平面聯(lián)系測(cè)量在天津地鐵長(zhǎng)盾構(gòu)區(qū)間中的應(yīng)用

紀(jì)萬(wàn)坤，靳羽西，徐國(guó)勇

(北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

1 引 言

聯(lián)系測(cè)量是城市軌道交通隧道控制測(cè)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)地下隧道工程貫通控制的關(guān)鍵與核心，同時(shí)也是由地上到貫通面整個(gè)測(cè)量工作中最難控制的環(huán)節(jié)[1，2]。聯(lián)系測(cè)量包括平面聯(lián)系測(cè)量和高程聯(lián)系測(cè)量，而平面聯(lián)系測(cè)量是軌道交通工程測(cè)量中最為重要的環(huán)節(jié)之一，是盾構(gòu)工程測(cè)量中承上啟下的關(guān)鍵[3]。

聯(lián)系測(cè)量基本工作原理是通過(guò)明挖車站、施工豎井、盾構(gòu)井等將地面坐標(biāo)、方位和高程傳遞到地下，作為地下控制測(cè)量起算數(shù)據(jù)的一項(xiàng)綜合測(cè)量工作。平面聯(lián)系測(cè)量是以地面近井點(diǎn)為依據(jù)，確定井下近井導(dǎo)線起算邊的坐標(biāo)方位角和起算點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量工作，簡(jiǎn)稱定向測(cè)量[4，5]。平面聯(lián)系測(cè)量方法主要有聯(lián)系三角形法、陀螺經(jīng)緯儀與鉛垂儀(鋼絲)組合法、兩井定向法、導(dǎo)線直接傳遞法、投點(diǎn)定向法等[4～6]。

本文以天津地鐵某長(zhǎng)盾構(gòu)區(qū)間為背景，根據(jù)施工場(chǎng)地環(huán)境和測(cè)量條件先后運(yùn)用了導(dǎo)線直接傳遞法、雙三角形聯(lián)系測(cè)量、兩井定向、鉆孔投點(diǎn)定向等方法實(shí)現(xiàn)定向測(cè)量，保證了聯(lián)系測(cè)量的精度，達(dá)到了優(yōu)質(zhì)的貫通效果。

2 工程概況

天津某地鐵區(qū)間工程位于天津市東麗區(qū)衛(wèi)國(guó)道下面，采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間全長(zhǎng) 1 951 m。此盾構(gòu)區(qū)間左線線路平面上自翠阜新村站直線出發(fā)，240 m后進(jìn)入曲線段，先后經(jīng)過(guò)半徑 450 m曲線段、半徑 800 m曲線段、半徑 1 000 m曲線段下穿昆侖路立交橋，隨后再經(jīng)半徑 1 000 m曲線段后以直線段進(jìn)入沙柳路站，盾構(gòu)始發(fā)井位于沙柳路站，接收井位于翠阜新村站。由于本盾構(gòu)區(qū)間貫通面一側(cè)隧道長(zhǎng)度大于 1.5 km，曲線段較多，施工難度較大，測(cè)量條件受施工影響較大，需采取高精度的聯(lián)系測(cè)量方法提高定向測(cè)量精度，以保證隧道的正確貫通。

3 工程實(shí)踐

3.1 地面控制測(cè)量

在聯(lián)系測(cè)量之前，應(yīng)首先做好地面控制測(cè)量的工作。翠阜新村站～沙柳路站區(qū)間附近的GPS控制點(diǎn)和精密導(dǎo)線點(diǎn)作為全線地面控制網(wǎng)的一部分，每年復(fù)測(cè)一次。為確保起算點(diǎn)的正確性，每次進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量之前，須對(duì)地面已有控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核測(cè)量，復(fù)測(cè)時(shí)如果對(duì)原起算點(diǎn)的穩(wěn)定情況有疑問(wèn)時(shí)，應(yīng)另選擇可靠的控制點(diǎn)作為起算數(shù)據(jù)，并在經(jīng)檢測(cè)確認(rèn)這些控制點(diǎn)穩(wěn)定、可靠的情況下，才可以作為起算點(diǎn)[4]。對(duì)地面控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核時(shí)，地面平面近井點(diǎn)與精密導(dǎo)線點(diǎn)構(gòu)成附合或閉合導(dǎo)線，近井導(dǎo)線邊數(shù)不宜超過(guò)5條，最短邊長(zhǎng)應(yīng)大于 50 m，近井點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不應(yīng)超過(guò) ±10 mm[6]。導(dǎo)線測(cè)量時(shí)按城市軌道交通精密導(dǎo)線測(cè)量的技術(shù)要求進(jìn)行。

3.2 導(dǎo)線直接傳遞法

導(dǎo)線直接傳遞法主要是沿著豎井的豎直方向布設(shè)導(dǎo)線點(diǎn)，利用全站儀以導(dǎo)線測(cè)量的方式，通過(guò)測(cè)定相鄰點(diǎn)之間的水平角和導(dǎo)線邊，根據(jù)地面已知邊和已知點(diǎn)坐標(biāo)推算地下待定邊的方位角和待定點(diǎn)坐標(biāo)的一種方法[7]。

如圖1所示，以復(fù)測(cè)過(guò)的地面GPS控制點(diǎn)GPS2323、GPS2325和精密導(dǎo)線點(diǎn)WT3、WT4為起算點(diǎn)，布設(shè)附合導(dǎo)線將地面、井下控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)，通過(guò)測(cè)定井下兩個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)DL1、DL2的坐標(biāo)和所構(gòu)成邊的方位角，將地面坐標(biāo)系統(tǒng)傳遞到地下控制點(diǎn)上。大里程端井口通視條件較好可布設(shè)成雙導(dǎo)線，增加檢核條件。

圖1 導(dǎo)線直接傳遞法聯(lián)系測(cè)量示意圖

導(dǎo)線直傳法的水平角觀測(cè)具有邊長(zhǎng)短、傾角大、水平角值較小等特點(diǎn)[2]。為保證精度，本次測(cè)量利用具有雙軸補(bǔ)償?shù)母呔葟瓶ㄈ緝x(標(biāo)稱測(cè)角精度1″，測(cè)距精度1 mm+1 ppm)。為防止短邊對(duì)中誤差對(duì)精度的影響，井下控制點(diǎn)設(shè)置強(qiáng)制對(duì)中裝置。導(dǎo)線測(cè)量按照城市軌道交通精密導(dǎo)線測(cè)量的技術(shù)要求進(jìn)行，外業(yè)水平角觀測(cè)四測(cè)回，各方向測(cè)回互差小于4″，往返測(cè)距各兩測(cè)回，每測(cè)回正倒鏡各三次讀數(shù)，測(cè)回互差小于 2 mm，往返互差小于 3 mm，地上地下聯(lián)系邊要增加水平角測(cè)回?cái)?shù)至6個(gè)測(cè)回。測(cè)量精度滿足規(guī)范要求，如表1所示。

雙導(dǎo)線直接傳遞精度統(tǒng)計(jì)表 表1

通過(guò)計(jì)算，兩條導(dǎo)線測(cè)量測(cè)得地下定向邊DL1～DL2方位角較差為3.1″，滿足規(guī)范要求。最后在平差軟件中將雙導(dǎo)線角度距離觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一輸入、統(tǒng)一平差得到地下控制點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.3 雙聯(lián)系三角形定向測(cè)量

聯(lián)系三角形法是通過(guò)豎井懸掛兩根鋼絲，由井上導(dǎo)線點(diǎn)測(cè)定與鋼絲間的距離和角度，從而算得鋼絲的坐標(biāo)以及它們之間的方位角。在井下，認(rèn)為鋼絲的坐標(biāo)和方位角已知，通過(guò)測(cè)量和計(jì)算便可得出地下導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)和方位角，實(shí)現(xiàn)把地上與地下導(dǎo)線聯(lián)系起來(lái)[9]。

雙聯(lián)系三角形法是在普通聯(lián)系三角形測(cè)量的基礎(chǔ)上做出的改進(jìn)，該方法是在豎井中懸吊3根鋼絲組成雙聯(lián)系三角形來(lái)傳遞方向以進(jìn)一步提高精度[9]。通過(guò)兩條獨(dú)立的三角形傳遞方向所推算出來(lái)井下定向邊的方位角可以互相檢核，確保聯(lián)系測(cè)量正確[10]。

在盾構(gòu)掘進(jìn)至約100 m時(shí)，沙柳路站車站一側(cè)端頭井暫時(shí)封閉，只留有一個(gè)施工豎井，不具備兩井定向的測(cè)量條件，此時(shí)有條件布設(shè)優(yōu)化的聯(lián)系三角形，為了避免測(cè)量錯(cuò)誤和增加復(fù)核條件，本次測(cè)量利用雙聯(lián)系三角形法進(jìn)行定向測(cè)量。

如圖2所示，在豎井合理的位置吊三根鋼絲組成兩個(gè)三角形，均滿足規(guī)范規(guī)定的最有利的延伸三角形形狀。進(jìn)行定向測(cè)量時(shí)，在地面和地下近井點(diǎn)(JA、JB)分別測(cè)量近井點(diǎn)至三鋼絲(O1、O2、O3)和鋼絲間的距離以及近井點(diǎn)與鋼絲間的角度，通過(guò)兩個(gè)三角形把地上平面坐標(biāo)和方向傳遞到三鋼絲O1、O2、O3上，再通過(guò)三鋼絲對(duì)應(yīng)地下的位置傳遞到地下定向邊JB～DX1上。用精密導(dǎo)線測(cè)量方法和技術(shù)要求進(jìn)行角度和邊長(zhǎng)測(cè)量，導(dǎo)線外業(yè)水平角觀測(cè)六測(cè)回，導(dǎo)線點(diǎn)間距離往返測(cè)距兩測(cè)回，導(dǎo)線點(diǎn)與鋼絲間距離采用正倒鏡觀測(cè)四測(cè)回，距離進(jìn)行溫度和氣壓改正。

圖2 雙聯(lián)系三角形定向示意圖

內(nèi)業(yè)根據(jù)地面已知邊JA～Z1的已知方位角及觀測(cè)連接角，推算出井下定向邊JB～DX1的方位角(如表2所示)，兩個(gè)三角形傳遞到地下起始邊JB——DX1的方位角之差為2.9″，滿足規(guī)范要求并起到相互檢核的作用，最后取兩個(gè)方位角的平均值78°32′56.15″作為井下起始邊的方位角。

雙聯(lián)系三角形方位角傳遞計(jì)算表 表2

3.4 兩井定向法

兩井定向，是利用地面上布設(shè)的近井點(diǎn)或地面控制點(diǎn)采用導(dǎo)線測(cè)量方法測(cè)定兩鋼絲的平面坐標(biāo)值，在地下隧道中，將已布設(shè)的地下導(dǎo)線與豎井中的鋼絲聯(lián)測(cè)，即可將地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)與方向傳遞到地下去，經(jīng)計(jì)算求得地下導(dǎo)線各點(diǎn)的坐標(biāo)與導(dǎo)線邊的方位角，與一井定向相比，兩井定向減少了投點(diǎn)誤差引起的方向誤差，有利于提高地下導(dǎo)線的精度，外業(yè)測(cè)量簡(jiǎn)單，占用豎井時(shí)間較短[4]。

本區(qū)間貫通距離較長(zhǎng)，且盾構(gòu)掘進(jìn)300 m后車站東西兩個(gè)端頭豎井都完成施工，此時(shí)車站底板通視條件較好，可將地下基線邊加長(zhǎng)至 146 m，后續(xù)聯(lián)系測(cè)量可采用兩井定向的方法。

分別在盾構(gòu)掘進(jìn)至 300 m、800 m時(shí)進(jìn)行過(guò)2次車站兩端頭位置的兩井定向。如圖3所示，分別從沙柳路車站東西端頭井合理位置懸吊鋼絲，地面以GPS2323、GPS2325和精密導(dǎo)線點(diǎn)WT3、WT4為起算點(diǎn)，沿兩鋼絲連線的延伸方向測(cè)設(shè)近井附合導(dǎo)線，在近井點(diǎn)1361N、1362N架設(shè)儀器對(duì)鋼絲進(jìn)行觀測(cè)，地下導(dǎo)線點(diǎn)DX1、DX2上分別設(shè)站與兩根鋼絲聯(lián)測(cè)。導(dǎo)線測(cè)量均按規(guī)范要求的精密導(dǎo)線測(cè)量的技術(shù)要求執(zhí)行。測(cè)量完畢后，變動(dòng)鋼絲一次，進(jìn)行第二次定向測(cè)量。

圖3兩井定向布設(shè)示意圖

內(nèi)業(yè)計(jì)算時(shí)，先通過(guò)地上導(dǎo)線測(cè)量算出兩鋼絲的坐標(biāo)，利用坐標(biāo)反算出兩鋼絲連線的方位角和長(zhǎng)度。再通過(guò)兩鋼絲對(duì)應(yīng)地下的位置傳遞到地下，地下通過(guò)無(wú)定向?qū)Ь€的計(jì)算方法計(jì)算導(dǎo)線點(diǎn)DX1、DX2的坐標(biāo)和所構(gòu)成的方位角。兩次兩井定向測(cè)量得到的地下定向邊成果如表3所示：

兩井定向計(jì)算成果比較表 表3

通過(guò)上面的結(jié)果可以推算出兩次定向互差為2″，滿足規(guī)范要求，能可靠地指導(dǎo)盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)。

3.5 鉆孔投點(diǎn)定向法

本盾構(gòu)區(qū)間雖然在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)已進(jìn)行過(guò)3次聯(lián)系測(cè)量，但由于隧道長(zhǎng)度達(dá)到 1.9 km，需增加聯(lián)系測(cè)量的次數(shù)并提高定向測(cè)量精度。

第4次聯(lián)系測(cè)量采用鉆孔投點(diǎn)定向法，鉆孔投點(diǎn)法就是通過(guò)地面鉆孔或施工投料孔，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[11]。

當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至1.7 km的位置時(shí)，距貫通面還有 200 m，為進(jìn)一步提高聯(lián)系測(cè)量的精度，保證隧道的正確貫通，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件在盾構(gòu)第820環(huán)上方鉆孔，分別從盾構(gòu)始發(fā)豎井及鉆孔位置懸吊鋼絲形成大兩井定向。如圖4所示，地上以復(fù)測(cè)穩(wěn)定的GPS2323、GPS2325、12D1、12D2控制點(diǎn)為起算，沿兩鋼絲連線的延伸方向測(cè)設(shè)附合導(dǎo)線，在近井點(diǎn)1362N、WT5架設(shè)儀器對(duì)鋼絲進(jìn)行觀測(cè)，地下沿隧道方向布設(shè)無(wú)定向?qū)Ь€，在W785、DX2架設(shè)儀器對(duì)鋼絲進(jìn)行觀測(cè)，按精密導(dǎo)線測(cè)量的技術(shù)要求進(jìn)行觀測(cè)。為提高投點(diǎn)點(diǎn)位精度、增加檢核條件，測(cè)量完畢后，變動(dòng)鋼絲一次，進(jìn)行第二次定向測(cè)量。

圖4鉆孔投點(diǎn)兩井定向示意圖

內(nèi)業(yè)采用測(cè)量平差軟件對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用地面導(dǎo)線測(cè)量方法測(cè)定兩鋼絲的平面坐標(biāo)值，地下將兩根鋼絲的坐標(biāo)值作為導(dǎo)線的起算數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)定向?qū)Ь€計(jì)算的方法求解出地下導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)。測(cè)量精度滿足規(guī)范要求，如表4所示。

鉆孔定向精度統(tǒng)計(jì)表 表4

選取第二次兩井定向傳遞到最遠(yuǎn)處的導(dǎo)線邊W634～W785與鉆孔定向測(cè)量的坐標(biāo)和方位成果進(jìn)行對(duì)比如下：

兩井定向與鉆孔定向成果對(duì)比表 表5

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩井定向傳遞與鉆孔定向所測(cè)公共邊方位較差為2.5″，坐標(biāo)較差均在 12 mm之內(nèi)，滿足規(guī)范要求，通過(guò)鉆孔定向復(fù)核了兩井定向的測(cè)量成果，提高了測(cè)量精度，為隧道順利貫通提供了保障。

通過(guò)以上聯(lián)系測(cè)量的方案實(shí)施及對(duì)薄弱環(huán)節(jié)的加強(qiáng)，有力地保證了測(cè)量精度，經(jīng)貫通測(cè)量，該長(zhǎng)大盾構(gòu)區(qū)間隧道橫向貫通中誤差控制在 ±20 mm，貫通精度良好。

4 結(jié) 論

地鐵聯(lián)系測(cè)量方法多種多樣，隨著經(jīng)驗(yàn)的積累愈加成熟可靠，在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件靈活有效地采取適合的方法，對(duì)于長(zhǎng)大盾構(gòu)區(qū)間應(yīng)采取提高定向測(cè)量精度的方法。

(1)導(dǎo)線直接傳遞方法操作簡(jiǎn)單，可滿足工程實(shí)際需求，對(duì)于采用明挖順做法施工的車站在前期結(jié)構(gòu)頂板未施作之前較易采用，導(dǎo)線布設(shè)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮導(dǎo)線邊數(shù)盡可能少，地面與地下聯(lián)系邊俯仰角盡可能小，并設(shè)置強(qiáng)制對(duì)中裝置，有條件時(shí)盡量采用雙導(dǎo)線或者雙極坐標(biāo)法測(cè)設(shè)來(lái)增加檢核條件，提高精度。

(2)聯(lián)系三角形測(cè)量占用井筒時(shí)間較長(zhǎng)，但當(dāng)貫通面一側(cè)只有一個(gè)豎井時(shí)，一般只能進(jìn)行一井定向。此時(shí)可布設(shè)成雙聯(lián)系三角形，能起到相互檢核的作用，保證定向測(cè)量的精度。

(3)對(duì)于盾構(gòu)法施工的隧道，始發(fā)井一般具備兩井定向的條件，兩井定向法可作為平面聯(lián)系測(cè)量的首選方法。定向測(cè)量時(shí)可以通過(guò)移動(dòng)鋼絲或直接懸吊3根鋼絲的方法，形成2組地下控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核。

(4)當(dāng)隧道貫通距離較長(zhǎng)時(shí)，為控制隧道掘進(jìn)的方向誤差，采用在隧道上方鉆孔的方法進(jìn)行定向測(cè)量，可對(duì)兩井定向傳遞的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行檢核修正，提高定向測(cè)量精度，對(duì)隧道的準(zhǔn)確貫通十分有利。