件，地面加密導線采用五邊形網，每個測站均觀測4個方向，斜井進洞導線及洞內控制導線均采用雙導線進行布設。

圖4 跨海段北側導線網圖

在過海隧道南北兩側土建施工過程中，每開挖一公里左右在適當位置處使用高精度的陀螺全站儀采用逆轉點真北定向法測量，作業時首先在地面適當位置處選擇一條已知定向邊，該定向邊應盡量與地下定向邊在平面投影位置接近，在地面已知邊上采用逆轉點法觀測三個測回，測回之間較差滿足要求后取平均值作為成果，然后在地下待測邊上測三個測回，最后在地面已知邊上再測三個測回，觀測數據均滿足要求后計算陀螺方位角，以對全站儀測量的導線結果進行校核[7]。

圖5 陀螺儀方位角等角度關系示意圖

作業時，先在地面已知方位角的精密導線邊上測定陀螺儀儀器常數△，如果陀螺儀子午線位于地理子午線的東邊，△為正；反之，則為負。儀器常數△可以在已知方位角的精密導線邊或三角網邊上直接測出來，如圖5所示，精密導線邊CD的地理方位角為Ao，若在 C 點安置陀螺全站儀，通過陀螺運轉和觀測可求出 CD 邊的陀螺方位角αt，可按下式求出儀器常數[8]：

△=A0-αt

井下定向邊的長度應盡可能的長，實際情況下，隧道曲線段應至少大于 60 m，直線段應盡量大于 120 m，且控制點距離隧道壁應大于 0.5 m，為保證精度，控制點應埋設穩定，低于地面，并采用護筒保護，點位十字絲清晰可見，十字絲直徑應為 0.5 mm。如圖5所示，儀器安置在C點上，可測出CD邊的陀螺方位角αt，則定向邊的地理方位角Ao為：Ao=αt+△。解算井下定向邊，也就是要求出其坐標方位角αo，而不是地理方位角Ao，因此還需要解算子午線收斂角。如圖5所示地理方位角和坐標方位角的關系為：Ao=αo+γ，其中αo為坐標方位角，可根據兩個控制點的坐標反算求出，γ為子午線收斂角，可根據查表法求出，也可以由計算公式：γ=△L×sinB得出，其中△L=L-L0，L為該點的子午線經度，L0為該點所在的投影帶的中央子午線經度。子午線收斂角γ的符號可由安裝儀器點的位置來確定，即在中央子午線以東為正，以西為負。

在跨海段南北兩側距離貫通面約200 m分別用陀螺儀進行方位角校核，結果如表3所示，其中在海域段南側過海段1標采用全站儀測量導線點反算其坐標方位角與陀螺儀測定方位角相差7″，在海域段北側過海段2標兩者結果相差9″，陀螺儀校核結果表明，全站儀測量結果可靠，貫通誤差可控制在規范要求之內。

高程控制網往返測精度統計表 表3

4 結 語

青島地鐵1號線海底隧道是國內首條地鐵海底隧道，也是國內最深的海底隧道和最長的地鐵海底隧道，是繼膠州灣大橋、膠州灣公路隧道之后又一條連接青島西海岸新區和主城區的過海大通道。1號線海底隧道的精確貫通，全面驗證了各測量工序的準確性和無縫銜接，也說明各個參建單位測量工作的精細化管理水平，為青島地鐵后續長距離貫通區間的測量工作提供了寶貴的借鑒經驗。

項目實施過程中的測量創新工作為過海隧道的精確貫通提供了有利的技術支撐，采用連續運行衛星基準站系統建立地鐵1號線高精度衛星定位控制網，建立高精度空間坐標參考框架，求取精確坐標參數；在解算高精度GPS控制網中，采用世界上精度最高的Gamit基線解算軟件，并提出了分別定權分配誤差的數據處理方法，解決了Gamit與TBC解算基線精度相差較大而難以保證全線基準精度統一的難題；穿越膠州灣公路隧道將青島、黃島控制點聯測，并起算于國家水準原點網等高等級控制點，確保全線高程基準統一。項目施工過程中，在洞內布設雙導線進行方向傳遞，并采用陀螺儀進行有效檢核，各項測量工作指標均位于同類項目領先水平。