吊鋼絲聯系三角形法在隧道測量大型深豎井定向中的應用

陳方敏

(上海市測繪院，上海 200063)

吊鋼絲聯系三角形法在隧道測量大型深豎井定向中的應用

陳方敏?

(上海市測繪院，上海 200063)

對影響吊鋼絲聯系三角形法定向精度的因素進行了分析，提出相應的施測方案，并通過在上海青草沙原水過江管隧道大型深豎井定向中的實際驗證，論述吊鋼絲聯系三角形法在隧道測量大型深豎井定向中的應用價值。

青草沙原水過江管；吊鋼絲法；聯系三角形法；精度估算

1 吊鋼絲聯系三角形法原理及精度分析

吊鋼絲聯系三角形法是通過從豎井上部懸掛至底部的兩根鋼絲，形成聯系三角形來進行坐標和方位傳遞的方法見圖1。在豎井地面部分設置一固定地面點A，預先以地面平面控制網中臨近點作為起算數據，將平面坐標傳遞到地面控制點A。在豎井上部預先制作兩個鋼制支架(E，F)，在支架上懸掛兩根 Ф0.6 mm強化鋼絲直至豎井底部，在鋼絲下端懸掛 15 kg重錘，并將重錘浸沒在油桶中，保證其穩定。在基坑底部地面設置一固定觀測墩B，并在基坑底部的基坑壁上設置一固定觀測墩C，架設棱鏡作為定向邊后視。為保證精度，應保證兩鋼絲間間距≥5 m，方向角差α＜3°、α′＜3°，a/c、a′/c′應小于1.5，形成狹長的伸展形三角形，利用聯系三角形進行坐標和方位角傳遞。

圖1 吊鋼絲聯系三角形法示意圖

1.1 吊鋼絲聯系三角形法影響因素

1.1.1 風速影響

由于吊鋼絲聯系三角形法是通過鋼絲來進行投點，所以在定向過程中風力對于鋼絲的影響直接影響投點精度。大深度的豎井中，鋼絲上下端距離加大，風力更容易引起鋼絲共振，導致投點精度差且角度觀測時無法準確瞄準。

1.1.2 光照影響

吊鋼絲聯系三角形法測量時，地面與地下均應當建造固定觀測墩用以架設儀器。如果地面觀測墩是金屬材質，就一定要注意光照影響。因為吊鋼絲聯系三角形定向測量中，測站(觀測墩)與鋼絲間的距離很近，觀測墩金屬表面受到光照后產生的微弱形變會直接影響角度觀測精度。

1.1.3 豎井尺寸影響

傳統的吊鋼絲聯系三角形定向中，鋼尺丈量鋼絲間的間距可以作為一項檢核數據。大型豎井中，由于鋼絲間的間距達數10 m，而且鋼絲懸掛在從豎井壁探出的支架上，無法直接進行鋼尺丈量，所以在大型豎井中運用吊鋼絲聯系三角形法時無法通過鋼尺丈量直接檢核測量精度。

1.2 吊鋼絲聯系三角形法定向精度分析

假設BC邊的方位角中誤差為M，則M受以下3個因素的影響:M1為測邊測角的綜合誤差；M2為鋼絲投點偏差影響；M3為儀器對中誤差以及目標偏心誤差影響，即:

M1由地面已知方位角中誤差mαAT，角度測量中誤差mω，mω′，推算角度中誤差mβ，mβ′。假設σ為單根鋼絲的平面位置偏移(鋼絲投點誤差)，D為鋼絲的間距，則單根鋼絲的投點誤差對于方位角的影響為則由兩根鋼絲組成的方位角受鋼絲投點誤差影響為儀器采用強制歸心觀測墩，則假定M3＝0。

角度觀測采用Leica TCA2003觀測9測回。Leica TCA2003儀器標稱測角精度為0.5″，但在本項目中，考慮到觀測角度時的調焦問題，標稱精度未必能夠達到。故假設9測回測角中誤差為0.5″。則:mω＝mω′＝±0.5″

而鋼絲間的間距a為:a2＝b2＋c2－2bccosα，則鋼絲間距的精度為:

設mb＝mc＝±1 mm，b＝7 m，c＝25 m，α＝40′，則ma＝±1.4″，mβ(β′)＝±0.2″，假設地面已知方位角誤差為0，即mαAT＝0，則則一個聯系三角形定向精度為:M＝±5.6″

在實際運用中采用三根鋼絲組成對稱的兩個聯系三角形進行方位傳遞，則一組對稱聯系三角形定向精度為:

如果增加獨立定向次數，則定向精度還可以進一步提高。

2 吊鋼絲聯系三角形法在青草沙原水管隧道測量中的運用

上海市青草沙原水過江管是將青草沙水庫原水穿越長江口輸送到浦東陸域的過江管線，設計全長約7.3 km，是上海市2008年重點工程之一。隧道穿越長江南港時，在浦東和長興島各設一座深35 m左右的工作井，采用Ф7.05 m的盾構機，從浦東側工作井出發，向長興島工作井掘進。其中浦東側工作井為30 m×30 m、深35.3 m的大型豎井，為上海市現今最深的工作井，對實施吊鋼絲聯系三角形定向測量造成了一定困難。

2.1 定向測量實際驗證

我們在2009年3月對青草沙原水過江管工程進行了定向測量。

根據1.1節所述影響吊鋼絲聯系三角形法定向精度的幾個因素，在本次測量中采取了以下措施減弱影響:

(1)選擇微風或無風的天氣條件進行施測。

(2)選擇陰天進行施測，并將觀測墩用混凝土覆蓋并加固。

(3)采用Leica TCA2003全站儀，保證聯系三角形測量精度，舍去鋼尺丈量鋼絲間距檢核。在鋼絲上貼Leica專用反射貼片，直接進行測距。角度觀測采用全圓測回法觀測9測回，各項限差按照GB 50308－2008《地下鐵道、輕軌交通工程測量規范》的相關規定實施；地面與地下同時進行觀測，盡量減少鋼絲抖動引起的投點誤差。

采取以上措施以后，利用現場支架，布設 3根Ф0.6 mm強化鋼絲至豎井底部，鋼絲下端懸掛15 kg重錘并浸沒至阻尼液體中，待其穩定后進行第一組定向。第一組定向完畢后，將下端重錘微動，待鋼絲重新穩定后進行第二組定向，定向數據見表1。

青草沙原水過江管東線隧道定向數據計算表 表1

2.2 定向成果精度評定

地面起始邊坐標方位角為:33°53′31.08″，按照測量結果推算得出地下邊方位角為:21°43′31.88″。

根據表1數據顯示，兩組獨立定向得到的最終結果差值較小，按照每組定向中每個單三角形定向的成果進行精度評定:

而根據式(1)計算，兩組獨立對稱三角形定向精度為:

實際定向成果精度評定值與理論估算的精度相差為±0.15″。由此可以推論，若進一步驗證本次吊鋼絲聯系三角形定向成果的正確性即可證明本精度估算方法的正確性。

2.3 定向成果與陀螺儀定向成果比較

我們使用現國際公認的德國GYROMAT－2000型高精度陀螺經緯儀(定向精度±3″)對本次吊鋼絲聯系三角形定向成果進行檢核。

陀螺經緯儀高精度的測量是通過無機械位移的陀螺達到的。用于測定北方向的陀螺由通過其重心的懸掛帶掛著，在重力的作用下，陀螺旋轉軸處于水平狀態。陀螺高度旋轉時，由于慣性總是試圖維持其原有空間位置，一旦陀螺旋轉軸偏離北方向，地球自轉會使陀螺旋轉軸的水平狀態發生改變，重心降低并生產重力矩，陀螺將通過繞其豎軸的一系列轉動做出反應。通過主輔控制功能，陀螺經緯儀將因此向北繞轉，測量完成后便可確定出北方向。陀螺儀經緯儀定向的主要過程是:在兩岸已知控制邊測定陀螺方位角后，計算子午線收斂角并計算儀器常數；在洞內待定導線邊上測定陀螺方位角；計算子午線收斂角；對地下待定邊陀螺方位角進行常數和子午線收斂角改正，計算出待定邊坐標方位角。本工程采用的陀螺經緯儀是德國DMT公司研制的GYROMAT－2000型高精度自動陀螺經緯儀，該儀器具有穩定性能好、精度高等優點，并且在歐洲隧道工程(英、法隧道)貫通有成功的應用先例。

在使用陀螺經緯儀定向過程中，使用與本次定向使用的相同的地面控制邊，經過計算子午線收斂角和對地下待定邊陀螺方位角進行常數和子午線收斂角改正，計算出地下待定邊坐標方位角。與吊鋼絲定向成果比較結果如下表2。

吊鋼絲聯系三角形定向與陀螺經緯儀定向成果對比表 表2

根據上表對比結果可以驗證本次吊鋼絲聯系三角形定向成果和本文所述的精度估算方法的正確性。

3 結 論

通過本文論述的精度估算過程以及我們在青草沙原水過江管東線隧道定向項目中進行的實際驗證，說明吊鋼絲聯系三角形定向方法在大型深基坑定向過程中，通過合理的施測方案可以達到較高精度，且理論成熟，成本較低，具有較高的實際應用價值。

[1]GB 50308－2008.地下鐵道、輕軌交通工程測量規范.

[2]GB/T 15314－94.精密工程測量規范.

[3]華錫生，黃騰編著.精密工程測量技術及應用.南京:河海大學出版社，2002.8

[4]樊功瑜.誤差理論與測量平差.上海:同濟大學出版社，1998

Application of Long Wire－Connection Triangle Method in Large Shaft Orientation of Qing Chaosha Original Water Tunnel Crossing the Yangtze River of Shanghai

Chen FangMin
(Shanghai Institute of Surveying and Mapping，Shanghai 200063，China)

According to the precision estimation of traditional Long wire－Connection triangle method，and the actual use of Long wire－Connection triangle method in Large shaft orientation of Qing Chaosha original water tunnel crossing the Yangtze River of Shanghai，the Practicability of Long wire－Connection triangle method in Large shaft orientation of tunnel is discussed.

Qing Chaosha original water tunnel；Long wire method；Connection triangle method；Precision estimation

1672－8262(2010)02－135－03

P258

B

2009—07—07

陳方敏(1977—)，男，工程師，從事工程測量工作。