浅析城市轨道交通工程精密施工测量技术的应用与研究

　　一、引言
　　近年来北京、上海、广州、重庆等大城市轨道交通线路的相继建成通车，不仅标志着建设者施工技术的创新和进步，而且从众多侧面和角度充分展示出精密施工测量技术在保障施工精度和速度方面发挥了重要的作用。
　　城市轨道交通是城市公共交通的一种形式，是包括地下、地面和高架三种方式的轨道工程体系。由于其在建筑物、构筑物稠密和地下管网繁多的城市环境中建设，不仅工程测量精度要求高、技术密集，而且在工程测量方面有其特殊方法和要求。这就对测量工作提出了较高的要求。为使测量技术更好地为城市轨道交通工程建设服务，本文以北京、广州、天津等地铁工程建设的实际测量作业为背景，通过分析、研究与总结，从城市轨道交通工程测量精度设计的主要原则和要求、地面控制测量技术方法、竖井联系测量技术方法、隧道施工控制测量及贯通测量技术方法四个部分进行分析和阐述。
　　二、城市轨道交通工程测量精度设计的主要原则和要求
　　城市轨道交通工程的测量精度设计是根据其线路的特征、施工方法、施工精度、设备安装精度和贯通距离等诸多因素确定的，它不仅要保证隧道和线路贯通，而且要满足线路定线和放样，轨道铺设及设备安装的精度要求。
　　城市轨道交通工程测量的一项主要任务是保证其隧道贯通，其贯通误差的大小将直接影响到工程铁建设质量和工程造价。因此，在城市轨道交通工程测量精度设计中，合理地规定隧道贯通误差及其允许值，是城市轨道交通工程测量的一项重要研究任务。目前在《城市轨道交通工程测量规范》(GB503082008)中规定隧道横向贯通中误差在50mm之内，高程贯通中误差在25mm之内，该指标主要应用在采用盾构和喷锚构筑法进行的隧道施工中。
　　1.城市轨道交通工程平面贯通测量误差
　　精度指标的确定
　　城市轨道交通工程平面贯通测量误差是根据设计所给定的限界裕量(安全空隙)和隧道结构联结处的允许偏差两个主要因素以及测量仪器设备的精度状况来确定的。设计中一般给定的隧道结构限界裕量每侧为100mm(式(1)中用M表示)，这100mm的限界裕量中主要包括施工误差、测量误差、变形误差等。《地下铁道工程施工及验收规范》(GB502991999)规定采用喷锚暗挖施工时，初期支护钢筋格栅安装允许误差为30mm(式(1)中用M1表示)，喷射混凝土平整度允许隧道横向偏差为30mm(式(1)中用M2表示)，变形允许误差为20mm(式(1)用M3表示)，则由式(1)计算出采用该施工方法时贯通测量误差的允许值M4=88.3mm。
　　M24=M2-M21-M22-M23(1)
　　该值为极限误差，如以极限误差为2倍中误差M4来计算，则横向贯通测量中误差M4=44.2mm。
　　根据上述贯通误差制定的原则，并考虑各测量环节实际容易达到的精度情况，参照轨道交通贯通测量实践采用不等精度分配方法，将贯通误差配赋到轨道交通平面测量的主要环节。其中，地面控制测量中误差为25mm;竖井联系测量中误差为20mm;地下控制导线测量中误差为30mm。则隧道横向贯通中误差为43.8mm44.2mm。
　　2.城市轨道交通工程高程贯通测量误差
　　精度指标的确定
　　城市轨道交通工程设计所给定的的高程安全裕量比较大，一般为70 100mm，因此根据目前测量仪器和设备状况以及隧道结构的竖向允许偏差，土建施工比较容易满足贯通误差设计要求。但考虑到城市轨道交通工程采用整体道床铺轨对高程精度的要求，地铁高程贯通测量误差确定为25mm。同样采用不等精度分配方法，将高程贯通测量误差分配到高程测量的各个环节。其中，地面高程控制测量中误差为16mm;高程传递测量中误差为10mm;地下高程测量中误差为16mm。则高程贯通测量中误差Mh=24.7mm25mm。
　　上述确定的城市轨道交通工程贯通测量误差要求经我国北京、上海及广州等城市各条轨道交通线路贯通测量的实践验证是比较切合实际的。
　　三、城市轨道交通工程地面控制测量技术方法
　　1.城市轨道交通工程首级GPS控制网测量
　　技术方法
　　随着城市经济建设的发展，城市轨道交通必然逐步形成纵横交错的地上、地下网络系统。原来各城市建造的地面三角控制网，由于城市建设的迅猛发展，三角点大部分已破坏，现存的个别点也不能通视，给地铁建设的测量工作带来困难。而GPS技术则为城市轨道交通工程控制网测量提供了更好的选择。
　　1990年在北京地铁复八线地面控制网测量中首次应用了GPS技术。该控制网由10个GPS控制点组成，布网选点时要求各个控制点不仅要满足地铁复八线工程设计和施工要求，还要尽量与原有北京市I等三角网的高级控制点相联系，以便检核并评定1965年I等三角网点的稳定情况。
　　外业观测采用W101接收机，观测前利用GPS软件算出测区上空卫星的可见性、高度、方位角、PDOP值。为了削弱电离层的影响，选择PDOP5的最佳观测窗。每时段观测2h，以确保数据筛选后仍有60min的有效数据可用于计算。
　　内业数据采用POPS202版软件进行处理。在计算中采用自动筛选和人工筛选相结合的办法消除有周跳的观测数据，经平差计后异步环闭合差为(1.73 2.89)10-6，边长中误差为2.1mm，点位中误差为3.5mm。
　　1994年由于城市建设的影响，原有GPS控制点有的被破坏，有的发生变形，需要对原控制网进行扩充，并对原控制点的稳定性进行评价。为此在原GPS控制网的基础上新网共选设了13个点，7个点为旧点，新增6个点，其中3个点为一等点。
　　考虑到地铁测量误差分配到GPS测量的误差精度要求(相邻点位中误差小于10mm)，为加强控制网整体强度，采用一次布设、两级观测、整体平差的原则设计和布设GPS网。一级网由两个重叠的大地四边形组成，二级网为一级网下加密的三角锁。
　　GPS网采用Trimble4000SSE双频接收机进行观测，一级网共观测5个时段，二级加密网共观测11个时段，每时段观测60min。重复测站数R=3.7，网的可靠性指标=0.625。外业观测结果:同步环16个，平均闭合差为0.4410-6，最大闭合差为1.2610-6，最小闭合差为0.0710-6，绝大部分均小于0.510-6。异步环36个，最大闭合差为2.8310-6，最小闭合差为0.0610-6，大部分均小于110-6。全网共计31条边，其中复测边占45%，平均互差值为4.4mm。
　　内业平差时选定以2个已知点为固定点，以一级网下加密三角锁的网型方案进行平差，平差后点位中误差为3.2mm，方位角中误差为0.23，边长中误差为2.3mm。同时通过对不同网型方案的平差方法的分析，发现在一级网下加密导线的方案以较小的工作量同样可以得到较高的测量精度。
　　北京地铁复八线GPS控制网测量的成功经验，为以后的城市轨道交通工程GPS控制网测量奠定了基础。此后北京、广州、青岛、天津等城市的轨道交通工程控制网测量均采用了GPS测量技术。当今伴随着电子和通信技术的迅猛发展，GPS测量技术也在不断地创新和完善，不仅观测成果精度高，而且投入也少，大大地提高了生产效率，取得了良好的效果。
　　2.城市轨道交通工程精密导线网测量
　　技术方法
　　城市轨道交通工程精密导线网是为其工程线路区间隧道设计、施工而建立的平面控制导线。它附合在GPS控制网中，导线一般沿轨道交通线路布设成直伸形，附合长度在3 4km，平均边长控制在350m左右。
　　该段精密导线点的设置除按一般选点条件考虑外，为提高角度和边长的传算精度，采用了增加导线辅点的方法增强图形强度。导线点标石为人工混凝土结构，标石底部埋设在冻土层以下(即1.2m以下)，标石中心为镶有直径1mm铜芯的不锈钢标志。标石埋设后稳定一个月才进行观测。
　　导线采用TCA2003全站仪施测，水平角观测四测回(分左、右角观测)，边长往返观测四测回，每测回三次读数。为提高观测精度，照准目标选用高精度专用觇牌，观测中觇牌和仪器两次对中;水平角观测遇到长、短边需要调焦时，采用盘左长边调焦，盘右长边不调焦，盘右短边调焦，盘左短边不调焦的观测顺序进行观测，消除了多次调焦对观测的影响;测前对使用的仪器和设备进行全面检核。由于采用上述措施，尽管导线较长、测站较多，仍取得测角中误差M=0.9，导线全长相对误差为1/14万的高精度成果，为下一步竖井联系测量和地下控制导线测量工作奠定了良好的基础。
　　3.城市轨道交通工程精密水准网测量
　　技术方法
　　由于受城市轨道交通工程施工中降水和施工等因素影响，易造成水准点变化，精密水准点一般选在轨道交通工程线路中线两侧40m以外，远离地表变形区，水准点以墙上标志为主，埋设在年代较长的永久建筑物上。
　　该段精密水准路线起算于I京良2、I京良3和I京西2三个北京市I等水准点，由9个水准点组成，水准路线全长4.6km。水准测量采用NA2+GPM3自动安平水准仪和因钢水准尺，按Ⅱ等水准测量的方法和水准路线闭合差小于8槡Lmm(L为水准路线长，以km计)的精度要求进行施测。其往返闭合差3mm，平差后每km高程偶然中误差1mm。满足了城市轨道交通工程地面高程控制测量的精度要求。
　　四、城市轨道交通工程竖井联系测量技术方法
　　由于城市轨道交通工程车站和隧道大多采用暗挖法施工，为了保证地下隧道各工作面按设计位置正确施工，必须把地面控制点的坐标和高程经由竖井传到地下。通过这一竖井联系测量工作使地下建立起与地面统一的坐标和高程系统，指导地下隧道施工作业。
　　1.竖井定向测量方法
　　常规定向工作大多采用悬吊钢丝的联系三角形法，不仅对三角形图形几何条件要求高、工作时间长、劳动强度大，而且由于竖井风流等外界因素影响，定向精度很难达到。
　　为提高定向测量精度，缩短定向时间，在城市轨道交通工程测量实践中经分析和研究后，决定采用全站仪+投点仪+陀螺经纬仪组成的定向测量系统来完成竖井联系测量工作。
　　该定向测量系统具体工作方法如下:
　　1)将两台NL1/20万自动安平投点仪分别安置在竖井井架a、b两点上，并分别精确和井下a、b两点对中。
　　2)在地面将全站仪TCA2003安置在近井点Q点上，通过观测角度1、2和边长S1、S2分别测定a、b两点坐标。由于a和a，b和b分别位于同一铅垂线上，因此它们的两组坐标一致，亦即将a、b坐标传到井下a、b上。
　　3)在井下将GAK1陀螺经纬仪安置在西2点上，采用逆转点法三个测回分别单独测定陀螺方位1(a西2)、2(b西2)，然后取下GAK1陀螺经纬仪，再在西2点上安置全站仪TCA2003，观测、以及S1、S2，从而确定西2点的坐标和西2西3边方位角，定向工作完毕。
　　此外为提高定向精度和成果的可靠性，在定向工作的前、后都在紧靠竖井的精密导线边上进行陀螺常数测定;在一个测回陀螺定向的前、后都进行陀螺经纬仪零位测定。
　　在竖井定向测量中，由全站仪+投点仪+陀螺经纬仪组成的联合作业方法摆脱了传统悬吊钢丝的联系三角形法，不仅克服了受现场施工场地条件制约图形强度不易提高、测量工作占用竖井时间长等缺点，而且采用双投点、双定向的方法，增加了测量检核条件，有效地提高了测量定向精度。
　　2.高程传递测量技术方法
　　通过竖井传递高程，是将竖井附近的近井水准点的高程，通过竖井传递到井下高程测量起始点上。
　　在地面建立一悬挂钢尺尺架，将检定过的钢尺悬挂其上，下放到井下，并挂上10kg重的工作垂球。井上、井下安置两台水准仪，同时观测近井水准点BM上、BM下的水准尺和钢尺并读数，通过钢尺将地面近井水准点BM上的标高传到井下水准点BM下。
　　水准测量时井上、井下同时测定温度。为防止出现粗差和提高观测精度，三次变更仪器高进行观测，测定井上、井下水准点高差的不符值(高差的不符值3mm)。
　　在水准测量数据处理时，对观测值进行温度、拉力、钢尺自重等项改正，取三次观测成果平均值，得到高精度井下水准点(BM下)的高程成果。
　　五、隧道施工控制测量及贯通测量的技术方法
　　城市轨道交通工程测量最主要的任务在于确保地下隧道在预定误差范围内的正确贯通。隧道施工控制测量是在隧道内建立起一套平面和高程测量控制网，其用途在于放样隧道的中线位置，指示隧道掘进的方向，以及放样施工中各设施的位置等。
　　1.隧道平面施工控制测量技术方法
　　1)以竖井定向测设的基线边的坐标和方位角为起算依据，观测采用Ⅰ级全站仪进行测量，测角四测回(左、右角各两测回，左、右角平均值之和与360的较差应小于4测边往返观测各两测回。施工控制网最远点相对于起始点的横向中误差小于25mm。
　　2)隧道内控制点设置有多种形式。根据施工方法和隧道结构形状确定，可埋设在隧道底板的线路中线上，采用钢板在上面钻2mm小孔镶铜丝作为点的标志;也可埋设在线路中线一侧结构边墙上，安装放置仪器的强制对中支架。
　　由于在隧道贯通前的地下控制是一条支导线，这条导线起着指示隧道掘进方向的作用，所以它必须是十分准确的。为提高地下控制测量精度，常采用布设交叉导线和双导线的形式，在每设置一个新的导线点时，均由两条导线测得其坐标，当检核无误后，取其平均值作为新点的测量数据。另外由于地下施工场地为一个不稳定的载体，测量控制点埋设在上面其稳定性必然受到影响，为保证测量成果的可靠，随着导线的延伸必须进行重复测量。
　　2.隧道高程施工控制测量技术方法
　　1)洞内水准测量以竖井高程传递到井下的水准点为起算依据，采用二等精密水准测量方法和水准路线闭合差小于8槡Lmm的精度要求进行施测。
　　2)地下水准点可与导线设在一起，在设置导线点的钢板上焊一突出的金属标志，作为水准点，也可以在边墙上设置水准点。
　　3.隧道贯通误差测量技术方法
　　暗挖隧道贯通后及时进行贯通误差测量，以证实所有测量工作是否满足精度要求，地铁隧道是否按设计准确就位，贯通测量包括纵、横向贯通误差测量和高程贯通误差测量。
　　1)隧道的纵、横向贯通误差可根据隧道两侧控制导线点，相向测定贯通面上同一点的坐标闭合差确定，实测的坐标闭合差分别投影到线路和线路的法线方向上，计算纵、横向贯通误差值。
　　2)隧道高程贯通误差应由两侧控制水准点测定贯通面附近同一水准点的高程差值确定。
　　六、结束语
　　随着测绘科学技术的迅速发展，城市轨道交通工程测量技术也在不断地创新和进步。GPS控制测量技术、智能化全站仪(测量机器人)、高精度的电子水准仪、激光投点仪、自动定向陀螺仪、三维激光扫描仪以及全站仪与计算机组合断面测量和数据处理系统、施工变形测量和监控量测自动化系统等在全国轨道交通工程测量中都得到了应用和发展。今后随着城市轨道交通事业的发展，服务于轨道交通工程建设的工程测量工作，必将从理论和实践上进一步完善和发展，工程测量新技术、新方法也将在轨道交通工程测量中得到更广泛的应用。