地鐵豎井聯系測量方法探討

劉衛國

【摘 要】：隨著社會的發展，越來越多的城市開始修建地鐵。修建城市地鐵離不開施工豎井，而豎井聯系測量是地鐵隧道能夠順利貫通的重要保證。本文通過深圳地鐵施工豎井聯系測量的實踐，介紹施工豎井聯系測量的常用方法，并對各種方法的特點及優劣進行分析。

【主題詞】：豎井 聯系測量 方法

隨著我國經濟的快速發展，城市規模不斷擴大，堵車現象也日趨嚴重，給人們日常出行帶來了很多不便。為了解決這一矛盾，越來越多的城市開始修建地鐵。由于地鐵一般都在鬧市，施工場地都比較狹小，因此經由豎井施工成為地鐵施工的重要手段，而豎井聯系測量就成為保證地鐵隧道順利貫通的必要手段。為了保證各相向開挖面能正確貫通，就必須將地面控制網中的坐標、坐標方位角及高程，經由豎井傳遞到井下去，這些傳遞工作稱為豎井聯系測量。豎井聯系的工作內容包括平面聯系測量和高程聯系測量，高程聯系測量的常用方法有鋼尺導入法和光電測距儀法等，平面聯系測量的常用方法有：聯系三角形法、鉆孔投點法、直傳法、陀螺經緯儀及鉛垂儀聯合定向法等。由于高程聯系測量比較簡單，這里就不再多介紹，下面將通過幾個具體的例子對常用豎井平面聯系測量方法作一介紹。

一、 聯系三角形法

聯系三角形法就是在井口懸掛兩根細鋼絲，與地面、地下測站形成兩個以懸掛鋼絲為共同邊長的三角形，通過解算三角形將地面的坐標和方位傳遞至井下。如圖一所示：

圖一 聯系三角形法測量示意圖

圖一中A為地面的近井控制點，O1、O2為兩鋼絲，A為井下近井點（將作為井下導線的起算點）。O1O2距離不小于3米，連接角α不大于3°，b/a≈1.5。分別在井上A站觀測α角和連接角ω，并準確丈量井上三角形的邊長a、b、c，井下A站觀測α和連接角ω，準確丈量井下三角形的邊長a、b、c.

根據正弦定理計算β和γ：

sinβ=sinα×b/a

sinγ=sinα×c/a

計算三角形閉合差：

f=α+β+γ-180

計算三角形邊長該正數va、vb、vc及平差值a平、b平、c平：

va=vb=-f/（3α）×a

vc=+ f/（3α）×a

則： a平=a+va b平=b+vb c平=c+vc

計算角度改正數vβ、vγ和平差值β平、γ平：

vβ=f/3×（b/a-1）

vγ=-f/3×（c/a-1）

則： β平=β+ vβ γ平=γ+ vγ

井下三角形計算與井上相同，則可沿TA-AO2-O2O1-O1A-AT的路線推算井下AT的坐標方位角和A、T的坐標。

聯系三角形法原理比較簡單、操作時所需設備成本較低（一般施工承包商均有配備）、作業時占用井口面積小、不需中斷施工，是一種簡單可行的辦法，在我國已有較長歷史，至今還有很多單位在用。但該法也有其自身的弱點：精度較低。在實踐中一些單位也摸索出了很多切實可行的、比較好的方法來改善其中的薄弱環節，以達到提高精度的目的。如下面圖二的實例：

圖 二

圖二是深圳地鐵1#線購物公園～香蜜湖區間購物公園站端的盾構井，該區間全長1595米，獨頭掘進，是深圳地鐵一期工程貫通距離最長的區間。為提高測量精度，確保測量精度，對常用的聯系三角形法進行了改進，將普通的單三角形法改為雙三角形法，增加較核條件；圖中O1、O2、O3為鋼絲，鋼絲下懸重物，置于油桶中（通過油的阻力來減小風力對鋼絲的影響，增加其穩定性）；井上測站PT和井下測站LY均采用強制對中；丈量用的鋼尺均經過檢定，丈量時要經過溫度和尺長改正；增加測回數（增加測回數需變動鋼絲位置，而并非鋼絲位置不動，連續多次觀測）等。

雖然可以通過一些加強措施來提高精度，但總得來說，這種方法作業比較繁瑣、所需時間長，且精度提高不明顯。

二、 鉆孔投點法

鉆孔投點法就是通過鉆孔或施工投料孔，用垂球或投點儀進行投點，從而將地面坐標和方位角傳遞到井下的方法。該方法適用于埋深較淺、且已開挖一定長度的隧道。該方法具有操作簡便、測量精度高、不占用施工豎井、對施工影響較小等優點，缺點是測量鉆孔難度較大（垂直度要求高），鉆孔成本較高。但由于該方法優點較為明顯，有條件時應優先考慮該方法。下面圖三是竹子林～僑城東區間的一個實例：

圖 三

圖三中T1、T2為兩井上投點，T1、T2為兩井下投點，DX436、DX437、DX437、GPS317為地面已知控制點，與T1、T2兩投點可組成標準的附合導線，通過平差計算可得出T1、T2的坐標。由于T1、T2和T1、T2投影在水平面上是同一個點，因此，該兩點就成為地下導線的起算點，地下其它導線點的坐標可以通過T1、T2兩投點求得。竹僑區間右線橫向貫通誤差經測定只有6.8mm，遠遠高于規范100mm的限差要求。

鉆孔投點法不僅限于鉆孔或投料孔，也可用于車站預留口、風井等，但這時需要搭設投點平臺。投點平臺一般搭設兩層，一層架儀器，一層站儀器操作員，保證人和儀器分開，不互相干擾，才能保證投點精度。為保證地下導線起算點的準確性，鉆孔投點法對邊長有一定的要求，對一些不適合鉆孔的地段（如盾構區間）使用投點法，但邊長又太短時，我們可以通過改善其它環節來保證其精度，如2B標段會展中心～福民站區間。制定測量方案時考慮到鉆孔會破壞盾構的結構，陀螺定向需要停工，會影響施工進度，因此在仔細考察了盾構井及周邊建筑的情況后，我們選擇用投點法進行聯系測量，即利用盾構井和會展中心站一預留口進行投點。盾構井只占用一個小角，兩投點間距約40米。為了將短邊的影響降低到最小，我們將井下投點做成強制對中標志，這樣就減少了對中誤差，大大減弱了短邊造成的不利影響。該區間隧道貫通后經測定橫向貫通誤差只有8.5mm，只有貫通限差的8.5%，達到優良標準。

三、 全站儀直傳法

全站儀直傳法就是利用全站儀，直接將地面導線傳遞到地下。該方法適用于施工場地比較開闊、地上地下通視良好的地段。增加圖形檢核條件等；下面是7標段華崗盾構區間的一個例子：

華崗區間盾構始發井設在華崗區間中部，尺寸大約為50×20米，施工場地比較開闊，但四周是果園。該選用哪種方案呢？傳統的聯系三角形費時費力，陀螺定向要影響施工，投點法由于井口太大，搭設平臺比較困難。在經過仔細的比選后，我們選擇了全站儀直傳法，利用場地中通視良好的穩定處作為轉點，直接將地面坐標和方位傳至地下。由于四周果樹比較茂密，測成附合或閉合導線有一定的困難，我們采用了雙后視的方法，而且通過多設一個轉點來增加圖形檢核條件，如圖四所示：

圖 四

圖四中，置鏡GPS306，雙后視方向分別為DX424、DX423，ZD1、ZD2為地面轉點，R1、R3為洞內控制點，通過增加轉點ZD2、R3使圖形強度得到了加強。同時，為了保證測量精度，我們要求井上、井下聯系邊長不能太短，俯仰角不能大于30°，井上井下氣象條件不能相差太大，最好選擇在陰天進行；井上井下連接角要增加測回數，測回間重新對中整平等。

由于我們選用的方案比較合理，而且對測量過程中的薄弱環節進行了加強，有力地保證了測量精度。這點也從我們完全的貫通精度上得到了反映，華崗區間右線中間井～華強路橫向貫通誤差僅為11.4mm。

四、 陀螺經緯儀及鉛垂儀聯合定向法

陀螺經緯儀及鉛垂儀聯合定向法就是利用鉛垂儀向地下傳遞坐標，在地下用陀螺經緯儀測定定向邊方位角的測量方法。由于陀螺經緯儀是一種全天候的、不依賴其它條件能夠測定真北方位的定向儀器，所以利用它可以快速地測定地下導線的方位。該方法具有方法簡單、測量精度高、作業時間短等優點，在地鐵施工中不斷得到推廣。但該方法缺點也較明顯，即成本較高，測量時需要停工（陀螺定向需要一個相對平靜的環境，不能有振動等干擾），對施工進度會造成一定影響。下面將通過圖五所示實例來說明陀螺經緯儀及鉛垂儀聯合定向法的一般做法。

圖 五

圖五為車公廟～竹子林區間1#豎井聯系測量示意圖。豎井定向邊應井上井下各選一條，定向邊應選擇在穩定可靠、通視良好、尤其附近不應有電磁場干擾的地方，最好是選擇已知邊如精密導線點或GPS點。井上選擇DX433～GPS315為定向邊，井下選擇橫通道的D11～D13為定向邊，每條定向邊用陀螺經緯儀獨立觀測三測回。投點可采用光學或激光投點儀進行，和投點法一樣，投點時需要搭設投點平臺，而且平臺也需搭設兩層，操作人員和儀器要分開，以免互相影響。投點時按0°、90°、180°、270°四個方向各投一點，最后取重心作為投點位置。井上、井下用相同方法各投一點。投點和定向邊的之間的關系可以用全站儀測得，從而可得投點坐標。地下定向邊的坐標方位角可以通過解算投點處的空間角推得（也可以通過子午線收斂角推算），并由此推得井下各點坐標。假定DX433～GPS315陀螺方位為NT上，坐標方位角為W上，井下D11～D13陀螺方位為NT下，則

邊DX433～T陀螺方位NT=NT上+α

邊T～D11 陀螺方位NT=NT下-β

則投點T處的空間角γ= NT-NT

D11～D13的坐標方位角W下=W上+α+γ+β-3×180

地下所有控制點的坐標均可以根據D11～D13的坐標方位角W下和投點坐標推得。

陀螺經緯儀及鉛垂儀聯合定向法幾乎適用于所有的地鐵施工豎井，但對于每個具體的豎井，可能會由于豎井所處的位置和四周的環境不同，其測量方案又會有所不同。深圳地鐵施工豎井的形式也比較多樣，有通過橫通道與正線連接的，有豎井開在正線的。豎井開在正線的，只需準確測定定向邊的方位即可，而豎井通過橫通道與正線連接的，則要考慮橫通道對測量的影響。

【結束語】：從以上的實例可以看出，施工條件千差萬別，合理、經濟的測量方案是地鐵隧道能夠正確貫通的重要保證；也正是由于施工條件的千差萬別，才能推動測量技術和手段不斷更新，從而不斷提高我們的測量水平。針對我國目前地鐵的施工現狀，考慮到施工隊的實際情況，我們提出了一些建議，供大家在以后的豎井聯系測量中參考：

1. 有條件時應優先考慮鉆孔投點法；

2. 聯系測量時應選擇在氣象條件比較穩定、井上井下外界條件相差較小的天氣進行；

3. 要盡可能的增加檢核條件；

4. 進行多方案的比選，盡可能的選用最佳方案；

5. 測量標志最好設置成強制對中。