自由設(shè)站控制網(wǎng)在城市軌道交通中的運用

張利勇

(呼和浩特市城市軌道交通建設(shè)管理有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

近年來，我國城市軌道交通建設(shè)迅猛發(fā)展，未來一段時間內(nèi)，城市軌道交通仍將進行大規(guī)模的建設(shè)和規(guī)劃[1]。隨著地鐵設(shè)計時速的提高，人們對乘坐舒適性、運營維護高效性的要求日益提高，掌握地鐵線路運行狀態(tài)和持久保持軌道結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)定性、平順性，確保地鐵列車安全、平穩(wěn)運行，已成為地鐵建設(shè)和運營管理的一個十分重要的研究課題，建立地鐵軌道精密工程控制網(wǎng)是解決這一問題的有力探索。CPⅢ技術(shù)是我國高鐵的成熟技術(shù)，是線上精密軌道施工、精密維修養(yǎng)護和監(jiān)測、檢測的基準和重要科學(xué)依據(jù)。將CPⅢ技術(shù)引入城市軌道交通建設(shè)和運營管理中，經(jīng)歷了軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)和自由設(shè)站控制網(wǎng)2個過程。目前自由設(shè)站控制網(wǎng)普遍是在隧道貫通后進行建網(wǎng)，主要應(yīng)用于軌道施工、軌道幾何狀態(tài)檢測、運營維護測量，未能充分發(fā)揮自由設(shè)站控制網(wǎng)的作用，涵蓋軌道交通施工、運營全過程。將自由設(shè)站控制網(wǎng)應(yīng)用在軌道交通施工、運營全過程的工程極少，未見有相關(guān)報道。通過呼和浩特市城市軌道交通工程1號線項目，介紹自由設(shè)站控制網(wǎng)在軌道交通土建施工期間的合理應(yīng)用，驗證自由設(shè)站控制網(wǎng)在軌道交通全過程應(yīng)用的可行性。

1 工程概況

呼和浩特市城市軌道交通1號線一期工程線路呈東西向布置，正線全長21.9 km(不含出入線長度)，全線共設(shè)20座車站，地下站16座，高架站3座，地面站1座，平均站間距1.19 km。所有地下車站在施工過程中，聯(lián)系測量均采用兩井定向的方法將平面坐標和高程傳遞到車站底板控制點上。隧道貫通后，以車站底板上聯(lián)系測量的成果為基準點，進行了隧道控制點恢復(fù)測量，在此基礎(chǔ)上建立CPⅢ控制網(wǎng)，為后期鋪軌工程及運營維護提供測量基準[2]。其CPⅢ建網(wǎng)模式為地面控制網(wǎng)(線路網(wǎng))—地下控制網(wǎng)(聯(lián)系測量、地下導(dǎo)線網(wǎng))—自由設(shè)站控制網(wǎng)的方式，控制網(wǎng)采用分級布設(shè)，其中自由設(shè)站控制網(wǎng)處于第三級，其測量精度會有所下降，同時由于分級過程比較多，所有測量過程中平面坐標和高程都是分開進行測量，測量工作量比較大，導(dǎo)致測量效率偏低。以呼和浩特市城市軌道交通1號線一期工程內(nèi)蒙古展覽館站—內(nèi)蒙古博物院站—市政府站左線3站2區(qū)間為例，介紹該區(qū)段采用自由設(shè)站控制網(wǎng)替代地下控制網(wǎng)(聯(lián)系測量、地下導(dǎo)線網(wǎng))，直接在地面控制網(wǎng)(線路網(wǎng))的基礎(chǔ)上建立隧道里的自由設(shè)站控制網(wǎng)，在確保測量精度的前提下，提高了測量工作效率，實現(xiàn)了一網(wǎng)多用。

2 自由設(shè)站控制網(wǎng)的應(yīng)用

2.1 自由設(shè)站控制網(wǎng)技術(shù)要求

自由設(shè)站控制網(wǎng)以“自由測站、后方交會”的方式進行聯(lián)測，每一測站間距視通視情況而定，一般不超過120 m，使用的儀器為徠卡TS15A1〃R400全站儀，可進行自動觀測，儀器精度滿足規(guī)范要求，具體布點及觀測要求如下：

圖1 自由設(shè)站控制網(wǎng)平面圖

(1)控制點測量組件采用精加工元器件(采用數(shù)控機床)，由不銹鋼材料制作。軌道基礎(chǔ)控制點標志重復(fù)安裝誤差和互換安裝誤差X、Y、Z3方向分別小于0.4 mm、0.4 mm、0.2 mm，控制點組件、埋設(shè)均符合規(guī)范要求。

(2)自由設(shè)站控制網(wǎng)平面采用自由測站邊角交會的方法測量，一般情況下，每個CPⅢ控制點有3個方向交會，自由測站到CPⅢ點的最遠觀測距離不大于120 m，每個自由測站觀測4對控制點，測站間重復(fù)觀測3對控制點，如圖1所示。

(3)平面測量水平方向采用邊角交會觀測法進行觀測，距離觀測采用多測回距離觀測法，均按照文獻[3]相關(guān)要求執(zhí)行。

(4)CPⅢ平面網(wǎng)按照3站2區(qū)間作為1個區(qū)段，分段測量的區(qū)段長度大于2 km，每隔1 000 m左右聯(lián)測1個既有的高等級線路控制點。實際測量過程中以車站里采用自由設(shè)站方式傳遞到車站底板的控制點作為既有線路控制點。

(5)高程采用三角高程測量方法，自由測設(shè)站三角高程測量與平面控制測量合并進行，主要技術(shù)要求執(zhí)行文獻[3]的相關(guān)要求。

2.2 自由設(shè)站控制網(wǎng)替代施工階段的聯(lián)系測量和地下導(dǎo)線控制網(wǎng)

圖2 自由設(shè)站控制網(wǎng)坐標和高程同步傳遞(代替聯(lián)系測量)

目前城市軌道交通聯(lián)系測量和地下控制網(wǎng)普遍為平面和高程分開測量，平面聯(lián)系測量通常采用一井定向、兩井定向、導(dǎo)線直接快遞法，高程傳遞通常采用懸掛鋼尺法、電磁波測距三角高程法。地下控制網(wǎng)測量分平面控制測量和高程控制測量，常采用精密導(dǎo)線測量和幾何水準測量，測量內(nèi)容多、程序復(fù)雜，未能實現(xiàn)平面、高程控制一體化，同時聯(lián)系測量和地下控制網(wǎng)分開進行。此次試驗的內(nèi)蒙古展覽館站—內(nèi)蒙古博物院站—市政府站左線3站2區(qū)間采用自由設(shè)站控制網(wǎng)替代施工階段的聯(lián)系測量和地下控制網(wǎng)。充分利用自由設(shè)站控制網(wǎng)的優(yōu)勢：充分利用強制對中的優(yōu)勢，自由設(shè)站，無需對中，減少對中誤差[4]；增加邊角觀測，增強觀測數(shù)據(jù)的可靠性，增強網(wǎng)形強度，適當(dāng)提高了控制點的相對點位精度[4]，實現(xiàn)平面坐標、高程控制一體化，減少測量工作量[5]，見圖2。

本次3站2區(qū)間內(nèi)蒙古展覽館站、內(nèi)蒙古博物院站、市政府站3個車站的聯(lián)系測量均以車站附近的線路控制點或者精密導(dǎo)線點為基準，采用自由設(shè)站、后方交會測量方法將基準點三維坐標傳遞到各車站底板控制點上。當(dāng)俯仰角大于40°，且不能一站直接傳遞三維坐標時，在車站站廳層或豎井壁上成組布設(shè)強制對中的三維控制點作為三維坐標傳遞過渡點，形成任意設(shè)站控制網(wǎng)測量線路，將地面線路控制網(wǎng)的坐標和高程傳遞到車站地下控制點，再將其與區(qū)間自由設(shè)站控制網(wǎng)聯(lián)測，從而達到聯(lián)系測量與區(qū)間自由設(shè)站控制網(wǎng)一次完成，省去了傳統(tǒng)的兩井定向、地下控制點恢復(fù)測量等測量過程。實際測量過程中，外業(yè)僅用了2 d，完成了3站2區(qū)間隧道自由設(shè)站控制網(wǎng)的建立，包括從地面到地下的坐標、高程傳遞，地下隧道自由設(shè)站控制網(wǎng)的測量。相對于傳統(tǒng)的三級布網(wǎng)模式，大大提高了測量效率。

2.3 數(shù)據(jù)處理及精度分析

對自由設(shè)站控制網(wǎng)外業(yè)數(shù)據(jù)100%檢查無誤后，按照文獻[3]要求分別進行自由平差和約束平差。內(nèi)蒙古展覽館站—內(nèi)蒙古博物院站—市政府站左線區(qū)間自由平差精度滿足規(guī)范要求。約束平差時，以各車站地面線路控制網(wǎng)點為基準點，對3站2區(qū)間自由設(shè)站控制網(wǎng)進行平差，平差精度統(tǒng)計見表1和表2。

表1 CPⅢ平面網(wǎng)約束平差精度統(tǒng)計

表2 CPⅢ高程網(wǎng)平差精度統(tǒng)計

從內(nèi)蒙古展覽館站—內(nèi)蒙古博物院站—市政府站區(qū)間左線CPⅢ平差精度統(tǒng)計結(jié)果可知：各項精度指標均滿足規(guī)范要求，且精度比較高。其中平面點位中誤差和相鄰點間中誤差、高程中誤差、相鄰點高差中誤差都在±1 mm左右，部分點甚至更高，相對于傳統(tǒng)的導(dǎo)線測量、水準測量方法的平差精度均顯著提高。這將大大提高工程項目建設(shè)的各項精度指標[6]，特別是對軌道的平順性，地鐵列車行駛過程中的舒適度也會得到明顯提高。

自由設(shè)站控制網(wǎng)相對于傳統(tǒng)的導(dǎo)線、水準測量具有更高的精度指標，比如：自由設(shè)站控制網(wǎng)固定約束平差后，相鄰點相對點位中誤差為±1 mm，而精密導(dǎo)線平差后相鄰點相對點位中誤差為±8 mm，能更好地控制測量成果的精度。

2.4 自由設(shè)站控制網(wǎng)的應(yīng)用延伸

相對于傳統(tǒng)的導(dǎo)線、水準控制網(wǎng)，自由設(shè)站控制網(wǎng)在提高測量精度的同時，實現(xiàn)了平面、高程一體化，同步進行平面測量和高程測量，大大提高了測量工作效率。目前城市軌道交通中自由設(shè)站控制網(wǎng)廣泛應(yīng)用于鋪軌工程和后期運營維護，其應(yīng)用效果已得到實踐的認可。在建設(shè)期的車站施工、隧道施工、隧道貫通后的調(diào)線調(diào)坡等過程中的應(yīng)用仍是工程建設(shè)者不斷探索的領(lǐng)域。通過本案例的成功驗證，自由設(shè)站控制網(wǎng)作為一種更加優(yōu)越的測量方法，完全可以在地鐵建設(shè)期的更多施工過程中加以應(yīng)用，從而提高測量效率。

(1)車站施工過程中，可以以線路控制網(wǎng)點作為基準點，采用自由設(shè)站的測量方法進行主體結(jié)構(gòu)的放樣，放樣過程中平面、高程測量同時進行，放樣測量效率更高。同時當(dāng)車站基坑開挖到底部進行底板結(jié)構(gòu)施工時，要進行聯(lián)系測量，完全可以采用自由設(shè)站的方式將地面坐標和高程同時傳遞到車站底板控制點上，避免了平面坐標和高程單獨進行測量造成的工效浪費，測量精度也能得到有效的保證。

(2)自由設(shè)站控制網(wǎng)用于盾構(gòu)施工，目前盾構(gòu)隧道施工測量以車站聯(lián)系測量為基準，隧道平面控制測量大多采用支導(dǎo)線或者雙支導(dǎo)線測量方法，由于支導(dǎo)線的精度與其導(dǎo)線長度密切相關(guān)，支導(dǎo)線長度越長，其末端的點位精度就越低，高程采用傳統(tǒng)的水準測量方法，與平面坐標測量同樣也是分開進行的，測量效率不高。盾構(gòu)掘進過程中，測量控制網(wǎng)同樣可以用自由設(shè)站控制網(wǎng)來代替支導(dǎo)線，其施工測量控制網(wǎng)如圖3所示。

圖3 自由設(shè)站控制網(wǎng)替代施工階段的地下控制網(wǎng)

盾構(gòu)施工過程中，控制網(wǎng)從隧道兩側(cè)同時向前延伸，采用自由設(shè)站控制網(wǎng)測量方法，由于其測量控制點重復(fù)觀測數(shù)比較多，邊角關(guān)系也更加豐富，因而能大大增強網(wǎng)形強度，同時提高控制點的相對點位精度，整個網(wǎng)形相對于支導(dǎo)線延伸更加穩(wěn)定，測量精度也會更高，還能實現(xiàn)平面、高程測量同步進行，無需單獨進行導(dǎo)線測量和水準測量。

(3)自由設(shè)站控制網(wǎng)用于調(diào)線調(diào)坡的斷面測量，傳統(tǒng)的斷面測量都是在隧道貫通后，先進行隧道控制點恢復(fù)測量，然后再以恢復(fù)的控制點為基準，進行斷面測量。如果盾構(gòu)掘進過程中就采用自由設(shè)站控制網(wǎng)的方式進行測量，在隧道貫通后，只需將隧道的自由設(shè)站控制網(wǎng)與貫通車站的控制點進行聯(lián)測，平差后的控制網(wǎng)可以直接作為斷面測量的基準點，由于自由設(shè)站控制網(wǎng)的控制點更加密集，對于斷面測量來說就更加方便。同時也可以作為后期鋪軌工程的CPⅢ網(wǎng)，做到一網(wǎng)多用，完全省去了隧道貫通后的控制點恢復(fù)測量，提高了測量效率。

由此可見，自由設(shè)站控制網(wǎng)除了目前被廣泛應(yīng)用于鋪軌工程、運營維護過程外，建設(shè)期的車站施工、隧道施工、貫通后的斷面測量等施工過程中同樣可以加以應(yīng)用。施工測量過程中充分利用好自由設(shè)站控制網(wǎng)測量技術(shù)，實現(xiàn)平面網(wǎng)和高程網(wǎng)測量同步進行，在整個工程建設(shè)期和運營維護過程中能大大減少測量工作量，提高測量效率。同時，可以實現(xiàn)一個自由設(shè)站控制網(wǎng)覆蓋施工、運營全過程，做到一網(wǎng)多用，創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟效益。

3 結(jié)語

(1)自由設(shè)站控制網(wǎng)在測量過程中儀器自由設(shè)站，消除了儀器設(shè)站對中誤差；同時采用的后方交會方式觀測，增加多余觀測值，增強控制網(wǎng)網(wǎng)形強度，成果精度更加可靠；相鄰點間相對精度更高，能有效提高線路的平順性。

(2)自由設(shè)站控制網(wǎng)可將平面、高程控制測量一體化，大大提高了測量效率，同時也減少了人員及儀器設(shè)備的投入，具有較高的經(jīng)濟效益。

(3)自由設(shè)站控制網(wǎng)可以貫穿于整個施工建設(shè)和運營全過程，點位穩(wěn)固性好，可長期穩(wěn)定保存，使測量工序得到了優(yōu)化、精度得到了提高，測量效率更高，起到一網(wǎng)多用的作用，必將在地鐵測量中開創(chuàng)新的篇章。