積水條件下的坑道地形測量難點及解決方案

歐 樂，張 建，吳年豐

(1.海軍南海工程設計院，廣東 湛江 524005；2.中國電建集團青海省電力設計院有限公司，青海 西寧 810008；3.中國海警局直屬第三局，廣東 廣州 520320)

上世紀六七十年代，為相應“深挖洞、廣積糧、不稱霸”的國家政策，全國各地建造了數(shù)量眾多的人防坑道。隨著世界格局的變化以及社會經(jīng)濟的發(fā)展，這些坑道已使用(或擱置)近半個世紀，不少坑道已覆土多年，坑道的安全性、可靠性都經(jīng)受著考驗。近年來，軍隊都在進行人防工程普查工作，對人防坑道的結(jié)構(gòu)形式、尺寸、被覆等進行調(diào)查[1-3]。普查第一步就是要掌握坑道的平面布置，包括坑道在國家坐標系中的位置，以及其內(nèi)部輪廓、走向，以及截面尺寸，由于年代久遠，大多數(shù)坑道的建設資料已無法找到，必須進行詳細測繪。

1 任務概況

海南省三亞市某人防坑道建于上世紀六七十年代，現(xiàn)如今多年未使用，坑道內(nèi)積水、淤積嚴重，積水深處可達2 m(即灌滿坑道)。當前因整改維修需要，需掌握坑道平面布置及地勢情況。原始資料已無從查找，需進行重新測繪。因坑道積水，無法使用三維激光掃描技術(shù)[4]，只能使用傳統(tǒng)的數(shù)字測圖方法[5]。

2 測繪實施

外業(yè)測繪流程圖如圖1所示。

圖1 外業(yè)測繪流程圖

2.1 現(xiàn)場踏勘

對坑道現(xiàn)狀進行了踏勘，繪制草圖，查明所有坑道出口位置、結(jié)構(gòu)形式以及通行能力。對坑道內(nèi)部淤積、水深情況、水泵排水水位下降速率進行掌握，確定測繪時間窗口。制定測量方案。

2.2 控制測量

狹長的坑道除口部外全部處于地下，控制測量采用附合導線或直伸導線的方式。

(1)平面控制：在地面上的所有可通行出口附近，設置成對控制點，通過GNSS靜態(tài)測量聯(lián)測已知控制點，獲得地面上的首級控制點成果。采用附合導線測量的方法，利用全站儀從坑道一口已知點(方位)測入，經(jīng)若干坑道內(nèi)圖根轉(zhuǎn)點，從另一口測出附合到已知點(方位)，進行地面與坑道內(nèi)的平面控制傳遞，完成次級控制，如圖2所示，平差解算坑道內(nèi)控制點坐標。

圖2 導線測量示意圖

(2)高程控制：因坑道內(nèi)積水嚴重，部分地段全時段抽水，積水水位仍超過1 m，無法進行常規(guī)的水準測量。基于此，在導線測量過程中記錄垂直角和水平距離，利用三角高程傳遞的方法進行坑道內(nèi)傳導高程[6-7]，將地面高程基準引入坑道內(nèi)，經(jīng)平差解算各點高程。

2.3 碎部測量

依照1∶500地形圖測繪要求，詳細測繪坑道輪廓邊線，坑道內(nèi)所有地物、地貌。靈活采用光學反射棱鏡、免棱鏡測距激光的測點方法，獲取準確的碎部點坐標。

2.4 截面測繪

在各個不同坑道截面及截面變化處進行截面測繪[8]。結(jié)合實地情況，選取免棱鏡模式測特征點，手持式激光測距儀實測，以及鋼卷尺實測等方法獲取截面特征尺寸，包括截面寬、兩側(cè)起弧處高、拱頂高等。

3 困難及解決方案

3.1 入口處導線邊長短

因入口處需經(jīng)樓梯將導線引入坑道，導致此處的導線邊長很短，部分測段該處邊長僅有5 m。

儀器對中誤差對水平角的影響已有論證[9]，公式如下：

(1)

由上式可知，測角中誤差m中與兩目標之間的距離SAB與對中誤差e的乘積成正比，與測站至目標的距離S1和S2的乘積成反比，距離越短，影響越大。

當坑道入口的導線轉(zhuǎn)折測段長度無法增長，必須更加嚴格地對中、整平，適當增長銜接邊邊長，同時增加測回數(shù)，提高該測段的測角測距精度。

3.2 坑道內(nèi)積水，設站困難

坑道經(jīng)前期清淤后仍有多段積水，人員需著雨鞋(漁褲)進入施測區(qū)域，無法正常在坑道底板面做點設站，即無法保證對中。為此提前制作多個預埋鋼筋的“設站墩”，以墩頂鋼筋頭刻畫十字中心代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法中地面的轉(zhuǎn)點，如圖3所示。

“設站墩”的制作要點：

(1)灰桶中澆筑滿混凝土使墩子整體擁有較大的質(zhì)量，保證墩子在水下穩(wěn)定不易移位；

(2)使用螺紋鋼筋，確保鋼筋與灰桶中的混凝土完整固結(jié)，不易在搬動時被抽出；

(3)高度設置為1 m，保證該墩在全程使用過程中頂部鋼筋頭都可以露出水面。

圖3 “設站墩”示意圖

由式(1)可知，測角中誤差與對中誤差e的成正比。經(jīng)檢驗，利用設站墩法保障儀器對中的對中誤差e可控制在±3 mm以內(nèi)。

操作時應注意，首先應清除設站處下方范圍半米內(nèi)的淤泥，挪開可能存在的管線(或盡量避開)。安放墩子后，要不規(guī)則地進行多次晃動，使墩子最終能夠保持在穩(wěn)定不擾動的狀態(tài)。在儀器高量測及周邊走動時，做到動作輕、幅度小，以免擾動墩子。

另外，使用“設站墩”作為前視放點，或后視定向目標時，要盡量使鋼筋處于自由狀態(tài)。以墩子前視時，可以將棱鏡倒置，以鏡頭略碰觸鋼筋頭中心進行放點測量；以墩子后視時，可使用筆尖立在鋼筋頭中心，用以指示后視方向以定向，以此達到不擾動鋼筋，準確后視的目的。

3.3 坑道內(nèi)高溫、潮濕

坑道內(nèi)外溫差大，依照相關(guān)規(guī)范以及實踐經(jīng)驗[10]，全站儀在坑道內(nèi)取出后，靜置5 min再開機，開機后仍應靜置10 min以上，使其適應環(huán)境溫度。而后小心擦拭目鏡、物鏡鏡頭的霧水，在距儀器約20 m處設置棱鏡，瞄準棱鏡測距30次以上。以此確保目鏡、物鏡視場清晰，光束傳播適應坑道環(huán)境。之后才開始正常工作。

另外需要注意的是，全站儀下方的對中望遠鏡鏡頭可能也會起霧，導致對中視場模糊，此時應小心將全站儀從三角基座上取下，擦拭鏡頭。因為坑道內(nèi)光線暗，在設站對中，以及瞄準目標點時，都應該微調(diào)螺旋，認真消除視差。

3.4 坑道碎部測量要點

(1)坑道邊線：棱鏡的測量中心是其鏡頭中心，因此坑道邊線測點全部采用免棱鏡的方式，打開SOKKIA CX101全站儀照準指示激光，直接照準坑道側(cè)墻特征點進行測取。當激光束與坑道側(cè)墻成鈍角方向時，以反光板輔助遮擋，以免激光散射，記錄錯誤位置，如圖4所示。

圖4 坑道邊線測繪示意圖(俯視)

(2)坑道內(nèi)高程：免棱鏡測高程不易獲取準確目標高，因此坑道內(nèi)高程點全部采用光學反射棱鏡的方式，每個測點確定目標高后測取。

3.5 坑道內(nèi)燈光不均勻

前期坑道清淤施工過程中，在坑道頂部按照一定的距離間隔安裝了部分射燈，當全站儀逆光測量時，因燈光照射，極難瞄準目標測量。此時應安排人員在電閘處臨時關(guān)閉照明，以手電筒(頭燈)沿測量光束照射目標棱鏡方向，搜尋棱鏡測量，或由測繪員在碎部點處指示激光斑點定位測量。

4 成果標準及經(jīng)驗總結(jié)

4.1 成果精度

針對不利因素，利用上述各種解決方案，創(chuàng)新地創(chuàng)造了測量條件，得以完成了測繪任務。導線平差成果如表1所示。

表1 坑道各導線測段平差成果

數(shù)據(jù)分析顯示，附合導線最弱處位于兩兩出口中間，最弱點點位中誤差均值±4.2 cm，平面相對中誤差約1:4 600。本項目使用的SOKKIA CX101全站儀測角精度1″，利用免棱鏡測量碎部點的測距精度為(3+2 ppm×D)mm，本項目中測距長度最長不超過100 m。據(jù)此推求碎部點平面精度約為±10 cm。

4.2 經(jīng)驗總結(jié)

(1)從數(shù)據(jù)上看，碎部點平面精度±10 cm，這樣的精度是比較差的，但面對使用單位對圖紙的急切需求，在諸多不利因素下，拿到這樣的第一手資料，得到了業(yè)主的認可。后續(xù)若需要更精確的成果，可待測量條件改善后，再做精細測量。

(2)根據(jù)經(jīng)驗可知，鋼筋越長，頂部越容易受外界影響而產(chǎn)生擾動。本次測量因墩子委托第三方制作，為求工作便利，設置了高1 m可供全線使用的墩子。如果條件允許，應設置多種尺寸高度的“設站墩”，根據(jù)水深情況，選用鋼筋最短的墩子，如此可以進一步提高測量的精度。另可優(yōu)化“設站墩”的結(jié)構(gòu)形式，如做三腳結(jié)構(gòu)、增大墩體體積等，力求其在水下的穩(wěn)定。

(3)針對坑道曲折，導線測量轉(zhuǎn)點多，且因存在積水轉(zhuǎn)點無法保存的測量條件，本次測量結(jié)合規(guī)范要求的“先控制、后碎部”，采用了“邊控制、邊碎部”的外業(yè)測繪方法，將控制測量、碎部測量的先后在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時體現(xiàn)出來。如此保證整體作業(yè)速度快，效率高，節(jié)省了耗時的控制測量工期，符合本次任務快速獲取現(xiàn)場測繪資料的要求。延伸考慮，當坑道內(nèi)臨時控制點不易保存，可參考地鐵隧道監(jiān)測的控制點布設方法，在坑道壁設置控制點位，埋設強制對中觀測墩、棱鏡轉(zhuǎn)接頭等，以此保證成果精度的需求，值得下一步進行思考。