基于鋼絲特性的深大基坑二維坐標(biāo)傳遞技術(shù)與應(yīng)用

王鑫 牛延平 蔣鵬鵬

中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司 江蘇 無錫 214000

1.研究項(xiàng)目背景

以某地鐵區(qū)段線路為研究背景， 本區(qū)段起止里程ZCK126+176.830～ZCK132+831.251，線路長7049.35m，其中車站長1017.8m、A站～C站區(qū)間軌排井兼盾構(gòu)井長38.4m、區(qū)間隧道長5993.15m。施工任務(wù)包含“4站6區(qū)間”，A站～C站區(qū)間中間設(shè)1座軌排井兼盾構(gòu)井，其余區(qū)間無中間風(fēng)井，區(qū)段范圍示意見圖1。區(qū)段內(nèi)G站采用半鋪蓋明挖順做法施工、D站站廳采用明挖順做法施工、D站臺采用礦山法施工、其余2座車站采用明挖順做法施工、1座軌排井兼盾構(gòu)井（A站～C站區(qū)間）采用明挖順做法施工、6段區(qū)間隧道均采用盾構(gòu)法施工、區(qū)間隧道之間聯(lián)絡(luò)通道均采用礦山法施工、2段隧道采用礦山法施工。區(qū)段范圍示意見圖 1。

圖 1 區(qū)段范圍示意圖（單位：m）

A 站～C 站區(qū)間，區(qū)間出A 站后，下穿林和西路隧道，經(jīng)汽車客運(yùn)站，側(cè)穿禺東大廈，下穿廣九鐵路后沿禺東西路向西前行，在下穿沙河涌及其上部橋梁后到達(dá)C站。左線里程范圍：ZDK12+294.072～ZDK13+374.681（短鏈2.172m），總長1078.437m，右線里程范圍：YDK12+294.072～YDK13+374.681，總長1 0 8 0.6 0 9 m。在Z D K 1 2+7 8 8.2 3 設(shè)一處聯(lián)絡(luò)通道，在ZDK12+617.915～ZDK12+656.118設(shè)置一處軌排井。

A站～C站區(qū)間軌排井位于天河區(qū)禺東西路南側(cè)地塊內(nèi)，東側(cè)為汽車客運(yùn)站，主體基坑寬度 24.8m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約28.5m，軌排井總長為38.4m，軌排井位于緩和曲線上，北側(cè)較遠(yuǎn)處為快速路高架橋。

2.視差引起的地面投向誤差分析

圖 2 視差引起的地面投向誤差分析示意圖

上述圖中符號：

Mo為視差影響下的鋼絲中心位置；No為觀測儀器中心位置；Mi為鋼絲中心；Δd 為鋼絲直徑和視差影響下的鋼絲中心偏離范圍直徑之間的差值；為鋼絲中心偏離視差影響下的中心的距離，即等于1/2Δd；C為儀器觀測中心到視差影響下的鋼絲中心的距離。

假設(shè)在坐標(biāo)傳遞的過程中，儀器觀測中心No沒有誤差，而視差影響下的鋼絲中心位置Mo，存在一個(gè)誤差矢量元素，根據(jù)正弦定理得到：

如果要使得視差對觀測鋼絲的中心較為準(zhǔn)確，可以近似認(rèn)為C等于Mo與No之間的距離，也等于Mi和No之間的距離。即：，帶入上式(2-1)得：

根據(jù)上述計(jì)算求解，我們可以看出視線的偏轉(zhuǎn)角，不僅僅取決于儀器觀測中心到視差影響下的鋼絲中心的距離和鋼絲中心偏離視差影響下的中心的距離的影響，還與的大小息息相關(guān)。因?yàn)殇摻z中心Mi處在以視差影響下的鋼絲中心位置為圓心，為半徑的圓周的任意位置，所以的取值范圍為0～2。根據(jù)中誤差計(jì)算公式可以解算出同精度條件下多次觀測值的中誤差為：

根據(jù)上述計(jì)算求解，我們可以看出視差引起的地面投向總中誤差與鋼絲直徑和鋼絲距離儀器觀測中心距離（受視差影響）息息相關(guān)，當(dāng)鋼絲直徑為0.3mm，視線長度為40m時(shí)，視差引起的地面投向總中誤差為1.5″，因此，應(yīng)選擇小直徑、高強(qiáng)度的鋼絲，適當(dāng)加大重錘質(zhì)量，置于穩(wěn)定液中。但在實(shí)際施工作業(yè)的過程中，鋼絲直徑可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，目測視距，根據(jù)比例關(guān)系，綜合多種因素布設(shè)合理網(wǎng)型，避免重錘產(chǎn)生“附生擺動”，使得觀測鋼絲的位置不是實(shí)際的靜止位置，從而導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)精度不可靠，產(chǎn)生粗差或誤差，影響基坑底部數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為基坑安全質(zhì)量和隧道準(zhǔn)確貫通埋下隱患。

3.深基坑坐標(biāo)傳遞作業(yè)方法及數(shù)據(jù)成果

由于C站區(qū)域情況的特殊性（C站左線全長312m，右線全長277m，對應(yīng)區(qū)間左線隧道470環(huán)～635環(huán)，右線隧道470環(huán)～610環(huán)，2#橫通道在平面上對于隧道管片550～565環(huán)之間，2#橫通道開挖底部距隧道管片頂部45cm，小導(dǎo)洞開挖底部距隧道管片頂部1m。區(qū)間隧道埋深33m，采用“先隧后站法”施工），不能直接懸掛鋼絲至A站～C站區(qū)間內(nèi)，但為了指導(dǎo)C站～D站區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)，為保證洞內(nèi)導(dǎo)線精度，先通過鋼絲幾何特性，將地面坐標(biāo)傳至深基坑地板轉(zhuǎn)點(diǎn)（邊長比例滿足解算要求的位置），然后在地板施工區(qū)域打孔，二次懸掛鋼絲，利用4根鋼絲與地板轉(zhuǎn)點(diǎn)之間的相對邊角關(guān)系解算，將坐標(biāo)傳遞至A站～C站區(qū)間隧道內(nèi)，軌排井至C站盾構(gòu)區(qū)間長度為629m，需在軌排井至C站區(qū)間做兩井定向，采用無定向?qū)Ь€解算隧道內(nèi)二維坐標(biāo)。

圖 3 區(qū)間隧道與C站縱面關(guān)系圖

3.1 起算數(shù)據(jù)復(fù)核

A站～C區(qū)間范圍內(nèi)，GPS首級控制點(diǎn)互不通視，無法實(shí)現(xiàn)定向坐標(biāo)傳遞，因此設(shè)置加密點(diǎn)，構(gòu)成兩端為GPS點(diǎn)GPS28、GPS258、GPS259、GPS201首級控制，中間為加密點(diǎn)SH2、XIJ047-1的精密導(dǎo)線網(wǎng)，且相鄰導(dǎo)線點(diǎn)間以及導(dǎo)線點(diǎn)與其相連的GPS首級控制點(diǎn)之間的垂直角小于30度，此附合導(dǎo)線按照三等施工控制網(wǎng)技術(shù)要求施測，在整個(gè)測量過程中，對前后兩個(gè)方向按照左右角各3個(gè)測回進(jìn)行觀測。采用加密導(dǎo)線網(wǎng)來復(fù)核軌排井場地內(nèi)近井點(diǎn)GPJJJD與C站近井點(diǎn)SHZJJD坐標(biāo)及坐標(biāo)方位角精度，并以此為起算數(shù)據(jù)。

3.2 C站鋼絲位置設(shè)定

在C站近井點(diǎn)SHZJJD合理視場范圍內(nèi)，懸掛直徑為￠0.3mm的兩根鋼絲GS1、GS2直至地板，重錘為10Kg，重錘浸沒在油桶中，嚴(yán)禁觸碰油桶內(nèi)壁及底部。于A站～C站區(qū)間左、右線管片頂部與C站爆破施工相交區(qū)域，采用鉆孔投遞鋼絲的方法，將GSYX、GSZX懸掛至A站～C站區(qū)間左、右線洞內(nèi)。

3.3 數(shù)據(jù)成果獲取

3.3.1 深基坑地板數(shù)據(jù)獲取

利用地面近井控制點(diǎn)SHZJJD與加密導(dǎo)線點(diǎn)SH2的坐標(biāo)，反算得出起算方位角，借助全站儀觀測鋼絲與已知點(diǎn)的邊角關(guān)系，根據(jù)坐標(biāo)正算得出鋼絲二維坐標(biāo)，在C站底板設(shè)置一臨時(shí)點(diǎn)ZD，在ZD處采用全圓測回法依次觀測GS1、GS2、GSYX、GSZX得出其相互之間的邊角關(guān)系，將坐標(biāo)正算得出的鋼絲的二維坐標(biāo)進(jìn)行“偽一井定向”坐標(biāo)處理，推算GSYX、GSZX的二維坐標(biāo)。

圖 4 C站鋼絲坐標(biāo)解算示意圖

3.3.2 A站～C站區(qū)間洞內(nèi)數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)過站的實(shí)際情況，在軌排井～C站區(qū)間左線洞內(nèi)埋設(shè)10個(gè)導(dǎo)線控制點(diǎn)（ZX3、ZX4、ZX5、ZX6、ZX7、ZX8、ZX9、ZX10、T503、ZX11），通過做兩井定向來確定地下各控制點(diǎn)的坐標(biāo)與導(dǎo)線邊的方位角。以T503～ZX11為井下起算邊分別進(jìn)行左線洞內(nèi)延伸導(dǎo)線的控制邊。

3.3.3 數(shù)據(jù)成果精度分析

地鐵是地下線形（隧道）與結(jié)構(gòu)（車站）的結(jié)合體，而且地下線形（隧道）的施工往往受到結(jié)構(gòu)（車站）的范圍、基坑深度等多方面制約，施工工藝?yán)щy重重，其施工測量的施測環(huán)境和條件也非常復(fù)雜，要求的施測精度又相當(dāng)高，必須精心施測和進(jìn)行成果整理，工程測量成果必須符合相關(guān)規(guī)范的要求，這就注定了精密測量工作對地鐵施工行業(yè)的重要性。A站～C站區(qū)間地面范圍內(nèi)精密導(dǎo)線角度閉合差為限差的十六分之一，區(qū)間聯(lián)系測量無定向?qū)Ь€解算成果左線角度閉合差為限差的二十分之一，最大點(diǎn)位誤差為5.3mm；右線角度閉合差為限差的二十分之一，最大點(diǎn)位誤差為3.4mm。其多組觀測值之間較差，以及與采用陀螺方位角解算所得的坐標(biāo)方位角之間較差均滿足規(guī)范要求。