铅垂仪+智能全站仪深竖井逆向坐标传递投点施工技术

张沛杰

Construction Technique of Reverse Coordinate Transfer Point for Deep Vertical Shaft with Plumbometer and Smart Total Station

摘要：在隧道施工中，为了加快施工进度和通风，长大隧道特别是城市地铁隧道往往采用增加竖井的方法来增加施工掌子面以加快施工进度，为了保证相向开挖面能正确贯通，就必须将地面控制网中的坐标、方向及高程，经由竖井传递到井下去，使井下控制网与地面上的控制网坐标系统统一。因此，竖井传递联系测量就成为施工的首要难题。

Abstract： In the tunnel construction， in order to speed up the construction progress and ventilation， the long and large tunnels， especially the urban subway tunnels， often use the method of adding vertical shafts to increase the construction face and accelerate the construction progress. To ensure that the opposite excavation face can be correctly connected， the coordinates， direction and elevation in the ground control network must be transmitted to the well via the shaft， so that the underground control network and the control network coordinate system on the ground can be unified. Therefore， shaft transfer and contact measurement becomes the primary problem for construction.

关键词：深竖井；逆向坐标；投点；施工技术

Key words： deep shaft；inverse coordinate；casting point；construction technology

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0151-04

0 引言

目前，竖井平面联系测量的方法有很多，传统的方法是受竖井内气流、滴水的影响，使垂球线发生偏移和不停的摆动只能适用于竖井较浅、对贯通精度要求较低的竖井投点。本技术打破常规，利用激光铅垂仪，采用向上投点的威特ZL铅垂仪逆向投点法，解决了竖井由井口向下投点在井底埋设点位不方便的难题。该方法省时、省力、易于操作，对提高深竖井平面联系测量的精度和丰富深竖井联系测量方法具有重要的实践意义。

1 深竖井逆向坐标传递投点施工技术特点

1.1 同传统的向下投点法相比，向上逆向投点法具有占用井洞时间短、精度高、操作简单、测量速度快、实用性强、易于埋桩等压倒性优势，节约了成本，产生了良好的经济和社会效益。

1.2 采用测量智能机器人TS30高程逆向传递具有速度快、精度高、操作简单，只需要将仪器提把卸下，启动全站仪自动搜索、自动测量、自动记录功能就可以完成全部高程传递工作，全部传递工作不到5分钟。

1.3 该方法不受竖井内气流、滴水等恶略环境的影响，充分发挥激光铅垂仪和全自动智能全站仪的最大作用，将各个环节中最大的测量误差降低到最小、经济利益最大化。

1.4 采用ZL威特光学铅垂仪逆向投点法，相比于铅垂竖向投点速度快、操作方便，井下控制点易于埋设。

1.5 解决了深竖井平面传递和高程传递测量等难题。

2 深竖井逆向坐标传递投点施工原理

2.1 铅垂仪逆向投点原理

铅垂线是平行于重力线的直线，是大地水准面的法线方向，这是大地测量和工程测量的基准之一。铅垂仪是一种铅垂定位专用仪器，利用光学准直原理，用来测量相对铅垂线的微小水平偏差、进行铅垂线的点位转递、物体垂直轮廓的测量以及方位的垂直传递。而激光铅垂仪是在光学垂准系统的基础上添加两只半导体激光器，其中之一通过垂准望远镜将激光束发射出来。仪器的结构保证激光束光轴与望远镜视准轴同心、同轴、同焦，当望远镜照准目标时，在目标处就会出现一红色小亮斑，在目镜外装上仪器配备的滤光片，可用人眼直接观察。另一只激光器通过下对点系统将激光束发射出来，利用激光束对准基准点，仪器配有度盘，对径测量更准确、方便。

2.2 全站仪深竖井高程传递原理

利用徕卡TS30测量机器人自动搜索、自动照准、自动测量、自动记录等功能，在竖井井口与井底控制点的铅垂线上方放置1个球形棱镜，将全站仪架设在井底逆向投点的控制基准点上，卸掉全站仪提把，人工将全站仪大致瞄向上方的天顶，开启全站仪自动搜索、自动照准功能，自动测量，全站仪自动搜索到球棱镜开始测量，测量的距离加上仪器高即为竖井高程。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 工艺流程

施工工艺流程如图1所示。

3.2 操作要点

3.2.1 投点前准备工作

①仪器选择：1）首先选择精度1/200000的铅垂仪作为投点仪器。其次，根據铅垂仪的测量原理，为了消除各种误差的影响，在实际作业中，需要将铅垂仪照准部在不同的方位上，进行对径测量，消除水准轴与仪器旋转轴、视准轴与旋转轴安装误差的影响。2）高程逆向传递采用具有自动搜索、自动照准、自动测量功能的徕卡TS30测量机器人。

②仪器检校：1）在检校平台上或找一高程建筑物，对中整平好，转动铅垂仪，查看铅垂仪圆水准器和管状水准器是否居中，使它们的水准轴平行或垂直于铅垂仪的旋转轴；如果超出0.5格，则需要调校，调校方法同水准仪和全站仪的圆水准气泡和管水准精平气泡。2）将水准仪照准部分别对准仪器度盘0°、90°、180°、270°四个度盘方位并转动铅垂仪照准部，通过目镜观测分划板十字丝的中心，看读取的4个点位中心是否重合，假如，铅垂仪的分划板十字丝的中心与校验仪十字丝中心重合，说明铅垂仪的视准轴是垂直的，说明仪器精度满足要求，不需要调校；否则，打开目镜保护盖，调校十字丝，直至铅垂仪的十字丝中心始终指向同一个点。调校要进行多个测回。

3.2.2 铅垂仪逆向传递投点

①竖井井底控制点埋设：在竖井井底合适的位置并且竖井井口上部方便搭设操作台架的位置埋设3个控制点，3个控制点相互之间的距离根据竖井的宽度尺寸尽可能的最大，以提高全站仪引测时的纵横向精度。同时，点位的埋设应注意避开通风管道、电梯等，以免影响遮挡和精度；并且，点位埋设的深度要低于竖井仰拱底面约10cm，防止破坏、便于永久保存。

②竖井井口操作台架搭设：首先，将激光铅垂仪架设在井底控制点上，打开激光便于地面竖井口上的工人找寻在何处位置搭设操作平台，必须在激光束通过的位置预留150mm×150mm与井底控制点铅垂相对应的小方孔，保证能使激光束垂直向上穿过预留孔。宝兰客专渭河隧道1#、2#和3#竖井由于设计原因，竖井口上部大，下部小，形成正方形式的漏斗梯形，操作平台危险不太好搭设，投点充分利用现场设备走行龙门吊横梁，龙门吊最大起重量50吨，操作人员和设备架设在横梁上纹丝不动，完全满足投点平台稳定性要求；同时，由于竖井周围设置有围壁，将逆向投点平台远远高于围壁，更有利于投完点后同井口周围的控制点联系测量。

③激光铅垂仪逆向投点。

1）激光铅垂仪的组成：主要由发射、接收、附件三大部分组成。

2）安置铅垂仪器：在井底D0、D1、D2控制点上分别架设激光铅垂仪，将仪器对中整平。

3）在预留口安放接收靶：在井口龙门吊横梁操作平台上D0′、D1′、D2′控制点150mm×150mm的预留孔上放置200mm×200mm的透明玻璃作为接收靶；采用透明的玻璃板主要是由井底逆向投射发射出的激光束可以穿透玻璃，便于在玻璃上画点。

4）对径投点：打开铅垂仪激光电源，会有一束红色的激光从望远物镜中射出，投射到井口顶部龙门吊横梁上150mm×150mm预留孔的接收靶上，采用对径读数的方法提高垂准精度，操作仪器分别在0°、90°、180°、270°四个盘位投点定位，横梁操作平台上的测量人员用记号笔在玻璃接收板上分别确定4个激光斑点位置，4个方向所投的点位在玻璃接收板上构成近似于正方形，边长在5mm以内满足要求。

5）对径交会刻点：将0度点和180度点以及90度点和270度点交叉连接，其交点即为该井底的铅垂控制点。

6）形成三角形闭合环：铅垂仪在井上及井下投下D1′和D1、D2′和D2、D0′和D0。D1′与D1在空间上为2个点，但投影到同一平面时就成为1个点；D2、D2′和D0、D0′情况相同。井上、井下导线通过投点连成一闭合环。详见图2。

7）另外2个D0、D2个控制点采用同样的方法向上传递投点。

8）闭合环检测：逆向投到井口顶部横梁操作平台上的D0′、D1′、D2′三个控制点组成三角形，可以采用全站仪TS30检查相互之间的角度和距离关系，印证所投控制点的内符合精度。

9）多次重复2）～8）步骤，取其所投点位均值。

④井口逆向投点同地面控制点联系测量：将井底逆向传递到横梁操作平台上的控制点D0′、D1′、D2′利用全站仪同井口附近的WH1和WH2控制点按照全站仪洞内二等导线的测量方法进行联测，TS30全站仪不少于6个测回。

3.2.3 铅垂仪逆向投点同铅垂仪正向下投点比较测试

①为验证铅垂仪逆向投点的精度满足要求，本工法按照传统方法由井口操作平台向下投点。为减少因铅垂仪精度带来的影响，采用精度为1/200000大连拉特生产的EN-20激光铅垂仪和威特公司生产的精度为1/200000的ZL天顶仪同精度比较测试。2014年3月8日在宝兰客运专线2号竖井进行比较测试。2号竖井井深56.78m，井底仰拱高程1064.000m，井口龙门吊横梁高程1129.85m。分别将天底仪和天顶仪两台不同工作方法的仪器架设在井底和井口上方的走行龙门吊上。在井口上方龙门吊横梁上架设天底仪，龙门吊横梁距离地面约9m；此时，铅垂仪距离井底控制点的高度66m，通过现场实际测量投点得到EN-20天底仪和ZL天顶仪结果一致，所投3个控制点D0、D1和D2的点位误差全部在1mm以内，完全满足竖井投点所需要的贯通精度要求，说明采用ZL天顶仪逆向投点方法可行、精度可靠、操作简单实用。比较测试结果详细见表1。

3.2.4 全站仪竖井高程逆向传递

①基点引测：采用检定合格的徕卡DNA03电子水准仪将地面高程按照二等水准测量的方法和精度引测至井口操作平台上D0′、D1′、D2′三个控制点上。

②仪器常数设置：测量前，先将TS30全站仪放置在竖井内适应境内环境约20分钟，在此期间可以对全站仪棱镜常数、气压、温度进行设置；并将TS30全站仪自动搜索水平范围加大180度，垂直搜索范围减小到3度，本次测试采用的是迷你微型棱镜，棱镜常数为（PC：+17.5mm）。

③高程逆向导入：利用徕卡TS30测量机器人自动搜索、自动照准、自动测量、自动记录等功能，在竖井井口与井底控制点的铅垂线上方放置1个球形棱镜，将TS30全站仪对中整平架设在井底D0控制点上，并量取仪器高度记录在高程逆向投点专用记录表格中。测量前输入棱镜常数。卸掉TS30全站仪提把，人工将全站儀大致瞄向井口上方的天顶球棱镜，这是只需要看TS30全站仪显示屏的天顶角显示为0度就可以，开启全站仪自动搜索、自动照准、自动测量功能，全站仪自动搜索并且自动照准到井口天顶方向上的球棱镜开始测量，此时，全站仪显示屏所显示的距离加上仪器高度即为竖井高程。

④D1和D2两个井底控制点的高程逆向传递方法同D0高程传递的方法一样。

⑤高程导入精度检测：待井底D0、D1和D2高程全部导入完毕后，在井底用全站仪三角高程或水平仪检测闭合环是否满足三等水准测量精度要求。如果精度超限，找出原因并返回第②步重复②～③步骤补测。

⑥经测试，TS30全站仪不需要额外的购买安装弯管目镜就可以自动照准天顶方向的棱镜。

3.2.5 全站仪竖井高程逆向传递同垂尺导入法比较测试

①传统垂尺导入法：采用在竖井内悬吊100m钢尺的方法进行高程传递测量。井上和井下各安置水准仪分别读取井口水準基点A塔尺a1和井底D0上的B塔尺b2；然后将鉴定好的100m钢卷尺悬吊在井内；并应在钢尺上悬吊与钢尺检定时相同质量的重锤。待钢卷尺稳定时井上和井下水准仪通过对讲机同时读数a2和b2；每次应独立观测三测回，每测回要变动仪器高度，三测回测得地上、地下水准点的高差较差应小于3.0mm，三测回测定的高差进行温度、尺长和自重张力改正，测量得出的三次钢尺读书取平均值。井底D0点的高程HD0=HA+（a1-b1）+（a2-b2）。

②D1和D2钢卷尺导入法同D0一样，待D0、D1、D2全部导入以后用井底水准仪测量闭合环，检查导入的精度。

③全站仪高程逆向导入法同3.2.4。

④经测试，采用TS30全站仪高程竖井逆向导入D0、D1、D2三点所得高程同传统的垂尺导入法结果一致。详细比测结果如表2。

4 深竖井逆向坐标传递投点施工质量控制

4.1 关键工序质量控制标准

①铅垂仪和全站仪对中误差控制在≤1.0mm以内，铅垂仪投点中误差应在±3.0mm之内。

②全站仪2C值小于8″，竖盘指标差小于5″，测回间垂直角值较差小于5″，测回间测距较差小于1.5mm。

③铅垂仪一测回测测量标准偏差≤1/200000。

④陀螺仪一次定向精度≤5″。

⑤隧道横向贯通限差≤100mm。

⑥全站仪需要具有自动照准、自动观测、自动记录功能，测角精度≤1.0″，测距精度≤1+2ppm。

⑦井内导线按照《高速铁路工程测量规范》隧道洞内控制二等控制网实施。

⑧联系三角形边长测量应采用检定过的钢尺并估读至0.1mm，每次应独立测量三测回，每测回往返三次读数，各测回较差在地上应小于0.5mm，在地下应小于1.0mm，地上与地下测量同一边的较差应小于2.0mm。

4.2 质量保证措施

①严格按照“三标一体化”的标准与要求建立了质量管理体系。

②认真编写了激光铅垂仪和全站仪逆向投点操作标准与作业指导书，严格按照编写的作业指导书、相关标准规范执行，使每一个测量放样环节都有章可循。

③逆向投点一次投点独立完成三测回，是指每测回观测完成后均变动铅垂仪位置重新进行逆向测量，共有三套不同的完整观测数据。这样规定的目的一是提高精度，二是检核粗差，保证成果可靠性。

④建立全员参与的质量管理体系，从制度上明确测量人员和各部门各作业队的质量职责，使质量管理活动有章可循、有法可依。建立质检巡检制度，质量例会制度，严格执行验收程序与质量奖罚制度，做到技术措施到位，质量意识到位，现场控制到位。

⑤在检定周期内的仪器设备，要按相应规程每天自检、自校，合格后方可投入到测量施工中。

5 结束语

本技术同传统的测量方法相比：在竖井平面坐标采用ZL光学天顶铅垂仪逆向投点传递同EN-20激光天底仪相比，效率提高6倍以上，同吊线法相比效率提高23倍以上。采用TS30智能全站仪逆向高程导入法，同传统的吊线或钢卷尺导入法相比，效率更高，至少提高效率1.5天以上，而且精度更可靠，尤其是竖井越深精度越高，同时，缩短了井筒占用时间。

本技术在深竖井平面坐标和高程导入中，打破传统思维，紧跟科技发展，充分利用先进的测量设备，将高层楼房建筑用的天顶仪引入到高铁隧道、地铁隧道深竖井，由原来的采用向下正向投点改成逆向向上投点。高程导入利用徕卡TS30高精度智能全站仪可以向天顶方向搜索、照准、测量功能，将测距模式中的平距改为测量高程，该方法的改变，极大地提高了测量效率和保证了测量精度，确保隧道高精度贯通，并缩短了井筒占用时间，同时也节省了大量资金。据统计，采用深竖井逆向坐标传递投点施工技术后，宝兰高铁渭河特长隧道设有3个竖井，贵阳地铁一号、二号线共计竖井3个，每个竖井至少逆向投点3次，共计节约最少30天。近年来，随着国民经济的快速发展，国内设有深竖井的特长隧道越来越多，本技术能够适用于设有深竖井的隧道贯通测量、地铁工程测量、矿山贯通测量、水利引水隧洞贯通测量等领域以及高层建筑物竖向高程控制与平面控制测量，应用前景广泛。

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