基于工程測繪數(shù)據(jù)的城市核心區(qū)地鐵地下工程施工技術(shù)

馬雙玉

摘要：鑒于現(xiàn)行技術(shù)在城市核心區(qū)地鐵施工應(yīng)用中效果不佳，停工時間比較長，且損壞管線面積比較大，提出基于工程測繪數(shù)據(jù)的城市核心區(qū)地鐵施工技術(shù)。根據(jù)工程實際情況布設(shè)測點，利用儀器對施工現(xiàn)場地表沉降、地鐵結(jié)構(gòu)變形、地下管線位置等進行測量，獲取到工程測繪數(shù)據(jù)，對工程測繪數(shù)據(jù)消冗處理和點云配準(zhǔn)處理。利用工程測繪數(shù)據(jù)建立三維模型，根據(jù)模型開展地鐵深基坑開挖、支護以及地基加固施工。經(jīng)實驗證明，應(yīng)用該技術(shù)，城市核心區(qū)地鐵施工停工時間比較短，管線損壞面積比較小，在城市核心區(qū)地鐵施工方面具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：工程測繪數(shù)據(jù)；城市核心區(qū)；地鐵施工

0? ?引言

目前國內(nèi)大部分一線、二線城市已經(jīng)修建了完善的地鐵線路，還有一部分二、三線城市正在致力于地鐵交通系統(tǒng)建設(shè)。城市地鐵工程具有規(guī)模大、環(huán)境復(fù)雜、施工難度大的特點，尤其是城市核心區(qū)地鐵施工工程，相比較其他區(qū)域的地鐵施工，由于核心區(qū)交通線路比較復(fù)雜，且地下管線數(shù)量比較多，在施工過程中很容易對地下管線造成破壞，影響到周邊交通線路正常運行。為了全面提升當(dāng)前基礎(chǔ)交通工程的施工安全與質(zhì)量，打造規(guī)范化、安全化的施工體系，必須采取科學(xué)合理的施工工藝，開展城市核心區(qū)地鐵施工。

國內(nèi)關(guān)于城市核心區(qū)地鐵施工技術(shù)研究起步比較晚，現(xiàn)有的技術(shù)與理論還不夠成熟，相比較發(fā)達國家還存在一定差距。雖然近幾年，地鐵施工技術(shù)受到工程施工領(lǐng)域的高度重視與關(guān)注，相關(guān)學(xué)者與專家也開展了一系列研究，提出了一些技術(shù)方案，但是現(xiàn)行的技術(shù)還存在一些弊端，在實際應(yīng)用中不僅停工時間比較長，且對管線損壞面積比較大，已經(jīng)無法滿足實際需求，鑒于此，本文提出一種基于工程測繪數(shù)據(jù)的城市核心區(qū)地鐵施工技術(shù)。

1? ?城市核心區(qū)地鐵工程測繪點布設(shè)

考慮到城市核心區(qū)地鐵施工環(huán)境比較復(fù)雜，為了保證施工可以順利進行，并且對周圍設(shè)施影響控制到最小，此次采用測繪技術(shù)對核心區(qū)地鐵施工進行測繪，獲取工程測繪數(shù)據(jù)。

1.1? ?測繪儀器設(shè)備準(zhǔn)備

在正式測繪之前，需要將需要使用的測繪儀器設(shè)備準(zhǔn)備，其中包括水準(zhǔn)儀、全站儀、斜側(cè)儀以及三維激光掃描儀，主要測量內(nèi)容包括地鐵施工區(qū)域地下管線、地表沉降、地鐵主體結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境等。根據(jù)儀器設(shè)備使用說明書對各個儀器設(shè)備進行參數(shù)標(biāo)定和校準(zhǔn)[1]。

1.2? ?測點布設(shè)

根據(jù)地鐵施工工程實際情況，對地鐵施工中測點進行布設(shè)。每個測量儀器測量任務(wù)不同，水準(zhǔn)儀主要用于測量地鐵地表沉降量和變形量，全站儀和斜側(cè)儀主要用于測量地鐵主體結(jié)構(gòu)的位移量，三維激光掃描儀主要是用于測量施工區(qū)域地下管道[2]。

將水準(zhǔn)儀測量點布設(shè)在地鐵施工區(qū)域的四周，2個相鄰測點間距范圍在8.5～13.5m。將全站儀與斜側(cè)儀測量點布設(shè)在施工范圍內(nèi)的外圍，與水準(zhǔn)儀測量點間距要超過7.5m。如果施工面積超過1000m²，則測線數(shù)量應(yīng)在2～3條，每個測線共布設(shè)3～4個測點，測點間距范圍在4.5～7.5m。如果施工面積未超過1000m²，則測線數(shù)量為1～2條，每條測線上布設(shè)2～3個測點。三維激光掃描儀測點，主要布設(shè)在地鐵施工區(qū)域的中心部位，設(shè)定3～4個測點即可，每個測點間距要超過10m[3]。

為了能夠較好地完成測繪數(shù)據(jù)獲取任務(wù)，應(yīng)將測點盡量靠近設(shè)計測點位置，且周圍沒有障礙物遮擋。不同類型測量儀器設(shè)備的測點不應(yīng)重復(fù)，保持測點具有獨立性和統(tǒng)一性，以在工程測繪過程中能夠反映出多個變化量[4]。

2? ?工程測繪數(shù)據(jù)預(yù)處理

以優(yōu)先測量施工處為原則開展現(xiàn)場測量，并根據(jù)實際需求對測量頻率進行設(shè)定，將獲取到的工程測繪數(shù)據(jù)上傳到計算機上，用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理與分析，指導(dǎo)地鐵施工。

2.1? ?數(shù)據(jù)預(yù)處理的必要性

考慮到工程測量過程中容易受到外界干擾，且測量范圍可能存在重疊區(qū)域，因此原 始測繪數(shù)據(jù)中會存在冗余數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)，故對原始工程測繪數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。對每一類型和同一種數(shù)據(jù)僅保存一份，重復(fù)的數(shù)據(jù)刪除掉，對缺失的數(shù)據(jù)使用平均值代替，對缺失數(shù)據(jù)插值處理，保證工程測繪數(shù)據(jù)的完整性[5]。

2.2? ?獲取所有點三維坐標(biāo)

三維激光掃描儀測量到的是三維數(shù)據(jù)，它利用編碼器測量掃描裝置水平旋轉(zhuǎn)角度與鏡頭旋轉(zhuǎn)角度，從而獲取到地下管線上所有點的三維坐標(biāo)，其用公式表示為：

2.3? ?對原始數(shù)據(jù)點云配準(zhǔn)處理

三維激光掃描數(shù)據(jù)具有一定的特殊性，考慮到后續(xù)城市核心區(qū)地鐵施工三維模型建立，需要將三維激光掃描數(shù)據(jù)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個坐標(biāo)系上，對原始數(shù)據(jù)點云配準(zhǔn)處理，其用公式表示為：

A=AS Ac+△AS（2）

式中：A表示轉(zhuǎn)換后測量點三維坐標(biāo)；AS 表示坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；Ac表示三維激光掃描儀內(nèi)部坐標(biāo)系的原點在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)[7]。通過點云配準(zhǔn)，獲取到統(tǒng)一坐標(biāo)系上的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3? ?基于測繪數(shù)據(jù)的工程施工

3.1? ?基于測繪數(shù)據(jù)的地鐵施工流程

在上述基礎(chǔ)上，利用工程測繪數(shù)據(jù)建立城市核心區(qū)地鐵三維模型，利用模型對地鐵施工環(huán)境進行分析，將其作為依據(jù)指導(dǎo)核心區(qū)地鐵施工。基于工程測繪數(shù)據(jù)的地鐵施工流程如圖1所示。

3.2? ?基于測繪數(shù)據(jù)的施工要點

3.2.1? ?建立三維模型

如圖1所示，對獲取的工程測繪數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理，將數(shù)據(jù)標(biāo)記到網(wǎng)格節(jié)點上，利用建模軟件建立三維模型，了解到當(dāng)前地鐵施工環(huán)境[8]。

3.2.2? ?確定深基坑開挖順序與方向

根據(jù)三維模型以及工程測繪數(shù)據(jù)，確定地鐵深基坑開挖順序、方向，盡量避開地鐵管線密集區(qū)域，采用分區(qū)施工方法開展地鐵深基坑開挖施工。

3.2.3? ?地基加固施工

在開挖過程中對工程測繪數(shù)據(jù)進行分析，將測量數(shù)據(jù)與工程初始數(shù)據(jù)進行比對，如果存在地表沉降或開裂現(xiàn)象，則開展地基加固施工。

在地基上鉆取直徑范圍在75～115cm的鉆孔，孔深要比開挖深度大2～3m。鉆孔完成后利用封孔器封孔，通過壓漿將水泥砂漿壓入到巖土體內(nèi)，填滿巖土體裂縫，使松散的巖土體構(gòu)成一個整體，以此提升地基的抗壓強度，防止在深基坑開挖施工中地表沉降。

3.2.4? ?深基坑支護施工

通過測量數(shù)據(jù)與工程初始數(shù)據(jù)比對，如果發(fā)現(xiàn)地鐵主體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，且超出規(guī)定范圍，則開展地鐵深基坑支護施工。

采用邊挖邊支護的方式施工，利用鉆機在深基坑巖土體上鉆孔，將水泥砂漿灌入到孔內(nèi)，使其形成支撐體系，起到對地表支護的作用，防止在深基坑開挖施工中地鐵主體結(jié)構(gòu)變形。地鐵施工完成后按照施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對工程進行驗收，以此完成基于工程測繪數(shù)據(jù)的城市核心區(qū)地鐵施工。

4? ?實驗論證

為了驗證本文提出的基于工程測繪數(shù)據(jù)的城市核心區(qū)地鐵施工技術(shù)的可行性與可靠性，本文以某城市核心區(qū)地鐵工程為工程背景進行研究。

4.1? ?實驗過程

該工程總施工面積為2462.36m²，施工場地內(nèi)地下管線非常豐富，并且周圍建筑物比較多，交通路線比較復(fù)雜，具有一定的施工難度，符合實驗需求。利用此次設(shè)計技術(shù)對該城市核心區(qū)地鐵施工，并選擇2種傳統(tǒng)技術(shù)作為對比，兩種傳統(tǒng)技術(shù)分別用傳統(tǒng)技術(shù)1與傳統(tǒng)技術(shù)2表示。

為了是實驗結(jié)果具有一定的說明性和可靠性。將該工程分為3個施工區(qū)域，每個區(qū)域面積相同，地下管線數(shù)量也相同，每個區(qū)域施工各采用一種施工技術(shù)。根據(jù)該工程實際情況，在施工現(xiàn)場內(nèi)布設(shè)10個測點，2個相鄰測點水平方向間距為10.15m，垂直方向間距為12.45m。

實驗準(zhǔn)備了16臺測繪儀器，共獲取到1.25GB工程測繪數(shù)據(jù)，按照上述流程對測試數(shù)據(jù)預(yù)處理，建立三維模型，開展地鐵深基坑開挖、支護、地基加固施工。

4.2? ?實驗結(jié)果討論

實驗以地鐵施工停工時長以及管線損壞面積，作為3種技術(shù)施工效果檢驗指標(biāo)。

4.2.1? ?停工時長分析

實驗將地鐵施工劃分為6個階段，每個階段施工工期為72d，使用電子表格記錄3種技術(shù)應(yīng)用下施工過程中停工時間（因降雨停工不計算在內(nèi)），具體數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用本文設(shè)計技術(shù)時地鐵施工停工時長比較短，總停工時長僅為12.41h，遠遠短于兩種傳統(tǒng)技術(shù)，說明應(yīng)用設(shè)計技術(shù)在施工過程中能夠順利完成施工任務(wù)，可以有效保證施工進度。

4.2.2? ?損壞管線面積分析

為了進一步驗證設(shè)計技術(shù)的可行性，對應(yīng)用3種技術(shù)施工過程中管線損壞面積進行統(tǒng)計，實驗以施工面積作為變量，使用電子表格對施工中管線損壞面積進行記錄，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用本文設(shè)計技術(shù)時，城市核心區(qū)地鐵施工過程中損壞管線的面積相對比較小。雖然3種技術(shù)損壞管線面積，都隨著施工面積增加而不斷增大，但采用本文設(shè)計技術(shù)時，管線損壞面積增長幅度比較小，當(dāng)施工面積達到800m²時，損壞的管線面積僅為0.13m²，基本可以忽略不計。由此說明，應(yīng)用本文設(shè)計技術(shù)開展地鐵施工，可以有效保證施工區(qū)域內(nèi)管線的完整性與安全性，將管線損失降到最小。

而采用2種傳統(tǒng)技術(shù)，管線損壞面積會隨著施工面積的增加而大幅度增長，當(dāng)施工面積達到800m²時，管線損壞面積分別為36.54m²、83.61m²，遠遠多于設(shè)計技術(shù)。因此本次實驗證明，無論是在施工精度方面還是管線損失方面，本文設(shè)計技術(shù)均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，相比較傳統(tǒng)技術(shù)更適用于城市核心區(qū)地鐵施工。

5? ?結(jié)束語

城市核心區(qū)管線結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為地鐵施工增加了一定的難度，此次結(jié)合相關(guān)文獻資料，以及實際工程案例，將工程測繪數(shù)據(jù)應(yīng)用到城市核心區(qū)地鐵施工中，提出了一個新的施工技術(shù)方案，有效提高了城市核心區(qū)地鐵施工效率，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)化與創(chuàng)新。

由于本次提出技術(shù)尚未在實際工程中得到大量應(yīng)用，在某些方面可能存在一些不足之處，今后應(yīng)在技術(shù)優(yōu)化設(shè)計方面展開探究，為城市核心區(qū)地鐵施工提供有力的技術(shù)支撐。

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