城市地铁施工控制测量技术浅谈_以广州地铁一号线工程为例

——以广州地铁一号线工程为例

张　项　铎

(铁道部隧道工程局勘测设计院)

　　提　要　本文以广州地铁一号线工程为例,对城市地铁施工控制测量中的有关平面、高程测量和竖井联系测量以及变形监测的技术方案、施测方法、作业要求及其应用效果作了全面系统地论述。笔者认为这将对制定《城市地铁测量规范》和其他类似工程测量有较大的实用和参考价值。

关键词　地铁　测量　技术

　　广州地铁一号线工程是我国继北京、上海之后修建的第三个城市快速交通系统,它是解决广州市东西方向交通紧张状况的关键工程。该线自广钢(西朗)至广州东站,全长18.48km,设站16个。由于受地形及地质条件的制约,仅黄沙至广州东站折返线的13.3km 就设置了近50个曲线。因施工、通风和运营的需要,一号线洞室和线型变化多,除单、双线和直、曲线及各种形式的渡线外,尚有联络通道,车站换乘通道、上下通道和风洞等。全线有17个施工面需进行竖井联系测量以指导开挖。面对地下三维空间的复杂洞室,地面建筑密集、街道狭窄弯曲的现状。再加上参建单位多,其测量水平参差不齐,这就给带有监理性质的全线施工控制测量带来一定困难。

为此,我们结合地铁工程的特点,突破传统方法的,因地制宜地综合应用一些较新测量技术,取得了各标段(18段)高精度贯通成果:实测横向贯通误差最小值为6.3mm,仅占限值100mm的6.3%,最大值为54.4mm,占规定限值的54.4%,小于30mm的占80%;高程贯通误差最大值为6.5mm,仅占限值50mm的13%。

1　平面控制测量

1.1　地表控制网检测

为了取得可靠的洞内控制测量起始数据,首先需进行地表控制网的检测。当地铁沿线有可供利用的三角点和导线点时,应进行全面复测和补测。否则须根据需要布测新网。

(1)　应用GPS技术的优点

地铁网采用GPS测量技术,不仅较常规方法精度高、速度快、费用低,而且由于GPS具有无需点间通视的特点,可克服城市建筑物密集,通视条件差的弊病。另外还可省去地铁网许多中间过渡点,仅在各开挖口附近布测少量供引测进洞的有效点,从而大大提高工效。

(2)　GPS网施测与注意事项

广州地铁一号线沿线能够利用的三等三角点和四等导线点共17个。根据仪器配置情况和作业需要,使用3台T ri m b le4000SSE双频GPS接收机,按C级网的作业要求检测,以判断其点位精度和稳定情况,并利用直接投影法

　　收稿日期1998—06—23将测量结果的三维基线向量转换到1954年北京坐标系和广州坐标系中进行二维约束平差。平差结果,各项指标均优于规范规定。除个别点因位移或其他原因需补设或采用新点外,90%以上的检测点坐标值与原地面成果之差均在规定范围之内。从检测已知点至地铁各开挖口的引测点和洞口与地下联测所需控制点(包括近井点)均使用全站仪,按常规方法施测。

在地铁GPS网布设中应注意以下问题:

①　进洞定向边长度:由于洞外引测进洞的定向边长短直接影响洞内方向误差和横向贯通精度,同时对点误差对方向误差的影响值与距离成反比,因此,在布网时要求定向边≥200m。

②　地表各洞口附近布设的GPS控制点之间的高差应尽量小,即供引测进洞的各边的竖直角大小应严格控制,以减少和消除垂线偏差对进洞方向的影响。

1.2　施工控制测量

按测量设计要求的各标段横向贯通中误差限值(50mm)的分配值,洞内、外及联系测量分别为30mm、25mm和20mm。因此,施工控制测量应按不低于一级导线(主要指测角)进行作业。

(1)　明挖段

每一块主体结构土方开挖后,在进行底板钢筋砼施工时,应在中线上预埋10c m×10c m 的钢板,钢板上镶铜芯作点位,并及时将地表控制点的坐标投到底板上。投点距离,直线段100～120m为宜,曲线段酌情而定。投点不宜采用支导线作业。由于现场条件,基坑内有两层钢支承,为了确保投点质量,又不增加过多工作量,采取如图1所示作业方案。图中“德政北”为三角点;“S GK19”、“S GK21”为四等导线点;“J D Y28”、“J D Z28”为底板永久中线点或导线点;Z1、Z2、D为施工放样控制点或临时转点。

测设完毕后,经严格平差算出有关点的坐标。作业时若点间距离短,相对高差大,应采取“三联脚架法”测角和双后视联结,以提高测角精度并用洞外控制点进行检核

。

图1　明挖段底板永久中线点及

　　　施工控制点测设作业图

　　(2)　暗挖段

A　基本要求

测量设计要求的洞内测量mΒ=±5.7″, m e l=1 12000,所需测角的测回数为两测回。但考虑洞内导线边长较短,且有烟雾、水汽、光线差等不利因素,观测条件差,因此,应按4测回,不低于一级导线要求实施,而且要重点控制测角误差。操作时采取“三联脚架法”,加强对点、测点、置镜点间联系。当短边以支导线观测时,不应纳入主导线,以免破坏主网精度。洞内导线布设于左、右线隧道中,并利用两线间的横通道组成闭合环或附合导线。贯通前检测的重复段点位尽量相同,使各次测量成果既能同施工单位比较,也能自身进行检核,防止粗差和系统误差产生。

B　近井控制点测量

因现场条件的,往往使竖井、钻孔与洞外控制点离开一定距离,且不能完全通视,因此,在进行竖井联系测量前必须进行近井点测量。近井测量按不低于四等导线测角要求作业。近井点与地面已知点构成附合导线或闭合导线。近井导线总长不大于350m,折角不多于3个,以减少坐标和方位角传递误差。边长应尽量长且长短均匀,竖直角不宜大于20°,相对点位误差不大于±10mm,近井点布置如图2所示。图中:“市供电局”为三等三角点;“S GK27”为四等导线点;J54为近井点。最大竖直角(S GK27

图2　杨体区间陀螺定向近井点布置图

　　C 　竖井联系测量

地铁隧道埋深10～12m ,有15个施工竖井。结合现场条件,测量方法有陀螺仪定向法、钻孔投点法和直接导线传递法。

①　陀螺仪定向法应用NL (1 200000)光学投点仪和GA K I 型陀螺经纬仪测量井上、井下联系边的空间几何平面角以代替常规的钢丝投点和联系三角形定向法传递坐标、方位,达到单点投点中误差为±3mm ,相对点位中误差为1 5万,定向中误差为±5″。

陀螺仪定向法占用井筒时间短、作业简单、精度高,应当是首选方法。应用该法时,每点投下的4个点应组成一边长小于3mm 的近似正方形。投点用的架子要稳固;同一竖井每次的陀螺定向边井上、井下应固定不变。应用该法进行测量的布置形式如图3所示

。

图3　杨体区间第三次竖井联系测量平面示意图

图中ZD 1、ZD 2、H Z f 233为洞内待求坐标的导

线点;T 1(T ′1)或T 2(T ′

2)为竖井投点

。②　钻孔投点法

当具有相距150m 以上的钻孔或竖井以及近井点观测时,钻孔法也是浅埋隧道竖井联系测量的主要方法之一(如图4)。投点尽量以闭合导线连接,当采取支导线形式时,应观测两次,以增加检核条件。该法坐标传递单点误差为

±3mm ,方位角传递误差为±3″

。

图4　东场区间2#竖井钻孔投点法导线布置图

图4中“S GK 21”、“S GK 25”、“S GK 24”为地表已知四等导线点;D Y 1、D Y 2为近井点;D T 1竖井投点;D T 2为钻孔投点。

③　经纬仪直接传递法当井径在10m 以上,且竖井中部有平台(车站中板)或车站开挖拉槽段可利用时,可采用经纬仪直接传递法(如图5),其坐标传递误差为±3mm ,方位角传递误差为±4″。具体操作时,应加强各点间相互照准,要配备优良的对点设备,竖直角不宜超过30°。因边长较短,还应采取“三联脚架法”测角,其适用范围较小

。

图5　黄沙站经纬仪直接传递法导线布置图

(3)　特殊情况处理措施

①　联测已知控制点、地表和辅助导坑及洞内导线间的联接角,应增加一组测角;

②　水平角>155°或<25°的三角形,相邻边长悬殊超过5倍的导线角,需增加一组观测;

③　竖直角大于15°的方向需观测两组;

④　洞内导线及近井点观测均采用“三联脚架法”测角;

⑤　作业时应停止施工,并加强通风和照明,尽量改善洞内测量条件。

2　高程控制测量

根据不同情况,分别采用水准测量和光电三角高程测量两种方法。

2.1　水准测量及竖井导高

根据测量设计得洞内水准测量的每公里高差中数中误差M∃=±7.5mm(五等水准限值)。但为了稳妥起见,建设单位要求按往返测闭合差±8L进行作业,即以2～3等水准规定施测,则高程贯通误差无疑将小于规定值2×17mm,目前实测的最大贯通误差均小于10mm。明挖段高程测量是按施工拉槽段进行水准测量或采取固定钢尺法导高;竖井中高程,则结合不同工点,按光电测距法或固定钢尺法导高测定。具体操作时,井上、井下各读数4组,互差小于3mm取均值求算井下高程。

2.2　光电三角高程测量及三维控制

在广州地铁一号线地面高程控制及洞内高程检测中,采用全站仪进行平面、高程的三维控制,实施光电三角高程测量与导线测量联合作业。除了联测各开挖口水准点外,其高程施测路线基本与导线一致。同时还进行了相应的三维联合平差计算和精度分析。其测量精度为

(1)　单一闭合环闭合差中误差±4.1 mm;

(2)　每公里高程闭合中误差±2.9mm;

(3)　每公里高差中数中误差1.5mm<3.0mm(三等水准限差);

(4)　往返测不符值为7.5R<12

R(三等水准限差)。

由此可见,各项精度指标均符合三等水准要求,满足地铁施工及高程贯通要求。

3　成果处理及平差方法

在该工程的施工控制测量中,我们根据相关原理,突破传统的观测值平差方法的,采取现代相关平差方法处理观测数据,按协方差比例分配坐标闭合差,由此得出近似严密平差的效果。全部数据均利用A ST486计算机进行程序处理,从而快速准确地获得合理平差值。其平差方程的矩阵表达式为

V i=-D i(V)〔2

n

i

D i(V)〕-1W

通过实践认为,按协方差比例分配坐标闭合差,既考虑了一组观测值(边、角)权值的大小,又较为实际地反映了这组观测值函数(X、Y)两两相关数值的大小,其平差值合理,精度评定全面,而且较一般严密平差方法省工省时,确是一种简易、实用的新方法。

另外,在本工程中,还利用武汉测绘科技大学研制的“科傻”系统进行外业记录和数据处理。用该系统的掌上型电脑RD—EB I采集数据,可不用人工记录。每个测站的记录、检核和迁站通知均是自动进行。测段完成后,立即自动显示测段高差(或边、角及坐标),省去了手簿检查计算。在野外也可对原始观测值、测段高差(或边、角)进行查询。实践证明,控制测量工程一体化自动化系统可适用于城市地铁控制测量和其他工程测量的观测记录和内业数据处理,不仅能减轻劳动强度,提高工效,而且克服了只有测段累计结果,而无测站原始观测记录的弊病,杜绝了伪造数据的可能性,保证了成果质量,值得进一步推广应用。

4　变形监测

为了掌握地铁结构的变化情况,分析变形原因和趋势,决定是否需要采取某种措施;另一方面为了检验设计,并为今后的设计和科研提供依据,均需进行变形监测。

由于变形监测点多面广、精度要求高的特点,我们采取如下方法:

4.1　选点与埋点

根据工程需要,共有四类变形监测点:

(1)　基准点:为于变形之外,相对稳定的点,是进行变形监测的起始点。一般选在位于车站(地质条件相对稳定)的控制基标。根据原测控制基标的测量成果,通过观测其相对量(如边角关系)选出其相对稳定的点作为基准点。通常每个车站选三个(其中一个备用)。

(2)　变形控制点:位于变形体内为观测变形监测点而设的导线点,也兼作变形点。一般位于控制基标对应的轨道。选控制点即布网,布网时要求边长均匀、通视良好、图形合理。

(3)　变形监测点:位于控制点之间,用来体现结构变形的点。地面段约50m埋一点,洞内30～40m设一点。

(4)　高程加密点:变形监测点之间,用于观测结构沉降的点(仅限于洞内)。每5～10m 埋一点。同时,(2)、(3)类点也兼作高程监测点。

4.2　使用仪器和施测方法

由于变形都是对起始状况比较而言的,只有通过与原始数据相比较,才能得出每次变形和累计变形量。因此,对同一变形点(或区段)来说,每次所用仪器、观测人员、路线和条件均应相同,每一区段两次观测间隔时间也应大致相同,以便计算单位时间变形量。

(1)　平面测量

首先将基准点和控制点纳入主网。主网采用TC1800全站仪,按二等导线要求施测,角度观测6测回,其中以单测回测左角,双测回测右角,取平均值。每3个测回重新对中整平仪器,以减少对中误差的影响。边长对向观测取中数,并加气象和投影改正。

变形观测点在主网基础上分别从两个不同测站上各测两测回,取其平均坐标,作为理论值。观测时每测回同一方向不调焦,即同一方向盘左盘右一次读完,再换另一方向,以减少因视差造成的照准误差。

(2)　高程测量

高程使用NA2—GPM3及配套铟钢尺,按二等水准要求作业。埋点时按前后视距等长,量好两变形点置镜点位置,并用油漆标记,以便每次监测基本保证仪器处于同一位置。观测时前后视距差不大于1m,累积视距差不大于3m,最小读数不小于0.3m。观测顺序,往测时单数站:后—前—前—后

双数站:前—后—后—前

返测时正好相反。返测时需要交换测尺,以抵消零点误差的影响。各项限差按有关规范规定执行。观测时首先观测变形监测点,在此基础上观测高程加密点。

4.3　成果处理

(1)　主网、起始数据均采用原车站控制基准点理论坐标。地面段观测条件较好,则布成4个导线环,闭合环精度也相对较高(均在1 10～1 25万之间)。洞内部分由于原施工导线精度要求比监测低,控制基标也存在放样误差,形成闭合环又较困难,因此布成附合导线,并采用理论坐标强制平差。这样处理结果,表面看来,相对精度不是很高,但由于监测中处理的方法完全相同,因此,也能真实、客观地反映结构的变形。成果处理及平差后进行精度计算和评定。

(2)　变形监测点:在控制点的基础上计算变形监测点的坐标。由于是从两个不同的测站观测,因此,也应以相应的起始边计算取其平均值作为最后成果。

通过两次坐标和高程的对比,计算变形量和累积变形量,并进行分析和预报。