地鐵豎井聯(lián)系測(cè)量方法探討

劉衛(wèi)國(guó)

【摘 要】：隨著社會(huì)的發(fā)展，越來(lái)越多的城市開(kāi)始修建地鐵。修建城市地鐵離不開(kāi)施工豎井，而豎井聯(lián)系測(cè)量是地鐵隧道能夠順利貫通的重要保證。本文通過(guò)深圳地鐵施工豎井聯(lián)系測(cè)量的實(shí)踐，介紹施工豎井聯(lián)系測(cè)量的常用方法，并對(duì)各種方法的特點(diǎn)及優(yōu)劣進(jìn)行分析。

【主題詞】：豎井 聯(lián)系測(cè)量 方法

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，堵車現(xiàn)象也日趨嚴(yán)重，給人們?nèi)粘３鲂袔?lái)了很多不便。為了解決這一矛盾，越來(lái)越多的城市開(kāi)始修建地鐵。由于地鐵一般都在鬧市，施工場(chǎng)地都比較狹小，因此經(jīng)由豎井施工成為地鐵施工的重要手段，而豎井聯(lián)系測(cè)量就成為保證地鐵隧道順利貫通的必要手段。為了保證各相向開(kāi)挖面能正確貫通，就必須將地面控制網(wǎng)中的坐標(biāo)、坐標(biāo)方位角及高程，經(jīng)由豎井傳遞到井下去，這些傳遞工作稱為豎井聯(lián)系測(cè)量。豎井聯(lián)系的工作內(nèi)容包括平面聯(lián)系測(cè)量和高程聯(lián)系測(cè)量，高程聯(lián)系測(cè)量的常用方法有鋼尺導(dǎo)入法和光電測(cè)距儀法等，平面聯(lián)系測(cè)量的常用方法有：聯(lián)系三角形法、鉆孔投點(diǎn)法、直傳法、陀螺經(jīng)緯儀及鉛垂儀聯(lián)合定向法等。由于高程聯(lián)系測(cè)量比較簡(jiǎn)單，這里就不再多介紹，下面將通過(guò)幾個(gè)具體的例子對(duì)常用豎井平面聯(lián)系測(cè)量方法作一介紹。

一、 聯(lián)系三角形法

聯(lián)系三角形法就是在井口懸掛兩根細(xì)鋼絲，與地面、地下測(cè)站形成兩個(gè)以懸掛鋼絲為共同邊長(zhǎng)的三角形，通過(guò)解算三角形將地面的坐標(biāo)和方位傳遞至井下。如圖一所示：

圖一 聯(lián)系三角形法測(cè)量示意圖

圖一中A為地面的近井控制點(diǎn)，O1、O2為兩鋼絲，A為井下近井點(diǎn)（將作為井下導(dǎo)線的起算點(diǎn)）。O1O2距離不小于3米，連接角α不大于3°，b/a≈1.5。分別在井上A站觀測(cè)α角和連接角ω，并準(zhǔn)確丈量井上三角形的邊長(zhǎng)a、b、c，井下A站觀測(cè)α和連接角ω，準(zhǔn)確丈量井下三角形的邊長(zhǎng)a、b、c.

根據(jù)正弦定理計(jì)算β和γ：

sinβ=sinα×b/a

sinγ=sinα×c/a

計(jì)算三角形閉合差：

f=α+β+γ-180

計(jì)算三角形邊長(zhǎng)該正數(shù)va、vb、vc及平差值a平、b平、c平：

va=vb=-f/（3α）×a

vc=+ f/（3α）×a

則： a平=a+va b平=b+vb c平=c+vc

計(jì)算角度改正數(shù)vβ、vγ和平差值β平、γ平：

vβ=f/3×（b/a-1）

vγ=-f/3×（c/a-1）

則： β平=β+ vβ γ平=γ+ vγ

井下三角形計(jì)算與井上相同，則可沿TA-AO2-O2O1-O1A-AT的路線推算井下AT的坐標(biāo)方位角和A、T的坐標(biāo)。

聯(lián)系三角形法原理比較簡(jiǎn)單、操作時(shí)所需設(shè)備成本較低（一般施工承包商均有配備）、作業(yè)時(shí)占用井口面積小、不需中斷施工，是一種簡(jiǎn)單可行的辦法，在我國(guó)已有較長(zhǎng)歷史，至今還有很多單位在用。但該法也有其自身的弱點(diǎn)：精度較低。在實(shí)踐中一些單位也摸索出了很多切實(shí)可行的、比較好的方法來(lái)改善其中的薄弱環(huán)節(jié)，以達(dá)到提高精度的目的。如下面圖二的實(shí)例：

圖 二

圖二是深圳地鐵1#線購(gòu)物公園～香蜜湖區(qū)間購(gòu)物公園站端的盾構(gòu)井，該區(qū)間全長(zhǎng)1595米，獨(dú)頭掘進(jìn)，是深圳地鐵一期工程貫通距離最長(zhǎng)的區(qū)間。為提高測(cè)量精度，確保測(cè)量精度，對(duì)常用的聯(lián)系三角形法進(jìn)行了改進(jìn)，將普通的單三角形法改為雙三角形法，增加較核條件；圖中O1、O2、O3為鋼絲，鋼絲下懸重物，置于油桶中（通過(guò)油的阻力來(lái)減小風(fēng)力對(duì)鋼絲的影響，增加其穩(wěn)定性）；井上測(cè)站PT和井下測(cè)站LY均采用強(qiáng)制對(duì)中；丈量用的鋼尺均經(jīng)過(guò)檢定，丈量時(shí)要經(jīng)過(guò)溫度和尺長(zhǎng)改正；增加測(cè)回?cái)?shù)（增加測(cè)回?cái)?shù)需變動(dòng)鋼絲位置，而并非鋼絲位置不動(dòng)，連續(xù)多次觀測(cè)）等。

雖然可以通過(guò)一些加強(qiáng)措施來(lái)提高精度，但總得來(lái)說(shuō)，這種方法作業(yè)比較繁瑣、所需時(shí)間長(zhǎng)，且精度提高不明顯。

二、 鉆孔投點(diǎn)法

鉆孔投點(diǎn)法就是通過(guò)鉆孔或施工投料孔，用垂球或投點(diǎn)儀進(jìn)行投點(diǎn)，從而將地面坐標(biāo)和方位角傳遞到井下的方法。該方法適用于埋深較淺、且已開(kāi)挖一定長(zhǎng)度的隧道。該方法具有操作簡(jiǎn)便、測(cè)量精度高、不占用施工豎井、對(duì)施工影響較小等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是測(cè)量鉆孔難度較大（垂直度要求高），鉆孔成本較高。但由于該方法優(yōu)點(diǎn)較為明顯，有條件時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮該方法。下面圖三是竹子林～僑城東區(qū)間的一個(gè)實(shí)例：

圖 三

圖三中T1、T2為兩井上投點(diǎn)，T1、T2為兩井下投點(diǎn)，DX436、DX437、DX437、GPS317為地面已知控制點(diǎn)，與T1、T2兩投點(diǎn)可組成標(biāo)準(zhǔn)的附合導(dǎo)線，通過(guò)平差計(jì)算可得出T1、T2的坐標(biāo)。由于T1、T2和T1、T2投影在水平面上是同一個(gè)點(diǎn)，因此，該兩點(diǎn)就成為地下導(dǎo)線的起算點(diǎn)，地下其它導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)可以通過(guò)T1、T2兩投點(diǎn)求得。竹僑區(qū)間右線橫向貫通誤差經(jīng)測(cè)定只有6.8mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范100mm的限差要求。

鉆孔投點(diǎn)法不僅限于鉆孔或投料孔，也可用于車站預(yù)留口、風(fēng)井等，但這時(shí)需要搭設(shè)投點(diǎn)平臺(tái)。投點(diǎn)平臺(tái)一般搭設(shè)兩層，一層架儀器，一層站儀器操作員，保證人和儀器分開(kāi)，不互相干擾，才能保證投點(diǎn)精度。為保證地下導(dǎo)線起算點(diǎn)的準(zhǔn)確性，鉆孔投點(diǎn)法對(duì)邊長(zhǎng)有一定的要求，對(duì)一些不適合鉆孔的地段（如盾構(gòu)區(qū)間）使用投點(diǎn)法，但邊長(zhǎng)又太短時(shí)，我們可以通過(guò)改善其它環(huán)節(jié)來(lái)保證其精度，如2B標(biāo)段會(huì)展中心～福民站區(qū)間。制定測(cè)量方案時(shí)考慮到鉆孔會(huì)破壞盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)，陀螺定向需要停工，會(huì)影響施工進(jìn)度，因此在仔細(xì)考察了盾構(gòu)井及周邊建筑的情況后，我們選擇用投點(diǎn)法進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量，即利用盾構(gòu)井和會(huì)展中心站一預(yù)留口進(jìn)行投點(diǎn)。盾構(gòu)井只占用一個(gè)小角，兩投點(diǎn)間距約40米。為了將短邊的影響降低到最小，我們將井下投點(diǎn)做成強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志，這樣就減少了對(duì)中誤差，大大減弱了短邊造成的不利影響。該區(qū)間隧道貫通后經(jīng)測(cè)定橫向貫通誤差只有8.5mm，只有貫通限差的8.5%，達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。

三、 全站儀直傳法

全站儀直傳法就是利用全站儀，直接將地面導(dǎo)線傳遞到地下。該方法適用于施工場(chǎng)地比較開(kāi)闊、地上地下通視良好的地段。增加圖形檢核條件等；下面是7標(biāo)段華崗盾構(gòu)區(qū)間的一個(gè)例子：

華崗區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)井設(shè)在華崗區(qū)間中部，尺寸大約為50×20米，施工場(chǎng)地比較開(kāi)闊，但四周是果園。該選用哪種方案呢？傳統(tǒng)的聯(lián)系三角形費(fèi)時(shí)費(fèi)力，陀螺定向要影響施工，投點(diǎn)法由于井口太大，搭設(shè)平臺(tái)比較困難。在經(jīng)過(guò)仔細(xì)的比選后，我們選擇了全站儀直傳法，利用場(chǎng)地中通視良好的穩(wěn)定處作為轉(zhuǎn)點(diǎn)，直接將地面坐標(biāo)和方位傳至地下。由于四周果樹(shù)比較茂密，測(cè)成附合或閉合導(dǎo)線有一定的困難，我們采用了雙后視的方法，而且通過(guò)多設(shè)一個(gè)轉(zhuǎn)點(diǎn)來(lái)增加圖形檢核條件，如圖四所示：

圖 四

圖四中，置鏡GPS306，雙后視方向分別為DX424、DX423，ZD1、ZD2為地面轉(zhuǎn)點(diǎn)，R1、R3為洞內(nèi)控制點(diǎn)，通過(guò)增加轉(zhuǎn)點(diǎn)ZD2、R3使圖形強(qiáng)度得到了加強(qiáng)。同時(shí)，為了保證測(cè)量精度，我們要求井上、井下聯(lián)系邊長(zhǎng)不能太短，俯仰角不能大于30°，井上井下氣象條件不能相差太大，最好選擇在陰天進(jìn)行；井上井下連接角要增加測(cè)回?cái)?shù)，測(cè)回間重新對(duì)中整平等。

由于我們選用的方案比較合理，而且對(duì)測(cè)量過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了加強(qiáng)，有力地保證了測(cè)量精度。這點(diǎn)也從我們完全的貫通精度上得到了反映，華崗區(qū)間右線中間井～華強(qiáng)路橫向貫通誤差僅為11.4mm。

四、 陀螺經(jīng)緯儀及鉛垂儀聯(lián)合定向法

陀螺經(jīng)緯儀及鉛垂儀聯(lián)合定向法就是利用鉛垂儀向地下傳遞坐標(biāo)，在地下用陀螺經(jīng)緯儀測(cè)定定向邊方位角的測(cè)量方法。由于陀螺經(jīng)緯儀是一種全天候的、不依賴其它條件能夠測(cè)定真北方位的定向儀器，所以利用它可以快速地測(cè)定地下導(dǎo)線的方位。該方法具有方法簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、作業(yè)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，在地鐵施工中不斷得到推廣。但該方法缺點(diǎn)也較明顯，即成本較高，測(cè)量時(shí)需要停工（陀螺定向需要一個(gè)相對(duì)平靜的環(huán)境，不能有振動(dòng)等干擾），對(duì)施工進(jìn)度會(huì)造成一定影響。下面將通過(guò)圖五所示實(shí)例來(lái)說(shuō)明陀螺經(jīng)緯儀及鉛垂儀聯(lián)合定向法的一般做法。

圖 五

圖五為車公廟～竹子林區(qū)間1#豎井聯(lián)系測(cè)量示意圖。豎井定向邊應(yīng)井上井下各選一條，定向邊應(yīng)選擇在穩(wěn)定可靠、通視良好、尤其附近不應(yīng)有電磁場(chǎng)干擾的地方，最好是選擇已知邊如精密導(dǎo)線點(diǎn)或GPS點(diǎn)。井上選擇DX433～GPS315為定向邊，井下選擇橫通道的D11～D13為定向邊，每條定向邊用陀螺經(jīng)緯儀獨(dú)立觀測(cè)三測(cè)回。投點(diǎn)可采用光學(xué)或激光投點(diǎn)儀進(jìn)行，和投點(diǎn)法一樣，投點(diǎn)時(shí)需要搭設(shè)投點(diǎn)平臺(tái)，而且平臺(tái)也需搭設(shè)兩層，操作人員和儀器要分開(kāi)，以免互相影響。投點(diǎn)時(shí)按0°、90°、180°、270°四個(gè)方向各投一點(diǎn)，最后取重心作為投點(diǎn)位置。井上、井下用相同方法各投一點(diǎn)。投點(diǎn)和定向邊的之間的關(guān)系可以用全站儀測(cè)得，從而可得投點(diǎn)坐標(biāo)。地下定向邊的坐標(biāo)方位角可以通過(guò)解算投點(diǎn)處的空間角推得（也可以通過(guò)子午線收斂角推算），并由此推得井下各點(diǎn)坐標(biāo)。假定DX433～GPS315陀螺方位為NT上，坐標(biāo)方位角為W上，井下D11～D13陀螺方位為NT下，則

邊DX433～T陀螺方位NT=NT上+α

邊T～D11 陀螺方位NT=NT下-β

則投點(diǎn)T處的空間角γ= NT-NT

D11～D13的坐標(biāo)方位角W下=W上+α+γ+β-3×180

地下所有控制點(diǎn)的坐標(biāo)均可以根據(jù)D11～D13的坐標(biāo)方位角W下和投點(diǎn)坐標(biāo)推得。

陀螺經(jīng)緯儀及鉛垂儀聯(lián)合定向法幾乎適用于所有的地鐵施工豎井，但對(duì)于每個(gè)具體的豎井，可能會(huì)由于豎井所處的位置和四周的環(huán)境不同，其測(cè)量方案又會(huì)有所不同。深圳地鐵施工豎井的形式也比較多樣，有通過(guò)橫通道與正線連接的，有豎井開(kāi)在正線的。豎井開(kāi)在正線的，只需準(zhǔn)確測(cè)定定向邊的方位即可，而豎井通過(guò)橫通道與正線連接的，則要考慮橫通道對(duì)測(cè)量的影響。

【結(jié)束語(yǔ)】：從以上的實(shí)例可以看出，施工條件千差萬(wàn)別，合理、經(jīng)濟(jì)的測(cè)量方案是地鐵隧道能夠正確貫通的重要保證；也正是由于施工條件的千差萬(wàn)別，才能推動(dòng)測(cè)量技術(shù)和手段不斷更新，從而不斷提高我們的測(cè)量水平。針對(duì)我國(guó)目前地鐵的施工現(xiàn)狀，考慮到施工隊(duì)的實(shí)際情況，我們提出了一些建議，供大家在以后的豎井聯(lián)系測(cè)量中參考：

1. 有條件時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮鉆孔投點(diǎn)法；

2. 聯(lián)系測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇在氣象條件比較穩(wěn)定、井上井下外界條件相差較小的天氣進(jìn)行；

3. 要盡可能的增加檢核條件；

4. 進(jìn)行多方案的比選，盡可能的選用最佳方案；

5. 測(cè)量標(biāo)志最好設(shè)置成強(qiáng)制對(duì)中。