基于工程测绘数据的城市核心区地铁地下工程施工技术

马双玉

摘要：鉴于现行技术在城市核心区地铁施工应用中效果不佳，停工时间比较长，且损坏管线面积比较大，提出基于工程测绘数据的城市核心区地铁施工技术。根据工程实际情况布设测点，利用仪器对施工现场地表沉降、地铁结构变形、地下管线位置等进行测量，获取到工程测绘数据，对工程测绘数据消冗处理和点云配准处理。利用工程测绘数据建立三维模型，根据模型开展地铁深基坑开挖、支护以及地基加固施工。经实验证明，应用该技术，城市核心区地铁施工停工时间比较短，管线损坏面积比较小，在城市核心区地铁施工方面具有良好的应用前景。

关键词：工程测绘数据；城市核心区；地铁施工

0   引言

目前國内大部分一线、二线城市已经修建了完善的地铁线路，还有一部分二、三线城市正在致力于地铁交通系统建设。城市地铁工程具有规模大、环境复杂、施工难度大的特点，尤其是城市核心区地铁施工工程，相比较其他区域的地铁施工，由于核心区交通线路比较复杂，且地下管线数量比较多，在施工过程中很容易对地下管线造成破坏，影响到周边交通线路正常运行。为了全面提升当前基础交通工程的施工安全与质量，打造规范化、安全化的施工体系，必须采取科学合理的施工工艺，开展城市核心区地铁施工。

国内关于城市核心区地铁施工技术研究起步比较晚，现有的技术与理论还不够成熟，相比较发达国家还存在一定差距。虽然近几年，地铁施工技术受到工程施工领域的高度重视与关注，相关学者与专家也开展了一系列研究，提出了一些技术方案，但是现行的技术还存在一些弊端，在实际应用中不仅停工时间比较长，且对管线损坏面积比较大，已经无法满足实际需求，鉴于此，本文提出一种基于工程测绘数据的城市核心区地铁施工技术。

1   城市核心区地铁工程测绘点布设

考虑到城市核心区地铁施工环境比较复杂，为了保证施工可以顺利进行，并且对周围设施影响控制到最小，此次采用测绘技术对核心区地铁施工进行测绘，获取工程测绘数据。

1.1   测绘仪器设备准备

在正式测绘之前，需要将需要使用的测绘仪器设备准备，其中包括水准仪、全站仪、斜侧仪以及三维激光扫描仪，主要测量内容包括地铁施工区域地下管线、地表沉降、地铁主体结构以及周边环境等。根据仪器设备使用说明书对各个仪器设备进行参数标定和校准[1]。

1.2   测点布设

根据地铁施工工程实际情况，对地铁施工中测点进行布设。每个测量仪器测量任务不同，水准仪主要用于测量地铁地表沉降量和变形量，全站仪和斜侧仪主要用于测量地铁主体结构的位移量，三维激光扫描仪主要是用于测量施工区域地下管道[2]。

将水准仪测量点布设在地铁施工区域的四周，2个相邻测点间距范围在8.5～13.5m。将全站仪与斜侧仪测量点布设在施工范围内的外围，与水准仪测量点间距要超过7.5m。如果施工面积超过1000m²，则测线数量应在2～3条，每个测线共布设3～4个测点，测点间距范围在4.5～7.5m。如果施工面积未超过1000m²，则测线数量为1～2条，每条测线上布设2～3个测点。三维激光扫描仪测点，主要布设在地铁施工区域的中心部位，设定3～4个测点即可，每个测点间距要超过10m[3]。

为了能够较好地完成测绘数据获取任务，应将测点尽量靠近设计测点位置，且周围没有障碍物遮挡。不同类型测量仪器设备的测点不应重复，保持测点具有独立性和统一性，以在工程测绘过程中能够反映出多个变化量[4]。

2   工程测绘数据预处理

以优先测量施工处为原则开展现场测量，并根据实际需求对测量频率进行设定，将获取到的工程测绘数据上传到计算机上，用于后续数据处理与分析，指导地铁施工。

2.1   数据预处理的必要性

考虑到工程测量过程中容易受到外界干扰，且测量范围可能存在重叠区域，因此原 始测绘数据中会存在冗余数据和无效数据，故对原始工程测绘数据进行预处理。对每一类型和同一种数据仅保存一份，重复的数据删除掉，对缺失的数据使用平均值代替，对缺失数据插值处理，保证工程测绘数据的完整性[5]。

2.2   获取所有点三维坐标

三维激光扫描仪测量到的是三维数据，它利用编码器测量扫描装置水平旋转角度与镜头旋转角度，从而获取到地下管线上所有点的三维坐标，其用公式表示为：

2.3   对原始数据点云配准处理

三维激光扫描数据具有一定的特殊性，考虑到后续城市核心区地铁施工三维模型建立，需要将三维激光扫描数据通过坐标转换，将所有数据统一到同一个坐标系上，对原始数据点云配准处理，其用公式表示为：

A=AS Ac+△AS（2）

式中：A表示转换后测量点三维坐标；AS 表示坐标转换矩阵；Ac表示三维激光扫描仪内部坐标系的原点在大地坐标系中的坐标[7]。通过点云配准，获取到统一坐标系上的三维坐标数据。

3   基于测绘数据的工程施工

3.1   基于测绘数据的地铁施工流程

在上述基础上，利用工程测绘数据建立城市核心区地铁三维模型，利用模型对地铁施工环境进行分析，将其作为依据指导核心区地铁施工。基于工程测绘数据的地铁施工流程如图1所示。

3.2   基于测绘数据的施工要点

3.2.1   建立三维模型

如图1所示，对获取的工程测绘数据网格化处理，将数据标记到网格节点上，利用建模软件建立三维模型，了解到当前地铁施工环境[8]。

3.2.2   确定深基坑开挖顺序与方向

根据三维模型以及工程测绘数据，确定地铁深基坑开挖顺序、方向，尽量避开地铁管线密集区域，采用分区施工方法开展地铁深基坑开挖施工。

3.2.3   地基加固施工

在开挖过程中对工程测绘数据进行分析，将测量数据与工程初始数据进行比对，如果存在地表沉降或开裂现象，则开展地基加固施工。

在地基上钻取直径范围在75～115cm的钻孔，孔深要比开挖深度大2～3m。钻孔完成后利用封孔器封孔，通过压浆将水泥砂浆压入到岩土体内，填满岩土体裂缝，使松散的岩土体构成一个整体，以此提升地基的抗压强度，防止在深基坑开挖施工中地表沉降。

3.2.4   深基坑支護施工

通过测量数据与工程初始数据比对，如果发现地铁主体结构发生变形，且超出规定范围，则开展地铁深基坑支护施工。

采用边挖边支护的方式施工，利用钻机在深基坑岩土体上钻孔，将水泥砂浆灌入到孔内，使其形成支撑体系，起到对地表支护的作用，防止在深基坑开挖施工中地铁主体结构变形。地铁施工完成后按照施工质量标准对工程进行验收，以此完成基于工程测绘数据的城市核心区地铁施工。

4   实验论证

为了验证本文提出的基于工程测绘数据的城市核心区地铁施工技术的可行性与可靠性，本文以某城市核心区地铁工程为工程背景进行研究。

4.1   实验过程

该工程总施工面积为2462.36m²，施工场地内地下管线非常丰富，并且周围建筑物比较多，交通路线比较复杂，具有一定的施工难度，符合实验需求。利用此次设计技术对该城市核心区地铁施工，并选择2种传统技术作为对比，两种传统技术分别用传统技术1与传统技术2表示。

为了是实验结果具有一定的说明性和可靠性。将该工程分为3个施工区域，每个区域面积相同，地下管线数量也相同，每个区域施工各采用一种施工技术。根据该工程实际情况，在施工现场内布设10个测点，2个相邻测点水平方向间距为10.15m，垂直方向间距为12.45m。

实验准备了16台测绘仪器，共获取到1.25GB工程测绘数据，按照上述流程对测试数据预处理，建立三维模型，开展地铁深基坑开挖、支护、地基加固施工。

4.2   实验结果讨论

实验以地铁施工停工时长以及管线损坏面积，作为3种技术施工效果检验指标。

4.2.1   停工时长分析

实验将地铁施工划分为6个阶段，每个阶段施工工期为72d，使用电子表格记录3种技术应用下施工过程中停工时间（因降雨停工不计算在内），具体数据如表1所示。

从表1数据可以看出，应用本文设计技术时地铁施工停工时长比较短，总停工时长仅为12.41h，远远短于两种传统技术，说明应用设计技术在施工过程中能够顺利完成施工任务，可以有效保证施工进度。

4.2.2   损坏管线面积分析

为了进一步验证设计技术的可行性，对应用3种技术施工过程中管线损坏面积进行统计，实验以施工面积作为变量，使用电子表格对施工中管线损坏面积进行记录，具体数据如表2所示。

从表2数据可以看出，应用本文设计技术时，城市核心区地铁施工过程中损坏管线的面积相对比较小。虽然3种技术损坏管线面积，都随着施工面积增加而不断增大，但采用本文设计技术时，管线损坏面积增长幅度比较小，当施工面积达到800m²时，损坏的管线面积仅为0.13m²，基本可以忽略不计。由此说明，应用本文设计技术开展地铁施工，可以有效保证施工区域内管线的完整性与安全性，将管线损失降到最小。

而采用2种传统技术，管线损坏面积会随着施工面积的增加而大幅度增长，当施工面积达到800m²时，管线损坏面积分别为36.54m²、83.61m²，远远多于设计技术。因此本次实验证明，无论是在施工精度方面还是管线损失方面，本文设计技术均表现出明显的优势，相比较传统技术更适用于城市核心区地铁施工。

5   结束语

城市核心区管线结构比较复杂，为地铁施工增加了一定的难度，此次结合相关文献资料，以及实际工程案例，将工程测绘数据应用到城市核心区地铁施工中，提出了一个新的施工技术方案，有效提高了城市核心区地铁施工效率，实现了对传统技术的优化与创新。

由于本次提出技术尚未在实际工程中得到大量应用，在某些方面可能存在一些不足之处，今后应在技术优化设计方面展开探究，为城市核心区地铁施工提供有力的技术支撑。

参考文献

[1] 王川.复杂山地城市核心区停车楼深基坑施工关键技术[J].居业，2022（8）：47-49.

[2] 林琳.测绘技术在建筑工程施工中的具体应用[J].工业建筑，2022，52（5）：271.

[3] 刘远新.轻型张弦钢结构在城市核心区地铁施工中的绿色应用研究[J].建设科技，2022（8）：34-37.

[4] 李洁.建筑工程中测绘作业特点及质量控制的策略探讨[J].居舍，2022（4）：160-162.

[5] 王帅.水利工程测绘中水下测量的设备与测量方式选择探讨[J].科技与创新，2022（2）：25-27+31.

[6] 王贵满.当代测绘技术在建筑工程施工中的应用[J].建筑科学，2022，38（1）：158.

[7] 王锋德.数字化测绘技术在水利水电工程实际施工中的应用[J].住宅与房地产，2021（5）：228-229.

[8] 于秉印，王正宏.数字化测绘技术在水利水电工程实际施工中的应用[J].江西建材，2021（3）：72+74.