积水条件下的坑道地形测量难点及解决方案

欧 乐，张 建，吴年丰

(1.海军南海工程设计院，广东 湛江 524005；2.中国电建集团青海省电力设计院有限公司，青海 西宁 810008；3.中国海警局直属第三局，广东 广州 520320)

上世纪六七十年代，为相应“深挖洞、广积粮、不称霸”的国家政策，全国各地建造了数量众多的人防坑道。随着世界格局的变化以及社会经济的发展，这些坑道已使用(或搁置)近半个世纪，不少坑道已覆土多年，坑道的安全性、可靠性都经受着考验。近年来，军队都在进行人防工程普查工作，对人防坑道的结构形式、尺寸、被覆等进行调查[1-3]。普查第一步就是要掌握坑道的平面布置，包括坑道在国家坐标系中的位置，以及其内部轮廓、走向，以及截面尺寸，由于年代久远，大多数坑道的建设资料已无法找到，必须进行详细测绘。

1 任务概况

海南省三亚市某人防坑道建于上世纪六七十年代，现如今多年未使用，坑道内积水、淤积严重，积水深处可达2 m(即灌满坑道)。当前因整改维修需要，需掌握坑道平面布置及地势情况。原始资料已无从查找，需进行重新测绘。因坑道积水，无法使用三维激光扫描技术[4]，只能使用传统的数字测图方法[5]。

2 测绘实施

外业测绘流程图如图1所示。

图1 外业测绘流程图

2.1 现场踏勘

对坑道现状进行了踏勘，绘制草图，查明所有坑道出口位置、结构形式以及通行能力。对坑道内部淤积、水深情况、水泵排水水位下降速率进行掌握，确定测绘时间窗口。制定测量方案。

2.2 控制测量

狭长的坑道除口部外全部处于地下，控制测量采用附合导线或直伸导线的方式。

(1)平面控制：在地面上的所有可通行出口附近，设置成对控制点，通过GNSS静态测量联测已知控制点，获得地面上的首级控制点成果。采用附合导线测量的方法，利用全站仪从坑道一口已知点(方位)测入，经若干坑道内图根转点，从另一口测出附合到已知点(方位)，进行地面与坑道内的平面控制传递，完成次级控制，如图2所示，平差解算坑道内控制点坐标。

图2 导线测量示意图

(2)高程控制：因坑道内积水严重，部分地段全时段抽水，积水水位仍超过1 m，无法进行常规的水准测量。基于此，在导线测量过程中记录垂直角和水平距离，利用三角高程传递的方法进行坑道内传导高程[6-7]，将地面高程基准引入坑道内，经平差解算各点高程。

2.3 碎部测量

依照1∶500地形图测绘要求，详细测绘坑道轮廓边线，坑道内所有地物、地貌。灵活采用光学反射棱镜、免棱镜测距激光的测点方法，获取准确的碎部点坐标。

2.4 截面测绘

在各个不同坑道截面及截面变化处进行截面测绘[8]。结合实地情况，选取免棱镜模式测特征点，手持式激光测距仪实测，以及钢卷尺实测等方法获取截面特征尺寸，包括截面宽、两侧起弧处高、拱顶高等。

3 困难及解决方案

3.1 入口处导线边长短

因入口处需经楼梯将导线引入坑道，导致此处的导线边长很短，部分测段该处边长仅有5 m。

仪器对中误差对水平角的影响已有论证[9]，公式如下：

(1)

由上式可知，测角中误差m中与两目标之间的距离SAB与对中误差e的乘积成正比，与测站至目标的距离S1和S2的乘积成反比，距离越短，影响越大。

当坑道入口的导线转折测段长度无法增长，必须更加严格地对中、整平，适当增长衔接边边长，同时增加测回数，提高该测段的测角测距精度。

3.2 坑道内积水，设站困难

坑道经前期清淤后仍有多段积水，人员需着雨鞋(渔裤)进入施测区域，无法正常在坑道底板面做点设站，即无法保证对中。为此提前制作多个预埋钢筋的“设站墩”，以墩顶钢筋头刻画十字中心代替传统方法中地面的转点，如图3所示。

“设站墩”的制作要点：

(1)灰桶中浇筑满混凝土使墩子整体拥有较大的质量，保证墩子在水下稳定不易移位；

(2)使用螺纹钢筋，确保钢筋与灰桶中的混凝土完整固结，不易在搬动时被抽出；

(3)高度设置为1 m，保证该墩在全程使用过程中顶部钢筋头都可以露出水面。

图3 “设站墩”示意图

由式(1)可知，测角中误差与对中误差e的成正比。经检验，利用设站墩法保障仪器对中的对中误差e可控制在±3 mm以内。

操作时应注意，首先应清除设站处下方范围半米内的淤泥，挪开可能存在的管线(或尽量避开)。安放墩子后，要不规则地进行多次晃动，使墩子最终能够保持在稳定不扰动的状态。在仪器高量测及周边走动时，做到动作轻、幅度小，以免扰动墩子。

另外，使用“设站墩”作为前视放点，或后视定向目标时，要尽量使钢筋处于自由状态。以墩子前视时，可以将棱镜倒置，以镜头略碰触钢筋头中心进行放点测量；以墩子后视时，可使用笔尖立在钢筋头中心，用以指示后视方向以定向，以此达到不扰动钢筋，准确后视的目的。

3.3 坑道内高温、潮湿

坑道内外温差大，依照相关规范以及实践经验[10]，全站仪在坑道内取出后，静置5 min再开机，开机后仍应静置10 min以上，使其适应环境温度。而后小心擦拭目镜、物镜镜头的雾水，在距仪器约20 m处设置棱镜，瞄准棱镜测距30次以上。以此确保目镜、物镜视场清晰，光束传播适应坑道环境。之后才开始正常工作。

另外需要注意的是，全站仪下方的对中望远镜镜头可能也会起雾，导致对中视场模糊，此时应小心将全站仪从三角基座上取下，擦拭镜头。因为坑道内光线暗，在设站对中，以及瞄准目标点时，都应该微调螺旋，认真消除视差。

3.4 坑道碎部测量要点

(1)坑道边线：棱镜的测量中心是其镜头中心，因此坑道边线测点全部采用免棱镜的方式，打开SOKKIA CX101全站仪照准指示激光，直接照准坑道侧墙特征点进行测取。当激光束与坑道侧墙成钝角方向时，以反光板辅助遮挡，以免激光散射，记录错误位置，如图4所示。

图4 坑道边线测绘示意图(俯视)

(2)坑道内高程：免棱镜测高程不易获取准确目标高，因此坑道内高程点全部采用光学反射棱镜的方式，每个测点确定目标高后测取。

3.5 坑道内灯光不均匀

前期坑道清淤施工过程中，在坑道顶部按照一定的距离间隔安装了部分射灯，当全站仪逆光测量时，因灯光照射，极难瞄准目标测量。此时应安排人员在电闸处临时关闭照明，以手电筒(头灯)沿测量光束照射目标棱镜方向，搜寻棱镜测量，或由测绘员在碎部点处指示激光斑点定位测量。

4 成果标准及经验总结

4.1 成果精度

针对不利因素，利用上述各种解决方案，创新地创造了测量条件，得以完成了测绘任务。导线平差成果如表1所示。

表1 坑道各导线测段平差成果

数据分析显示，附合导线最弱处位于两两出口中间，最弱点点位中误差均值±4.2 cm，平面相对中误差约1:4 600。本项目使用的SOKKIA CX101全站仪测角精度1″，利用免棱镜测量碎部点的测距精度为(3+2 ppm×D)mm，本项目中测距长度最长不超过100 m。据此推求碎部点平面精度约为±10 cm。

4.2 经验总结

(1)从数据上看，碎部点平面精度±10 cm，这样的精度是比较差的，但面对使用单位对图纸的急切需求，在诸多不利因素下，拿到这样的第一手资料，得到了业主的认可。后续若需要更精确的成果，可待测量条件改善后，再做精细测量。

(2)根据经验可知，钢筋越长，顶部越容易受外界影响而产生扰动。本次测量因墩子委托第三方制作，为求工作便利，设置了高1 m可供全线使用的墩子。如果条件允许，应设置多种尺寸高度的“设站墩”，根据水深情况，选用钢筋最短的墩子，如此可以进一步提高测量的精度。另可优化“设站墩”的结构形式，如做三脚结构、增大墩体体积等，力求其在水下的稳定。

(3)针对坑道曲折，导线测量转点多，且因存在积水转点无法保存的测量条件，本次测量结合规范要求的“先控制、后碎部”，采用了“边控制、边碎部”的外业测绘方法，将控制测量、碎部测量的先后在内业数据处理时体现出来。如此保证整体作业速度快，效率高，节省了耗时的控制测量工期，符合本次任务快速获取现场测绘资料的要求。延伸考虑，当坑道内临时控制点不易保存，可参考地铁隧道监测的控制点布设方法，在坑道壁设置控制点位，埋设强制对中观测墩、棱镜转接头等，以此保证成果精度的需求，值得下一步进行思考。