地铁隧道竖井联系三角形测量技术的应用及精度分析

1地铁隧道竖井联系三角形测量技术的应用及精度分析摘要：从地铁隧道工程测量精度设计原则和要求出发，介绍了运用高精度全站仪进行地面平面控制测量和高程控制测量方法，详细阐述了地铁隧道竖井三角形法联系测量技术，论证了提高地铁隧道测量精度的途径。分析结果为有效控制隧道施工的贯通误差，实现地面和地下坐标的高精度提供了参考。关键词：竖井；联系三角形；联系测量；精度分析1前言地铁工程测量精度设计是根据工程特征、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，设计时不仅要保证隧道和线路贯通，而且要满足线路定线和放样的精度要求。地铁隧道测量的首要任务是保证隧道贯通，因此，在测量精度设计中，合理地规定隧道贯通误差及其允许值，是地铁测量的重要研究任务。目前，在地铁测量中使用的测量贯通误差要求，大都来自《城市轨道交通工程测量规范》（GB50308-2008），它是根据山岭隧道贯通误差测量的实际统计资料得出的。将其应用于主要采用盾构法进行施工的城市地铁隧道中，是否科学值得商榷。地铁贯通测量误差一般是根据设计所给定的限界裕量和隧道结构联结处的允许偏差两个主要因素来确定的，如设计给定的隧道结构限界裕量每侧为100mm，则这100mm的限界裕量中应主要包括施工误差、测量误差、变形误差等。目前，地铁给定的高程安全裕量比较大，一般为70mm~100mm，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，很容易满足贯通误差设计要求。但考虑到地铁整体道床铺轨对高程精度的要求，高程贯通测量中误差为±25mm。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：地面高程控制测量中误差±16mm，向地下传递高程的中误差±10mm，地下高程测量中误差±16mm。将其代式(1)得：)(257.24232221mmmmmmhhhH(1)可见，将321hhhmmm，，作为分项控制指标满足最终控制要求。2地面控制测量方法2.1平面控制测量在精密控制网的基础上，在沿线路方向附近布设施工平面控制点，建立附合或闭合精密导线，具体要求如下：（1）附合导线边数应少于12个，相邻的短边不宜小于长边的1/2各别短边的边长不应小于100m。（2）导线点按城市导线标志埋设，点位选在观测条件好且必须在施工期可能发生沉降变形范围之外稳固可靠的地方，并至少能与两个首级控制点通视。2（3）施工平面控制网采用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″），测边往返观测各两个测回，用严密平差软件进行数据处理，点位中误差小于±10mm。（4）距离测量时读取温度和气压值，测前、测后各读取一次，取平均值作为测站的气候数据，施测时也可以将温度及气压值输入到全站仪内自动进行改正。（5）精密导线测量的主要技术应符合《城市轨道交通工程测量规范》要求。2.2高程控制测量在首级测量水准点的基础上，根据实际情况将高程控制点引入施工现场，并沿线路走向加密高程控制点。高程控制测量的具体要求如下：（1）水准基点（高程控制点）必须布设在沉降影响区域外且保证稳固便于寻找、保存和引测的地方。（2）水准网布设沿线路方向布设成附合水准线路、闭合线路或结点网，间距平均布设，联测到精密控制点上。（3）观测方法采用往、返观测，观测应选择最佳时段施测，由往测转向反侧时，前后视互换水准尺，并重新整置仪器。（4）精密水准测量的主要技术要求应符合《国家一、二等水准测量规范》的规定。3联系测量技术联系测量是将地面测量数据传递到隧道内，以便指导隧道洞内施工。具体方法是将施工控制点通过布设趋近导线和趋近水准路线，建立近井点，再通过近井点把平面和高程控制点引入竖井下，为隧道开挖提供井下平面和高程依据。联系测量是联接地上与地下的一项重要工作，为提高地下控制测量精度，保证隧道准确贯通应根据工程施工进度，应进行多次复测，复测次数应随贯通距离增加而增加，一般1km以内取三次，宜在隧道掘进到100m、300m以及距贯通面100m~200m时分别进行一次，地下起始边方位角较差小于12″，取各次测量成果平均值作为后续测量的起算数据指导隧道贯通。若单向开挖长度超过1km时，掘进至150m后，每600m须增加一次联系测量或采用高精度联系测量方法，提高定向测量精度。3.1趋近导线和趋近水准测量地面趋近导线应附合在精密导线点上。近井点与GPS点或精密导线点通视，并应使用定向具有最有利的图形。趋近导线测量用Ⅰ级全站仪进行测量，测角四测回，测边往返观测各两个测回，用严密平差进行数据处理，点位中误差小于±10mm。地面趋近导线全长不超过350m，平均边长60m，最短边长大于30m，趋近测量的方法和精度与精密导线的技术要求相同。33.2竖井定向测量3.2.1测量原理及测量误差采用联系三角形法，将地面控制点的方向和坐标传递到地下，如图1所示。即通过竖井悬挂两根钢丝，由近井点测定与钢丝的距离和角度，从而算得钢丝的坐标以及它们的方位角，然后在井下认为钢丝的坐标和方位角已知，通过测量和计算便可得出地下导线的坐标和方位角，这样就把地上和地下联系了起来。图1竖井定向测量方法测量观测值如图2所示，包括图中的cba、、、、和'''''cba、、、、。图2竖井定向测量原理其中，180''''nCDDC(2)根据图2中各三角关系及误差传播定理，可得：222222222cossinsincosmcamcamcmca(3)并认为三边测量等精度，设：scbammmm(4)由此可得到各测量误差：2222222222coscos11mcamcatgmsa(5)由测边引起的误差：42211catgmmss(6)由测角引起的误差：mcaamcamycossincossin12222(7)2'2'222''mmmmmmCDDc(8)投点误差：cem(9)一井定向总误差：22'2'222''mmmmmmmCDDc(10)3.2.2测边及测角误差影响的特点图3给出了侧边误差sm和的关系曲线，图中显示，sm随着减少而减小。实际测量中，α、γ均为微小角度，有：sinansinantt，(20)故，tgcatcaansinsin，(21)式（xx）可简化为：21cactgmmss(22)图3测边误差与α的关系曲线从上式可知，对于测边误差影响，α或γ越小越有利，a越小越有利，而c大越有利。对于侧角误差m，考虑到、均为微小角度，可取0sin，1cos，有：5mcam（25）所以，对于测角误差影响，越小越有利，而c越大越有利。3.2.3测量步骤及要求（1）联系三角形选用0.3mm的钢丝，悬挂10kg的重锤，重锤放在装有阻尼液的容器中，减小重锤拍动，确保钢丝稳定。（2）联系三角形定向应独立进行三次（三次投点、三次读数量边、三次角观测、三次计算），取三次平均值作为一次定向成果。定向时两根悬吊钢丝间距（C值）尽可能长应不小于5m，定向角γ尽可能接近于0不应大于1°，为此近井点C应尽量布置在AB的延长线上。ca及11ca的比值应尽量小，最大值不应大于1.5。（3）联系三角形边长用全站仪或鉴定后的钢尺进行丈量，每一次独立进行3测回，每测回3次读数，各测回较差小于1mm，地上、地下丈量两个钢丝间距较差小于2mm，钢尺丈量时施加钢尺鉴定时的拉力，并进行尺长、温度、倾斜改正。（4）角度观测采用Ⅰ级全站仪，用方向观测法观测四个测回，测角中误差2.5″之内。联系三角形定向推算的地下起始方位角的较差要小于12″，方位角平均值中误差为8″。3.3高程传递测量高程传递测量，是通过竖井采用长钢卷尺导入法把高程传递至井下，高程传递示意图如图4所示。在竖井内悬挂钢尺的方法进行高程传递时，地上、地下安置两台水准仪同时观测，并在钢尺上悬挂与钢尺鉴定时相同质量的重锤，传递高程应独立进行3次，测回间变动仪器高度，三测回测得地上、地下水准点间的高差较差应小于3mm。地下施工控制水准点，可与地下导线点合埋设于一点，亦可另设水准点。水准点密度与导线点数基本相同，在曲线段可适当增加一些。地下控制水准测量的方法和精度要求同地面水准测量精密。图4高程传递示意图6参考文献：[1]王铁生,翟继红;地铁隧道竖井联系测量与精度分析[J];铁道建筑;2005年05期[2]刘相法;城市地下工程定向测量及监测技术研究[D];东南大学;2006年[3]《城市轨道交通工程测量规范》GB50308-2008北京中国建筑工业出版社,2008[4]莫中生;联系三角形定向在地铁盾构隧道中的应用分析[J];隧道建设;2011年05期[5]张先锋地铁工程测量技术指南，2013年12月