基于多級控制網測量技術的電纜隧道軸線三維數據測量方法

寧科，王敏

(國網上海市電力公司，上海 200122)

隨著電力電纜在城市電網的大規(guī)模應用，電力電纜在上海電網所占的比重已經超過架空線路輸電方式，成為上海電能的主要輸送方式。上海110 kV及以上電壓等級的電纜主要采用排管敷設或隧道敷設方式。由于電纜隧道內無法接收全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，簡稱GPS)信號，只能通過已知位置點依次測量未知點，這會造成誤差的疊加，使測量誤差越來越大。傳統(tǒng)的測量方法由于受條件的限制，僅依靠施工方的竣工資料及設計資料進行，因此電纜隧道的測量工作由于測量誤差的不斷疊加，經常會出現超過允許誤差的情況。當前主要依靠全站儀和水準儀等測繪儀器，采用人工畫線的方法進行電力電纜隧道軸線的測量。測站點坐標由控制點引線測量計算得到，聯(lián)系測量由鉛錘直接傳遞，隧道軸線點通過鋼尺畫線求得，而這3個環(huán)節(jié)均會引入較大的誤差。如某些電纜隧道施工方提供的竣工資料數據，與測繪院測繪結果最大相差可達0.52 m[1]。

因此，本文將多級控制網測量技術運用到電力電纜隧道軸線測量，通過該方法可以精準測繪電纜位置并定位隧道電纜，滿足110 kV及以上電壓等級輸電電力電纜隧道測量精度≤0.1 m[2]的要求，同時方便日后的檢修和維護工作。

1 基于多級控制網測量技術的電纜隧道軸線總體測量方案

當前電纜隧道通道的測量均是由較遠處引點通過測算獲得測站點坐標，根據測站點坐標引點至隧道井內進行隧道軸線坐標測量。電纜隧道測量的難點主要在將地面的控制點準確地傳遞到井下，并且驗證控制點的正確性和精度以及確定隧道軸線位置。

多級控制網測量技術對測量進行了分步，分為首級控制網、高程控制網、平面聯(lián)系測量和高程聯(lián)系控制，結合電纜隧道軸線測量的需要，設計的總體測量方案如圖1所示。

圖1 電纜隧道軸線總體測量方案

該方法將最終誤差進行有效分解，每一步都必須控制好誤差及誤差的傳播，根據每一步的誤差大小，選擇合適的儀器和方法。

2 隧道電纜軸線測量的實施

根據多級控制網測量技術并結合電纜隧道測量的工作實際，對測量中的各個環(huán)節(jié)進行敘述。

2.1 首級控制網測量

首級控制網采用靜態(tài)GPS系統(tǒng)對控制點坐標進行采集、計算，該方法與傳統(tǒng)控制點推算法相比，具有準確性高、受外界環(huán)境影響小等優(yōu)點[2-3]。靜態(tài)GPS獲取控制點坐標方法如圖2所示。

圖2 靜態(tài)GPS獲取控制點坐標原理圖

在使用首級控制網測量技術時，作業(yè)人員需根據最近圖紙定位測量點，并保證定位點與圖紙給定點誤差范圍≤0.5 m；根據測量需求情況布置GPS設備，一般要求GPS臺數≥4；GPS架設點需與確定的定位點一致；衛(wèi)星高度角設定為≥15°。在使用過程中，天線安置應嚴格整平、對中，天線標志線指向正北，儀器天線高度值取3次，分別是測前、測中、測后，再取平均值，每次從3個方向量取，數據采樣間隔設定為15 s。

2.2 高程控制網測量

在測量電纜隧道軸線時需利用精密水準儀及配套的銦瓦水準標尺，按《國家一、二等水準測量規(guī)范》二等水準測量要求進行外業(yè)測量。為了便于高程的傳遞，需要在每個井口都留有相應的高程控制點，將所有井口的高程控制點與已知控制點串聯(lián)成一條符合的二等水準路線[4]。

2.3 聯(lián)系三角形法測量

聯(lián)系三角形法原理是通過豎井懸掛2根鋼絲(為了檢核大多懸掛3根鋼絲)，由井上近井點測定鋼絲的距離和角度，從而算得鋼絲的坐標以及它們之間的方位角，然后在井下確認鋼絲的坐標和方位角已知，通過測量和計算得出地下導線起始邊的坐標和方位角。

聯(lián)系三角形法吊2根鋼絲聯(lián)系測量示意圖如圖3所示。在隧道兩端盾構井附近(盡可能在隧道軸線方向上)各布設一個控制點(此處假設為A和B。A和B應為地面控制點)，并要求A，B兩點相互通視。在盾構井的井口附近(盡量在隧道軸線的上方)設一強制對中控制點JS(井上近井點)，每次進行聯(lián)系三角形定向時，均通過A，B兩點對近井點進行檢測。在豎井內懸掛2根直徑0.3 mm 的具有相當強度和韌性的鋼絲至井底，下端各掛一個10 kg 左右的重錘，并置于油桶中。

圖3 吊2根鋼絲聯(lián)系三角形測量示意圖

由于吊2根鋼絲缺少檢核條件，對于超長隧道(隧道長度大于7 km)建議采用吊3根鋼絲，增加檢核條件，確保聯(lián)系測量的精度，如圖4所示。

圖4 吊3根鋼絲聯(lián)系測量示意圖

地面近井點端一根為O1，對面兩根為O2和O3，定向角O2-JS-O1和O3-JS-O1小于1°，O1與O2和O1與O3之間的距離盡可能大，邊長JS-O1與O1-O2和JS-O1與O1-O3之比要小于1.5，3根鋼絲與JS形成兩個狹長的直伸三角形。在JS的同一方向的隧道內安置一強制對中點JX(井下)，此點也可以是地下導線點，JX 與3根鋼絲的關系同JS。在隧道內設一個導線點DX1，DX1與JX的距離不小于120 m。3 根鋼絲的相互位置關系及其與測站的位置關系嚴格按照相關規(guī)范執(zhí)行。待重錘穩(wěn)定后，井上和井下利用測角精度1″或0.5″級的儀器同時進行觀測。井上以A或B為后視方向，井下以DX1為后視方向，方向觀測采用全圓測回法。邊長測量不使用傳統(tǒng)的鋼尺量距，采用了新的測量方法，即在鋼絲上粘貼反射片，利用全站儀光電測距的方法來測量邊長，鋼絲間的距離利用對邊測量方法得到。這種方法不但速度快，而且精度也較高，完全符合限差的要求。邊長測量各3次，3 次互差小于1 mm，同一邊井上和井下較差小于2 mm。

采用吊3根鋼絲聯(lián)系三角形法地下導線起始方位角的推算如圖5所示。

圖5 吊3根鋼絲聯(lián)系三角形法地下導線起始方位角推算圖

第一步：計算兩吊垂線間距，根據全站儀所測結果，可求得O1和O2的間距。

第二步：檢核計算，檢核測量結果，具體公式如下：

α算=b2+c2-2bccosα
Δα=α算-α測≤±2 mm

(1)

第三步：計算三角形邊長改正數，具體公式如下：

(2)

第四步：計算β和γ，具體公式如下：

asinβ=bsinα
asinγ=csinα

(3)

第五步：求閉合差并進行改正，具體公式如下：

fβ=α+β算+γ算-180°
2*Vβ=-fβ
2*Vγ=-fβ

(4)

第六步：計算地下導線起始方位角，具體公式如下：

αA′B′=αBA+ω+β-β′-ω′±360°

(5)

至此，可以將地面導線AB的方位角傳遞到井下導線。

2.4 高程聯(lián)系測量

電纜隧道井的高程傳遞如圖6所示，其任務是根據地面上水準點A的高程，求出井下水準點B的高程。

圖6 電力隧道井高程傳遞示意圖

在A，B點上立水準尺，電力隧道井中懸掛鋼絲。水準儀在水準尺上讀數為a1，b1，在鋼絲上只能做記號b1，a2。則B點高程為a2-b1的值。

為了求出a2-b1的長度，一般在地面上先量出m和n兩樁間的長度，當用絞車繞起細鋼絲時，就可用m和n兩樁間的長度來度量b1和a2兩個記號間的長度，余長用鋼尺量出，即可求得a2-b1的值[5-7]。

2.5 電纜隧道內精密導線及高程控制

由于電纜隧道的井間距離較長并且有一定的彎度和坡度，導致兩井間無法進行通視。電纜隧道井下按照四等導線布設，根據隧道內實際的通視條件合理布設導線控制點，點間距不一定能滿足四等導線的技術要求，但施測時按照四等導線的精度進行；考慮到三維坐標，將高程控制點與導線點重合，便于以后碎步點測量，隧道內高程控制點按照二等水準的技術要求進行測量，將各進口所傳遞的點串聯(lián)成一條符合要求的水準路線，檢測各傳遞點的精度和隧道內二等水準的精度[8]。

2.6 隧道軸線測量

在完成電纜隧道內導線和高程控制點加密后，對全站一站一站地進行軸線測量，每10 m間隔測量一個軸線點。根據電纜隧道內徑，事先準備好水平尺和棱鏡，棱鏡安裝在水平尺的中間(中點)，當水平尺的水平氣泡居中時，棱鏡所在平面位置即為隧道軸線位置，高程再根據水平尺的長度及隧道內徑運用勾股定理計算得到，最后將10 m間隔的點連接起來，即為電纜隧道的軸線。

3 測量實例

以上海世博隧道為例，對電纜隧道軸線測量采用上海市城建坐標，高程采用吳淞高程系統(tǒng)，選用經上海市測繪院竣工測繪的世博隧道龍陽路—錦繡路路段作為樣本標準，對比了7～14號豎井的20個工井測量點運用多級控制網測量技術進行測量。對測量結果和誤差值進行統(tǒng)計，并對比上海市測繪院竣工測繪結果，可以看到偏差都在0.1 m以內，滿足測量精度要求。

4 結語

本文將多級控制網測量技術運用到電纜隧道軸線測量，通過對首級控制網、高程控制網、平面聯(lián)系測量和高程聯(lián)系控制這幾個環(huán)節(jié)的分析，綜合出利用多級控制網測量電纜隧道軸線的方法。將該方法用于世博隧道龍陽路—錦繡路路段軸線測量，結果表明，該方法準確性及適用性良好。