基于工程測繪數據的城市核心區地鐵地下工程施工技術

馬雙玉

摘要：鑒于現行技術在城市核心區地鐵施工應用中效果不佳，停工時間比較長，且損壞管線面積比較大，提出基于工程測繪數據的城市核心區地鐵施工技術。根據工程實際情況布設測點，利用儀器對施工現場地表沉降、地鐵結構變形、地下管線位置等進行測量，獲取到工程測繪數據，對工程測繪數據消冗處理和點云配準處理。利用工程測繪數據建立三維模型，根據模型開展地鐵深基坑開挖、支護以及地基加固施工。經實驗證明，應用該技術，城市核心區地鐵施工停工時間比較短，管線損壞面積比較小，在城市核心區地鐵施工方面具有良好的應用前景。

關鍵詞：工程測繪數據；城市核心區；地鐵施工

0? ?引言

目前國內大部分一線、二線城市已經修建了完善的地鐵線路，還有一部分二、三線城市正在致力于地鐵交通系統建設。城市地鐵工程具有規模大、環境復雜、施工難度大的特點，尤其是城市核心區地鐵施工工程，相比較其他區域的地鐵施工，由于核心區交通線路比較復雜，且地下管線數量比較多，在施工過程中很容易對地下管線造成破壞，影響到周邊交通線路正常運行。為了全面提升當前基礎交通工程的施工安全與質量，打造規范化、安全化的施工體系，必須采取科學合理的施工工藝，開展城市核心區地鐵施工。

國內關于城市核心區地鐵施工技術研究起步比較晚，現有的技術與理論還不夠成熟，相比較發達國家還存在一定差距。雖然近幾年，地鐵施工技術受到工程施工領域的高度重視與關注，相關學者與專家也開展了一系列研究，提出了一些技術方案，但是現行的技術還存在一些弊端，在實際應用中不僅停工時間比較長，且對管線損壞面積比較大，已經無法滿足實際需求，鑒于此，本文提出一種基于工程測繪數據的城市核心區地鐵施工技術。

1? ?城市核心區地鐵工程測繪點布設

考慮到城市核心區地鐵施工環境比較復雜，為了保證施工可以順利進行，并且對周圍設施影響控制到最小，此次采用測繪技術對核心區地鐵施工進行測繪，獲取工程測繪數據。

1.1? ?測繪儀器設備準備

在正式測繪之前，需要將需要使用的測繪儀器設備準備，其中包括水準儀、全站儀、斜側儀以及三維激光掃描儀，主要測量內容包括地鐵施工區域地下管線、地表沉降、地鐵主體結構以及周邊環境等。根據儀器設備使用說明書對各個儀器設備進行參數標定和校準[1]。

1.2? ?測點布設

根據地鐵施工工程實際情況，對地鐵施工中測點進行布設。每個測量儀器測量任務不同，水準儀主要用于測量地鐵地表沉降量和變形量，全站儀和斜側儀主要用于測量地鐵主體結構的位移量，三維激光掃描儀主要是用于測量施工區域地下管道[2]。

將水準儀測量點布設在地鐵施工區域的四周，2個相鄰測點間距范圍在8.5～13.5m。將全站儀與斜側儀測量點布設在施工范圍內的外圍，與水準儀測量點間距要超過7.5m。如果施工面積超過1000m²，則測線數量應在2～3條，每個測線共布設3～4個測點，測點間距范圍在4.5～7.5m。如果施工面積未超過1000m²，則測線數量為1～2條，每條測線上布設2～3個測點。三維激光掃描儀測點，主要布設在地鐵施工區域的中心部位，設定3～4個測點即可，每個測點間距要超過10m[3]。

為了能夠較好地完成測繪數據獲取任務，應將測點盡量靠近設計測點位置，且周圍沒有障礙物遮擋。不同類型測量儀器設備的測點不應重復，保持測點具有獨立性和統一性，以在工程測繪過程中能夠反映出多個變化量[4]。

2? ?工程測繪數據預處理

以優先測量施工處為原則開展現場測量，并根據實際需求對測量頻率進行設定，將獲取到的工程測繪數據上傳到計算機上，用于后續數據處理與分析，指導地鐵施工。

2.1? ?數據預處理的必要性

考慮到工程測量過程中容易受到外界干擾，且測量范圍可能存在重疊區域，因此原 始測繪數據中會存在冗余數據和無效數據，故對原始工程測繪數據進行預處理。對每一類型和同一種數據僅保存一份，重復的數據刪除掉，對缺失的數據使用平均值代替，對缺失數據插值處理，保證工程測繪數據的完整性[5]。

2.2? ?獲取所有點三維坐標

三維激光掃描儀測量到的是三維數據，它利用編碼器測量掃描裝置水平旋轉角度與鏡頭旋轉角度，從而獲取到地下管線上所有點的三維坐標，其用公式表示為：

2.3? ?對原始數據點云配準處理

三維激光掃描數據具有一定的特殊性，考慮到后續城市核心區地鐵施工三維模型建立，需要將三維激光掃描數據通過坐標轉換，將所有數據統一到同一個坐標系上，對原始數據點云配準處理，其用公式表示為：

A=AS Ac+△AS（2）

式中：A表示轉換后測量點三維坐標；AS 表示坐標轉換矩陣；Ac表示三維激光掃描儀內部坐標系的原點在大地坐標系中的坐標[7]。通過點云配準，獲取到統一坐標系上的三維坐標數據。

3? ?基于測繪數據的工程施工

3.1? ?基于測繪數據的地鐵施工流程

在上述基礎上，利用工程測繪數據建立城市核心區地鐵三維模型，利用模型對地鐵施工環境進行分析，將其作為依據指導核心區地鐵施工。基于工程測繪數據的地鐵施工流程如圖1所示。

3.2? ?基于測繪數據的施工要點

3.2.1? ?建立三維模型

如圖1所示，對獲取的工程測繪數據網格化處理，將數據標記到網格節點上，利用建模軟件建立三維模型，了解到當前地鐵施工環境[8]。

3.2.2? ?確定深基坑開挖順序與方向

根據三維模型以及工程測繪數據，確定地鐵深基坑開挖順序、方向，盡量避開地鐵管線密集區域，采用分區施工方法開展地鐵深基坑開挖施工。

3.2.3? ?地基加固施工

在開挖過程中對工程測繪數據進行分析，將測量數據與工程初始數據進行比對，如果存在地表沉降或開裂現象，則開展地基加固施工。

在地基上鉆取直徑范圍在75～115cm的鉆孔，孔深要比開挖深度大2～3m。鉆孔完成后利用封孔器封孔，通過壓漿將水泥砂漿壓入到巖土體內，填滿巖土體裂縫，使松散的巖土體構成一個整體，以此提升地基的抗壓強度，防止在深基坑開挖施工中地表沉降。

3.2.4? ?深基坑支護施工

通過測量數據與工程初始數據比對，如果發現地鐵主體結構發生變形，且超出規定范圍，則開展地鐵深基坑支護施工。

采用邊挖邊支護的方式施工，利用鉆機在深基坑巖土體上鉆孔，將水泥砂漿灌入到孔內，使其形成支撐體系，起到對地表支護的作用，防止在深基坑開挖施工中地鐵主體結構變形。地鐵施工完成后按照施工質量標準對工程進行驗收，以此完成基于工程測繪數據的城市核心區地鐵施工。

4? ?實驗論證

為了驗證本文提出的基于工程測繪數據的城市核心區地鐵施工技術的可行性與可靠性，本文以某城市核心區地鐵工程為工程背景進行研究。

4.1? ?實驗過程

該工程總施工面積為2462.36m²，施工場地內地下管線非常豐富，并且周圍建筑物比較多，交通路線比較復雜，具有一定的施工難度，符合實驗需求。利用此次設計技術對該城市核心區地鐵施工，并選擇2種傳統技術作為對比，兩種傳統技術分別用傳統技術1與傳統技術2表示。

為了是實驗結果具有一定的說明性和可靠性。將該工程分為3個施工區域，每個區域面積相同，地下管線數量也相同，每個區域施工各采用一種施工技術。根據該工程實際情況，在施工現場內布設10個測點，2個相鄰測點水平方向間距為10.15m，垂直方向間距為12.45m。

實驗準備了16臺測繪儀器，共獲取到1.25GB工程測繪數據，按照上述流程對測試數據預處理，建立三維模型，開展地鐵深基坑開挖、支護、地基加固施工。

4.2? ?實驗結果討論

實驗以地鐵施工停工時長以及管線損壞面積，作為3種技術施工效果檢驗指標。

4.2.1? ?停工時長分析

實驗將地鐵施工劃分為6個階段，每個階段施工工期為72d，使用電子表格記錄3種技術應用下施工過程中停工時間（因降雨停工不計算在內），具體數據如表1所示。

從表1數據可以看出，應用本文設計技術時地鐵施工停工時長比較短，總停工時長僅為12.41h，遠遠短于兩種傳統技術，說明應用設計技術在施工過程中能夠順利完成施工任務，可以有效保證施工進度。

4.2.2? ?損壞管線面積分析

為了進一步驗證設計技術的可行性，對應用3種技術施工過程中管線損壞面積進行統計，實驗以施工面積作為變量，使用電子表格對施工中管線損壞面積進行記錄，具體數據如表2所示。

從表2數據可以看出，應用本文設計技術時，城市核心區地鐵施工過程中損壞管線的面積相對比較小。雖然3種技術損壞管線面積，都隨著施工面積增加而不斷增大，但采用本文設計技術時，管線損壞面積增長幅度比較小，當施工面積達到800m²時，損壞的管線面積僅為0.13m²，基本可以忽略不計。由此說明，應用本文設計技術開展地鐵施工，可以有效保證施工區域內管線的完整性與安全性，將管線損失降到最小。

而采用2種傳統技術，管線損壞面積會隨著施工面積的增加而大幅度增長，當施工面積達到800m²時，管線損壞面積分別為36.54m²、83.61m²，遠遠多于設計技術。因此本次實驗證明，無論是在施工精度方面還是管線損失方面，本文設計技術均表現出明顯的優勢，相比較傳統技術更適用于城市核心區地鐵施工。

5? ?結束語

城市核心區管線結構比較復雜，為地鐵施工增加了一定的難度，此次結合相關文獻資料，以及實際工程案例，將工程測繪數據應用到城市核心區地鐵施工中，提出了一個新的施工技術方案，有效提高了城市核心區地鐵施工效率，實現了對傳統技術的優化與創新。

由于本次提出技術尚未在實際工程中得到大量應用，在某些方面可能存在一些不足之處，今后應在技術優化設計方面展開探究，為城市核心區地鐵施工提供有力的技術支撐。

參考文獻

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