地鐵測量基準(zhǔn)的建立與應(yīng)用及對測量工作的思考

唐紅軍

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司 西安 710018)

地鐵屬于城市軌道交通基本建設(shè)項(xiàng)目，按照《城市軌道交通工程測量規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)要求，地鐵工程的測量基準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)該與所在城市采用的平面和高程系統(tǒng)一致，以便與城市的管網(wǎng)、道路等各種設(shè)施銜接，便于利用已有的城市勘測資料。測量基準(zhǔn)系統(tǒng)由平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)組成。平面控制網(wǎng)按兩個(gè)等級布設(shè)，一等為衛(wèi)星定位控制網(wǎng)，二等為精密導(dǎo)線網(wǎng);高程控制網(wǎng)也按兩個(gè)等級布設(shè)，一等是與城市二等水準(zhǔn)精度一致的水準(zhǔn)網(wǎng)，二等是加密的水準(zhǔn)網(wǎng)，即地鐵精密水準(zhǔn)網(wǎng)。按照規(guī)范要求，其精度介于國家二、三等水準(zhǔn)測量之間，一般按照二等水準(zhǔn)觀測的技術(shù)要求作業(yè)。

1 西安地鐵測量基準(zhǔn)控制網(wǎng)現(xiàn)狀

1.1 西安地鐵專用平面控制網(wǎng)的布設(shè)及建立

西安地鐵采用西安勘察測繪院(以下簡稱“測繪院”)建立的西安市任意平面直角坐標(biāo)系。西安地鐵于2006年9月28日開工建設(shè)張家堡試驗(yàn)段，測繪院提供了應(yīng)急臨時(shí)平面控制點(diǎn)，隨后地鐵公司委托測繪院在市控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立了2號線一期的平面控制網(wǎng)。2008年9月，在建立地鐵1號線和2號線南延段控制網(wǎng)時(shí)，鑒于1號、2號線十字交叉，同時(shí)又需要對2號線GPS控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測的情況，為了增強(qiáng)控制網(wǎng)的圖形強(qiáng)度和提高精度，1號線和2號線的GPS網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一測量，整體平差，通過對試用不同組的點(diǎn)起算，進(jìn)行優(yōu)化比選，最后確定了漢惠帝陵和涼馬臺作為起算點(diǎn)，其余所聯(lián)測的城市控制點(diǎn)作為檢核點(diǎn)。

1.2 西安地鐵專用高程控制網(wǎng)的布設(shè)及建立

西安地鐵采用的是國家85高程系統(tǒng)。與平面控制一樣，開工時(shí)也是采用應(yīng)急的臨時(shí)高程控制點(diǎn)，隨后地鐵公司委托測繪院建立高程控制網(wǎng)。起算點(diǎn)采用了西安市南秦嶺腳下的太乙宮基巖點(diǎn)和淳化縣北部山區(qū)基巖點(diǎn)永樂環(huán)1，構(gòu)成符合水準(zhǔn)線路。2號線建造了兩座深層水準(zhǔn)標(biāo)石，為了給其測定高程，考慮到聯(lián)測永樂環(huán)1點(diǎn)水準(zhǔn)路線要經(jīng)過渭河，有50多km遠(yuǎn)，一等水準(zhǔn)精度很難保證，又不屬于同一區(qū)域板塊，其穩(wěn)定性與西安所建地鐵地區(qū)關(guān)系不大，故決定在1號線和2號線南延段建立高程控制網(wǎng)時(shí)，由太乙宮基巖點(diǎn)起算，組成一個(gè)閉合環(huán)，舍棄原來用的永樂環(huán)1。由此，專為地鐵所建立的張家堡深層水準(zhǔn)點(diǎn)和杜陵原深層水準(zhǔn)點(diǎn)就成為國家一等水準(zhǔn)高程點(diǎn)，地鐵公司的高程基準(zhǔn)點(diǎn)正式啟用。

1.3 平面控制網(wǎng)的不足之處

西安地鐵平面測量控制網(wǎng)采用的是西安任意直角坐標(biāo)系，由測繪院建立，委托測繪院建立地鐵專用平面控制網(wǎng)，其提交了GPS平面控制網(wǎng)成果。因沒有坐標(biāo)系參數(shù)和高等級起算點(diǎn)，總體總包單位無法進(jìn)行全面的質(zhì)量把關(guān)，施工單位進(jìn)場后，不能按照常規(guī)要求進(jìn)行同精度復(fù)測，只能進(jìn)行簡單的檢核，給工程的質(zhì)量安全帶來了隱患，也給參建單位的工作增加了難度，同時(shí)也增加了成本。

1.4 高程控制網(wǎng)的不足之處

西安地裂縫和沉降漏斗較多，而此前基礎(chǔ)資料較少，相對可靠穩(wěn)定的深層水準(zhǔn)標(biāo)石只有兩個(gè)，分別位于西安市北郊運(yùn)動公園和南郊杜陵原，對其他線復(fù)測時(shí)需要遠(yuǎn)距離測量，局部重點(diǎn)監(jiān)測也沒有可靠的水準(zhǔn)點(diǎn)，增加了工作量和費(fèi)用。

2 建立地鐵專用基準(zhǔn)網(wǎng)的必要性和可行性

2.1 建立有起算參數(shù)的專用網(wǎng)的必要性

目前，大西安規(guī)劃已開始實(shí)施，軌道交通網(wǎng)將快速發(fā)展，由于工程建設(shè)的不可逆性，因此穩(wěn)定的高精度的地鐵測量基準(zhǔn)網(wǎng)對于保證地鐵施工質(zhì)量安全、保證準(zhǔn)確貫通是必需的。地鐵測量基準(zhǔn)網(wǎng)不但要考慮穩(wěn)定性，還要考慮其拓展性。由于無基本的起算參數(shù)，對地鐵網(wǎng)的穩(wěn)定性很難分析，對以后的控制網(wǎng)拓展也將造成成果的不一致。

建立有起算參數(shù)的專用網(wǎng)，可以使地鐵建設(shè)的測量工程具有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換參數(shù)，便于咨詢總體單位進(jìn)行審核檢查，也便于進(jìn)行同精度復(fù)測，并且滿足與國家控制網(wǎng)建立關(guān)系的規(guī)范要求。

2.2 建立有起算參數(shù)的專用網(wǎng)的可行性

地鐵控制網(wǎng)要與城市控制網(wǎng)一致，一致的主要目的是便于地鐵資料與已有的城市勘測資料銜接，便于地鐵設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、物業(yè)開發(fā)。地鐵控制網(wǎng)的精度要求高于同等級的城市控制網(wǎng)，由于地鐵設(shè)計(jì)所依據(jù)的地形圖點(diǎn)位中誤差為250 mm，圖根點(diǎn)中誤差為50 mm，所以要求地鐵平面控制網(wǎng)與城市原有平面控制網(wǎng)的重合點(diǎn)的坐標(biāo)較差不大于50 mm，高程控制網(wǎng)的較差不大于20 mm。

2.2.1 專用網(wǎng)高程控制系統(tǒng)

西安地鐵高程控制系統(tǒng)所采用的起算點(diǎn)與西安城市高程坐標(biāo)系統(tǒng)的起算點(diǎn)一樣，都是太乙宮基巖點(diǎn)，為國家85高程系統(tǒng)，是按照一等水準(zhǔn)要求聯(lián)測到西安地鐵的兩個(gè)深層水準(zhǔn)點(diǎn)。此兩點(diǎn)委托測繪院于2007年7月建立，深360 m，經(jīng)測繪院監(jiān)測，點(diǎn)位穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求，可以作為起算點(diǎn)使用，因此高程控制網(wǎng)可基本滿足要求，但深層水準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)太少，每次無論測量哪條地鐵線路，都要全部聯(lián)測，所以水準(zhǔn)網(wǎng)的建立應(yīng)該考慮地鐵建成后運(yùn)營測量的需要，在每條線路兩端和線路交叉的地方建立深層水準(zhǔn)標(biāo)點(diǎn)，這樣對于平時(shí)重點(diǎn)監(jiān)測和分段測量，可以只就近聯(lián)測，每隔一定年限，再全部聯(lián)測一次。

2.2.2 專用網(wǎng)平面控制系統(tǒng)

地球是個(gè)不規(guī)則的橢球體，測量是按照一定的數(shù)學(xué)法則將地面上的點(diǎn)轉(zhuǎn)換對應(yīng)到假定的規(guī)則橢球體上，再按一定的法則投影到平面上，形成地形圖，設(shè)計(jì)時(shí)以地形圖為依據(jù)做設(shè)計(jì)，再按照一定的逆向法則放樣到地面，指導(dǎo)工程建設(shè)。為了保證圖紙平面上的數(shù)值與地面上實(shí)際量測值一致，需要設(shè)定一定的條件來保證變形最小，其中對兩點(diǎn)之間綜合長度的變形作了嚴(yán)格規(guī)定，《工程測量規(guī)范》和《城市測量規(guī)范》均對長度綜合變形的容許值作出了明確規(guī)定，即選擇獨(dú)立坐標(biāo)系時(shí)，變形不超過±2.5 cm/km，如圖1所示。

圖1 長度變形與高程h和橫坐標(biāo)y的關(guān)系

圖1中，h為所選橢球面的高度，y為距中央子午線的距離。西安任意直角坐標(biāo)系的中央子午線在2號線測區(qū)中央，投影面高405 m。西安地鐵規(guī)劃區(qū)內(nèi)高程約為370～470 m，則h值就在－35～65 m，由圖可以看出，距西安任意直角坐標(biāo)系中央子午線(西安中軸線)40 km范圍內(nèi)，綜合變形完全可滿足規(guī)范要求，即滿足地鐵施工要求。

西安地鐵專用網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)采用西安任意直角坐標(biāo)系，選擇地鐵現(xiàn)有的兩個(gè)穩(wěn)定的GPS點(diǎn)作為已知點(diǎn)，通過旋轉(zhuǎn)、平移、縮放轉(zhuǎn)換到西安任意直角坐標(biāo)系。這樣做對控制點(diǎn)成果影響最大的就是由于中央子午線的改變而造成投影的變化。通過分析，中央子午線相差60 s時(shí)，距西安50 km互差值最大的閻良控制點(diǎn)互差為4.8 cm，可滿足與城市控制點(diǎn)互差不大于5 cm的要求。如果取經(jīng)過渭河車輛段的中央子午線，與西安任意直角坐標(biāo)系的中央子午線最大誤差不超過30 s，完全滿足規(guī)范要求。通過對已有1號、2號控制網(wǎng)的計(jì)算驗(yàn)證，可以確認(rèn)選擇這些參數(shù)是正確的。這樣，既可提高地鐵專用網(wǎng)的內(nèi)附精度，滿足地鐵施工高精度的要求，又可保持與城市坐標(biāo)一致。

3 地鐵專用基準(zhǔn)網(wǎng)的建立和布設(shè)

3.1 平面控制網(wǎng)的參數(shù)選擇和布設(shè)

建議選擇CGCS2000橢球，經(jīng)過渭河車輛段的子午線為中央子午線(108°56'05″)，投影面高選擇 405 m。先將既有1、2號線兩端GPS點(diǎn)和交叉處的5個(gè)GPS點(diǎn)由C級升級到B級，與國家B級網(wǎng)聯(lián)測，按照國家規(guī)范要求建立轉(zhuǎn)換關(guān)系，這5個(gè)GPS點(diǎn)作為地鐵骨架網(wǎng)，以后所建立的網(wǎng)就以其中兩點(diǎn)作為起算點(diǎn)，其余點(diǎn)作為檢核點(diǎn)，建立相應(yīng)線路的平面控制網(wǎng)，對于進(jìn)入相鄰城市或遠(yuǎn)離西安的控制網(wǎng)，根據(jù)變形限制要求進(jìn)行分帶以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以便與相鄰城市的坐標(biāo)系統(tǒng)對接。

3.2 高程控制網(wǎng)的布設(shè)

高程控制網(wǎng)以現(xiàn)有的張家堡和杜陵原深層水準(zhǔn)點(diǎn)作為起算基準(zhǔn)點(diǎn)，另外在1號線兩端，3號線兩端，1、2、3號線交叉處補(bǔ)設(shè)深層水準(zhǔn)點(diǎn)(標(biāo)石埋深20～30 m，根據(jù)地質(zhì)情況選擇在穩(wěn)固的持力層上)，建立分布均勻、穩(wěn)定的水準(zhǔn)點(diǎn)，以作為對地裂縫和沉降漏斗以及運(yùn)營監(jiān)測的監(jiān)測基點(diǎn)。建立時(shí)盡量選擇在開闊地，以便對有條件的地點(diǎn)進(jìn)行GPS聯(lián)測，以后作為GPS高程測量的參考站。

4 測量基準(zhǔn)網(wǎng)的維護(hù)及使用

4.1 平面控制網(wǎng)的維護(hù)及使用

每條地鐵線平面控制網(wǎng)一般是在開工前的半年左右建立，按照規(guī)定開工時(shí)必須進(jìn)行同精度復(fù)測，以后每隔一年至少復(fù)測一次，直到工程完工。幾條線同時(shí)在建時(shí)，GPS控制網(wǎng)復(fù)測要統(tǒng)籌考慮，對控制網(wǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行評判。

在每條地鐵線初建GPS平面控制網(wǎng)時(shí)，必須聯(lián)測已有線路控制網(wǎng)兩端的GPS控制點(diǎn)，使其參與構(gòu)網(wǎng)和平差，提高網(wǎng)形強(qiáng)度和網(wǎng)的可靠性，并作為檢核點(diǎn)進(jìn)行檢核。如果超限需分析原因，根據(jù)情況決定是否啟用新坐標(biāo)。

4.2 高程控制網(wǎng)的維護(hù)及使用

西安地鐵的兩個(gè)深層水準(zhǔn)點(diǎn)啟用后，水準(zhǔn)網(wǎng)由此算起，按照一等水準(zhǔn)測量規(guī)范，每隔10年，此兩點(diǎn)需與國家水準(zhǔn)網(wǎng)聯(lián)測，并委托測繪院保管維護(hù)，作為西安測繪的主管單位，定期進(jìn)行與國家網(wǎng)的聯(lián)測，從而滿足了規(guī)范要求。在施工期間，地面水準(zhǔn)網(wǎng)按照地鐵施工需要，定期進(jìn)行復(fù)測。運(yùn)營后，地面水準(zhǔn)網(wǎng)每隔4年聯(lián)測一次，每次聯(lián)測深層水準(zhǔn)標(biāo)石和淺層水準(zhǔn)標(biāo)石以及部分穩(wěn)定的普通水準(zhǔn)點(diǎn)，對于重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)段，可以用深層水準(zhǔn)點(diǎn)和淺層水準(zhǔn)點(diǎn)作為起算點(diǎn)。

4.3 沉降監(jiān)測

鑒于西安特殊的地質(zhì)條件(地裂縫和沉降漏斗)，監(jiān)測需要通盤考慮，根據(jù)地鐵建設(shè)階段，確定一般監(jiān)測和重點(diǎn)監(jiān)測，分階段實(shí)施。

1)盡量全面收集西安市有關(guān)地裂縫和沉降漏斗的歷史資料，對沉降區(qū)和地裂縫進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。對有規(guī)劃線路經(jīng)過的地裂縫和沉降漏斗，可以利用現(xiàn)有的十字骨架測量網(wǎng)，利用GPS測量手段進(jìn)行低精度、低頻率的觀測跟蹤，預(yù)測出沉降區(qū)段，于開工前一年進(jìn)行高精度、高頻率的監(jiān)測，以便為設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)及處理對策。這樣既可大大節(jié)省開支，又可對興趣點(diǎn)進(jìn)行有效監(jiān)控。

2)對新開工的地鐵段，利用首次布網(wǎng)測量與開工復(fù)測的比對，確認(rèn)沉降區(qū)段，結(jié)合前期的監(jiān)測，編寫詳細(xì)的監(jiān)測方案，對沉降區(qū)段進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。其中，要注意將區(qū)域沉降與施工局部沉降進(jìn)行區(qū)分，全線要及時(shí)匯總各標(biāo)段的測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行歸類整理，將現(xiàn)場第一手資料及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)，以便及時(shí)做出判斷。

3)土建完工后，需要對地下隧道開始進(jìn)行監(jiān)測，地面可只監(jiān)測地裂縫和沉降漏斗區(qū)段，其所對應(yīng)的地下部分應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。由于地下隧道空間狹小，特別是軌道交通運(yùn)營后，車輛來往密集，運(yùn)行速度高，監(jiān)測難度特大，若采用傳統(tǒng)監(jiān)測，將很難完成，建議提早考慮安裝自動監(jiān)測儀器。

5 結(jié)語

由于測量工作時(shí)間跨度大，從工程籌劃到開工建設(shè)，再到建設(shè)完工、后續(xù)運(yùn)營，地鐵物業(yè)開發(fā)、地鐵限界保護(hù)等都需要有測量的支持，這些工作繁雜而專業(yè)，作為測量工作者應(yīng)做好克服各種困難的準(zhǔn)備，積極配合各部門的工作，保證技術(shù)資料的及時(shí)準(zhǔn)確性并主動提出具有建設(shè)性的意見，為地鐵的建設(shè)、運(yùn)營、物業(yè)開發(fā)、地鐵保護(hù)等做好保障服務(wù)。

［1］GB 50308—2008 城市軌道交通工程測量規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］CJJ 8—99 城市測量規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［3］張華海，王寶山，趙長勝，等.應(yīng)用大地測量學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

［4］孔祥元，郭際明，劉宗泉.大地測量學(xué)基礎(chǔ)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2006.

［5］梁振英，董鴻聞，姬恒煉.精密水準(zhǔn)測量的理論和實(shí)踐［M］.北京:測繪出版社，2004.