地鐵隧道貫通測量方法的改進與精度分析

成 樞，武光耀，紀 萍

(1. 山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266590； 2. 青島勘察測繪院，山東 青島 266000)

地鐵隧道貫通測量方法的改進與精度分析

成 樞1，武光耀1，紀 萍2

(1. 山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266590； 2. 青島勘察測繪院，山東 青島 266000)

為了提高地鐵隧道貫通測量的精度，本文提出了地面衛星定位控制網，采用城市CORS作為起算依據，聯系測量采用懸吊三根鋼絲的方法和雙測站法來增加檢核條件，隧道導線測量中加測陀螺邊等改進措施，結合某市地鐵工程實例，分析研究了觀測結果，保證了地鐵隧道貫通測量精度的提高。

貫通測量；精度；CORS；聯系三角形；陀螺儀定向

地鐵施工過程中保證隧道貫通是地鐵測量的一項主要任務，其貫通誤差的大小將直接影響到地鐵建設質量和工程造價[1]。因此，在地鐵工程測量精度設計中，為用盡可能小的成本保證隧道按設計要求進行貫通，合理地規定隧道貫通誤差及其允許值，以便制定在技術、經濟上合理的貫通測量方案，是地鐵測量的一項重要的研究任務。

1 隧道貫通誤差的主要來源

貫通誤差在線路中線方向的投影長度稱為縱向貫通誤差，在垂直于中線方向的投影長度稱為橫向貫通誤差，在高程方向的投影長度稱為高程貫通誤差[2]。縱向誤差只影響隧道中線的長度，與工程質量關系不大，對隧道貫通沒有多大影響；高程誤差僅影響接軌點的平順(邊掘進邊鋪軌的隧道尤為突出)或隧道的坡度，實踐表明，應用一定的測量方法就容易達到所需的精度要求。實際工作中對隧道工程質量影響最大的是橫向誤差，如果橫向誤差超過一定的范圍，就會造成工程質量事故，使得不同開挖作業的區間不能準確貫通，致使襯砌部分拆除重建[3]，給工程帶來不可估量的損失。隧道貫通后，應及時進行貫通測量，測定實際的橫向貫通誤差。

礦山法隧道貫通測量的誤差來源主要有：①地面控制測量誤差m1；②豎井聯系測量誤差m2；③地下導線測量誤差m3。

根據經驗，取用各項允許誤差為：m1=m；m2=2 m；m3=3 m；則區間隧道允許橫向貫通的誤差為

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則可以根據隧道允許橫向貫通誤差求得m的值，從而確定各環節的允許誤差。

因此，在影響地鐵貫通測量精度的這3個主要環節中，應通過相應措施改善測量方法，增加檢核條件，提高測量精度。

2 改進措施及應用效果

2.1 CORS用于地鐵控制網解算

以城市高等級控制點作為地鐵平面控制網是國內早期地鐵建設過程中的主要做法，目前許多城市仍采用這種方法。若城市沒有足夠密度和范圍的高等級控制點，則需要花費大量精力在市區范圍內布設控制網，然而由于城市建設進程的加快，布設的高等級控制點往往容易遭破壞，且破壞的頻率很高[4]。由于地鐵規劃及建設，需要不定期的完善和改建已有的城市高等級控制網，這樣各條線路的起算基準無法統一，特別是不同線路交叉部位，空間基準的內符合性不高。

城市建設地鐵通常是總體規劃，分期建設。通常情況下，城市CORS與IGS跟蹤站和當地的城市高等級控制點均進行了統一聯測，各點兼容性良好[5]，各站點既具有當地城市坐標系的坐標，又具有高精度的WGS-84坐標系的坐標[6-7]，利用CORS站點作為地鐵平面控制網的起算點，可同時提供地心坐標系和城市坐標系的起算數據，還可保證各期控制網的起算數據的一致性和穩定性。

某地鐵7號線GPS控制網共新埋設29個，其中地面點14個，樓定點15個，聯測3個城市高等級控制點，GPS觀測采用靜態作業模式，采用6臺Trimble 5700雙頻接收機進行觀測，并選取網中A1、A11、A15、A25、B1和3個CORS起算點I站、Ⅱ路站和Ⅲ站組成框架網進行長時間觀測。觀測網圖如圖1所示。

圖1 地鐵7號線GPS控制網

將得到的數據進行基線質量檢核、三維無約束平差、二維約束平差，得到的結果經檢驗均滿足規范要求。

2.1.1 成果質量評價

在該市坐標系下，將GPS約束平差后坐標反算的GPS邊長與全站儀精密測距邊(經各項改正后)進行比較，統計情況見表1。

表1 GPS網中相鄰通視邊與實測邊長比較

從表1可以看出，統計的8條邊長較差均小于限差，滿足相關規范要求。

除起算外，另外還聯測了2個已有城市控制點，其中全網精度最弱的點的X坐標較差、Y坐標較差分別為10.0和-3.0 mm；與現有城市控制點的坐標較差遠小于規范要求。

上述精度分析表明，該市地鐵7號線一等衛星定位控制網各項精度指標均達到規范要求，甚至遠高于規范要求，可作為該市地鐵7號線測量的測繪基準。

2.1.2 復測結果

觀測之后第2年進行第1次復測，觀測之后第3年進行第2次復測。第1次復測最終二維約束平差后最弱點的點位中誤差為1.3 mm，最弱邊的相對中誤差為1/1 076 000；第2次復測精度后最弱點的點位中誤差為2 mm，最弱邊的相對中誤差為1/427 000，均滿足規范要求。

2.1.3 不同線路重合點成果的比較

該地鐵7號線控制網、9號線控制網及10號線控制網均采用同一CORS作為起算，3條線路共有14個重合點。雖然7號線、9號線、10號線控制網布設的時間不一樣，但是使用同一CORS作為起算各期控制網重合點的坐標較差非常小，最大值為10.9 mm，滿足《城市軌道交通工程測量規范》(GB 50308—2008)的要求。

綜上所述，將CORS用于地鐵控制網解算可以有效保證地鐵線路建設過程中首級控制網的穩定性及可靠性；CORS用于地鐵控制網可以有效保證城市各條地鐵線路空間基準的統一性，避免交叉線路控制點成果不一致帶來的施工矛盾。

2.2 聯系三角形測量的改進

傳統的吊鋼絲聯系三角測量定向中，風力對鋼絲的影響導致投點精度差且角度觀測時無法準確瞄準；光照到觀測墩金屬表面后會產生微弱形變，將直接影響角度觀測精度；在大型豎井中，無法通過剛尺直接進行精度檢核[8]。下面介紹3種改進后的聯系三角形測量方法。

2.2.1 移動錘球法

聯系三角形內可以通過三角形內角和及比較井上下鋼絲間距進行檢核，但為了提高測量的精度，可采用移動吊錘線法，即通過兩根懸掛鋼絲的位置使方向傳遞經過不同的聯系三角形進行傳遞，然后取平均值以達到檢核和提高精度的目的。

2.2.2 三絲法聯系三角形

如圖2所示，在豎井中采用吊三根鋼絲組成兩個聯系三角形來傳遞方向，此時，對于A→B→C1→C2→A′→B′方向，可推算出井下定向邊的誤差mβ1，對于另一個聯系三角形，按A→B→C1→C3→A′→B′方向推算定向邊的誤差mβ2，兩個聯系三角形定向結果取平均值，根據誤差傳播定律得

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圖2 三絲法聯系三角形

2.2.3 雙測站法聯系三角形

相對三絲法吊三根鋼絲而言，雙測站雙聯系三角形更為方便。如圖3所示，在地面近井點處，可設置成雙測站H和H′， 分別進行兩次獨立的聯系測量。由于要滿足延伸三角形條件，H和H′距離非常近，可以通過改變儀器架站位置進行兩次觀測，或者在強制對中墩上設置兩個對中中心以達到目的[9]。該聯系三角形測量方法的傳遞路線分別為M→H→L2→L1→J→K方向和M→H′→L2→L1→J→K方向。

圖3 雙測站雙聯系三角形

為保證施工控制測量符合有關規范和地鐵公司的工作要求，根據測量進度節點多次對該區間進行了聯系測量。如圖4所示，本次平面測量共測量控制點8個，H206為地面已知高級控制點，JM7、JM8為地面加密控制點，以上3個地面點位保護完好，穩定可靠。DX1、DX12、DX21為施工單位布設的地下導線點，均穩定可靠，通視情況良好，具備實測條件。

圖4 聯系三角形測量示意圖

在本次測量過程中，測角和測邊同時進行，采用徠卡多測回程序，將規范要求的各種限差指標在儀器內事先設定，在實測現場控制測量精度。數據處理后得到的平面坐標對比見表2。井下主洞內定向邊方位角對比見表3。

表2 平面坐標對比

表3 井下定向邊方位角對比

將本檢測成果與施工單位上報的成果進行對比分析：地下導線成果與第三方測量成果較差平面和起始方位角均滿足《城市軌道交通工程測量規范》(GB 50308—2008)的限差要求，成果可在后續測量工作中使用。2.3 地下導線測量的改進

隧道內控制導線是隨著隧道開挖而向前延伸的，一般布設成支導線。在隧道，受到條件的限制導致導線的圖形強度較弱[10]，其點位精度也會隨著隧道掘進距離的延長而變差。尤其是在城市地鐵建設中，外界環境對聯系測量的影響越來越大，極大地限制了在洞內引測方位角的條件，很難保證洞內定向的精度。

利用陀螺經緯儀定向時，定向精度達到了要求，驗證了原一井定向測量資料的可靠性。與傳統的幾何定向相比，陀螺經緯儀定向具有操作簡單，占用井筒和平巷的時間少[11]，精度高等優點。同時，在導線傳遞過程中，加測一條陀螺經緯儀定向邊，即可發現原幾何定向測量水平的誤差[12]，從而大大減少了測角誤差積累，提高了測量精度，為以后的貫通測量打下了堅實的基礎，提供了可靠的技術依據，可以有效檢核地下導線的測量精度。

本工程共觀測兩條地下導線邊，分別是A1—A3和B1—B3，分別在A1和B1上設站，采用逆轉點法進行測量，地面在精密導線邊JA0019—JA0134上測定儀器常數。陀螺儀測量結果與施工單位、第三方測量單位采用聯系三角形法計算出的方位角對比見表4。

表4 地下導線邊方位角測量對比

將陀螺儀測量結果與施工單位、第三方測量單位采用聯系三角形法所測結果相比較，陀螺儀測量的結果與其他兩家的結果很相近，而且數值位于其兩家單位測量結果之間，說明陀螺儀測量結果完全可以作為地下導線邊的檢核結果。

3 結 論

本文通過在工程中的應用實例可得如下結論：

(1) 將CORS用于地鐵控制網解算可以節約建設成本，并可以有效保證地鐵線路建設過程中首級控制網的穩定性及可靠性，避免交叉線路控制點成果不一致帶來的施工矛盾。

(2) 雙聯系三角形進行豎井聯系測量的方法，較單聯系三角形聯系測量方法不僅提高了精度，而且增加了重要的檢核條件，雙聯系三角形較一次聯系三角形進行豎井聯系測量，不僅在精度上有一定的提高，而且能起到重要的檢核作用。

(3) 在隧道底下適當位置加測陀螺方位角可以作為地下導線邊的有效檢核。

綜上，隧道開挖過程中，從地面控制網、聯系測量、地下定向邊等環節通過采取有效的方法和措施可以提高測量精度、增加檢核條件，從而為隧道的貫通提供有力的測量保障。

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AnslysisofImprovingSubwayTunnelthroughSurveyPrecision

CHENG Shu1,WU Guangyao1,JI Ping2

(1. College of Geomatics,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China; 2. Qingdao Institute of Survey and Mapping,Qingdao 266000,China)

Three improvement measures for improving the accuracy of the subway tunnel through survey was adopted in a practical case and analyzed the observation data. The results demonstrated that these measures could improve the accuracy of the subway tunnel through survey.The improvement measures are as follows: The CORS is adopted as satellite positioning control network starting basis. Suspension atilizes three wire method and double measuring method to increase the check condition by connection surveying. The accuracy of the underground traverse with the high precision gyroscope and the detection of the nuclear underground wire is presented in the appropriate position.

breakthrough survey; accuracy; CORS; connecting triangle; gyroscopic orientation

P258

A

0494-0911(2017)01-0115-04

成樞，武光耀，紀萍.地鐵隧道貫通測量方法的改進與精度分析[J].測繪通報，2017(1)：115-118.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0025.

2016-05-06

成 樞(1963—)，男，博士，教授，主要從事教學與科研工作。E-mail: 805724934@qq.com