地铁竖井联系测量技术研究*

王玉振 包永刚 王建华

(1.河南水利与环境职业学院土木系,450011,郑州; 2.中铁七局集团有限公司,450016,郑州∥第一作者，讲师)

地铁竖井联系测量技术研究*

王玉振1包永刚1王建华2

(1.河南水利与环境职业学院土木系,450011,郑州; 2.中铁七局集团有限公司,450016,郑州∥第一作者，讲师)

针对地铁竖井联系测量精度不高的问题,提出在地铁竖井联系测量中采用悬镜照准标志并结合后方交会法。从理论和实测两方面,对竖井联系测量的原有方法(双井定向联系测量)与悬镜法结合后方交会的新方法进行了对比分析。结果表明,钢丝加可旋转棱镜的悬镜法进行竖井联系测量,不仅操作上更加简单,且点位精度比常规导线法点位精度提高近3倍,使联系测量点位精度大大提高；地上联系测量采用后方交会,每个投点保证被观测3次,大大提高联系测量的投点精度,保证了每个投点的点位中误差小于1 mm；减小了对施工进程的干扰,有力保证了各施工环节有序开展。

地铁盾构区间; 竖井联系测量; 悬镜法; 后方交会法

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

随着地铁区间距离的增长,联系测量技术难点增大,目前国内地铁普遍采用的垂线式竖井联系测量很难保证隧道正确贯通和达到隧道高精度控制的验收要求。本文探讨采用钢丝加可旋转棱镜的方法进行竖井联系测量,并结合相应的工程实例,总结出竖井联系测量新方法的关键点。该方法不但操作方便快捷,而且可提高竖井联系测量中投点精度。

1 工程实例概况

该项目为郑州轨道交通2号线上的两站盾构区间,区间长约2 000 m。项目研究以向阳路站—南四环站区间为依托,具体实施地点设在向阳路站。盾构机从其中一站南端头始发,经区间风井至另一站北端盾构吊出井吊出。盾构接收井采用明挖法施工。

2 技术方案

2.1 常规的双井定向联系测量

双井定向测量采用导线垂线式投点法，在地面上埋设4个近井点Q1、Q2、Q3、Q4,在井底板上埋设4个控制点T1、T2、T3、T4以构成闭合导线,如图1所示。通过测量Q1、Q2(借助盾构井中悬吊的钢丝D4)的方位角并通过底板上的T1、T2、T3、T4进行过渡(借助盾构井中悬吊的钢丝D1)，回测到Q3、Q4的方位角,最终可得T1、 T2、T3、T4的方位角坐标。

2.2 联系测量新方法

为保证近井控制点的精度,减少对中误差对地面控制点的影响,在向阳路车站基坑外侧设置4个强制对中控制点(K1、K2、K3、K4),测量时采用四边形精密平面控制网(见图2)。项目施工使用自主研发的悬镜(已申报专利,见图3)。其悬镜框采用高强度铝合金制作,能承受500 N拉力，上下用φ0.5 mm的钢丝连接。钢丝与悬镜框的连接部分采用打死结的方式,以防止脱落。钢丝穿过悬镜框可旋转部位时,钢丝打的死结要陷入穿线孔内，以保证钢丝中心线与棱镜中心线重合。钢丝下部配10 kg重锤放入油桶中,油的液面要漫过重锤,利用油的阻力防止钢丝旋转摆动。棱镜采用德国SIN棱镜，其旋转部分保证棱镜偏离观测方向时能够做微小调整。上、下两棱镜中心偏差小于0.3 mm。通过以上措施，可有效避免传统贴片因测距、测角不准而带来的投点精度损失,使竖井联系测量从根本上减弱偶然误差。

图1 双井定向测量示意图

图2 精密平面控制网

图3 悬镜

向阳路站的盾构机吊出井及出土口为竖井联系测量位置,共设置6个联系测量钢丝悬镜,在每根钢丝合适的位置处固定上、下2个高精度可旋转棱镜,利用0.5″全站仪进行后方交会测量,利用专业测量软件对近井点与棱镜进行联合平差,得出点位精度优于1 mm的钢丝上的棱镜坐标。井上联系平面控制网的施测以自由建站的后方交会方式进行,每站观测4～6个目标,每站3个测回。测量时应保证每个点至少在不同的测站上被测量2次以上,每测站重复观测多于2个的目标观测点,每测站观测距离不大于150 m,相邻两测站距离不大于120 m。外业观测技术指标见GB 50026—2007《工程测量规范》。

3 理论分析

3.1 双井定向联系测量方法精度分析

常规竖井联系测量中采用导线测量,投点方式为垂线加贴片，其模型如图4所示。

图4 导线测量示意

取1 km长导线为单位权长度,导线平均边长约70 m。最弱点W的权为PW=47.6×2=95.2。

单位权中误差计算式为:

(1)

式中：

n——单位权长度导线边数,mm；

ms——测边偶然误差；

λ——测边系统误差,mm；

L——单位权导线闭合边长度,mm；

mβ——测角中误差,根据《工程测量规范》mβ=2.5″。

将具体数据代入式(1)可得mo=±28.1 mm。

最弱点W的点位误差为:

(2)

3.2 采用悬镜照准标志竖井联系测量精度分析

本方案中，竖井联系测量采用悬镜的方式进行；外业采用自由建站、多站边角后方交会技术及强制对中方法作业。

3.2.1 测角精度

水平角观测采用Leica全站仪(0.5″,1 mm+10-6D),3测回观测。水平角观测的误差来源主要有:

(1) 照准误差:ms=±60″/V=±60″/32=±1.9″(V为望远镜放大倍率)。

(3) 外界条件影响:mV=±0.5″,为经验值。

(4) 目标照准差:me=±(0.3mm/100 000mm)×206 265″=±0.6″,按悬镜最大偏心0.3 mm、边长100 m计。

(5) 半测回方向中误差:

(3)

本方案中水平角观测3测回,则测角中误差mβ=±1.3″ 。

3.2.2 测边精度

3.2.3 测站点点位精度

如图5所示,设O为测站点(自由建站),A、B为已知点(地上控制点),P为悬镜点(井上、井下联系点)。在O上观测边长SA、SB、SP,观测水平角γ(γ为交会角)、θ。边长、水平角均按3测回观测。则:

(4)

(5)

式中：

XO——测站点O的纵坐标。

已知点误差对于常规方法和本方案没有区别,所以不考虑已知点误差。按照误差传播定律可得:

3.2.4 悬镜点点位精度分析

图5 自由建站示意图

(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)

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

XP=XO+SP·cosαOP,自由建站不考虑测站点误差,按照误差传播定律可得:

(9)

本方案利用悬镜、自由建站后方交会的方法得到的联系测量点位误差为1.2mm，而用常规导线进行竖井联系测量时理论分析点位误差值为2.9mm;由此可知，利用本方案进行竖井联系测量在投点精度上比常规导线测量提高了近3倍。

4 实测对比分析

4.1 双井定向联系测量成果及点位精度

施工现场运用导线法进行联系测量,结果见表1。其中，XJ1-1、XJ5-1为已知点,Q1、Q2、Q3、Q4为地面近井控制点,D1、 D4为钢丝贴片点。

4.2 采用悬镜照准标志的竖井联系测量成果及点位精度

向阳路车站运用悬镜结合后方交会的方法,测出联系点的棱镜坐标,并进行点位精度评定。结果见表2、表3。其中，G1、G2为悬镜点;K1、K2、K3、K4为近井强制对中控制点。

表1 双井定向联系测量成果及点位误差

表2 采用悬镜照准标志的联系测量成果

表3 采用悬镜照准标志的联系测量点位精度

4.3 精度对比分析

将表2、表3与表1进行对比可以看出:采用悬镜法进行竖井联系测量，最大点位误差的吊点为G1,其横向点位中误差为0.30 mm,点位误差为0.37 mm;而采用钢丝贴片法进行竖井联系测量，最大点位误差的吊点为D4,其横向点位中误差为0.99 mm,点位误差为1.00 mm。说明采用悬镜法进行竖井联系测量精度更高,更具可靠性。此结果与理论分析的悬镜法比常规导线法精度提高近3倍的结论相对应。

4.4 隧道贯通测量误差分析

为证明采用悬镜照准标志的竖井联系测量技术的优越性和可靠性,特在盾构接收井井口安装一组悬挂圆棱镜吊丝(命名为GS′),通过洞外地面郑州市首级GPS控制网测得钢丝棱镜中心GS′坐标为(3 837 682.459 89,470 229.346 87),将该坐标值与洞内后方交会控制网测取的钢丝棱镜中心GS1坐标值(3 837 682.448 44,470 229.306 87)进行对比,从而取得盾构隧道洞内外贯通误差值(0.011,0.040)。该盾构隧道洞内外横向贯通误差值为40 mm,小于公路和高速铁路隧道洞内外贯通中误差50 mm,远低于隧道贯通限差100 mm的要求。而采用双井定向联系测量方法时,测得GS2坐标为(3 837 682.439 91,470 229.279 87),横向贯通误差值为67 mm。说明本文提出的悬镜法联系测量技术对隧道横向偏差影响更小、点位精度更高,完全满足隧道贯通误差限值要求,能够更好、更精确地进行盾构区间隧道施工。

5 结语

通过对测量点位理论精度和实测值的对比分析,总结出一套操作简单、精度高、切实可行的地铁竖井联系测量的方法,结论如下:

(1) 钢丝加可旋转棱镜的悬镜法进行竖井联系测量,不仅操作上更加简单,且点位精度比常规导线法点位精度提高近3倍,联系测量点位精度大大提高。

(2) 地上联系测量采用后方交会,每个投点保证被观测3次,大大提高联系测量的投点精度,保证了每个投点的点位中误差小于1 mm。

(3) 测量中点与点之间不需要通视,减小了对施工进程的干扰,有力保证了各施工环节有序开展。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.高速铁路工程测量规范：TB 10601—2009[S].北京:中国铁道出版社,2009.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.工程测量规范：GB 50026—2007[S].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑物变形测量规程：JGJ/T 8—2007[S].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.城市轨道交通工程测量规范：GB50308—2008[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.铁路隧道监控量测技术规程：TB 10121—2007[S].北京:中国铁道出版社,2007.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.地铁设计规范：GB 50157—2013[S].北京:中国铁道出版社,2013.

[7] 陶本藻,邱卫宁,黄加纳,等.误差理论与测量平差[M].武汉:武汉大学出版社,2012:45-50.

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[9] 姬晓旭,刘成龙,何波.竖井联系测量的新方法及其应用[J].铁道勘察,2009(5):14.

[10] 王玉振,王建华.郑州地铁控制测量工程实践[J].测绘与空间地理信息,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)

*中铁七局集团科研计划(12A09)