地鐵施工中精密工程的控制測(cè)量復(fù)測(cè)技術(shù)研究

趙佳楠

（中鐵一局集團(tuán)有限公司廣州分公司，廣州511492）

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化、機(jī)械化進(jìn)程的不斷加快，交通堵塞成為一大交通問(wèn)題，形成了困擾城市發(fā)展的難題[1]。而地鐵建設(shè)是受?chē)?guó)際青睞解決大城市交通問(wèn)題的首選方式，其具有客運(yùn)量大、準(zhǔn)時(shí)、速度快、安全舒適和能源消耗小等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展地鐵是解決當(dāng)前國(guó)內(nèi)交通問(wèn)題的有效途徑。地鐵建造主要包括車(chē)站建設(shè)與隧道建設(shè)。車(chē)站建設(shè)主要采用明挖回填法與鉆挖法對(duì)加密控制點(diǎn)直接放樣建造；隧道建設(shè)通常采用明挖順作法和基坑蓋挖順作法，使地面和地下坐標(biāo)保持一致，以地下導(dǎo)線為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)起算坐標(biāo)和方位角測(cè)量并控制地下開(kāi)挖，保證隧道的方向正確貫通[2]。在復(fù)雜、耗時(shí)耗力的地鐵施工中，利用多種測(cè)量方式對(duì)地鐵進(jìn)行施工測(cè)試是成功的關(guān)鍵因素，因此，精密工程的控制測(cè)量技術(shù)是直接影響隧道貫通精準(zhǔn)度的關(guān)鍵點(diǎn)。

地鐵測(cè)量是地鐵施工建設(shè)工程中十分重要的環(huán)節(jié)，它的主要特點(diǎn)可以分為3個(gè)方面，地鐵施工測(cè)量?jī)?nèi)容較多、測(cè)量時(shí)間久；地鐵的開(kāi)挖施工涉及區(qū)域面積大，要經(jīng)過(guò)城市繁華商業(yè)區(qū)，因此，對(duì)地鐵車(chē)站建設(shè)精準(zhǔn)度的要求很高，對(duì)隧道貫通測(cè)量精準(zhǔn)度的要求也十分嚴(yán)格[3]；對(duì)于地鐵的總體規(guī)劃、分期建設(shè)的特點(diǎn)，地鐵站測(cè)量工作必須保證各路段、線路的準(zhǔn)確銜接。

綜上所述，以上特點(diǎn)對(duì)地鐵施工的精準(zhǔn)測(cè)量有重要影響，所以，需要根據(jù)地鐵施工中的具體情況而定，必要時(shí)采取一些特殊技術(shù)措施。

2 精密工程的控制測(cè)量復(fù)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 布設(shè)地鐵施工中精密工程控制網(wǎng)

結(jié)合地鐵施工過(guò)程中的實(shí)際情況以及施工區(qū)域的地面沉降大且不均勻、無(wú)規(guī)律可循的特征，地鐵施工過(guò)程中的精密工程的高程控制點(diǎn)布設(shè)有一定要求，首先要求按基巖點(diǎn)、深埋水準(zhǔn)點(diǎn)和加密水準(zhǔn)點(diǎn)3種類(lèi)型進(jìn)行布設(shè)，并且必須在線路施工的影響范圍之外[4]。各點(diǎn)埋設(shè)深度不同，依據(jù)施工沿線地質(zhì)條件來(lái)決定?；鶐r點(diǎn)埋設(shè)深度通常情況下是300～400 m，深埋水準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)深度通常是30～50 m，密埋水準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)深度通常是3～5 m。

為了保證地鐵施工中軌道鋪設(shè)的牢固性，基礎(chǔ)網(wǎng)的加密水準(zhǔn)點(diǎn)高程必須達(dá)到2 mm/km的精準(zhǔn)度。根據(jù)二等水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)中誤差的限差要求[5]，符合深埋水準(zhǔn)點(diǎn)上的加密水準(zhǔn)路線，最弱點(diǎn)誤差應(yīng)為：

式中，m為單位公里內(nèi)水準(zhǔn)測(cè)量在高差觀測(cè)中的誤差；L為與水準(zhǔn)路線附和的長(zhǎng)度。

假設(shè)深埋水準(zhǔn)點(diǎn)間的路線長(zhǎng)度為5～6 km，根據(jù)式（1）可得出加密水準(zhǔn)最弱點(diǎn)的精度為（±0.84～±0.92）mm。那么以4～5 km的間距布設(shè)深埋水準(zhǔn)點(diǎn)，中間布設(shè)加密水準(zhǔn)點(diǎn)，按照國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度進(jìn)行檢測(cè)[6]，才能使加密最弱點(diǎn)的精度優(yōu)于2 mm。

深埋水準(zhǔn)點(diǎn)的高程要求按國(guó)家一等水準(zhǔn)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)施測(cè)，并復(fù)核基巖水準(zhǔn)點(diǎn)。國(guó)家一等水準(zhǔn)測(cè)量中誤差的限差要求是每公里高差觀測(cè)的中誤差是±0.45 mm。假設(shè)基巖點(diǎn)之間的水準(zhǔn)路線長(zhǎng)度為25～35 km，由式（1）可得出最弱點(diǎn)的精度為（±1.01～±1.23）mm，因此，以30 km為一個(gè)間隔來(lái)埋設(shè)基巖點(diǎn)，那么國(guó)家一等水準(zhǔn)路線的長(zhǎng)度就低于35 km，進(jìn)而保證最弱點(diǎn)精度優(yōu)于2 mm（這里和城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范中不吻合，城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范不設(shè)計(jì)國(guó)家一等水準(zhǔn)）。

考慮到造價(jià)層面，根據(jù)上面的精度分析，每30 km一個(gè)基巖點(diǎn)，每5 km一個(gè)深埋水準(zhǔn)點(diǎn)是比較理想的[7]。那么全線應(yīng)布設(shè)基巖點(diǎn)5個(gè)，深埋水準(zhǔn)點(diǎn)25座。

精密工程的平面控制網(wǎng)需要按照首級(jí)GPS網(wǎng)（見(jiàn)圖1）、次級(jí)GPS基礎(chǔ)網(wǎng)、GPS加密網(wǎng)以及精密導(dǎo)線網(wǎng)的形式布設(shè)。

圖1 首級(jí)GPS網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

首級(jí)GPS網(wǎng)、次級(jí)GPS基礎(chǔ)網(wǎng)分別與水準(zhǔn)基巖點(diǎn)、深埋點(diǎn)的埋設(shè)一同參考。應(yīng)在基巖點(diǎn)和深埋水準(zhǔn)點(diǎn)上建成觀測(cè)墩，同時(shí)建立強(qiáng)制歸心標(biāo)志。首級(jí)、次級(jí)GPS網(wǎng)構(gòu)成三角形和四邊形獨(dú)立閉合環(huán)，以保證控制網(wǎng)的安全性。GPS加密網(wǎng)點(diǎn)間距在1.5～2 km，約100個(gè)，沿線布設(shè)的原則是既要便于加密布線又要滿足施工需要，并盡可能地讓點(diǎn)間通視，困難地段有必要增加方向輔助點(diǎn)。首級(jí)、次級(jí)、加密GPS網(wǎng)的技術(shù)要求分別以B、C、D級(jí)網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為參考（規(guī)范明確城市軌道交通衛(wèi)星定位網(wǎng)設(shè)置兩級(jí)），工程現(xiàn)實(shí)情況要求各級(jí)GPS網(wǎng)的平面坐標(biāo)點(diǎn)位精度要優(yōu)于10 mm。

線路導(dǎo)線布設(shè)在加密GPS網(wǎng)的基礎(chǔ)之上，平均邊長(zhǎng)為180～200 m，點(diǎn)數(shù)約在500個(gè)，點(diǎn)位布設(shè)原則是方便施工，點(diǎn)位埋設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與加密GPS點(diǎn)一致。導(dǎo)線的測(cè)角誤差應(yīng)為2″。

2.2 確定地鐵施工中精密工程貫通測(cè)量誤差

城市軌道交通工程貫通測(cè)量誤差是受兩個(gè)方面的影響，一是設(shè)計(jì)所給出的隧道結(jié)構(gòu)限界裕量允許偏差值，二是測(cè)量?jī)x器的精度情況。設(shè)計(jì)中通常給出的隧道結(jié)構(gòu)限界裕量是每側(cè)100 mm，這其中主要包括施工帶來(lái)的誤差、測(cè)量過(guò)程中誤差、變形導(dǎo)致的誤差等[8]。施工初期，支護(hù)鋼筋格柵的安裝允許產(chǎn)生±30 mm的誤差，而噴射混凝土平整度要求隧道橫向偏差為±30 mm為最佳，變形誤差在±20 mm以內(nèi)為合格，那么從式（2）可以得出，采用這一施工方式下貫通測(cè)量誤差允許值M4=±88.3 mm。

式中，M為誤差允許范圍總值；M1表示地面控制測(cè)量的誤差；M2為豎井連續(xù)測(cè)量的誤差；M3為地下控制導(dǎo)線測(cè)量的誤差；M4為隧道橫向貫通誤差。

參照以上貫通誤差制定的標(biāo)準(zhǔn)，以及各個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)現(xiàn)實(shí)工作中能夠達(dá)到的精度，借鑒軌道交通貫通測(cè)量所采用的不等精度分配方法，將貫通誤差定義為軌道交通平面測(cè)量的重要步驟[9]。這就需要地面控制測(cè)量的誤差在±25 mm，而且豎井連續(xù)測(cè)量的誤差范圍是±20 mm，另外，地下控制導(dǎo)線測(cè)量的誤差值范圍是±30 mm，隧道橫向貫通誤差是在±43.8 mm＜±44.2 mm。

目前，通常情況下城市軌道交通工程設(shè)計(jì)所給到的高程安全裕量為70～100 mm，相對(duì)較大。就目前測(cè)量?jī)x器、設(shè)備狀況以及隧道結(jié)構(gòu)的豎向允許偏差3方面來(lái)看，土建施工方滿足貫通誤差設(shè)計(jì)要求比較容易做到。但是，城市軌道交通工程采用整體道床鋪軌方式，因此，提高了標(biāo)準(zhǔn)，將地鐵高程貫通測(cè)量誤差確定在±25 mm。將誤差分配到高程測(cè)量的各個(gè)環(huán)節(jié)[10]。地面高程控制測(cè)量的允許誤差為±16 mm，高程傳遞測(cè)量的允許誤差為±10 mm，地下高程測(cè)量的允許誤差為±16 mm。則高程貫通測(cè)量允許的誤差范圍是Mh=±24.7 mm＜±25 mm。

2.3 設(shè)計(jì)地鐵施工中精密工程的控制測(cè)量復(fù)測(cè)流程

基于確定地鐵施工中精密工程貫通測(cè)量誤差，設(shè)計(jì)了地鐵施工中精密工程的控制測(cè)量復(fù)測(cè)流程，具體步驟如下：

步驟一：將2臺(tái)安平投點(diǎn)儀安放在井架的2個(gè)端點(diǎn)位置處，并使其與地鐵施工井下的端點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)；

步驟二：在地面上方將全站儀安放在井點(diǎn)附近，用于觀測(cè)角度和邊長(zhǎng)，并測(cè)定2臺(tái)安平投點(diǎn)儀的坐標(biāo)；

步驟三：在井下將陀螺經(jīng)緯儀安放在西2點(diǎn)，采用逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法測(cè)定陀螺的方位，將陀螺經(jīng)緯儀取下，再將全站儀安放在西2點(diǎn)上，觀測(cè)井下角度和邊長(zhǎng)，確定西2點(diǎn)的坐標(biāo)，完成地鐵施工中精密工程的控制測(cè)量復(fù)測(cè)工作。

綜上所述，通過(guò)設(shè)計(jì)地鐵施工中精密工程的高程控制網(wǎng)和平面控制網(wǎng)，布設(shè)了地鐵施工中精密工程控制網(wǎng)，通過(guò)確定地鐵施工中精密工程高程貫通測(cè)量誤差精度指標(biāo)和平面貫通測(cè)量誤差精度指標(biāo)，確定了地鐵施工中精密工程貫通測(cè)量誤差，結(jié)合地鐵施工中精密工程的控制測(cè)量復(fù)測(cè)流程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了地鐵施工中精密工程的控制測(cè)量復(fù)測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

為了驗(yàn)證提出的精密工程控制測(cè)量復(fù)測(cè)技術(shù)具有更高的精度，引入傳統(tǒng)精密工程控制測(cè)量復(fù)測(cè)技術(shù)，分別以井上施工和井下施工為背景，進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

地鐵井上施工中精密工程的控制測(cè)量復(fù)測(cè)誤差對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 地鐵井上施工中精密工程的控制測(cè)量復(fù)測(cè)誤差對(duì)比結(jié)果

從圖2的結(jié)果可以看出，在地鐵井上施工中精密工程的控制測(cè)量復(fù)測(cè)誤差方面，提出的精密工程控制測(cè)量復(fù)測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)精密工程控制測(cè)量復(fù)測(cè)技術(shù)相比，具有更高的精密工程控制測(cè)量復(fù)測(cè)精度。

地鐵井下施工中精密工程的控制測(cè)量復(fù)測(cè)誤差對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 控制測(cè)量復(fù)測(cè)誤差對(duì)比結(jié)果%

從表1的結(jié)果可以看出，地鐵井下施工中，傳統(tǒng)精密工程控制測(cè)量復(fù)測(cè)技術(shù)的控制測(cè)量復(fù)測(cè)誤差將近15%，而提出的精密工程控制測(cè)量復(fù)測(cè)技術(shù)可以將地鐵井下施工中精密工程的控制測(cè)量復(fù)測(cè)誤差控制到10%以內(nèi)，平均復(fù)測(cè)誤差為6.12%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了地鐵施工中精密工程的控制測(cè)量復(fù)測(cè)技術(shù)研究，通過(guò)布設(shè)地鐵施工中精密工程控制網(wǎng)，確定了地鐵施工中精密工程貫通測(cè)量誤差，結(jié)合地鐵施工中精密工程的控制測(cè)量復(fù)測(cè)流程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了地鐵施工中精密工程的控制測(cè)量復(fù)測(cè)。結(jié)果顯示，提出的控制測(cè)量復(fù)測(cè)技術(shù)具有更高的精度。