地铁隧道贯通测量方法的改进与精度分析

成 枢，武光耀，纪 萍

(1. 山东科技大学测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590； 2. 青岛勘察测绘院，山东 青岛 266000)

地铁隧道贯通测量方法的改进与精度分析

成 枢1，武光耀1，纪 萍2

(1. 山东科技大学测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590； 2. 青岛勘察测绘院，山东 青岛 266000)

为了提高地铁隧道贯通测量的精度，本文提出了地面卫星定位控制网，采用城市CORS作为起算依据，联系测量采用悬吊三根钢丝的方法和双测站法来增加检核条件，隧道导线测量中加测陀螺边等改进措施，结合某市地铁工程实例，分析研究了观测结果，保证了地铁隧道贯通测量精度的提高。

贯通测量；精度；CORS；联系三角形；陀螺仪定向

地铁施工过程中保证隧道贯通是地铁测量的一项主要任务，其贯通误差的大小将直接影响到地铁建设质量和工程造价[1]。因此，在地铁工程测量精度设计中，为用尽可能小的成本保证隧道按设计要求进行贯通，合理地规定隧道贯通误差及其允许值，以便制定在技术、经济上合理的贯通测量方案，是地铁测量的一项重要的研究任务。

1 隧道贯通误差的主要来源

贯通误差在线路中线方向的投影长度称为纵向贯通误差，在垂直于中线方向的投影长度称为横向贯通误差，在高程方向的投影长度称为高程贯通误差[2]。纵向误差只影响隧道中线的长度，与工程质量关系不大，对隧道贯通没有多大影响；高程误差仅影响接轨点的平顺(边掘进边铺轨的隧道尤为突出)或隧道的坡度，实践表明，应用一定的测量方法就容易达到所需的精度要求。实际工作中对隧道工程质量影响最大的是横向误差，如果横向误差超过一定的范围，就会造成工程质量事故，使得不同开挖作业的区间不能准确贯通，致使衬砌部分拆除重建[3]，给工程带来不可估量的损失。隧道贯通后，应及时进行贯通测量，测定实际的横向贯通误差。

矿山法隧道贯通测量的误差来源主要有：①地面控制测量误差m1；②竖井联系测量误差m2；③地下导线测量误差m3。

根据经验，取用各项允许误差为：m1=m；m2=2 m；m3=3 m；则区间隧道允许横向贯通的误差为

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则可以根据隧道允许横向贯通误差求得m的值，从而确定各环节的允许误差。

因此，在影响地铁贯通测量精度的这3个主要环节中，应通过相应措施改善测量方法，增加检核条件，提高测量精度。

2 改进措施及应用效果

2.1 CORS用于地铁控制网解算

以城市高等级控制点作为地铁平面控制网是国内早期地铁建设过程中的主要做法，目前许多城市仍采用这种方法。若城市没有足够密度和范围的高等级控制点，则需要花费大量精力在市区范围内布设控制网，然而由于城市建设进程的加快，布设的高等级控制点往往容易遭破坏，且破坏的频率很高[4]。由于地铁规划及建设，需要不定期的完善和改建已有的城市高等级控制网，这样各条线路的起算基准无法统一，特别是不同线路交叉部位，空间基准的内符合性不高。

城市建设地铁通常是总体规划，分期建设。通常情况下，城市CORS与IGS跟踪站和当地的城市高等级控制点均进行了统一联测，各点兼容性良好[5]，各站点既具有当地城市坐标系的坐标，又具有高精度的WGS-84坐标系的坐标[6-7]，利用CORS站点作为地铁平面控制网的起算点，可同时提供地心坐标系和城市坐标系的起算数据，还可保证各期控制网的起算数据的一致性和稳定性。

某地铁7号线GPS控制网共新埋设29个，其中地面点14个，楼定点15个，联测3个城市高等级控制点，GPS观测采用静态作业模式，采用6台Trimble 5700双频接收机进行观测，并选取网中A1、A11、A15、A25、B1和3个CORS起算点I站、Ⅱ路站和Ⅲ站组成框架网进行长时间观测。观测网图如图1所示。

图1 地铁7号线GPS控制网

将得到的数据进行基线质量检核、三维无约束平差、二维约束平差，得到的结果经检验均满足规范要求。

2.1.1 成果质量评价

在该市坐标系下，将GPS约束平差后坐标反算的GPS边长与全站仪精密测距边(经各项改正后)进行比较，统计情况见表1。

表1 GPS网中相邻通视边与实测边长比较

从表1可以看出，统计的8条边长较差均小于限差，满足相关规范要求。

除起算外，另外还联测了2个已有城市控制点，其中全网精度最弱的点的X坐标较差、Y坐标较差分别为10.0和-3.0 mm；与现有城市控制点的坐标较差远小于规范要求。

上述精度分析表明，该市地铁7号线一等卫星定位控制网各项精度指标均达到规范要求，甚至远高于规范要求，可作为该市地铁7号线测量的测绘基准。

2.1.2 复测结果

观测之后第2年进行第1次复测，观测之后第3年进行第2次复测。第1次复测最终二维约束平差后最弱点的点位中误差为1.3 mm，最弱边的相对中误差为1/1 076 000；第2次复测精度后最弱点的点位中误差为2 mm，最弱边的相对中误差为1/427 000，均满足规范要求。

2.1.3 不同线路重合点成果的比较

该地铁7号线控制网、9号线控制网及10号线控制网均采用同一CORS作为起算，3条线路共有14个重合点。虽然7号线、9号线、10号线控制网布设的时间不一样，但是使用同一CORS作为起算各期控制网重合点的坐标较差非常小，最大值为10.9 mm，满足《城市轨道交通工程测量规范》(GB 50308—2008)的要求。

综上所述，将CORS用于地铁控制网解算可以有效保证地铁线路建设过程中首级控制网的稳定性及可靠性；CORS用于地铁控制网可以有效保证城市各条地铁线路空间基准的统一性，避免交叉线路控制点成果不一致带来的施工矛盾。

2.2 联系三角形测量的改进

传统的吊钢丝联系三角测量定向中，风力对钢丝的影响导致投点精度差且角度观测时无法准确瞄准；光照到观测墩金属表面后会产生微弱形变，将直接影响角度观测精度；在大型竖井中，无法通过刚尺直接进行精度检核[8]。下面介绍3种改进后的联系三角形测量方法。

2.2.1 移动锤球法

联系三角形内可以通过三角形内角和及比较井上下钢丝间距进行检核，但为了提高测量的精度，可采用移动吊锤线法，即通过两根悬挂钢丝的位置使方向传递经过不同的联系三角形进行传递，然后取平均值以达到检核和提高精度的目的。

2.2.2 三丝法联系三角形

如图2所示，在竖井中采用吊三根钢丝组成两个联系三角形来传递方向，此时，对于A→B→C1→C2→A′→B′方向，可推算出井下定向边的误差mβ1，对于另一个联系三角形，按A→B→C1→C3→A′→B′方向推算定向边的误差mβ2，两个联系三角形定向结果取平均值，根据误差传播定律得

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图2 三丝法联系三角形

2.2.3 双测站法联系三角形

相对三丝法吊三根钢丝而言，双测站双联系三角形更为方便。如图3所示，在地面近井点处，可设置成双测站H和H′， 分别进行两次独立的联系测量。由于要满足延伸三角形条件，H和H′距离非常近，可以通过改变仪器架站位置进行两次观测，或者在强制对中墩上设置两个对中中心以达到目的[9]。该联系三角形测量方法的传递路线分别为M→H→L2→L1→J→K方向和M→H′→L2→L1→J→K方向。

图3 双测站双联系三角形

为保证施工控制测量符合有关规范和地铁公司的工作要求，根据测量进度节点多次对该区间进行了联系测量。如图4所示，本次平面测量共测量控制点8个，H206为地面已知高级控制点，JM7、JM8为地面加密控制点，以上3个地面点位保护完好，稳定可靠。DX1、DX12、DX21为施工单位布设的地下导线点，均稳定可靠，通视情况良好，具备实测条件。

图4 联系三角形测量示意图

在本次测量过程中，测角和测边同时进行，采用徕卡多测回程序，将规范要求的各种限差指标在仪器内事先设定，在实测现场控制测量精度。数据处理后得到的平面坐标对比见表2。井下主洞内定向边方位角对比见表3。

表2 平面坐标对比

表3 井下定向边方位角对比

将本检测成果与施工单位上报的成果进行对比分析：地下导线成果与第三方测量成果较差平面和起始方位角均满足《城市轨道交通工程测量规范》(GB 50308—2008)的限差要求，成果可在后续测量工作中使用。2.3 地下导线测量的改进

隧道内控制导线是随着隧道开挖而向前延伸的，一般布设成支导线。在隧道，受到条件的限制导致导线的图形强度较弱[10]，其点位精度也会随着隧道掘进距离的延长而变差。尤其是在城市地铁建设中，外界环境对联系测量的影响越来越大，极大地限制了在洞内引测方位角的条件，很难保证洞内定向的精度。

利用陀螺经纬仪定向时，定向精度达到了要求，验证了原一井定向测量资料的可靠性。与传统的几何定向相比，陀螺经纬仪定向具有操作简单，占用井筒和平巷的时间少[11]，精度高等优点。同时，在导线传递过程中，加测一条陀螺经纬仪定向边，即可发现原几何定向测量水平的误差[12]，从而大大减少了测角误差积累，提高了测量精度，为以后的贯通测量打下了坚实的基础，提供了可靠的技术依据，可以有效检核地下导线的测量精度。

本工程共观测两条地下导线边，分别是A1—A3和B1—B3，分别在A1和B1上设站，采用逆转点法进行测量，地面在精密导线边JA0019—JA0134上测定仪器常数。陀螺仪测量结果与施工单位、第三方测量单位采用联系三角形法计算出的方位角对比见表4。

表4 地下导线边方位角测量对比

将陀螺仪测量结果与施工单位、第三方测量单位采用联系三角形法所测结果相比较，陀螺仪测量的结果与其他两家的结果很相近，而且数值位于其两家单位测量结果之间，说明陀螺仪测量结果完全可以作为地下导线边的检核结果。

3 结 论

本文通过在工程中的应用实例可得如下结论：

(1) 将CORS用于地铁控制网解算可以节约建设成本，并可以有效保证地铁线路建设过程中首级控制网的稳定性及可靠性，避免交叉线路控制点成果不一致带来的施工矛盾。

(2) 双联系三角形进行竖井联系测量的方法，较单联系三角形联系测量方法不仅提高了精度，而且增加了重要的检核条件，双联系三角形较一次联系三角形进行竖井联系测量，不仅在精度上有一定的提高，而且能起到重要的检核作用。

(3) 在隧道底下适当位置加测陀螺方位角可以作为地下导线边的有效检核。

综上，隧道开挖过程中，从地面控制网、联系测量、地下定向边等环节通过采取有效的方法和措施可以提高测量精度、增加检核条件，从而为隧道的贯通提供有力的测量保障。

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AnslysisofImprovingSubwayTunnelthroughSurveyPrecision

CHENG Shu1,WU Guangyao1,JI Ping2

(1. College of Geomatics,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China; 2. Qingdao Institute of Survey and Mapping,Qingdao 266000,China)

Three improvement measures for improving the accuracy of the subway tunnel through survey was adopted in a practical case and analyzed the observation data. The results demonstrated that these measures could improve the accuracy of the subway tunnel through survey.The improvement measures are as follows: The CORS is adopted as satellite positioning control network starting basis. Suspension atilizes three wire method and double measuring method to increase the check condition by connection surveying. The accuracy of the underground traverse with the high precision gyroscope and the detection of the nuclear underground wire is presented in the appropriate position.

breakthrough survey; accuracy; CORS; connecting triangle; gyroscopic orientation

P258

A

0494-0911(2017)01-0115-04

成枢，武光耀，纪萍.地铁隧道贯通测量方法的改进与精度分析[J].测绘通报，2017(1)：115-118.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0025.

2016-05-06

成 枢(1963—)，男，博士，教授，主要从事教学与科研工作。E-mail: 805724934@qq.com