地鐵施工中精密工程的控制測量復測技術研究

趙佳楠

（中鐵一局集團有限公司廣州分公司，廣州511492）

1 引言

近年來，隨著我國城鎮化、機械化進程的不斷加快，交通堵塞成為一大交通問題，形成了困擾城市發展的難題[1]。而地鐵建設是受國際青睞解決大城市交通問題的首選方式，其具有客運量大、準時、速度快、安全舒適和能源消耗小等優點，發展地鐵是解決當前國內交通問題的有效途徑。地鐵建造主要包括車站建設與隧道建設。車站建設主要采用明挖回填法與鉆挖法對加密控制點直接放樣建造；隧道建設通常采用明挖順作法和基坑蓋挖順作法，使地面和地下坐標保持一致，以地下導線為標準，根據起算坐標和方位角測量并控制地下開挖，保證隧道的方向正確貫通[2]。在復雜、耗時耗力的地鐵施工中，利用多種測量方式對地鐵進行施工測試是成功的關鍵因素，因此，精密工程的控制測量技術是直接影響隧道貫通精準度的關鍵點。

地鐵測量是地鐵施工建設工程中十分重要的環節，它的主要特點可以分為3個方面，地鐵施工測量內容較多、測量時間久；地鐵的開挖施工涉及區域面積大，要經過城市繁華商業區，因此，對地鐵車站建設精準度的要求很高，對隧道貫通測量精準度的要求也十分嚴格[3]；對于地鐵的總體規劃、分期建設的特點，地鐵站測量工作必須保證各路段、線路的準確銜接。

綜上所述，以上特點對地鐵施工的精準測量有重要影響，所以，需要根據地鐵施工中的具體情況而定，必要時采取一些特殊技術措施。

2 精密工程的控制測量復測技術設計

2.1 布設地鐵施工中精密工程控制網

結合地鐵施工過程中的實際情況以及施工區域的地面沉降大且不均勻、無規律可循的特征，地鐵施工過程中的精密工程的高程控制點布設有一定要求，首先要求按基巖點、深埋水準點和加密水準點3種類型進行布設，并且必須在線路施工的影響范圍之外[4]。各點埋設深度不同，依據施工沿線地質條件來決定。基巖點埋設深度通常情況下是300～400 m，深埋水準點埋設深度通常是30～50 m，密埋水準點埋設深度通常是3～5 m。

為了保證地鐵施工中軌道鋪設的牢固性，基礎網的加密水準點高程必須達到2 mm/km的精準度。根據二等水準測量觀測中誤差的限差要求[5]，符合深埋水準點上的加密水準路線，最弱點誤差應為：

式中，m為單位公里內水準測量在高差觀測中的誤差；L為與水準路線附和的長度。

假設深埋水準點間的路線長度為5～6 km，根據式（1）可得出加密水準最弱點的精度為（±0.84～±0.92）mm。那么以4～5 km的間距布設深埋水準點，中間布設加密水準點，按照國家二等水準測量的精度進行檢測[6]，才能使加密最弱點的精度優于2 mm。

深埋水準點的高程要求按國家一等水準測量的標準施測，并復核基巖水準點。國家一等水準測量中誤差的限差要求是每公里高差觀測的中誤差是±0.45 mm。假設基巖點之間的水準路線長度為25～35 km，由式（1）可得出最弱點的精度為（±1.01～±1.23）mm，因此，以30 km為一個間隔來埋設基巖點，那么國家一等水準路線的長度就低于35 km，進而保證最弱點精度優于2 mm（這里和城市軌道交通工程測量規范中不吻合，城市軌道交通工程測量規范不設計國家一等水準）。

考慮到造價層面，根據上面的精度分析，每30 km一個基巖點，每5 km一個深埋水準點是比較理想的[7]。那么全線應布設基巖點5個，深埋水準點25座。

精密工程的平面控制網需要按照首級GPS網（見圖1）、次級GPS基礎網、GPS加密網以及精密導線網的形式布設。

圖1 首級GPS網結構圖

首級GPS網、次級GPS基礎網分別與水準基巖點、深埋點的埋設一同參考。應在基巖點和深埋水準點上建成觀測墩，同時建立強制歸心標志。首級、次級GPS網構成三角形和四邊形獨立閉合環，以保證控制網的安全性。GPS加密網點間距在1.5～2 km，約100個，沿線布設的原則是既要便于加密布線又要滿足施工需要，并盡可能地讓點間通視，困難地段有必要增加方向輔助點。首級、次級、加密GPS網的技術要求分別以B、C、D級網的技術標準為參考（規范明確城市軌道交通衛星定位網設置兩級），工程現實情況要求各級GPS網的平面坐標點位精度要優于10 mm。

線路導線布設在加密GPS網的基礎之上，平均邊長為180～200 m，點數約在500個，點位布設原則是方便施工，點位埋設標準與加密GPS點一致。導線的測角誤差應為2″。

2.2 確定地鐵施工中精密工程貫通測量誤差

城市軌道交通工程貫通測量誤差是受兩個方面的影響，一是設計所給出的隧道結構限界裕量允許偏差值，二是測量儀器的精度情況。設計中通常給出的隧道結構限界裕量是每側100 mm，這其中主要包括施工帶來的誤差、測量過程中誤差、變形導致的誤差等[8]。施工初期，支護鋼筋格柵的安裝允許產生±30 mm的誤差，而噴射混凝土平整度要求隧道橫向偏差為±30 mm為最佳，變形誤差在±20 mm以內為合格，那么從式（2）可以得出，采用這一施工方式下貫通測量誤差允許值M4=±88.3 mm。

式中，M為誤差允許范圍總值；M1表示地面控制測量的誤差；M2為豎井連續測量的誤差；M3為地下控制導線測量的誤差；M4為隧道橫向貫通誤差。

參照以上貫通誤差制定的標準，以及各個測量環節現實工作中能夠達到的精度，借鑒軌道交通貫通測量所采用的不等精度分配方法，將貫通誤差定義為軌道交通平面測量的重要步驟[9]。這就需要地面控制測量的誤差在±25 mm，而且豎井連續測量的誤差范圍是±20 mm，另外，地下控制導線測量的誤差值范圍是±30 mm，隧道橫向貫通誤差是在±43.8 mm＜±44.2 mm。

目前，通常情況下城市軌道交通工程設計所給到的高程安全裕量為70～100 mm，相對較大。就目前測量儀器、設備狀況以及隧道結構的豎向允許偏差3方面來看，土建施工方滿足貫通誤差設計要求比較容易做到。但是，城市軌道交通工程采用整體道床鋪軌方式，因此，提高了標準，將地鐵高程貫通測量誤差確定在±25 mm。將誤差分配到高程測量的各個環節[10]。地面高程控制測量的允許誤差為±16 mm，高程傳遞測量的允許誤差為±10 mm，地下高程測量的允許誤差為±16 mm。則高程貫通測量允許的誤差范圍是Mh=±24.7 mm＜±25 mm。

2.3 設計地鐵施工中精密工程的控制測量復測流程

基于確定地鐵施工中精密工程貫通測量誤差，設計了地鐵施工中精密工程的控制測量復測流程，具體步驟如下：

步驟一：將2臺安平投點儀安放在井架的2個端點位置處，并使其與地鐵施工井下的端點位置對應；

步驟二：在地面上方將全站儀安放在井點附近，用于觀測角度和邊長，并測定2臺安平投點儀的坐標；

步驟三：在井下將陀螺經緯儀安放在西2點，采用逆轉點法測定陀螺的方位，將陀螺經緯儀取下，再將全站儀安放在西2點上，觀測井下角度和邊長，確定西2點的坐標，完成地鐵施工中精密工程的控制測量復測工作。

綜上所述，通過設計地鐵施工中精密工程的高程控制網和平面控制網，布設了地鐵施工中精密工程控制網，通過確定地鐵施工中精密工程高程貫通測量誤差精度指標和平面貫通測量誤差精度指標，確定了地鐵施工中精密工程貫通測量誤差，結合地鐵施工中精密工程的控制測量復測流程設計，實現了地鐵施工中精密工程的控制測量復測。

3 實驗對比分析

為了驗證提出的精密工程控制測量復測技術具有更高的精度，引入傳統精密工程控制測量復測技術，分別以井上施工和井下施工為背景，進行了對比實驗。

地鐵井上施工中精密工程的控制測量復測誤差對比結果如圖2所示。

圖2 地鐵井上施工中精密工程的控制測量復測誤差對比結果

從圖2的結果可以看出，在地鐵井上施工中精密工程的控制測量復測誤差方面，提出的精密工程控制測量復測技術與傳統精密工程控制測量復測技術相比，具有更高的精密工程控制測量復測精度。

地鐵井下施工中精密工程的控制測量復測誤差對比結果如表1所示。

表1 控制測量復測誤差對比結果%

從表1的結果可以看出，地鐵井下施工中，傳統精密工程控制測量復測技術的控制測量復測誤差將近15%，而提出的精密工程控制測量復測技術可以將地鐵井下施工中精密工程的控制測量復測誤差控制到10%以內，平均復測誤差為6.12%。

4 結語

本文提出了地鐵施工中精密工程的控制測量復測技術研究，通過布設地鐵施工中精密工程控制網，確定了地鐵施工中精密工程貫通測量誤差，結合地鐵施工中精密工程的控制測量復測流程設計，實現了地鐵施工中精密工程的控制測量復測。結果顯示，提出的控制測量復測技術具有更高的精度。