鉛垂儀+智能全站儀深豎井逆向坐標傳遞投點施工技術

張沛杰

Construction Technique of Reverse Coordinate Transfer Point for Deep Vertical Shaft with Plumbometer and Smart Total Station

摘要：在隧道施工中，為了加快施工進度和通風，長大隧道特別是城市地鐵隧道往往采用增加豎井的方法來增加施工掌子面以加快施工進度，為了保證相向開挖面能正確貫通，就必須將地面控制網中的坐標、方向及高程，經由豎井傳遞到井下去，使井下控制網與地面上的控制網坐標系統統一。因此，豎井傳遞聯系測量就成為施工的首要難題。

Abstract： In the tunnel construction， in order to speed up the construction progress and ventilation， the long and large tunnels， especially the urban subway tunnels， often use the method of adding vertical shafts to increase the construction face and accelerate the construction progress. To ensure that the opposite excavation face can be correctly connected， the coordinates， direction and elevation in the ground control network must be transmitted to the well via the shaft， so that the underground control network and the control network coordinate system on the ground can be unified. Therefore， shaft transfer and contact measurement becomes the primary problem for construction.

關鍵詞：深豎井；逆向坐標；投點；施工技術

Key words： deep shaft；inverse coordinate；casting point；construction technology

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0151-04

0 引言

目前，豎井平面聯系測量的方法有很多，傳統的方法是受豎井內氣流、滴水的影響，使垂球線發生偏移和不停的擺動只能適用于豎井較淺、對貫通精度要求較低的豎井投點。本技術打破常規，利用激光鉛垂儀，采用向上投點的威特ZL鉛垂儀逆向投點法，解決了豎井由井口向下投點在井底埋設點位不方便的難題。該方法省時、省力、易于操作，對提高深豎井平面聯系測量的精度和豐富深豎井聯系測量方法具有重要的實踐意義。

1 深豎井逆向坐標傳遞投點施工技術特點

1.1 同傳統的向下投點法相比，向上逆向投點法具有占用井洞時間短、精度高、操作簡單、測量速度快、實用性強、易于埋樁等壓倒性優勢，節約了成本，產生了良好的經濟和社會效益。

1.2 采用測量智能機器人TS30高程逆向傳遞具有速度快、精度高、操作簡單，只需要將儀器提把卸下，啟動全站儀自動搜索、自動測量、自動記錄功能就可以完成全部高程傳遞工作，全部傳遞工作不到5分鐘。

1.3 該方法不受豎井內氣流、滴水等惡略環境的影響，充分發揮激光鉛垂儀和全自動智能全站儀的最大作用，將各個環節中最大的測量誤差降低到最小、經濟利益最大化。

1.4 采用ZL威特光學鉛垂儀逆向投點法，相比于鉛垂豎向投點速度快、操作方便，井下控制點易于埋設。

1.5 解決了深豎井平面傳遞和高程傳遞測量等難題。

2 深豎井逆向坐標傳遞投點施工原理

2.1 鉛垂儀逆向投點原理

鉛垂線是平行于重力線的直線，是大地水準面的法線方向，這是大地測量和工程測量的基準之一。鉛垂儀是一種鉛垂定位專用儀器，利用光學準直原理，用來測量相對鉛垂線的微小水平偏差、進行鉛垂線的點位轉遞、物體垂直輪廓的測量以及方位的垂直傳遞。而激光鉛垂儀是在光學垂準系統的基礎上添加兩只半導體激光器，其中之一通過垂準望遠鏡將激光束發射出來。儀器的結構保證激光束光軸與望遠鏡視準軸同心、同軸、同焦，當望遠鏡照準目標時，在目標處就會出現一紅色小亮斑，在目鏡外裝上儀器配備的濾光片，可用人眼直接觀察。另一只激光器通過下對點系統將激光束發射出來，利用激光束對準基準點，儀器配有度盤，對徑測量更準確、方便。

2.2 全站儀深豎井高程傳遞原理

利用徠卡TS30測量機器人自動搜索、自動照準、自動測量、自動記錄等功能，在豎井井口與井底控制點的鉛垂線上方放置1個球形棱鏡，將全站儀架設在井底逆向投點的控制基準點上，卸掉全站儀提把，人工將全站儀大致瞄向上方的天頂，開啟全站儀自動搜索、自動照準功能，自動測量，全站儀自動搜索到球棱鏡開始測量，測量的距離加上儀器高即為豎井高程。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 工藝流程

施工工藝流程如圖1所示。

3.2 操作要點

3.2.1 投點前準備工作

①儀器選擇：1）首先選擇精度1/200000的鉛垂儀作為投點儀器。其次，根據鉛垂儀的測量原理，為了消除各種誤差的影響，在實際作業中，需要將鉛垂儀照準部在不同的方位上，進行對徑測量，消除水準軸與儀器旋轉軸、視準軸與旋轉軸安裝誤差的影響。2）高程逆向傳遞采用具有自動搜索、自動照準、自動測量功能的徠卡TS30測量機器人。

②儀器檢校：1）在檢校平臺上或找一高程建筑物，對中整平好，轉動鉛垂儀，查看鉛垂儀圓水準器和管狀水準器是否居中，使它們的水準軸平行或垂直于鉛垂儀的旋轉軸；如果超出0.5格，則需要調校，調校方法同水準儀和全站儀的圓水準氣泡和管水準精平氣泡。2）將水準儀照準部分別對準儀器度盤0°、90°、180°、270°四個度盤方位并轉動鉛垂儀照準部，通過目鏡觀測分劃板十字絲的中心，看讀取的4個點位中心是否重合，假如，鉛垂儀的分劃板十字絲的中心與校驗儀十字絲中心重合，說明鉛垂儀的視準軸是垂直的，說明儀器精度滿足要求，不需要調校；否則，打開目鏡保護蓋，調校十字絲，直至鉛垂儀的十字絲中心始終指向同一個點。調校要進行多個測回。

3.2.2 鉛垂儀逆向傳遞投點

①豎井井底控制點埋設：在豎井井底合適的位置并且豎井井口上部方便搭設操作臺架的位置埋設3個控制點，3個控制點相互之間的距離根據豎井的寬度尺寸盡可能的最大，以提高全站儀引測時的縱橫向精度。同時，點位的埋設應注意避開通風管道、電梯等，以免影響遮擋和精度；并且，點位埋設的深度要低于豎井仰拱底面約10cm，防止破壞、便于永久保存。

②豎井井口操作臺架搭設：首先，將激光鉛垂儀架設在井底控制點上，打開激光便于地面豎井口上的工人找尋在何處位置搭設操作平臺，必須在激光束通過的位置預留150mm×150mm與井底控制點鉛垂相對應的小方孔，保證能使激光束垂直向上穿過預留孔。寶蘭客專渭河隧道1#、2#和3#豎井由于設計原因，豎井口上部大，下部小，形成正方形式的漏斗梯形，操作平臺危險不太好搭設，投點充分利用現場設備走行龍門吊橫梁，龍門吊最大起重量50噸，操作人員和設備架設在橫梁上紋絲不動，完全滿足投點平臺穩定性要求；同時，由于豎井周圍設置有圍壁，將逆向投點平臺遠遠高于圍壁，更有利于投完點后同井口周圍的控制點聯系測量。

③激光鉛垂儀逆向投點。

1）激光鉛垂儀的組成：主要由發射、接收、附件三大部分組成。

2）安置鉛垂儀器：在井底D0、D1、D2控制點上分別架設激光鉛垂儀，將儀器對中整平。

3）在預留口安放接收靶：在井口龍門吊橫梁操作平臺上D0′、D1′、D2′控制點150mm×150mm的預留孔上放置200mm×200mm的透明玻璃作為接收靶；采用透明的玻璃板主要是由井底逆向投射發射出的激光束可以穿透玻璃，便于在玻璃上畫點。

4）對徑投點：打開鉛垂儀激光電源，會有一束紅色的激光從望遠物鏡中射出，投射到井口頂部龍門吊橫梁上150mm×150mm預留孔的接收靶上，采用對徑讀數的方法提高垂準精度，操作儀器分別在0°、90°、180°、270°四個盤位投點定位，橫梁操作平臺上的測量人員用記號筆在玻璃接收板上分別確定4個激光斑點位置，4個方向所投的點位在玻璃接收板上構成近似于正方形，邊長在5mm以內滿足要求。

5）對徑交會刻點：將0度點和180度點以及90度點和270度點交叉連接，其交點即為該井底的鉛垂控制點。

6）形成三角形閉合環：鉛垂儀在井上及井下投下D1′和D1、D2′和D2、D0′和D0。D1′與D1在空間上為2個點，但投影到同一平面時就成為1個點；D2、D2′和D0、D0′情況相同。井上、井下導線通過投點連成一閉合環。詳見圖2。

7）另外2個D0、D2個控制點采用同樣的方法向上傳遞投點。

8）閉合環檢測：逆向投到井口頂部橫梁操作平臺上的D0′、D1′、D2′三個控制點組成三角形，可以采用全站儀TS30檢查相互之間的角度和距離關系，印證所投控制點的內符合精度。

9）多次重復2）～8）步驟，取其所投點位均值。

④井口逆向投點同地面控制點聯系測量：將井底逆向傳遞到橫梁操作平臺上的控制點D0′、D1′、D2′利用全站儀同井口附近的WH1和WH2控制點按照全站儀洞內二等導線的測量方法進行聯測，TS30全站儀不少于6個測回。

3.2.3 鉛垂儀逆向投點同鉛垂儀正向下投點比較測試

①為驗證鉛垂儀逆向投點的精度滿足要求，本工法按照傳統方法由井口操作平臺向下投點。為減少因鉛垂儀精度帶來的影響，采用精度為1/200000大連拉特生產的EN-20激光鉛垂儀和威特公司生產的精度為1/200000的ZL天頂儀同精度比較測試。2014年3月8日在寶蘭客運專線2號豎井進行比較測試。2號豎井井深56.78m，井底仰拱高程1064.000m，井口龍門吊橫梁高程1129.85m。分別將天底儀和天頂儀兩臺不同工作方法的儀器架設在井底和井口上方的走行龍門吊上。在井口上方龍門吊橫梁上架設天底儀，龍門吊橫梁距離地面約9m；此時，鉛垂儀距離井底控制點的高度66m，通過現場實際測量投點得到EN-20天底儀和ZL天頂儀結果一致，所投3個控制點D0、D1和D2的點位誤差全部在1mm以內，完全滿足豎井投點所需要的貫通精度要求，說明采用ZL天頂儀逆向投點方法可行、精度可靠、操作簡單實用。比較測試結果詳細見表1。

3.2.4 全站儀豎井高程逆向傳遞

①基點引測：采用檢定合格的徠卡DNA03電子水準儀將地面高程按照二等水準測量的方法和精度引測至井口操作平臺上D0′、D1′、D2′三個控制點上。

②儀器常數設置：測量前，先將TS30全站儀放置在豎井內適應境內環境約20分鐘，在此期間可以對全站儀棱鏡常數、氣壓、溫度進行設置；并將TS30全站儀自動搜索水平范圍加大180度，垂直搜索范圍減小到3度，本次測試采用的是迷你微型棱鏡，棱鏡常數為（PC：+17.5mm）。

③高程逆向導入：利用徠卡TS30測量機器人自動搜索、自動照準、自動測量、自動記錄等功能，在豎井井口與井底控制點的鉛垂線上方放置1個球形棱鏡，將TS30全站儀對中整平架設在井底D0控制點上，并量取儀器高度記錄在高程逆向投點專用記錄表格中。測量前輸入棱鏡常數。卸掉TS30全站儀提把，人工將全站儀大致瞄向井口上方的天頂球棱鏡，這是只需要看TS30全站儀顯示屏的天頂角顯示為0度就可以，開啟全站儀自動搜索、自動照準、自動測量功能，全站儀自動搜索并且自動照準到井口天頂方向上的球棱鏡開始測量，此時，全站儀顯示屏所顯示的距離加上儀器高度即為豎井高程。

④D1和D2兩個井底控制點的高程逆向傳遞方法同D0高程傳遞的方法一樣。

⑤高程導入精度檢測：待井底D0、D1和D2高程全部導入完畢后，在井底用全站儀三角高程或水平儀檢測閉合環是否滿足三等水準測量精度要求。如果精度超限，找出原因并返回第②步重復②～③步驟補測。

⑥經測試，TS30全站儀不需要額外的購買安裝彎管目鏡就可以自動照準天頂方向的棱鏡。

3.2.5 全站儀豎井高程逆向傳遞同垂尺導入法比較測試

①傳統垂尺導入法：采用在豎井內懸吊100m鋼尺的方法進行高程傳遞測量。井上和井下各安置水準儀分別讀取井口水準基點A塔尺a1和井底D0上的B塔尺b2；然后將鑒定好的100m鋼卷尺懸吊在井內；并應在鋼尺上懸吊與鋼尺檢定時相同質量的重錘。待鋼卷尺穩定時井上和井下水準儀通過對講機同時讀數a2和b2；每次應獨立觀測三測回，每測回要變動儀器高度，三測回測得地上、地下水準點的高差較差應小于3.0mm，三測回測定的高差進行溫度、尺長和自重張力改正，測量得出的三次鋼尺讀書取平均值。井底D0點的高程HD0=HA+（a1-b1）+（a2-b2）。

②D1和D2鋼卷尺導入法同D0一樣，待D0、D1、D2全部導入以后用井底水準儀測量閉合環，檢查導入的精度。

③全站儀高程逆向導入法同3.2.4。

④經測試，采用TS30全站儀高程豎井逆向導入D0、D1、D2三點所得高程同傳統的垂尺導入法結果一致。詳細比測結果如表2。

4 深豎井逆向坐標傳遞投點施工質量控制

4.1 關鍵工序質量控制標準

①鉛垂儀和全站儀對中誤差控制在≤1.0mm以內，鉛垂儀投點中誤差應在±3.0mm之內。

②全站儀2C值小于8″，豎盤指標差小于5″，測回間垂直角值較差小于5″，測回間測距較差小于1.5mm。

③鉛垂儀一測回測測量標準偏差≤1/200000。

④陀螺儀一次定向精度≤5″。

⑤隧道橫向貫通限差≤100mm。

⑥全站儀需要具有自動照準、自動觀測、自動記錄功能，測角精度≤1.0″，測距精度≤1+2ppm。

⑦井內導線按照《高速鐵路工程測量規范》隧道洞內控制二等控制網實施。

⑧聯系三角形邊長測量應采用檢定過的鋼尺并估讀至0.1mm，每次應獨立測量三測回，每測回往返三次讀數，各測回較差在地上應小于0.5mm，在地下應小于1.0mm，地上與地下測量同一邊的較差應小于2.0mm。

4.2 質量保證措施

①嚴格按照“三標一體化”的標準與要求建立了質量管理體系。

②認真編寫了激光鉛垂儀和全站儀逆向投點操作標準與作業指導書，嚴格按照編寫的作業指導書、相關標準規范執行，使每一個測量放樣環節都有章可循。

③逆向投點一次投點獨立完成三測回，是指每測回觀測完成后均變動鉛垂儀位置重新進行逆向測量，共有三套不同的完整觀測數據。這樣規定的目的一是提高精度，二是檢核粗差，保證成果可靠性。

④建立全員參與的質量管理體系，從制度上明確測量人員和各部門各作業隊的質量職責，使質量管理活動有章可循、有法可依。建立質檢巡檢制度，質量例會制度，嚴格執行驗收程序與質量獎罰制度，做到技術措施到位，質量意識到位，現場控制到位。

⑤在檢定周期內的儀器設備，要按相應規程每天自檢、自校，合格后方可投入到測量施工中。

5 結束語

本技術同傳統的測量方法相比：在豎井平面坐標采用ZL光學天頂鉛垂儀逆向投點傳遞同EN-20激光天底儀相比，效率提高6倍以上，同吊線法相比效率提高23倍以上。采用TS30智能全站儀逆向高程導入法，同傳統的吊線或鋼卷尺導入法相比，效率更高，至少提高效率1.5天以上，而且精度更可靠，尤其是豎井越深精度越高，同時，縮短了井筒占用時間。

本技術在深豎井平面坐標和高程導入中，打破傳統思維，緊跟科技發展，充分利用先進的測量設備，將高層樓房建筑用的天頂儀引入到高鐵隧道、地鐵隧道深豎井，由原來的采用向下正向投點改成逆向向上投點。高程導入利用徠卡TS30高精度智能全站儀可以向天頂方向搜索、照準、測量功能，將測距模式中的平距改為測量高程，該方法的改變，極大地提高了測量效率和保證了測量精度，確保隧道高精度貫通，并縮短了井筒占用時間，同時也節省了大量資金。據統計，采用深豎井逆向坐標傳遞投點施工技術后，寶蘭高鐵渭河特長隧道設有3個豎井，貴陽地鐵一號、二號線共計豎井3個，每個豎井至少逆向投點3次，共計節約最少30天。近年來，隨著國民經濟的快速發展，國內設有深豎井的特長隧道越來越多，本技術能夠適用于設有深豎井的隧道貫通測量、地鐵工程測量、礦山貫通測量、水利引水隧洞貫通測量等領域以及高層建筑物豎向高程控制與平面控制測量，應用前景廣泛。

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