關于開展某市城市軌道交通框架測量控制網建設的工作建議

任燕

摘要：本文分析了某市城市軌道交通控制建設網現狀及問題，為實現全市各條線路之間的結構和線路換乘車站準確銜接，為城市軌道交通近期、遠期建設目標提供穩(wěn)定高精度基準，提出了開展某市軌道交通框架測量控制網建設的工作建議，對全市軌道交通線路的建設運營、整體聯(lián)調具有十分重要的指導意義。

Abstract： This paper does some research on the current situation and problems of urban rail transit control network construction in a city. Some suggestions on the construction of urban rail transit framework measuring control network are proposed， in order to realize the accurate connection between lines and to provide a stable and high-precision reference for the construction of urban rail transit.

關鍵詞：城市軌道交通;框架測量控制網;GPS;水準點

Key words： urban rail transit;framework measuring control network;GPS;level point

中圖分類號：U212.24 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）12-0142-05

0 ?引言

城市軌道交通的特點包括施工測量精度要求高、建設周期長、互相換乘、分期建設、網狀規(guī)劃等，所以其要求較高的測量控制網精度和統(tǒng)一性，且相鄰點相對精度要求更高[1]。

隨著新建線路的增加，軌道交通線網初具規(guī)模，規(guī)劃線路與已運營線路的聯(lián)系日益增多，如何保證換乘線路之間的結構和線路準確銜接，是地鐵控制網設計時必須考慮的問題。

現階段城市建設速度驚人，城市基礎設施和建（構）筑物不斷增多，城市建設對地下水的不斷開采，市域內出現了多個漏斗，以漏斗為中心形成地面多個沉降中心，地面沉降及其差異性沉降對高程控制測量影響較大。以往按照線路布設的高程控制點將隨著地面沉降一同發(fā)生沉降，控制點間的差異沉降對指導地鐵施工產生極大的影響，同時拆遷、修建道路等往往造成控制點點位嚴重丟失破壞，因此在控制網使用期間需要不斷對控制網進行復測和維護。

結合城市軌道交通近期、遠期建設目標，在軌道交通建設初期一次成型的城市軌道交通工程框架測量控制網，使其具有穩(wěn)定、可靠的、統(tǒng)一的特點，可滿足滿足軌道交通在建或后續(xù)建設工程使用以及運營維護的需求，且十分迫切。本文針對某省會城市軌道交通測量控制網現狀及存在問題，參考國內其他城市建設軌道交通框架測量控制網的實際案例，結合該市軌道交通2號線工程建設需求，提出關于開展該市軌道交通框架測量控制網建設的工作建議與設計思路。

1 ?現狀

1.1 平面控制網 ?某省會城市平均海拔約800m，市測繪院提供的起算控制點采用的是本市城市獨立坐標系，此坐標系采用海平面（海拔高程為0）作為投影面，軌道交通線路中間每千米的投影變形值粗略計算達13cm左右，線路兩端的變形值甚至達到米級，這樣大的投影變形遠遠超出了各類測量規(guī)范對于長度投影變形值的規(guī)定，同時也降低了設計所需要的大比例尺地形圖的精度，不能滿足地鐵工程建設的需要。

該市軌道交通2號線一期工程建設時委托了第三方測量單位和市勘察測繪研究院對2號線的控制點坐標重新進行了投影解算，解算后又對前期測量的地形圖、管線圖甚至于設計出的施工圖進行坐標轉換，增加了參建各方的工作量及成本，也對工程進度造成影響。

1.2 高程控制網 ?該市有3個深層基巖點，分別位于市東山、西山及西南方向山上作為城市水準基點，該市軌道交通2號線一期工程沿線共采用11個城市二等水準點（均為地面普通點），由市勘察測繪研究院于2015年12月進行聯(lián)測，做為2號線一期工程水準網的起算點。由第三方測量單位進行加密，作為施工水準控制點。

1.3 存在的問題 ?結合某市現有城市控制網建設現狀，若將該市現有城市控制網應用于城市軌道交通建設，則存在以下問題：

①該市城市控制網的建設最初是為了滿足大比例尺地形測圖和一般工程建設定位放樣的需要[2]，而城市軌道交通工程測量則需精密工程測量。由于目前城市控制網建設將海平面（海拔高程為0）作為投影面，其與平均海拔面相差較大，使得投影變形過大，因此城市控制網的測量精度和密度均無法滿足地鐵工程建設的需要。

②地鐵工程建設周期長，控制網需要在建設期和運營期的全過程發(fā)揮作用，因此需要點位穩(wěn)固且能長期保存。由于城市擴建、地下水開采等原因的綜合影響，該市城區(qū)范圍存在不均勻沉降，城區(qū)南部清徐、小店、晉源區(qū)沉降較大，城區(qū)北部沉降較小，形成城區(qū)南北部的明顯沉降差異。城區(qū)存在的差異沉降對軌道交通的建設造成很大的影響。而目前本市水準點布設均為地面普通水準標石和墻上標志，會隨著地表沉降一同沉降，因此城區(qū)南北部的差異沉降使得由它測出來的高程無法反應出車站和區(qū)間的真實高程值。從2015年1月至12月，城區(qū)沉降量為0-55mm，南中環(huán)街以北沉降量較小為0-10mm，南中環(huán)街以南沉降量較大為10-55mm。

③該市軌道交通2號線一期工程測量控制網均以城市控制網為基點，平面及高程測量控制點數據由市勘察測繪研究院提供，為保證控制網成果的可靠，控制網需整體統(tǒng)一聯(lián)測，成果定期維護和更新，而既有城市控制網并不是專門為城市軌道交通而設立，因此數據維護更新的及時性不能滿足軌道交通施工要求。這樣給各條線路的銜接、長距離的隧道正確貫通、高質量的鋪軌及車站施工過程中的監(jiān)測工作帶來極大困難。

由于該市沒有統(tǒng)一的軌道交通首級控制網，目前2號線一期工程控制網為單獨的控制網，雖然在后續(xù)線路建設期間可與既有線路的控制網進行聯(lián)測以保證銜接質量，但是無法從整體上對控制網進行優(yōu)化調整。由此可見，從城市整體建設、施工運營安全出發(fā)，建立一套滿足精密工程測量、點位穩(wěn)定、整體統(tǒng)一的測量控制網是十分必要的。

2 ?總體設計建議

2.1 建設方案提議 ?基于某市平面控制網和高程控制網的建設現狀，針對2號線一期工程建設使用現有城市測量控制網存在的問題，提議為某市建立一套穩(wěn)定、可靠、統(tǒng)一的城市軌道交通工程框架測量控制網。

全市統(tǒng)一、精密的城市軌道交通工程框架測量控制網，不僅可有效提高各條軌道交通線路控制網的精度和兼容性，確保線路之間的順利銜接，還能夠為城市軌道交通工程勘測設計、建設施工、運營維護等各階段提供更高精度的、統(tǒng)一的測量基準。此外，它可明顯提高加密控制網構網精度且分布均勻，聯(lián)測工作簡單易行，各段落的銜接更有保障。更重要的是，控制網專門為城市軌道交通而設立，覆蓋整個線網，可從整體上對控制網進行調整統(tǒng)一聯(lián)測，成果定期維護和更新，滿足軌道交通施工要求。

目前國內北京、廣州、上海、昆明、南寧、石家莊城市等已經采用此種模式進行控制網布設并投入運營，作為軌道交通框架測量控制網建設的成功案例，為某市提供了建設軌道交通框架測量控制網可行性依據與理論參考。

①在2004年廣州市就完成了適合本市2010年軌道交通建設發(fā)展的整體控制網，并且經過權威專家的驗收評審，經過多年使用實踐發(fā)現，全面布網取得了不錯的效果，能夠很好的滿足地鐵規(guī)劃和建設需要。②昆明在2012年完成了其城市軌道交通工程框架網的測設工作，并通過了由陳俊勇、許其鳳等院士組成的專家組的驗收評審。全網覆蓋面積3300km2，涵蓋規(guī)劃的設計線路。③石家莊地鐵在勘測設計階段布設了覆蓋一期規(guī)劃的首級骨架控制網，基本覆蓋整個石家莊建成區(qū)，共布設30個GPS控制點、13個深埋水準點，其中基巖點2個，深埋點11個。

2.2 建設思路 ?參考軌道交通建設形勢需求，建立一套覆蓋某市所有軌道交通規(guī)劃、在建線路的測量平面和高程框架控制網：一能夠滿足新舊線線路、結構銜接的要求;二新建控制網規(guī)模大，網點有一定的冗余，能夠提高控制網的精度及增加控制網的可靠性，且其維護和擴展交便捷，最重要的是即使某個控制點發(fā)生異常情況，也能夠在較短時間內用其周圍的控制點進行檢測和恢復。本文從三個方面提出建設思路，分別是控制網的坐標系統(tǒng)選擇、測設與維護、質檢三方面。

2.2.1 控制網坐標系統(tǒng)選擇 ?控制網采用的坐標系與城市基礎建設基準基本一致，方便軌道交通規(guī)劃、施工和竣工等各項工作。控制網應聯(lián)測該市CORS站，提供滿足施工要求的地方坐標系成果。考慮今后國家推行CGCS 2000坐標系的要求，還應提供CGCS 2000坐標系成果，并提供轉換參數。

2.2.2 控制網測設與維護 ?控制網的建立及維護由一家有過框架網建設經驗的專業(yè)單位主持完成。控制網從整體設計到提交使用，需要考慮與國家、城市坐標系的統(tǒng)一、不同系統(tǒng)的參數轉換、符合當地軌道交通線網建設要求的針對性布點設計、標準統(tǒng)一的埋點及觀測方案、大網觀測實施調度管理、嚴密的成果平差計算處理過程、成果分析及提供、后期控制網信息化平臺管理等關鍵技術。其中一些關鍵指標直接涉及到建網的成敗。

因此上述測量控制網的測設和維護由一家技術水平高、地鐵測量經驗豐富的測量單位主持完成，以保證遵循規(guī)范要求，并保證控制網的質量。

2.2.3 控制網質檢 ?方案的制定、實施過程、成果編制過程充分利用專家資源，嚴格過程質量管理，保證建網質量。控制網的實施方案組織專家進行評審，其結果由第三方的測繪成果質量檢驗部門進行檢查驗收。

2.3 設計路線 ?城市軌道交通一般具有網狀規(guī)劃、分期建設、互相換乘、建設周期長、施工測量精度要求高等特點。如何保證各條線路之間的結構和線路換乘車站準確銜接，克服控制點點位在城市化進程中的嚴重丟失破壞和城市沉降漏斗對傳統(tǒng)施工和運營測量控制網的影響，保障地鐵施工和運營安全，是某市軌道交通框架測量控制網建設丞待解決的問題，是控制網的設計、踏勘、施工、竣工、維護等各階段必須滿足的需求指標。以某市2號線的建設需求指標為參考，某市軌道交通框架測量控制網的總體設計，需從以下幾個方面考慮：

①統(tǒng)一的測量控制標準。使不同軌道交通線路具有統(tǒng)一的測量控制標準，可以保證換乘節(jié)點精確銜接，同時亦可保證軌道交通線路周邊地形測繪的精度。目前已經處于建設中的2號線有多個車站為換乘車站，控制測量采用2號線的坐標系統(tǒng)，若不統(tǒng)一不同線路間的測量控制標準，后續(xù)可能造成1、2、3線車站區(qū)間對接誤差超限，存在影響運營質量的風險（限速等）。

②降低地形差異引起的誤差影響。由于某市城區(qū)海拔在800m，其城市坐標系基于大地標準面（0m）設立，該投影誤差單條線路為米級。目前2號線的南北兩端投影面誤差達到約1.3m，導致軌道交通與周邊既有管線建（構）筑物高程不一致，對地形測繪、設計、施工等工作造成了很大影響。建設軌道交通框架測量控制網，全面覆蓋布設高精度控制點位，可以有效避免高斯投影誤差的影響。

③避免不均勻沉降的影響。某市地區(qū)局部沉降不均，建設軌道交通框架測量控制網過程采用施作深樁控制點，有效避免基準點不均勻沉降帶來的影響。同時，為了避免已知控制點由于所屬建筑物不均勻沉降、歷史遺留等原因，造成的控制點間相對精度的損失，在GPS計算時需要對起算點進行分析[3]。

目前2號線已經出現了水準測量基準點沉降過快、過大的情況，軌道公司針對此問題召開了專題會議，最終決定通過埋設深樁控制點解決此問題。

④長遠規(guī)劃，持續(xù)拓展。在某市軌道交通后續(xù)運營、商業(yè)開發(fā)等過程中，城市軌道交通框架測量控制網應該能夠持續(xù)發(fā)揮作用。依據某市軌道交通商業(yè)開發(fā)的遠期規(guī)劃，部分商業(yè)開發(fā)需與軌道交通線路對接（管線、出入口等），如無框架測量控制網，對接精度很難保證，且費時費力。

軌道交通框架測量控制網在線路施工圖設計前進行布設效果最佳（如石家莊），這樣可以更好地指導設計、勘察、地形圖測繪、沿線管線建（構）筑物調查等工作。

根據某市軌道交通建設規(guī)劃及建設過程中存在控制測量的問題，建議在1、2、3號線全面建設前，建立以1、2、3號線為基礎的軌道交通框架測量控制網，隨著后續(xù)線路建設工作的開展，逐步拓展、擴充。

2.3.1 GPS及水準框架控制網點位布設設計 ?根據某市軌道交通在建線路及近、遠期線網規(guī)劃方案，GPS控制網設計及各項精度指標是依據《城市軌道交通工程測量規(guī)范》GB/T50308-2017（以下簡稱《規(guī)范》）及相關規(guī)范要求制定。設計GPS和水準控制點如下：

GPS控制點46個，點間距10km左右。

深樁水準控制點16個，點間距20km左右，深樁控制點深度見表1所示。

城市二等水準控制點（軌道交通一等水準點）84個，點間距5km左右，估算水準路線長度850km（單程）。

選點時要綜合兼顧以下因素：觀測條件、點間通視方向、點間距離、能否長期保存、是否受地鐵施工影響、是否線路交叉或銜接處的重合點、是否利于下一級精密導線的發(fā)展等[4]。

GPS及水準控制點布點圖見圖1所示。

2.3.2 GPS及水準控制點埋設設計 ?①GPS控制點埋設。點位埋設過程中要同時兼顧到保存作用和利用作用兩方面的要求[5-6]。控制點標石應設在基礎穩(wěn)定，不受施工和其它人為活動干擾，且能夠長期保存的地點。一般設在樓頂和埋設在新老城區(qū)空曠的地面或周邊的山頂上，樓頂標石規(guī)格和埋設標準按圖2設計要求執(zhí)行;地面或山頂GPS點埋石標準按圖3設計要求執(zhí)行。

埋石結束后按附表繪制點之記，點位標識要牢固清楚，并辦理測量標志保管書。

②水準點埋設。1）水準點應選在施工影響的變形區(qū)域以外穩(wěn)固、便于尋找、保存和引測的地方。在線路起終點及線路交叉附近布設1個水準基點。2）深埋水準點的埋設深度需要結合地質情況確定，樁底埋設在穩(wěn)定的持力層上。3）地面GPS框架點位置與埋設滿足水準點的布設與埋設要求時，可在GPS框架點樁位基礎上埋設水準點標志。

水準點標石規(guī)格和埋設標準根據選點位置地質情況按以下四種水準點標識的設計要求埋設。

水準點標石埋設結束后，繪制點之記，并辦理水準點委托保管書。

3 ?結語

城市軌道交通框架測量控制網是為軌道交通工程布設的專用控制網，是城市軌道交通工程所有測量的基礎核依據，是城市軌道交通工程全線線路與結構貫通的保障[7]。本文立足于某市2號線地鐵工程建設需求，分析該市控制網現狀與軌道交通建設存在的問題，提出建立某市專用、穩(wěn)定、可靠、統(tǒng)一的城市軌道交通框架測量控制網的工作建議。同時，結合某市地鐵2號線建設實際情況，對城市軌道交通框架測量控制網的建設思路、設計路線進行長遠規(guī)劃性分析，以期一次成型建立服務于全市各軌道交通線路建設各階段的全市一體、統(tǒng)一運營、高精度、穩(wěn)定可靠的測量基準。

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