地鐵隧道貫通前鋪軌的測量條件探討及分析

張志華，丁鵬輝，劉寶華，張洪德，王智

(青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032)

1 前 言

地鐵隧道建設(shè)過程中，通常情況下是兩站一區(qū)間貫通后，以車站底板控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)，聯(lián)測、平差區(qū)間控制點(diǎn)，并以平差后的控制點(diǎn)為依據(jù)，布設(shè)鋪軌控制基標(biāo)，進(jìn)而為軌道鋪設(shè)提供空間基準(zhǔn)，但有時(shí)為了趕工期，需要在隧道貫通前鋪設(shè)軌道，此時(shí)地下導(dǎo)線點(diǎn)沒有經(jīng)過兩站一區(qū)間聯(lián)測平差，點(diǎn)位精度低，進(jìn)而造成鋪軌基標(biāo)精度不夠，若強(qiáng)行鋪軌，容易造成貫通面兩端的軌道錯位，無法平順銜接。

本文以青島地鐵3號線錯埠嶺站及相鄰區(qū)間為例，探討地鐵隧道貫通前鋪軌的測量條件，提出以CORS作為城市地鐵建設(shè)的空間基準(zhǔn)，對地面點(diǎn)位進(jìn)行定期復(fù)測，以待貫通的車站兩端通視的導(dǎo)線點(diǎn)作為起算點(diǎn)，通過在車站兩端適當(dāng)位置處鉆孔將地面控制點(diǎn)與地下控制點(diǎn)聯(lián)測，并論證了該方法平差后地下導(dǎo)線點(diǎn)精度與兩站一區(qū)間聯(lián)測后導(dǎo)線點(diǎn)相對精度的一致性。

2 工程背景

青島地鐵3號線截至2015年6月底，全線的土建工作已基本結(jié)束，錯埠嶺車站的施工進(jìn)度情況成為3號線全線竣工通車的關(guān)鍵。錯埠嶺車站全長 200 m，車站大里程方向距離車站 70 m左、右線各有人防工程一個，車站小里程方向靠近車站 10 m左、右線各有人防工程一個。示意圖如圖1所示。鋪軌工作以錯埠嶺車站為界，截至2015年6月份，車站大里程方向的鋪軌工作已經(jīng)進(jìn)行至清江路車站，距離錯埠嶺車站 1 200 m，小里程方向鋪軌工作進(jìn)行至延安三路車站，距離錯埠嶺車站 4 500 m。

圖1錯埠嶺車站建設(shè)示意圖

按照工期安排錯埠嶺車站土建完工時(shí)間為2016年4月，達(dá)到滿足兩站一區(qū)間控制點(diǎn)聯(lián)測的時(shí)間為2016年1月，為節(jié)約工期時(shí)間，需要在具備兩站一區(qū)間聯(lián)測的條件之前進(jìn)行鋪軌和人防門安裝工作。此時(shí)，錯埠嶺車站兩端的地下導(dǎo)線點(diǎn)為支導(dǎo)線，精度低，若以此為依據(jù)布設(shè)控制基標(biāo)，容易造成兩端軌道無法平順銜接。

3 測量方案

軌道平順銜接是以控制基標(biāo)足夠的相對精度為前提，而鋪軌基標(biāo)是以地下導(dǎo)線點(diǎn)起算進(jìn)行布設(shè)，因此，采取有效的測量手段保證錯埠嶺車站兩端未貫通的地下導(dǎo)線點(diǎn)精度與貫通后兩站一區(qū)間聯(lián)測平差后的精度相一致是貫通前鋪軌的前提。考慮到地下導(dǎo)線點(diǎn)是由施工豎井、斜井或車站通過聯(lián)系測量將地面坐標(biāo)與高程傳遞到地下，因此從以下兩個方面采取措施保證地下導(dǎo)線點(diǎn)精度：①采用CORS起算，對地面導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測確保起算點(diǎn)穩(wěn)定可靠，②在待貫通的錯埠嶺站兩端地面進(jìn)行鉆孔，通過吊鋼絲進(jìn)行兩井定向?qū)⒌孛婵刂泣c(diǎn)與地下控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測。

3.1 以CORS作為起算基準(zhǔn)，確保地面控制點(diǎn)穩(wěn)定可靠

CORS系統(tǒng)是GNSS定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等技術(shù)多方位、深度結(jié)合的產(chǎn)物。2006年，青島市建成了山東省第一個GPS連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)系統(tǒng)(QDCORS)。該CORS系統(tǒng)綜合應(yīng)用了多種GPS定位技術(shù)、高精度自動化后處理技術(shù)、水準(zhǔn)面擬合技術(shù)、通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，是一個高標(biāo)準(zhǔn)、高精度、多功能的GPS連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)系統(tǒng)。城市建設(shè)地鐵通常是總體規(guī)劃，分期建設(shè)，以CORS作為地鐵地面控制網(wǎng)的起算基準(zhǔn)，可以有效保證各條地鐵線路起算數(shù)據(jù)的一致性和空間基準(zhǔn)的統(tǒng)一性。圖2是青島地鐵3號線GNSS控制網(wǎng)圖，圖中紅島站、青銀路站以及小港站是CORS站點(diǎn)，也是地鐵3號線地面平面控制網(wǎng)的起算點(diǎn)。

圖2 青島地鐵3號線GNSS控制網(wǎng)圖

由于CORS各個站點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，通常為十幾千米至幾十千米，為了提高基線解算精度，首先選取地鐵衛(wèi)星定位控制網(wǎng)中的若干個點(diǎn)與起算CORS站點(diǎn)組成框架網(wǎng)，進(jìn)行長時(shí)間觀測，為了提高長基線的解算精度，骨架網(wǎng)應(yīng)采用專業(yè)高精度軟件進(jìn)行解算，如Gamit和Bernese等軟件，其他可用儀器隨機(jī)軟件進(jìn)行解算，如天寶儀器采用TBC解算，徠卡采用LGO解算，基線應(yīng)經(jīng)重復(fù)基線及環(huán)閉合差檢核，檢核不合格時(shí)或基線解算精度較差時(shí)應(yīng)對相應(yīng)的基線做精化處理，考慮到Gamit與TBC、LGO解算精度相差較大，在平差軟件中應(yīng)分別定權(quán)導(dǎo)入相應(yīng)的基線文件，合并后再進(jìn)行平差計(jì)算，數(shù)據(jù)解算流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)解算流程圖

青島地鐵3號線是山東省首條地鐵線路，GPS控制網(wǎng)于2010年建立，青島地鐵3號線GPS控制網(wǎng)分別于2011年6月和2012年11月進(jìn)行了復(fù)測，復(fù)測方案與技術(shù)路線與首期測量一致，仍以小港、青銀路和紅島站作為起算點(diǎn)。

3.2 通過鉆孔進(jìn)行兩井定向測量，將地上與地下控制點(diǎn)聯(lián)測

鑒于目前錯埠嶺車站與化嶺、嶺清區(qū)間均未貫通，化嶺、嶺清區(qū)間二襯均暫時(shí)施工到區(qū)間人防門附近，現(xiàn)場不具備二站一區(qū)間的調(diào)線調(diào)坡測量條件。在不具備二站一區(qū)間測量條件下，為加快工程進(jìn)度，錯埠嶺站兩端左右線區(qū)間人防門附近各加一個投點(diǎn)孔，線路區(qū)間方向增加4個聯(lián)系測量投點(diǎn)孔將地面坐標(biāo)及高程傳至地下，錯埠嶺車站大里程方向利用投點(diǎn)孔(里程11+124)傳下的坐標(biāo)與清江路車站進(jìn)行兩井定向聯(lián)系測量完成區(qū)間控制點(diǎn)聯(lián)測工作，車站小里程方向利用投點(diǎn)孔(里程10+850)傳下的坐標(biāo)及高程完成與敦化路車站的控制點(diǎn)聯(lián)測工作，從而為鋪軌和人防施工提供測量基準(zhǔn)，鉆孔位置如圖4所示。嶺清區(qū)間人防門與軌道均可施工；化嶺區(qū)間人防門及軌道待錯埠嶺車站開挖到底進(jìn)行聯(lián)測后方可施工。以上方案可確保嶺清區(qū)間進(jìn)度，并最大概率不影響化嶺區(qū)間進(jìn)度。

本方案實(shí)施的過程中及后續(xù)工作注意以下幾個方面：

(1)平面及高程傳遞前，對地面控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，確認(rèn)無誤后使用，向地下傳遞的四個控制點(diǎn)的地面測量采用同一基準(zhǔn)點(diǎn)，即平面和高程采用同一起算數(shù)據(jù)；(2)投點(diǎn)位置選擇在人防門附近二襯未施工區(qū)域，并避開地下管線和車站維護(hù)樁，地下控制點(diǎn)做固定點(diǎn)，能夠長期保存，保護(hù)周期至鋪軌及車站施工結(jié)束；

(3)貫通后的錯埠嶺車站施工，以投至地下的四個控制點(diǎn)為測量基準(zhǔn)。

圖4投點(diǎn)示意圖

(4)本方案僅針對嶺清區(qū)間軌道鋪設(shè)和人防門施工，對于錯埠嶺車站小里程方向人防門涉及鋪軌等工序銜接位置嚴(yán)禁提前施工?；瘞X區(qū)間大里程方向(具體為錯埠嶺車站至小里程方向 300 m范圍)鋪軌和人防門門施工工作須在兩站一區(qū)間控制點(diǎn)聯(lián)測后開展。

在錯埠嶺站兩端人防門附近各加一個投點(diǎn)孔，并與兩端車站進(jìn)行地下導(dǎo)線控制測量后，可滿足人防門安裝；人防門安裝后，待車站與兩區(qū)間貫通后，以人防門中心連線為基準(zhǔn)線進(jìn)行車站站臺板施工、進(jìn)行兩站一區(qū)間調(diào)線調(diào)坡測量以指導(dǎo)最后兩段軌道施工；以兩人防門實(shí)測高程并考慮互差后確定高程基準(zhǔn)點(diǎn)，再分別與兩端已施工軌道聯(lián)測平差。

由于測量本身的誤差及施工造成控制點(diǎn)變動等不可控因素的存在，在錯埠嶺車站竣工后，可能出現(xiàn)嶺清區(qū)間與化嶺區(qū)間貫通方向誤差超限的情況。無論是否超限，保持嶺清區(qū)間不變的前提下，誤差累計(jì)到化嶺區(qū)間，若不超限，測量專業(yè)處理；若超限，由設(shè)計(jì)單位對化嶺區(qū)間進(jìn)行調(diào)線處理，以滿足鋪軌工作的需要，化嶺區(qū)間的人防門施工和鋪軌工作以調(diào)線后設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)。

4 精度分析

通過鉆孔進(jìn)行兩井定向進(jìn)行聯(lián)測地下導(dǎo)線點(diǎn)測量數(shù)學(xué)模型為無定向附合導(dǎo)線，通過兩站一區(qū)間進(jìn)行聯(lián)測的數(shù)學(xué)模型為附合導(dǎo)線，由于鉆孔位置與車站相近，采用的地面起算點(diǎn)相同，所以可以認(rèn)為通過鉆孔進(jìn)行聯(lián)系測量所采用起算點(diǎn)的精度與車站底板點(diǎn)的精度相當(dāng)，兩種方法精度的差異可以理解為具有相同精度起算點(diǎn)、同樣點(diǎn)位布設(shè)的附合導(dǎo)線和無定向附合導(dǎo)線的精度差異。

地下導(dǎo)線網(wǎng)待定點(diǎn)坐標(biāo)的方差協(xié)方差陣表示形式為：

點(diǎn)位誤差橢圓參數(shù)(長半軸A、短半軸B和長半軸的方位角φ0)的計(jì)算公式為：

為對無定向?qū)Ь€和導(dǎo)線網(wǎng)的點(diǎn)位精度進(jìn)行分析，模擬相同形狀的無定向?qū)Ь€和有定向?qū)Ь€，進(jìn)行平差后的精度估算，計(jì)算出各導(dǎo)線點(diǎn)的點(diǎn)位誤差橢圓參數(shù)，從而對兩者的點(diǎn)位精度進(jìn)行比較，將同一形式的無定向?qū)Ь€與有定向?qū)Ь€的誤差橢圓長、短半徑進(jìn)行對比。

無定向附合導(dǎo)線與有定向附合導(dǎo)線的點(diǎn)位精度對比 表1

從上表可以看出，相同布設(shè)形式的無定向附合導(dǎo)線和有定向附合導(dǎo)線在精度上有明顯差異，但由于無定向附合導(dǎo)線沒有方向約束，只能平差坐標(biāo)，其網(wǎng)中相鄰點(diǎn)仍具有較高的相對精度。

5 總 結(jié)

(1)以CORS作為地鐵控制網(wǎng)的起算基準(zhǔn)，可以有效保證地鐵線路建設(shè)過程中首級控制網(wǎng)的穩(wěn)定性及可靠性；

(2)地鐵隧道貫通前若強(qiáng)行鋪軌需在車站附近鉆孔將地面控制基準(zhǔn)引入地下，并進(jìn)行兩井定向測量聯(lián)測平差地下控制點(diǎn)，聯(lián)測前應(yīng)對地面點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，確保起算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且隧道內(nèi)待鋪軌段預(yù)留長度至少在 500 m以上，以保證聯(lián)測相對精度。

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