工程测量新技术、新方法在地铁施工中的应用
摘要：文章介绍了当前地铁工程测量的现状和一些工程测量新技术、新方法。并从地下铁道工程测量精度设计的原则和要求、定向测量GPS控制网测量、铺轨基标测量等方面，论证了提高地铁施工精度和施工质量的新途径。工程测量是各项建筑工程设计、施工及设备安装的必要工序。随着我国地铁、轨道交通 事业的发展，工程测量也获得了长足的进步，城市地铁由于其在建筑物、构筑物稠密地区修建，精度要求较高，施工线路长、施工单位多，又给工程测量增加了工作难度，因此，新的测量仪器及新的测量方法均在地铁施工中得到了应用。本文就当前地铁工程测量的现状和主要技术方法，由生产实践实际要求出发，作一些介绍和论述。
一、地下铁道工程测量精度设计的原则和要求
地下铁道测量工程的测量精度设计是根据工程的特征、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的精度要求。
地下铁道测量的首要任务是保证隧道贯通，因此在地下铁道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，是地下铁道测量的一项重要研究任务。目前在地下铁道测 量中使用的测量贯通误差要求，大都来自铁道部《新建铁路工程测量规范》，它是根据山岭 隧道贯通误差测量的实际统计资料计算出来的。该指标应用在主要采用盾构和喷锚构筑法进 行隧道施工的地下铁道中，广泛应用于城市地铁，是否科学值得商榷。一般认为地下铁道贯通测量误差应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来确定，当然还要考虑测量仪器设备的精度状况。如设计一般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。
地铁给定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，很容易满足贯通误差设计要求，但考虑到地下铁道整体道床铺轨对高程精度的要求，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 ±12mm
高程传递测量中误差 ±8mm
地下高程测量中误差 ±12mm
则高程贯通测量中误差mh为：
mh=±18.8mm＜±25mm
二、定向测量
在地铁中，采用全站仪、垂准仪和陀螺经纬仪组成的联合作业方法进行竖井定向，该方法摆脱了传统悬吊钢丝的联系三角形法，不仅克服了受城市地铁施工场地狭窄制约，图形强度不易提高，占用井筒时间过长等缺点，而且采用双投点，双定向的方法，大大增加了测量 检核条件，又提高了定向精度。在地铁复八线测量中所使用的GAK—1陀螺经纬仪标称精度为一次定向中误差为±20mm″，实际作业时定向边的陀螺方位角和其改正数的测定误差，则定向边陀螺方位角误差可达到±8″。在实际工作中我们又引进GAOS自动陀螺经纬仪定向系统，不仅操作方便，定向成果可靠，提高了定向精度。
当隧道埋深较浅时，则采用导线测量方法和向地下传统坐标和方向，同样布设双导线加 强检核和提高精度。当隧道贯通距离较长时，还可采用在隧道上钻孔，通过钻孔投测坐标或测定投测点陀螺方位角的方法提高定向精度。
三、地下铁道GPS控制网测量
早在1990年5月北京地铁复八线就采用GPS进行首级控制测量，控制网由10个点组成，布 设成单三角锁形式，该网采用两台WM100单频接收机观测，异环闭合差为1.73ppm—2.89ppm， 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控制网的基础上进行扩充 ，新网共选设了13个点，其中3个点为一等点，7个点为旧点，新增6个点。
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，1994年采用一次布设，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。
四、断面测量
在地铁隧道中断面形式多样（包括矩形、直墙拱形、椭圆形、传统形、圆形、变截面6种 ），一般要求直线段每12米，曲线段每6米测量一个断面，并根据隧道不同的断面形状，在断 面上选择与行车密切相关的位置测定其与线路中线的距离。过去很多单位采用人工直接丈量 的方法，精度低，速度慢，工作非常繁重。随着测量仪器和测量技术的发展，断面测量仪面 世后，断面测量工作有了新的突破，但该仪器不能实行一站多断面测量，而且价格昂贵，很多单位无经济能力问津。
通过几年来的实践和应用，采用全站仪、数据采集器、计算机和觇牌组成断面测量系统 进行断面测量，利用该系统进行断面测量的方法有二种，一种是将全站仪和觇牌安置在隧道中线点上，首先测量置镜点至欲测断面中线点的水平距离和高程，并将水平角置零，然后就 可连续依次测量多个断面测量点水平角和垂直角信息，并自动传输到数据采集器之中，并通 过计算机经运算既可求出待测点与中线距离。最终以数据表格和断面图形式输出观测成果。另外，为保证测量的断面垂直于中线，在觇牌上安置有简单照准装置和水平度盘装置，不管是直线、圆曲线还是缓和曲线段，都可以根据事先计算好的觇牌至仪器方向与断面夹角值标 定出断面方向。另一种方法是将全站仪或觇牌安置在隧道内任意位置，即测量仪器或觇牌在 非线路中心进行断面测量。该方法利用任意安置仪器或觇牌的点与线路关系，通过计算机确 定断面里程和议程，从而进行断面测量。上述两种断面测量方法速度快，使用方便，而且可 以充分利用本单位现有测量仪器设备，具有非常可观的社会效益和经济效益。
五、铺轨基标测量
铺轨基标是高标准轨道混凝土整体道床的轨道铺设控制点，精确地测设铺轨基标是保证 轨道施工质量的关键。即将颁布实施的《地铁施工验收规范》中地铁轨道验收标准要求：平面上轨道中心线与基标中心线允许偏差为2mm，轨道方向在直线上要远视直顺，用10m弦量允 许偏差1mm，在曲线上远视圆顺，用20m弦量正矢，根据曲线半径圆曲线，允许偏差为1—3mm ，缓和曲线允许偏差为2—5mm，高程上轨顶标高允许偏差2mm左、右股钢轨顶面水平允许偏差为1mm，在延长18m的距离范围内，无大于1mm的三角坑，轨顶高低差目视平顺，用10m弦 量不大于2mm；道岔精度除满足上述要求外，还要满足里程位置允许偏差2mm，导线及附带曲 线允许偏差1mm，附带曲线用10m弦量，连续正矢允许偏差为1mm，轨顶标高允许偏差为2mm，全长范围高低不大于3mm.
从上述地铁轨道验收标准不难看出，由于为节省工程造价，地铁限界预留的安全裕量比 较小，线路在隧道中调整空间受到很大制约，因此，地铁轨道验收标准主要对铺轨基标中线与指导隧道施工的线路中线或结构中线的偏差作出规定。同时，为使线路圆顺，对单位长度 相邻铺轨基标间的相对精度也提出了要求。
根据轨道验收标准，我们总结制定了铺轨基标测设精度要求和基本方法。
1.铺轨基标测设精度要求
为保证线路圆顺和基标相对精度，对控制基标和加密基标的测设精度制定如下要求：
（1）控制基标测设精度要求
两控制基标相邻边长间夹角平差后的值，对设计值而言误差不得超过6″，基标测设的角度测量中误差＜±3″；基标高程测量的水准路线闭合差小于8 L mm；距离测量误差直线 段小于1*/5000；曲线段小于1*/1000.
（2）加密基标测设精度要求
直线段纵向误差每6m小于6mm，曲线段每5m小于5mm，偏离中线小于±1mm；相邻基标高差小于±2mm.
（3）道岔基标测设精度要求
道岔铺轨基标位置横向误差不大于±2mm，主线、侧线交角较差不大于±10″，高程误差同加密基标。
2.铺轨基标测设基本方法
由于地铁施工时车站控制点一般从地面直接投测，精度比较高，加之车站线路一般为直线，线路与站台间距限差要求很严，不易在车站进行线路调整。
（1）中线调整测量和精密水准测量
以“铺轨单位”两个车站中的中线控制点为起算控制点，与在区间隧道内的原有施工中线控制点布设通过左、右线的附合导线。如左、右隧道之间有联络线，则应布设结点网。平差后导线点坐标和原来坐标比较，当其较差不影响隧道限界时，即可用这些中线控制点进行下一步控制基标测量工作。如果影响隧道限界时，则应会同设计等有关人员改移或调整中线至允许误差内的合适位置上。
在“铺轨单位”中布设一条通过左右线的精密附合水准网，在区间埋设精密水准控制点（尽量利用施工水准点），水准点间距为100—200m，精密水准网按二等水准测量的技术要求 施测，水准网闭合差小于8 Lmm（L为水准路线长度，以千米计）。
（2）铺轨基标测量
控制基标的测设。利用调整后的中线控制点测设控制基标，控制基标分为初测、串线测量和调线测量三个步骤。
初测：根据事先计算的控制基标测设数据，用坐标法测至地面，并精确测定其位置。
串线测量：对“铺轨单位”中的控制基标进行串线测量，检测控制基标间角度、边长等几何关系是否满足设计精度要求。当控制基标间几何关系超限，并与线路存在较大偏差时应进行调线工作。
调线测量：调线前，先在室内计算控制基标间夹角实测值与理论值较差△β，△β值超 过6″时，可根据△β和控制基标间距计算出控制基标在垂直于线路方向的改正值δ，然后 在现场对△β超过6″时所涉及的控制基标进行归化改正。归化改正时要照顾到相邻基标改 正值的相互影响，往往仅改正一个点就可使相邻点几何关系满足要求。
控制基标的高程则利用上述精密水准点测定，其观测方法和限差同精密水准测量。
控制基标测设往往进行多次，控制基标高程和其之间的角度与边长不能满足限差要求时，则应重新进行调线测量，直至满足要求为止。
加密基标的测设。在曲线段依据控制基标间的方向，按加密基标的间距，在控制基标间埋设加密基标。埋设时经纬仪定向、测距或在控制基标间张拉直线、以钢尺量距等方法确定各加密基标的位置。
在曲线段将仪器安置在控制基标或曲线元素点上用偏角量距等方法设置加密基标，加密基标高程依控制基标高程测量方法测定。
道岔铺轨基标的测设。地铁线路道岔有单开道岔、交分道岔、交叉渡线道岔，对这些道岔的铺轨基标测设应根据道岔铺轨基标图进行。测设时可先对道岔的岔心、交点、主线和侧线进行测设，然后根据铺轨基标与上述各线路中线和交点的关系，利用控制基标直接测设。同样以精密水准测量方法确定其高程。
岔区基标一般测设在线路一侧，但各种类型道岔的控制和加密基标位置各异，而且它的位置随设计图、施工方法与机具而变化。另外道岔岔心定位及道岔结构各元素点相对精度要求高，而且自成一体。因此，在基标测设前首先要研究基标设计图，然后确定测设步骤。
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