基于鋼絲特性的深大基坑二維坐標傳遞技術與應用

王鑫 牛延平 蔣鵬鵬

中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司 江蘇 無錫 214000

1.研究項目背景

以某地鐵區段線路為研究背景， 本區段起止里程ZCK126+176.830～ZCK132+831.251，線路長7049.35m，其中車站長1017.8m、A站～C站區間軌排井兼盾構井長38.4m、區間隧道長5993.15m。施工任務包含“4站6區間”，A站～C站區間中間設1座軌排井兼盾構井，其余區間無中間風井，區段范圍示意見圖1。區段內G站采用半鋪蓋明挖順做法施工、D站站廳采用明挖順做法施工、D站臺采用礦山法施工、其余2座車站采用明挖順做法施工、1座軌排井兼盾構井（A站～C站區間）采用明挖順做法施工、6段區間隧道均采用盾構法施工、區間隧道之間聯絡通道均采用礦山法施工、2段隧道采用礦山法施工。區段范圍示意見圖 1。

圖 1 區段范圍示意圖（單位：m）

A 站～C 站區間，區間出A 站后，下穿林和西路隧道，經汽車客運站，側穿禺東大廈，下穿廣九鐵路后沿禺東西路向西前行，在下穿沙河涌及其上部橋梁后到達C站。左線里程范圍：ZDK12+294.072～ZDK13+374.681（短鏈2.172m），總長1078.437m，右線里程范圍：YDK12+294.072～YDK13+374.681，總長1 0 8 0.6 0 9 m。在Z D K 1 2+7 8 8.2 3 設一處聯絡通道，在ZDK12+617.915～ZDK12+656.118設置一處軌排井。

A站～C站區間軌排井位于天河區禺東西路南側地塊內，東側為汽車客運站，主體基坑寬度 24.8m，標準段基坑深約28.5m，軌排井總長為38.4m，軌排井位于緩和曲線上，北側較遠處為快速路高架橋。

2.視差引起的地面投向誤差分析

圖 2 視差引起的地面投向誤差分析示意圖

上述圖中符號：

Mo為視差影響下的鋼絲中心位置；No為觀測儀器中心位置；Mi為鋼絲中心；Δd 為鋼絲直徑和視差影響下的鋼絲中心偏離范圍直徑之間的差值；為鋼絲中心偏離視差影響下的中心的距離，即等于1/2Δd；C為儀器觀測中心到視差影響下的鋼絲中心的距離。

假設在坐標傳遞的過程中，儀器觀測中心No沒有誤差，而視差影響下的鋼絲中心位置Mo，存在一個誤差矢量元素，根據正弦定理得到：

如果要使得視差對觀測鋼絲的中心較為準確，可以近似認為C等于Mo與No之間的距離，也等于Mi和No之間的距離。即：，帶入上式(2-1)得：

根據上述計算求解，我們可以看出視線的偏轉角，不僅僅取決于儀器觀測中心到視差影響下的鋼絲中心的距離和鋼絲中心偏離視差影響下的中心的距離的影響，還與的大小息息相關。因為鋼絲中心Mi處在以視差影響下的鋼絲中心位置為圓心，為半徑的圓周的任意位置，所以的取值范圍為0～2。根據中誤差計算公式可以解算出同精度條件下多次觀測值的中誤差為：

根據上述計算求解，我們可以看出視差引起的地面投向總中誤差與鋼絲直徑和鋼絲距離儀器觀測中心距離（受視差影響）息息相關，當鋼絲直徑為0.3mm，視線長度為40m時，視差引起的地面投向總中誤差為1.5″，因此，應選擇小直徑、高強度的鋼絲，適當加大重錘質量，置于穩定液中。但在實際施工作業的過程中，鋼絲直徑可以根據現場環境，目測視距，根據比例關系，綜合多種因素布設合理網型，避免重錘產生“附生擺動”，使得觀測鋼絲的位置不是實際的靜止位置，從而導致觀測數據精度不可靠，產生粗差或誤差，影響基坑底部數據的準確性，為基坑安全質量和隧道準確貫通埋下隱患。

3.深基坑坐標傳遞作業方法及數據成果

由于C站區域情況的特殊性（C站左線全長312m，右線全長277m，對應區間左線隧道470環～635環，右線隧道470環～610環，2#橫通道在平面上對于隧道管片550～565環之間，2#橫通道開挖底部距隧道管片頂部45cm，小導洞開挖底部距隧道管片頂部1m。區間隧道埋深33m，采用“先隧后站法”施工），不能直接懸掛鋼絲至A站～C站區間內，但為了指導C站～D站區間盾構掘進，為保證洞內導線精度，先通過鋼絲幾何特性，將地面坐標傳至深基坑地板轉點（邊長比例滿足解算要求的位置），然后在地板施工區域打孔，二次懸掛鋼絲，利用4根鋼絲與地板轉點之間的相對邊角關系解算，將坐標傳遞至A站～C站區間隧道內，軌排井至C站盾構區間長度為629m，需在軌排井至C站區間做兩井定向，采用無定向導線解算隧道內二維坐標。

圖 3 區間隧道與C站縱面關系圖

3.1 起算數據復核

A站～C區間范圍內，GPS首級控制點互不通視，無法實現定向坐標傳遞，因此設置加密點，構成兩端為GPS點GPS28、GPS258、GPS259、GPS201首級控制，中間為加密點SH2、XIJ047-1的精密導線網，且相鄰導線點間以及導線點與其相連的GPS首級控制點之間的垂直角小于30度，此附合導線按照三等施工控制網技術要求施測，在整個測量過程中，對前后兩個方向按照左右角各3個測回進行觀測。采用加密導線網來復核軌排井場地內近井點GPJJJD與C站近井點SHZJJD坐標及坐標方位角精度，并以此為起算數據。

3.2 C站鋼絲位置設定

在C站近井點SHZJJD合理視場范圍內，懸掛直徑為￠0.3mm的兩根鋼絲GS1、GS2直至地板，重錘為10Kg，重錘浸沒在油桶中，嚴禁觸碰油桶內壁及底部。于A站～C站區間左、右線管片頂部與C站爆破施工相交區域，采用鉆孔投遞鋼絲的方法，將GSYX、GSZX懸掛至A站～C站區間左、右線洞內。

3.3 數據成果獲取

3.3.1 深基坑地板數據獲取

利用地面近井控制點SHZJJD與加密導線點SH2的坐標，反算得出起算方位角，借助全站儀觀測鋼絲與已知點的邊角關系，根據坐標正算得出鋼絲二維坐標，在C站底板設置一臨時點ZD，在ZD處采用全圓測回法依次觀測GS1、GS2、GSYX、GSZX得出其相互之間的邊角關系，將坐標正算得出的鋼絲的二維坐標進行“偽一井定向”坐標處理，推算GSYX、GSZX的二維坐標。

圖 4 C站鋼絲坐標解算示意圖

3.3.2 A站～C站區間洞內數據獲取

根據盾構掘進過站的實際情況，在軌排井～C站區間左線洞內埋設10個導線控制點（ZX3、ZX4、ZX5、ZX6、ZX7、ZX8、ZX9、ZX10、T503、ZX11），通過做兩井定向來確定地下各控制點的坐標與導線邊的方位角。以T503～ZX11為井下起算邊分別進行左線洞內延伸導線的控制邊。

3.3.3 數據成果精度分析

地鐵是地下線形（隧道）與結構（車站）的結合體，而且地下線形（隧道）的施工往往受到結構（車站）的范圍、基坑深度等多方面制約，施工工藝困難重重，其施工測量的施測環境和條件也非常復雜，要求的施測精度又相當高，必須精心施測和進行成果整理，工程測量成果必須符合相關規范的要求，這就注定了精密測量工作對地鐵施工行業的重要性。A站～C站區間地面范圍內精密導線角度閉合差為限差的十六分之一，區間聯系測量無定向導線解算成果左線角度閉合差為限差的二十分之一，最大點位誤差為5.3mm；右線角度閉合差為限差的二十分之一，最大點位誤差為3.4mm。其多組觀測值之間較差，以及與采用陀螺方位角解算所得的坐標方位角之間較差均滿足規范要求。