測量方法及數(shù)據(jù)處理

楊永海 第五江波

北京城建勘測設計研究院有限責任公司，中國·吉林 長春 130022

地鐵隧道；設計；調(diào)線調(diào)坡；斷面測量；數(shù)據(jù)處理

1 引言

地鐵隧道在施工過程中，現(xiàn)場環(huán)境差，同時受其他專業(yè)施工作業(yè)限制，斷面測量條件常常達不到理想條件，且隧道線路長度長、斷面多，綜合考慮，采用全站儀三坐標法進行測量[1]。

2 斷面數(shù)據(jù)要求

通常情況下，地鐵隧道斷面按形狀主要分為三類：圓形、馬蹄形、矩形；不同結構類型斷面的測點位置要求也不同（如圖1、圖2、圖3所示）。

盾構工法圓形隧道的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)如圖1所示：

圖1 圓形隧道測量圖

設計所需的數(shù)據(jù)為：

（1）O2點的坐標。

（2）隧道頂點O3距離軌面的高度H1。

（3）隧道底點O4距離軌面的高度H2。

礦山法馬蹄形隧道的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)如圖2所示：

圖2 馬蹄形隧道測量圖

設計所需的數(shù)據(jù)為：

（1）O2點的坐標。

（2）隧道頂點O3距軌面的高度H1。

（3）隧道底點O4距軌面的高度H2。

車站結構的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)如圖3所示：

圖3 車站結構測量圖

設計所需的數(shù)據(jù)為：

（1）O1與a1的距離A1（即a1到軌道中心線的距離）。

（2）b1到軌道中心線的距離B1。

（3）C1到軌道中心線的距離C1。

（4）f1到軌道中心線的距離S1。

（5）f2到軌道中心線的距離S2。

（6）d1到軌面的距離H1。

（7）d2到軌面的距離H2。

（8）f1到軌面的距離H3。

3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

測量數(shù)據(jù)采集主要使用三維坐標法。在隧道內(nèi)，以貫通測量檢測平差過的平面及高程控制點為起算依據(jù)，進行斷面測量，設站可以采用空間交會法、已知測站法、假設坐標法等。作業(yè)前對起算點的點位關系進行檢核，檢核合格后對目標點位進行測量，直接測取各點位的三維坐標并存入儀器存儲卡內(nèi)。改變測站后，對上一測站所測最后兩個斷面的特征點坐標進行檢核[1-2]。

盾構圓形隧道數(shù)據(jù)的采集使用徠卡TS50 全站儀。該儀器測角精度0.5″，測距精度 1mm+1ppm，具有自動照準、鎖定跟蹤、聯(lián)機控制等功能，它能夠應用ATR 模式自動識別目標，當全站儀發(fā)送的紅外光被反射棱鏡返回并經(jīng)全站儀內(nèi)置的CCD 相機判別接受后，馬達就驅(qū)動全站儀自動轉向棱鏡，并自動精確測定，所以又稱為“測量機器人”。采集時將棱鏡放置于環(huán)片一側（靠近另一環(huán)），從頂部開始，順時針采集5 個點位數(shù)據(jù)。斷面測量間距：直線段每10 環(huán)測量一個斷面，曲線段每5 環(huán)測量一個斷面。區(qū)間兩端頭20 環(huán)，需一環(huán)一測[3-4]。

圖4 點位采集位置圖

4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

首先，將外業(yè)采集的原始數(shù)據(jù)導入Excel 表格，經(jīng)過人工干預，剔除錯誤數(shù)據(jù)，糾偏數(shù)據(jù)。通過Excel 表格整理出相應的隧道數(shù)據(jù)（矩形隧道為頂板高程、底板高程和邊墻數(shù)據(jù)），圓形隧道為多個點數(shù)據(jù)。

利用Matlab 軟件多點擬合圓心程序，擬合出圓形隧道（馬蹄形隧道）中心數(shù)據(jù)和圓形半徑。然后根據(jù)線路曲線要素，采用交點法，通過Excel 表格隧道施工測量程序，計算出點位相應的設計里程、坐標和軌面標高，最后得出實測值與設計值的關系，即侵限值，為設計調(diào)線調(diào)坡提供數(shù)據(jù)支撐。

5 工程實例

地鐵工程由于結構形式的多樣化，給斷面測量及數(shù)據(jù)處理也帶來了一定的難度，現(xiàn)舉一個工程實例進行說明。

以長春市地鐵2 號線解放橋站至建設街站右線為例。長春市地鐵2 號線一期工程線路全長23.5 公里，其中車站19座，區(qū)間18 個。車站包含明挖車站和暗挖車站，區(qū)間包含盾構隧道和暗挖隧道。車站長度平均200m，區(qū)間長度平均1000m。解放橋站位于位于西解放立交橋西側，景陽大路南側，沿東西向設置。車站總長154.600m，車站有效站臺中心里程為K28+937.090，主體結構為明挖法施工；建設街站位于解放大路與建設街交匯路口，呈東西走向，為地下島式車站，車站全長176.3m，車站有效站臺中心里程K29+786.516。區(qū)間隧道采用盾構工法，從西解放立交橋中南部起，經(jīng)過西解放立交橋中東部至解放大路。線路右線起訖里程為K29+112.547～K29+678.666，線路右線長度為566.119m，右線設置R=300m 曲線一處、R=600m 曲線一處[5-6]。

（1）將解放橋站至建設街站右線的平、縱線路要素依次輸入隧道施工測量程序，計算平面偏移、豎向偏移。

（2）將區(qū)間的測量數(shù)據(jù)按照點號、北坐標、東坐標、高程的格式保存為文本，導入Matlab 軟件中五點圓心擬合程序，得出擬合出圓心坐標、半徑、一次殘差、二次殘差和三次殘差。通過殘差值和擬合的半徑值，可以了解測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量是否可靠[7-8]。

表1 平面參數(shù)

表2 縱面參數(shù)

圖5 原始斷面測量數(shù)據(jù)

圖6 Matlab 軟件圓心擬合

圖7 擬合成果

（3）已知盾構隧道半徑為2.7m，擬合結果半徑均在2.665m左右，擬合半徑加上圓棱鏡參數(shù)0.035m，結果符合要求。

（4）用每個斷面的圓心標高值加（或減）擬合半徑與棱鏡參數(shù)之和，便可得出該處斷面的頂板、底板標高。

（5）將擬合出的中心坐標輸入隧道施工測量程序，計算出相應的里程、理論坐標和高程，擬合圓心坐標與設計線路的偏差，進而算出頂板、底板的差值，最后整理出設計所需的數(shù)據(jù)。

（6）同樣，馬蹄形隧道、矩形隧道、U 型槽隧道斷面均能計算出與設計線路的偏差，判斷出隧道是否滿足設計要求。

6 結果分析

考慮隧道施工時不可避免的施工誤差、結構變形、隧道沉降以及測量誤差等，在隧道建筑限界周邊再預留100mm 的裕量，通過計算處理后的測量數(shù)據(jù)，可以判定初支超欠挖，成型后斷面限界情況。

表3 理論坐標、高程計算

表4 區(qū)間成果表樣例

表5 車站成果表樣例

論文的測量方法與數(shù)據(jù)處理最主要的特色就是節(jié)約了成本費用，大大提高了工作效率，在地鐵1 號線 2 號線施工過程中得到了推廣和應用，受到施工單位的一致好評。