青島市地鐵工程統(tǒng)一測(cè)量空間基準(zhǔn)建立方法

孟慶年，劉寶華，張洪德，王智，胡玉祥

(青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266032)

1 概 述

地鐵工程作為城市交通的重要組成部分，在緩解城市交通壓力的同時(shí)，也極大地方便了民生。越來(lái)越多的城市開始修建地鐵，地鐵工程的相關(guān)技術(shù)也逐漸成為研究的熱點(diǎn)。工程測(cè)量是地鐵工程建設(shè)的重要一部分，而測(cè)量空間基準(zhǔn)的建立是所有地鐵工程測(cè)量的基礎(chǔ)。

青島已建和在建地鐵線路有1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線等8條線路，并且還擁有國(guó)內(nèi)第一條跨海地鐵隧道。由于青島市地處沿海，許多地區(qū)的地質(zhì)條件較差，這對(duì)控制網(wǎng)的穩(wěn)定性提出了較高要求。不同地鐵線路間、地鐵線路與其他工程間存在著交叉的區(qū)域，這些工程銜接對(duì)控制網(wǎng)的兼容性提出了較高的要求。

由于受到膠州灣的影響，青島地鐵線路規(guī)劃了多條過(guò)海段，其中青島地鐵1號(hào)線過(guò)海段是國(guó)內(nèi)首條跨海地鐵隧道。為了保障過(guò)海段的順利貫通，需要建立高精度的長(zhǎng)距離地鐵跨海隧道空間基準(zhǔn)。

2 平面基準(zhǔn)建立

2.1 地上平面基準(zhǔn)建立

為建立統(tǒng)一的平面基準(zhǔn)，在進(jìn)行線路控制網(wǎng)測(cè)量時(shí)，以QDCORS(青島市連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站系統(tǒng))站點(diǎn)作為起算[1～3]。QDCORS從2006年起運(yùn)行，是青島市乃至山東省建立的第一個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)、高精度、多功能的GNSS綜合服務(wù)系統(tǒng)，是維持青島市坐標(biāo)系統(tǒng)的重要手段。

使用多臺(tái)GNSS接收機(jī)，通過(guò)與QDCORS站進(jìn)行聯(lián)測(cè)，建立起地鐵線路的衛(wèi)星定位控制網(wǎng)。衛(wèi)星定位控制測(cè)量按照二等進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)于骨架網(wǎng)按照一等進(jìn)行觀測(cè)，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示[4，5]：

圖1 QDCORS站點(diǎn)分布示意圖

衛(wèi)星定位控制網(wǎng)測(cè)量作業(yè)基本技術(shù)參數(shù)要求 表1

對(duì)外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算和平差處理，得到線路的GNSS網(wǎng)數(shù)據(jù)。以觀測(cè)得到GNSS網(wǎng)數(shù)據(jù)作為起算，使用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量，得到線路的精密導(dǎo)線網(wǎng)。線路的GNSS網(wǎng)和精密導(dǎo)線網(wǎng)構(gòu)成了線路的控制網(wǎng)，是全線工程測(cè)量的平面基礎(chǔ)。青島地鐵的平面基準(zhǔn)均以QDCORS作為起算，對(duì)青島地鐵多條線路的平面基準(zhǔn)進(jìn)行綜合匯總(如表2)，得到圖2(圖中★為QDCORS站)。地鐵線路之間存在交叉的公共點(diǎn)，這些公共點(diǎn)不僅減少了布點(diǎn)的成本，更重要的是提高了控制點(diǎn)的利用率、為計(jì)算結(jié)果提供了檢核條件。

青島地鐵各線路平面控制點(diǎn)匯總表 表2

圖2 青島地鐵各線路平面控制網(wǎng)以及部分線路公共部分示意圖

2.2 地下平面基準(zhǔn)建立

以建立的地上空間基準(zhǔn)作為起算，通過(guò)聯(lián)系測(cè)量的方式(一井定向、兩井定向以及斜井導(dǎo)線測(cè)量)，傳導(dǎo)至地下，并布設(shè)地下導(dǎo)線，為施工建設(shè)提供測(cè)量空間基準(zhǔn)。隧道區(qū)間貫通后進(jìn)行區(qū)間導(dǎo)線觀測(cè)，并進(jìn)行平差處理，即可以得到精確的地下平面基準(zhǔn)。

2.3 長(zhǎng)距離地鐵跨海隧道平面基準(zhǔn)建立

受到膠州灣的影響，青島地鐵線路規(guī)劃了多條過(guò)海段，其中青島地鐵1號(hào)線過(guò)海段是國(guó)內(nèi)首條跨海地鐵隧道。青島地鐵1號(hào)線的過(guò)海隧道區(qū)間長(zhǎng)達(dá) 8.1 km，其中海域段 3.4 km；青島地鐵8號(hào)線的過(guò)海隧道區(qū)間長(zhǎng)達(dá) 8.2 km，其中海域段 5.4 km。由于跨海地鐵隧道的距離較長(zhǎng)，為了保證過(guò)海段的順利貫通，就需要建立高精度過(guò)海段平面基準(zhǔn)。

為了建立高精度的過(guò)海段平面基準(zhǔn)，在建立GNSS網(wǎng)時(shí)，在過(guò)海段兩側(cè)各選取3個(gè)點(diǎn)，對(duì)構(gòu)成的網(wǎng)形進(jìn)行多時(shí)段觀測(cè)，以此來(lái)提高過(guò)海段附近控制點(diǎn)的精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)海段貫通的預(yù)控制。

通過(guò)聯(lián)系測(cè)量將地上平面基準(zhǔn)引測(cè)到地下，并在地下布設(shè)雙導(dǎo)線，使用Leica TS50等高精度全站儀進(jìn)行觀測(cè)，青島地鐵過(guò)海段雙導(dǎo)線示意圖如圖4所示。

圖3 青島地鐵過(guò)海段貫通預(yù)控制示意圖

圖4 青島地鐵過(guò)海段雙導(dǎo)線示意圖

但由于過(guò)海段距離較長(zhǎng)，即使布設(shè)雙導(dǎo)線，仍有方向偏離的可能性。因此，在布設(shè)雙導(dǎo)線的基礎(chǔ)之上，并按時(shí)進(jìn)行加測(cè)陀螺定向邊。陀螺全站儀是一種能通過(guò)感應(yīng)地球微弱磁場(chǎng)及自轉(zhuǎn)而自動(dòng)精確定位出真北方向的精密測(cè)量?jī)x器，其定位尋北過(guò)程及精度不受外界影響[6，7]。使用逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)流程按“地面已知邊—地下定向邊—地面已知邊”進(jìn)行觀測(cè)。隧道貫通前同一條定向邊應(yīng)獨(dú)立觀測(cè)3次，3次觀測(cè)較差應(yīng)小于12″。地下定向邊的陀螺方位角測(cè)量每次應(yīng)測(cè)三測(cè)回，測(cè)回間陀螺方位角較差應(yīng)小于20″。將計(jì)算結(jié)果與雙導(dǎo)線觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

陀螺定向邊與導(dǎo)線觀測(cè)邊對(duì)比表 表3

通過(guò)以上措施，可以建立高精度的長(zhǎng)距離地鐵跨海隧道測(cè)量平面基準(zhǔn)。

3 高程基準(zhǔn)建立

地上高程基準(zhǔn)是以青島已知高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)作為起算的，這些水準(zhǔn)點(diǎn)均勻分布在青島各個(gè)區(qū)域，為保證起算的穩(wěn)定性，在進(jìn)行測(cè)量前已對(duì)起算水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行了踏勘和檢核。根據(jù)建立的地上高程基準(zhǔn)，通過(guò)聯(lián)系測(cè)量傳導(dǎo)至地下，即可建立地下高程基準(zhǔn)。隧道區(qū)間貫通后進(jìn)行區(qū)間水準(zhǔn)觀測(cè)，并進(jìn)行平差處理，即可以得到精確的地下高程基準(zhǔn)。水準(zhǔn)測(cè)量外業(yè)按照城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范二等水準(zhǔn)進(jìn)行施測(cè)，主要技術(shù)要求如表4所示[8]：

對(duì)青島地鐵1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線、4號(hào)線、5號(hào)線以及8號(hào)線的高程控制網(wǎng)進(jìn)行綜合匯總(如表5所示)，得到圖5。

水準(zhǔn)測(cè)量的主要技術(shù)要求 表4

注：①L為往返測(cè)段，附合或環(huán)線的水準(zhǔn)路線長(zhǎng)度(以km計(jì))；
②采用數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量的技術(shù)要求和同等級(jí)的光學(xué)水準(zhǔn)儀測(cè)量技術(shù)要求相同。

青島地鐵各線路高程控制點(diǎn)匯總表 表5

圖5 青島地鐵各線路高程控制網(wǎng)以及部分線路公共部分示意圖

4 基準(zhǔn)建立精度分析

4.1 不同線路重合點(diǎn)精度分析

對(duì)不同線路所測(cè)得的公共點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，可以有效地分析線路控制網(wǎng)的穩(wěn)定性和兼容性，現(xiàn)對(duì)地鐵2號(hào)線與地鐵3號(hào)線、地鐵1號(hào)線與地鐵6號(hào)線的公共點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，如表6～表9所示：

青島地鐵2號(hào)線與青島地鐵3號(hào)線公共點(diǎn)平面坐標(biāo)對(duì)比分析表 表6

青島地鐵2號(hào)線與青島地鐵3號(hào)線公共點(diǎn)高程對(duì)比分析表 表7

青島地鐵1號(hào)線與青島地鐵6號(hào)線公共點(diǎn)平面坐標(biāo)對(duì)比分析表 表8

青島地鐵1號(hào)線與青島地鐵6號(hào)線公共點(diǎn)高程對(duì)比分析表 表9

由以上對(duì)比結(jié)果可以得到線路間公共點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程較差較小，符合規(guī)范要求，線路間的兼容性較好，控制成果精確可靠。

4.2 相關(guān)工程重合點(diǎn)精度分析

青島地鐵控制網(wǎng)覆蓋區(qū)域較大，線路間交叉縱橫，同時(shí)地鐵線路還與一些大型工程相連接，如膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)等。對(duì)于青島地鐵控制網(wǎng)與膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)控制網(wǎng)成果對(duì)比分析如表10，由對(duì)比結(jié)果可以看出，青島地鐵控制網(wǎng)與膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)控制網(wǎng)的兼容性較好，點(diǎn)位成果穩(wěn)定可靠。

青島地鐵8號(hào)線與膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)公共點(diǎn)平面坐標(biāo)對(duì)比分析表 表10

4.3 過(guò)海段貫通精度分析

青島地鐵1號(hào)線已經(jīng)順利貫通，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的貫通誤差(如表11所示)，貫通精度良好，建立的長(zhǎng)距離地鐵跨海隧道空間基準(zhǔn)準(zhǔn)確可靠。

青島地鐵1號(hào)線跨海隧道貫通誤差表 表11

5 總 結(jié)

根據(jù)對(duì)青島市地鐵工程空間基準(zhǔn)的建立過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，得到如下經(jīng)驗(yàn)：

(1)同一區(qū)域內(nèi)的地鐵建設(shè)應(yīng)建立統(tǒng)一的測(cè)量基準(zhǔn)，青島市地鐵工程統(tǒng)一測(cè)量空間基準(zhǔn)是以QDCORS和已知高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)作為起算的，這樣不僅提高了交叉區(qū)域控制點(diǎn)的兼容性以及利用率，同時(shí)也有利于長(zhǎng)距離地鐵隧道的順利貫通。

(2)在進(jìn)行線路GNSS網(wǎng)觀測(cè)時(shí)，對(duì)于長(zhǎng)距離地鐵隧道的兩端或附近應(yīng)進(jìn)行多時(shí)段觀測(cè)。在建立GNSS網(wǎng)時(shí)，在區(qū)間兩側(cè)各選取3個(gè)點(diǎn)，并對(duì)構(gòu)成的網(wǎng)形進(jìn)行多時(shí)段觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)距離地鐵隧道貫通的預(yù)控制。

(3)對(duì)長(zhǎng)距離地鐵隧道平面基準(zhǔn)的建立，采用雙導(dǎo)線的布設(shè)方法。對(duì)于距離更長(zhǎng)的隧道，則應(yīng)在布設(shè)雙導(dǎo)線的基礎(chǔ)之上加測(cè)陀螺定向邊。青島地鐵1號(hào)線過(guò)海段是國(guó)內(nèi)首條跨海地鐵隧道，區(qū)間長(zhǎng)達(dá) 8.1 km，通過(guò)布設(shè)雙導(dǎo)線并加測(cè)陀螺定向邊的方法，順利地保障了過(guò)海隧道的順利貫通，貫通精度良好，為其他類似工程提供了參考。

(4)由于地鐵工程建設(shè)周期普遍較長(zhǎng)，所以在線路控制網(wǎng)建設(shè)完成后，為保證控制成果的可靠性，應(yīng)按時(shí)對(duì)全線控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)。對(duì)重點(diǎn)位置的重要點(diǎn)位應(yīng)定期進(jìn)行普查，并進(jìn)行小范圍的復(fù)測(cè)。