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1、地铁隧道联系测量方法及精度控制地铁隧道联系测量方法及精度控制（王伟（王伟 中交隧道盾构公司中交隧道盾构公司江西南昌江西南昌 3002930029）摘要摘要 本文以南昌地铁一号线青山湖站至高新大道站为例，对盾构隧道区间联系测量方法进行详细的介绍。同时对数据的处理方法，对投点方法及两井定向精度进行了相关分析。关键词关键词 联系测量联系测量 两井定向两井定向 精度分析精度分析 数据处理数据处理1 1 前言前言随着中国的城市化进程的加快，城市人口的增加给城市交通带来的压力日渐明显。然而，城市化的发展绝不可以被交通压力所约束。因而与我们传统的地上交通相对应的地下交通就成为缓解城市交通压力的新渠道。这就是
2、目前的大、中城市正在极力发展的地铁交通。地铁的发展主要依赖与地下工程隧道开挖等的相关技术的进步，了解相关的主要技术就会知道地铁测量对地铁隧道尤为重要，这是地铁施工的最重要的基本条件。2 2 工程背景概况工程背景概况青山湖大道站高新大道站区间里程范围：SK20+052.554SK20+902.822，区间长度为 850.268 双线延米，下行线在 XK20+840.204 里程处设置 XK20+840.000 长链（XK20+840.204=XK20+840.000 长链 0.204），区间线路间距 13.415.0m，线路包括 2 个曲线，曲线半径均为 3000m。区间最大坡度为 22，区间隧
3、道覆土厚度在10.0m16.5m。本区间设置一处联络通道（兼泵站），中心里程在为：SK20+502.007和 XK20+502.042。区间西端为青山湖大道站，东端为高新大道站。青山湖大道站高新大道站区间区间隧道，线路在北京东路下方。隧道结构距离地面 319#、320#、321#、371#（19 层）建筑物建筑物均在 14m 以上，地面建构筑物无需采取特殊处理和保护措施。根据盾构工程筹划，两台盾构机从青山湖大道站东端出发，向东掘进到高新大道站西端结束。3 3 联系测量联系测量在地铁隧道推进前必须要进行联系测量，即将车站地面平面坐标系统和高程系统传递到井下，使车站上下能采用同一坐标系统所进行的测
4、量工作；两井定向有物理定向、几何定向等，这里主要阐述两井几何定向。联系测量须独立进行两次，在互差不超过限差时采用均值作为联系测量的最终结果。1联系测量的必要性：它是指导盾构推进施工的基本条件,是为盾构推进指示方向，是确保隧道贯通的重要环节。联系测量的任务：井下导线起算边的坐标方位角；井下导线起算点的平面坐标 x 和 y；井下水准基点的高程 H。3.13.1 地面测量地面测量3.1.13.1.1 地面导线测量地面导线测量近井点可在精密导线点的基础上，用插网、插点和敷设等方法测设。近井点的精度，对于测设它的起算点来说，其点位中误差不得超过10mm，后视边方位角中误差不得超过10。这里采用闭合导线方
5、法（观测仪器为 1莱卡全站仪观测四测回）得到近井点的坐标。详见下图 1。图图 1 1地面导线示意图地面导线示意图观测参数如下表 13。表 1精密导线测量主要技术参数闭合平均边长（m）环或符合导线总长度（km）1/60000每边测距中误差(mm)测距相对中误差水平角测回数边长测回数方位角闭合差（）全长相对闭合差相邻点的相对点位中误差(mm)级级、全 站全站级全仪仪站仪往返35034446测距各2测回5n1/35000102表 2方向观测法水平角观测技术要求（）全站仪等级级全站仪级全站仪半测回归零差一测回内 2C 较差同一方向值各测回较差6891369表 3距离测量限差要求（mm）全站仪等级级全站
6、仪级全站仪一测回中读数间较差34单程个测回数较差46往返测或不同时间段结果较差2*(a+bd)注：1、(a+bd)为仪器标称精度，a 为固定误差，b 为比例误差系数，d 为距离测量值（以千米计）2、一测回指照准目标一次读数4 次近井点测量也可以通过 GPS 测量来进行。利用 GPS 卫星定位测量测设近井点时，近井点应埋设在视野开阔处，点周围视场内不应有地面倾角大于 10 的成片障碍物。同时应避开高压输电线、变电站等设施，其最近不得小于 200m。测量可采用静态定位法；在规范将GPS 网点划分为 A、B、C、D、E 五个等级。其中 D 级和 E 级分别相当于常规测量的国家三等点和四等点，近井点测
7、设可采用上述等级。有关技术标准见下表 4：表 4 GPS 技术标准等级DE平均边长/km10552精度指标仪器要求a单频或双频单频或双频1010/mmb1020b 图形强观测时时段长/min606卫星高度角限值/1515度（PDOP）段个数101022GPS 观测包含：制定观测实施方案，天线的设置及量高，接收机的预热和开机，观测过程中的操作和记录，气象数据的观测记录，关机和迁站以及 GPS 测量数据的处理。3.1.23.1.2 地面水准测量地面水准测量竖井口水准基点的高程精度应满足地铁隧道贯通的要求，通过分析我们可以得到：竖井口水准基点的高程测量，应按二等水准测量的精度要求测设。测量高程基点的
8、水准路线，可布设成附（闭）合路线、高程网或水准支线。除水准支线必须往返观测外，其余均可只进行单程测量。如下图：3图图 2 2地面水准路线地面水准路线表 5二等水准网的主要技术要求每公里高差中数误差/mm偶然中误差观测次数符合水准路线平均长度/km仪器级别水准标尺往返互差，环线与已知点联测符合或环线或符合路线闭合差/mm全中误差铟钢尺 2 424DS1或条码尺往返各一次往一次8L注：1、表中 L 为水准点间路线长度（km）.2、采用数字水准仪测量的技术要求与光学水准仪技术要求一样表 6二等水准观测的技术要求(m)视线长度60视线离地面最低高度前后视距差前后视距累差视线长度20m 以上240.4视
9、线长度20m 以下0.3仪器级别DS1表 7 二等水准测站的观测限差（mm）上下丝读数平均值与中丝多数之差3.00.5基、辅分划读数之差基、辅分划所测高差之差0.7检测间歇点高差之差2.0注：使用数字水准仪观测时，同一测站两次测量高差较差应满足基、辅分划所测高差较差要求3.23.2定向投点定向投点投点定向通常采用垂球线单重头点法，青山湖地铁车站设计深度在 15-20m 之间，钢丝受风力影响给定向带来较小误差。得到结果的精度能够满足隧道定向要求，占用竖井时间短效率高。4投点所使用的钢丝导向滑轮和定线板，设在地面上特制的支架上(见图 3)所使用吊锤的重量是竖井深度的一半及竖井深度（m）/2=吊锤重
10、量（kg），吊锤采用废旧的螺纹钢焊置而成；钢丝选用 1.2mm 的钢丝；下放钢丝时，先将较轻的小锤球挂在钢丝下端，放至井底后，再换上工作吊锤；为了缩短吊锤稳定时间并减少摆动，吊锤放在机油桶内；悬挂的钢丝应处于自由摆动的状态，采用目视法检察钢丝是否接触到竖井中的任何物体。使用仪器照准钢丝井上定向板以下大于 1m 的位置，井下在油桶顶部大于 1m 之处进行，以避免两端钢丝曲折所带来的误差。图图 3 3铅锤线投点示意图铅锤线投点示意图3.33.3 高程导入高程导入竖井高程联系测量又称导入标高，其目的是建立井上、井下统一的高程系统。3.3.13.3.1 准备工作准备工作高程联系测量首先要布设近井水准网
11、。我部门目前使用莱卡 DNA03 电子水准仪和莱卡 NA2 光学水准仪，根据 GB_50308-2008_城市轨道交通工程测量规范 要求规定，可以满足二等水准测量精度要求。测量需配备：符合精度的水准仪两台，水准尺钢尺各2 把，手电筒、对讲机若干。事先在各中段埋设好钢钎，能够长久保存便于观测并不易被破坏，每中段不得少于2个。选择 0.52mm 具有一定的抗拉力钢丝 6001000 米。并配备两组垂球，每组垂球的重量为 N（60%-70%）=G (N 为使用钢丝的抗拉力)，大约在 50-100kg.。3.3.23.3.2 高程联系测量具体方法高程联系测量具体方法如图 4 所示，为竖井的高程传递，将
12、钢尺悬挂在井边的木杆上，下端挂 10kg 重锤，在地面上和中段内各安置一台水准仪，分别读取地面点 A 和中段内水准点 B 的水准尺读数 a 和 b,并读取钢尺读数 m 和 n,则可根据已知地面水准点 A 的高程 HA,按下式求得水准点 B 的高程 HB：HB=HA+a-b+m-n5图图 4 4水准联系测量示意图水准联系测量示意图为了进行检核，可将钢尺位置变动 1020cm，同法再次读取这四个数，两次求得的高程相差不得大于 3mm。施工测量管理工作由施工测量组组长负责，测量副组长负责具体实施，由测量组进行操作。每次观测、计算后，马上换人进行复测。各级人员均要遵守各自的岗位责任制，一定要确保测量人
13、员的安全，互相监督。测量工作按照 GB_50308-2008_城市轨道交通工程测量规范进行操作。3.43.4 井下导线测量井下导线测量在定向水平上，连接两垂球线，测设导线 A1 234B；我们在这里采用精密导线的来进行地下的连接测。地下导线测量须独立进行两次，以结果的平均值作为最终结果。如图所示：图图 5 5井下导线图井下导线图这里采用精密导线形式进行地下导线测量，其有关技术要求参见前文的一级导线要求表 1、表 2、表 3 执行。3.53.5 内页计算内页计算6图图 6 6两井定向两井定向3.5.13.5.1 内页纯计算内页纯计算1）根据地面连接测量的成果,计算两垂球连线的方位角及长度按一般计
14、算方法，算出两垂球线的坐标x算 AB 的方位角及长度:A,y,x,y，根据算出的坐标，计ABBc AB artan(yxBByx2A)（6-1-1）2AyBysinAxBABcosxAAB(xBA)ByA)（6-1-2）2）根据假定坐标系统计算井下连接导线假设 A 为坐标原点，A1 边为x轴方向，即xA,yA 0,A10。00 00AB a r cc3）测量的计算和检验ys i nBABy(t a n)xxBBBABc o s2(xB)(yB)2（6-1-3）用比较井上与井下算得的两垂球线间距离 c 和 c进行检查，由于两垂球的向地心性，差值7c c(cHc/R)（6-1-4）式中H井筒深度；
15、R地球的曲率半径。c 应不超过井上、下连接测量中误差的两倍 c 21R2 mRxi222i mcosili22（6-1-5）式中m井上、下连接导线的测角中误差；iRx井上、下连接导线各点（不包括近井点到结点）到 AB 连线的垂直i距离；m井上、下连接导线各边（不包括近井点到结点）的量边误差；li井上、下各导线边与 AB 连线的夹角。i4）按地面坐标系统计算井下导线各边的方位角及各点的坐标A1ABAB(6-1-6)若 为负数则应加 360其他边的方位角为：i i（6-1-7）式中 i该边在假定坐标系中的假定方位角5）测量和计算的第二个正确性的检验将井下连接导线按地面坐标系统，由 A 算出 B 点
16、的坐标与按地面连接算得的 B点坐标的相对的闭合差符合井下所采用的连接导线的精度时，则井下连接导线的测量和计算正确，闭合差按与边长成比例分配（只对井下导线的坐标加以改正）。6）两井定向应独立进行两次，其互差不得超过 1按GB_50308-2008_城市轨道交通工程测量规范规定，两井定向必须独立进行两次，两次求得的起始边方位角互差不得超过 1取两次独立定向计算结果的平均值作为两井定向井下连接导线的最终值。3.5.23.5.2 两井定向联系测量应用、测量软件对数据进行计算两井定向联系测量应用、测量软件对数据进行计算8近井点示意图井下导线点示意图图图 7 7实例南昌地铁两井定向联系测量导线示意图实例南
17、昌地铁两井定向联系测量导线示意图起算数据：DT1007 至 3701 的方位角（dt10073701）=8815563701坐标x3701=53733.1560m,y3701=43381.9130m。导线数据列于下表中。角度和距离最终值取自四测回观测的平均值。全部计算列于以下的表 8、表 9、表 10、表 11。表 8 近井点闭合环观测记录表表 9 两井定向联系测量井上钢丝观测记录表9表 9 两井定向联系测量井下导线点观测记录表表 10 近井点闭合环平差计算表 11 两井联系测量平差计算表 11 计算过程：两钢丝坐标的计算（GS1 GS2）使用坐标反算 Aab=arctan(Yb-Ya)/(X
18、b-Xa)n180 求出 DT1007 到 ZD1 和 3704 到Q4 的坐标方位角，再用以观测的夹角（Aab观测夹角=测站到钢丝的方位角）距离求出钢丝的坐标。表 12 两钢丝坐标表10井下导线坐标的计算（QQ2QD3QQ3）使用南方平差易对井下坐标推算过程：按照附合导线格式把观测数据输入下方表格图图 8 8 南方平差易输入数据界面南方平差易输入数据界面由观测数据推算地下导线近似坐标 如图 9。图图 9 9 无定向坐标推算无定向坐标推算近似坐标推算出来后再进行平差计算。3.63.6 精度分析精度分析两井定向也和一井定向一样，是由投点、井上连接和井下连接三个部分组成的。因此，井下连接导线某一边
19、方位角的总误差为：M 0m2上2m下2（6-1）式中 为投向误差，但此时因两垂球线间的距离 c 加大，投向误差对定向精度的影响就不像一井定向那样起主要作用了。煤矿测量规程规定，两井两次独立定向所算得的井下定向边的方位角之差，不应超过1。则一次定向的中误差为:11M060 21.222（6-2）若忽略投向误差，认为井上、下连接误差大致相同，则m上m下 21.223.6.13.6.1 地面连接误差地面连接误差 15（6-3）下面分别研究井上、下连接误差 m 上和 m 下的估算方法。两井定向时，井下连接导线某一边的方位角是按下式计算的iABABi（6-4）式中AB两垂球线的连线在地面坐标系统中的方位
20、角；AB两垂球线的连线在井下假定坐标系统中的方位角；i该边在假定坐标系统中的假定方位角。m上=mAB上式中仅方位角AB与地面连接有关，故地面连接误差。两井定向的地面连接，根据两井距离的远近，可以采取两种不同的方案，现分述其连接误差如下。1）由一个近井点向两垂球线敷设连接方案的误差地面连接误差包括由近井点 T 到结点和由结点到两垂球线 A、B 所设两部分导线的误差。为了研究方便起见，假定一坐标系统：AB 为 y 轴，垂直于 AB 的方向线为 x 轴。则m上m ABc22(m2xAm2xB)nm2（6-5）式中c两垂球线间的距离；mxA由结点到垂球线 A 间所测设的支导线误差所引起的 A 点在 x
21、轴方向上的位置误差；mxB由结点到垂球线 B 间所测设的支导线误差所引起的 B 点在 x轴方向上的位置误差；n 由近井点到结点间的导线测角数；m由近井点到结点间导线的测角误差。222mxA mxA mxAl其中12（6-6）222mxB mxB mxBl222222mm sinmxA mRyAlxAl2上式中2222mxBmRyB（6-7）mxBlmlsin2式中：RyA由结点到垂球线 A 间的导线上各点到 A 的距离在 AB 线上的投影；RyB由结点到垂球线 B 间的导线上各点到 B 的距离在 AB 线上的投影；导线各边与 AB 连线间的夹角。图图 1010一个近井点的两井定向地面连接一个近
22、井点的两井定向地面连接在这种情况下，量边的系统误差对方位角 AB没有影响。故量边误差对 A、B 点位的影响可用下式计算：222m alsin Al（6-8）222m al sinBl式中 a 量边的偶然误差影响系数；l 导线边长。2）分别由两个近井点向相应的两垂球线连接方案的误差如图所示，同样假定 AB 为 y 轴，垂直于 AB 的方向为 x 轴。则方位角 AB 的误差用下式计算：其中222222m上=m m mcxAxBABm2xA m2x01 m2xS 12mR22yA+m sin212（6-9）22222222mxB mx02 mXT113mRyB+m1sin图图 11 11两个近井点的
23、两井定向地面连接两个近井点的两井定向地面连接m式中m，02近井点 S 和 T 处的起始方位角中误差所引起的 A、B 垂球01线在 x 轴上的误差；mm，xT近井点 S 和 T 的 x 坐标误差，可按相对点位误差椭圆来求算。xS3.6.23.6.2 井下连接误差井下连接误差下图为井下连接导线图，共测了 n-1 个角和 n 条边。井下连接误差是由井下导线的测角误差 m 和量边误差 ml 所引起的，即（6-10）2222m下=m m mlim式中m，l测角和量边误差所引起的井下导线某边的方位角误差。1）由井下导线测角误差所引起的连接误差2222mn1（6-11）1m m m22n11222由上式对井
24、下导线的角度取偏导数，得 AB （6-12）AB14图图 12 12两井定向的井下连接导线两井定向的井下连接导线因为方位角AB是由地面连接测量算得的，与井下测量无关，故AB 0。因此，上式可写为：（6-13）由于井下导线各边的假定方位角是由不同的角度 算得的，因此对不同的边来说，其 之值也不同。将i及 对 的偏导数值代入上式，然后再代入第一个式子，即可求得不同AB边的方位角误差。经简化，即可得出由井下导线测角误差所引起的不同边的连接误差计算公式：22222M mcRRAB222222cM3 mRAR（6-14）B22222Mi mcRARB上式中 RA 为由导线点 1、2、3、(i-1)到垂球
25、线 A 的距离在 AB 连线上的投 AB影；而 RB 则为由导线点 i、i+1、(n-1)到垂球线 B 的距离在 AB 连接上的投影。图图 13 13由测角误差引起井下导线边坐标方位角误差的简化计算由测角误差引起井下导线边坐标方位角误差的简化计算152）由井下导线量边误差所引起的连接误差2ml12ml2l22ml2ln2ml2（6-15）AB因AB112n222则（6-16）lABlABll由于 AB 及均与井下量边无关，因此AB（6-17）求算偏导数，并将各偏导数代入第一个式中，得l l222222222mcsin m sin m sin m1l2lnl112n2222（6-18）csin
26、imli考虑到量边中包括系统误差和偶然误差的影响，而量边的系统误差对方位角没有影响，因此，用钢尺量边时，上式可写成：222（6-19）22macl sinii1上式即为计算井下导线量边误差而引起的任一边方位角的误差公式。式中 i 为井下导线各边与 AB 连线的夹角。3）由井下导线测角量边误差所引起的各边的连接总误差第二边的井下连接误差为：222（6-20）m2 m2 m1其他各边可类推。第 i 边则为222m m mi1i（6-21）4）井上下两垂球线间距离的容许差值在两井定向中，两垂球线之间的距离是由坐标反算得来的。据地面连接所算得的距离 c 同井下连接按假定坐标系统所算得的距离 c加上改正
27、数 cH/R 后，在理论上应该相等。但由于投点误差和井上下连接误差的影响，两者不可能相等，其差值为:但考虑到投点误差的影响很小，可忽略不计，故可把 fc看做是井上、下连接误差16fc c c HcR（7-22）所引起的。将连接导线看做始点为 A、终点为 B 的支导线，根据第七章第五节的分析，并按煤矿测量规程要求，取二倍中误差作为容许误差，则得:fc22mc R mlcosi（6-23）21B式中m为导线测角中误差；Rxi为井下、地面(不包括近井点到结点)的连接导线各点到 AB 连线的垂直距离；mli、i分别为井下、地面(不包括近井点到结点)的连接导线各边的量边误差及各边与 AB 边线的夹角；H
28、 为井筒深度；R 为地球平均曲率半经。关于两井定向的平差，即差值 fc的分配问题，通常用近似平差法解决。iAi2xiB2i2A4 4 结束语结束语本文详尽的介绍了南昌地铁测量中的两井定向过程，也介绍了观测数据如何用测量软件快速、精确的进行内业计算。尽管从事七年测量工作，但是还有不少关于测量方面的知识需要学习，测量学博大精深更待我这个从事测量工作者去不断的孜孜不倦的钻研提高技术水平。通过这次的论文，我从中学到了很多知识，也发现了自身存在的很多不足之处，俗话说的好活到老学到老我会更加努力的学习新知识补充我自己。参考文献参考文献1 张国良等矿山测量学M中国矿业大学20082 胡伍生，潘庆林，黄腾土木工程施工测量手册M人民交通出版社20053 高井祥，吴立新，吕亚军矿山测量新技术M中国矿业大学出版社20074 孔祥元，郭际明，刘宗全大地测量学基础M武汉大学出版社20065 顾孝烈，鲍峰，程效军等测量学M（第三版）同济大学20066 陈付东，懂亚林，王士奎等.矿井联系测量.山东煤7 GB_50308-2008 城市轨道交通工程测量，中国建筑工业出版社20088 煤矿测量规程，煤炭工业出版社201017