测量方法及数据处理

杨永海 第五江波

北京城建勘测设计研究院有限责任公司，中国·吉林 长春 130022

地铁隧道；设计；调线调坡；断面测量；数据处理

1 引言

地铁隧道在施工过程中，现场环境差，同时受其他专业施工作业限制，断面测量条件常常达不到理想条件，且隧道线路长度长、断面多，综合考虑，采用全站仪三坐标法进行测量[1]。

2 断面数据要求

通常情况下，地铁隧道断面按形状主要分为三类：圆形、马蹄形、矩形；不同结构类型断面的测点位置要求也不同（如图1、图2、图3所示）。

盾构工法圆形隧道的现场测量数据如图1所示：

图1 圆形隧道测量图

设计所需的数据为：

（1）O2点的坐标。

（2）隧道顶点O3距离轨面的高度H1。

（3）隧道底点O4距离轨面的高度H2。

矿山法马蹄形隧道的现场测量数据如图2所示：

图2 马蹄形隧道测量图

设计所需的数据为：

（1）O2点的坐标。

（2）隧道顶点O3距轨面的高度H1。

（3）隧道底点O4距轨面的高度H2。

车站结构的现场测量数据如图3所示：

图3 车站结构测量图

设计所需的数据为：

（1）O1与a1的距离A1（即a1到轨道中心线的距离）。

（2）b1到轨道中心线的距离B1。

（3）C1到轨道中心线的距离C1。

（4）f1到轨道中心线的距离S1。

（5）f2到轨道中心线的距离S2。

（6）d1到轨面的距离H1。

（7）d2到轨面的距离H2。

（8）f1到轨面的距离H3。

3 外业数据采集

测量数据采集主要使用三维坐标法。在隧道内，以贯通测量检测平差过的平面及高程控制点为起算依据，进行断面测量，设站可以采用空间交会法、已知测站法、假设坐标法等。作业前对起算点的点位关系进行检核，检核合格后对目标点位进行测量，直接测取各点位的三维坐标并存入仪器存储卡内。改变测站后，对上一测站所测最后两个断面的特征点坐标进行检核[1-2]。

盾构圆形隧道数据的采集使用徕卡TS50 全站仪。该仪器测角精度0.5″，测距精度 1mm+1ppm，具有自动照准、锁定跟踪、联机控制等功能，它能够应用ATR 模式自动识别目标，当全站仪发送的红外光被反射棱镜返回并经全站仪内置的CCD 相机判别接受后，马达就驱动全站仪自动转向棱镜，并自动精确测定，所以又称为“测量机器人”。采集时将棱镜放置于环片一侧（靠近另一环），从顶部开始，顺时针采集5 个点位数据。断面测量间距：直线段每10 环测量一个断面，曲线段每5 环测量一个断面。区间两端头20 环，需一环一测[3-4]。

图4 点位采集位置图

4 内业数据处理

首先，将外业采集的原始数据导入Excel 表格，经过人工干预，剔除错误数据，纠偏数据。通过Excel 表格整理出相应的隧道数据（矩形隧道为顶板高程、底板高程和边墙数据），圆形隧道为多个点数据。

利用Matlab 软件多点拟合圆心程序，拟合出圆形隧道（马蹄形隧道）中心数据和圆形半径。然后根据线路曲线要素，采用交点法，通过Excel 表格隧道施工测量程序，计算出点位相应的设计里程、坐标和轨面标高，最后得出实测值与设计值的关系，即侵限值，为设计调线调坡提供数据支撑。

5 工程实例

地铁工程由于结构形式的多样化，给断面测量及数据处理也带来了一定的难度，现举一个工程实例进行说明。

以长春市地铁2 号线解放桥站至建设街站右线为例。长春市地铁2 号线一期工程线路全长23.5 公里，其中车站19座，区间18 个。车站包含明挖车站和暗挖车站，区间包含盾构隧道和暗挖隧道。车站长度平均200m，区间长度平均1000m。解放桥站位于位于西解放立交桥西侧，景阳大路南侧，沿东西向设置。车站总长154.600m，车站有效站台中心里程为K28+937.090，主体结构为明挖法施工；建设街站位于解放大路与建设街交汇路口，呈东西走向，为地下岛式车站，车站全长176.3m，车站有效站台中心里程K29+786.516。区间隧道采用盾构工法，从西解放立交桥中南部起，经过西解放立交桥中东部至解放大路。线路右线起讫里程为K29+112.547～K29+678.666，线路右线长度为566.119m，右线设置R=300m 曲线一处、R=600m 曲线一处[5-6]。

（1）将解放桥站至建设街站右线的平、纵线路要素依次输入隧道施工测量程序，计算平面偏移、竖向偏移。

（2）将区间的测量数据按照点号、北坐标、东坐标、高程的格式保存为文本，导入Matlab 软件中五点圆心拟合程序，得出拟合出圆心坐标、半径、一次残差、二次残差和三次残差。通过残差值和拟合的半径值，可以了解测量数据的质量是否可靠[7-8]。

表1 平面参数

表2 纵面参数

图5 原始断面测量数据

图6 Matlab 软件圆心拟合

图7 拟合成果

（3）已知盾构隧道半径为2.7m，拟合结果半径均在2.665m左右，拟合半径加上圆棱镜参数0.035m，结果符合要求。

（4）用每个断面的圆心标高值加（或减）拟合半径与棱镜参数之和，便可得出该处断面的顶板、底板标高。

（5）将拟合出的中心坐标输入隧道施工测量程序，计算出相应的里程、理论坐标和高程，拟合圆心坐标与设计线路的偏差，进而算出顶板、底板的差值，最后整理出设计所需的数据。

（6）同样，马蹄形隧道、矩形隧道、U 型槽隧道断面均能计算出与设计线路的偏差，判断出隧道是否满足设计要求。

6 结果分析

考虑隧道施工时不可避免的施工误差、结构变形、隧道沉降以及测量误差等，在隧道建筑限界周边再预留100mm 的裕量，通过计算处理后的测量数据，可以判定初支超欠挖，成型后断面限界情况。

表3 理论坐标、高程计算

表4 区间成果表样例

表5 车站成果表样例

论文的测量方法与数据处理最主要的特色就是节约了成本费用，大大提高了工作效率，在地铁1 号线 2 号线施工过程中得到了推广和应用，受到施工单位的一致好评。