紀萬坤，靳羽西，徐國勇

(北京城建勘測設(shè)計研究院有限責任公司，北京 100101)

1 引 言

聯(lián)系測量是城市軌道交通隧道控制測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)地下隧道工程貫通控制的關(guān)鍵與核心，同時也是由地上到貫通面整個測量工作中最難控制的環(huán)節(jié)[1，2]。聯(lián)系測量包括平面聯(lián)系測量和高程聯(lián)系測量，而平面聯(lián)系測量是軌道交通工程測量中最為重要的環(huán)節(jié)之一，是盾構(gòu)工程測量中承上啟下的關(guān)鍵[3]。

聯(lián)系測量基本工作原理是通過明挖車站、施工豎井、盾構(gòu)井等將地面坐標、方位和高程傳遞到地下，作為地下控制測量起算數(shù)據(jù)的一項綜合測量工作。平面聯(lián)系測量是以地面近井點為依據(jù)，確定井下近井導線起算邊的坐標方位角和起算點的坐標測量工作，簡稱定向測量[4，5]。平面聯(lián)系測量方法主要有聯(lián)系三角形法、陀螺經(jīng)緯儀與鉛垂儀(鋼絲)組合法、兩井定向法、導線直接傳遞法、投點定向法等[4～6]。

本文以天津地鐵某長盾構(gòu)區(qū)間為背景，根據(jù)施工場地環(huán)境和測量條件先后運用了導線直接傳遞法、雙三角形聯(lián)系測量、兩井定向、鉆孔投點定向等方法實現(xiàn)定向測量，保證了聯(lián)系測量的精度，達到了優(yōu)質(zhì)的貫通效果。

2 工程概況

天津某地鐵區(qū)間工程位于天津市東麗區(qū)衛(wèi)國道下面，采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間全長 1 951 m。此盾構(gòu)區(qū)間左線線路平面上自翠阜新村站直線出發(fā)，240 m后進入曲線段，先后經(jīng)過半徑 450 m曲線段、半徑 800 m曲線段、半徑 1 000 m曲線段下穿昆侖路立交橋，隨后再經(jīng)半徑 1 000 m曲線段后以直線段進入沙柳路站，盾構(gòu)始發(fā)井位于沙柳路站，接收井位于翠阜新村站。由于本盾構(gòu)區(qū)間貫通面一側(cè)隧道長度大于 1.5 km，曲線段較多，施工難度較大，測量條件受施工影響較大，需采取高精度的聯(lián)系測量方法提高定向測量精度，以保證隧道的正確貫通。

3 工程實踐

3.1 地面控制測量

在聯(lián)系測量之前，應(yīng)首先做好地面控制測量的工作。翠阜新村站～沙柳路站區(qū)間附近的GPS控制點和精密導線點作為全線地面控制網(wǎng)的一部分，每年復測一次。為確保起算點的正確性，每次進行聯(lián)系測量之前，須對地面已有控制點進行復核測量，復測時如果對原起算點的穩(wěn)定情況有疑問時，應(yīng)另選擇可靠的控制點作為起算數(shù)據(jù)，并在經(jīng)檢測確認這些控制點穩(wěn)定、可靠的情況下，才可以作為起算點[4]。對地面控制點進行復核時，地面平面近井點與精密導線點構(gòu)成附合或閉合導線，近井導線邊數(shù)不宜超過5條，最短邊長應(yīng)大于 50 m，近井點的點位中誤差不應(yīng)超過 ±10 mm[6]。導線測量時按城市軌道交通精密導線測量的技術(shù)要求進行。

3.2 導線直接傳遞法

導線直接傳遞法主要是沿著豎井的豎直方向布設(shè)導線點，利用全站儀以導線測量的方式，通過測定相鄰點之間的水平角和導線邊，根據(jù)地面已知邊和已知點坐標推算地下待定邊的方位角和待定點坐標的一種方法[7]。

如圖1所示，以復測過的地面GPS控制點GPS2323、GPS2325和精密導線點WT3、WT4為起算點，布設(shè)附合導線將地面、井下控制點聯(lián)測，通過測定井下兩個導線點DL1、DL2的坐標和所構(gòu)成邊的方位角，將地面坐標系統(tǒng)傳遞到地下控制點上。大里程端井口通視條件較好可布設(shè)成雙導線，增加檢核條件。

圖1 導線直接傳遞法聯(lián)系測量示意圖

導線直傳法的水平角觀測具有邊長短、傾角大、水平角值較小等特點[2]。為保證精度，本次測量利用具有雙軸補償?shù)母呔葟瓶ㄈ緝x(標稱測角精度1″，測距精度1 mm+1 ppm)。為防止短邊對中誤差對精度的影響，井下控制點設(shè)置強制對中裝置。導線測量按照城市軌道交通精密導線測量的技術(shù)要求進行，外業(yè)水平角觀測四測回，各方向測回互差小于4″，往返測距各兩測回，每測回正倒鏡各三次讀數(shù)，測回互差小于 2 mm，往返互差小于 3 mm，地上地下聯(lián)系邊要增加水平角測回數(shù)至6個測回。測量精度滿足規(guī)范要求，如表1所示。

雙導線直接傳遞精度統(tǒng)計表 表1

通過計算，兩條導線測量測得地下定向邊DL1～DL2方位角較差為3.1″，滿足規(guī)范要求。最后在平差軟件中將雙導線角度距離觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)一輸入、統(tǒng)一平差得到地下控制點的坐標數(shù)據(jù)。

3.3 雙聯(lián)系三角形定向測量

聯(lián)系三角形法是通過豎井懸掛兩根鋼絲，由井上導線點測定與鋼絲間的距離和角度，從而算得鋼絲的坐標以及它們之間的方位角。在井下，認為鋼絲的坐標和方位角已知，通過測量和計算便可得出地下導線點的坐標和方位角，實現(xiàn)把地上與地下導線聯(lián)系起來[9]。

雙聯(lián)系三角形法是在普通聯(lián)系三角形測量的基礎(chǔ)上做出的改進，該方法是在豎井中懸吊3根鋼絲組成雙聯(lián)系三角形來傳遞方向以進一步提高精度[9]。通過兩條獨立的三角形傳遞方向所推算出來井下定向邊的方位角可以互相檢核，確保聯(lián)系測量正確[10]。

在盾構(gòu)掘進至約100 m時，沙柳路站車站一側(cè)端頭井暫時封閉，只留有一個施工豎井，不具備兩井定向的測量條件，此時有條件布設(shè)優(yōu)化的聯(lián)系三角形，為了避免測量錯誤和增加復核條件，本次測量利用雙聯(lián)系三角形法進行定向測量。

如圖2所示，在豎井合理的位置吊三根鋼絲組成兩個三角形，均滿足規(guī)范規(guī)定的最有利的延伸三角形形狀。進行定向測量時，在地面和地下近井點(JA、JB)分別測量近井點至三鋼絲(O1、O2、O3)和鋼絲間的距離以及近井點與鋼絲間的角度，通過兩個三角形把地上平面坐標和方向傳遞到三鋼絲O1、O2、O3上，再通過三鋼絲對應(yīng)地下的位置傳遞到地下定向邊JB～DX1上。用精密導線測量方法和技術(shù)要求進行角度和邊長測量，導線外業(yè)水平角觀測六測回，導線點間距離往返測距兩測回，導線點與鋼絲間距離采用正倒鏡觀測四測回，距離進行溫度和氣壓改正。

圖2 雙聯(lián)系三角形定向示意圖

內(nèi)業(yè)根據(jù)地面已知邊JA～Z1的已知方位角及觀測連接角，推算出井下定向邊JB～DX1的方位角(如表2所示)，兩個三角形傳遞到地下起始邊JB——DX1的方位角之差為2.9″，滿足規(guī)范要求并起到相互檢核的作用，最后取兩個方位角的平均值78°32′56.15″作為井下起始邊的方位角。

雙聯(lián)系三角形方位角傳遞計算表 表2

3.4 兩井定向法

兩井定向，是利用地面上布設(shè)的近井點或地面控制點采用導線測量方法測定兩鋼絲的平面坐標值，在地下隧道中，將已布設(shè)的地下導線與豎井中的鋼絲聯(lián)測，即可將地面坐標系中的坐標與方向傳遞到地下去，經(jīng)計算求得地下導線各點的坐標與導線邊的方位角，與一井定向相比，兩井定向減少了投點誤差引起的方向誤差，有利于提高地下導線的精度，外業(yè)測量簡單，占用豎井時間較短[4]。

本區(qū)間貫通距離較長，且盾構(gòu)掘進300 m后車站東西兩個端頭豎井都完成施工，此時車站底板通視條件較好，可將地下基線邊加長至 146 m，后續(xù)聯(lián)系測量可采用兩井定向的方法。

分別在盾構(gòu)掘進至 300 m、800 m時進行過2次車站兩端頭位置的兩井定向。如圖3所示，分別從沙柳路車站東西端頭井合理位置懸吊鋼絲，地面以GPS2323、GPS2325和精密導線點WT3、WT4為起算點，沿兩鋼絲連線的延伸方向測設(shè)近井附合導線，在近井點1361N、1362N架設(shè)儀器對鋼絲進行觀測，地下導線點DX1、DX2上分別設(shè)站與兩根鋼絲聯(lián)測。導線測量均按規(guī)范要求的精密導線測量的技術(shù)要求執(zhí)行。測量完畢后，變動鋼絲一次，進行第二次定向測量。

圖3兩井定向布設(shè)示意圖

內(nèi)業(yè)計算時，先通過地上導線測量算出兩鋼絲的坐標，利用坐標反算出兩鋼絲連線的方位角和長度。再通過兩鋼絲對應(yīng)地下的位置傳遞到地下，地下通過無定向?qū)Ь€的計算方法計算導線點DX1、DX2的坐標和所構(gòu)成的方位角。兩次兩井定向測量得到的地下定向邊成果如表3所示：

兩井定向計算成果比較表 表3

通過上面的結(jié)果可以推算出兩次定向互差為2″，滿足規(guī)范要求，能可靠地指導盾構(gòu)繼續(xù)掘進。

3.5 鉆孔投點定向法

本盾構(gòu)區(qū)間雖然在盾構(gòu)掘進時已進行過3次聯(lián)系測量，但由于隧道長度達到 1.9 km，需增加聯(lián)系測量的次數(shù)并提高定向測量精度。

第4次聯(lián)系測量采用鉆孔投點定向法，鉆孔投點法就是通過地面鉆孔或施工投料孔，用垂球或投點儀進行投點，從而將地面坐標和方位角傳遞到井下的方法[11]。

當盾構(gòu)掘進至1.7 km的位置時，距貫通面還有 200 m，為進一步提高聯(lián)系測量的精度，保證隧道的正確貫通，根據(jù)現(xiàn)場條件在盾構(gòu)第820環(huán)上方鉆孔，分別從盾構(gòu)始發(fā)豎井及鉆孔位置懸吊鋼絲形成大兩井定向。如圖4所示，地上以復測穩(wěn)定的GPS2323、GPS2325、12D1、12D2控制點為起算，沿兩鋼絲連線的延伸方向測設(shè)附合導線，在近井點1362N、WT5架設(shè)儀器對鋼絲進行觀測，地下沿隧道方向布設(shè)無定向?qū)Ь€，在W785、DX2架設(shè)儀器對鋼絲進行觀測，按精密導線測量的技術(shù)要求進行觀測。為提高投點點位精度、增加檢核條件，測量完畢后，變動鋼絲一次，進行第二次定向測量。

圖4鉆孔投點兩井定向示意圖

內(nèi)業(yè)采用測量平差軟件對觀測數(shù)據(jù)進行處理，利用地面導線測量方法測定兩鋼絲的平面坐標值，地下將兩根鋼絲的坐標值作為導線的起算數(shù)據(jù)，通過無定向?qū)Ь€計算的方法求解出地下導線點的坐標。測量精度滿足規(guī)范要求，如表4所示。

鉆孔定向精度統(tǒng)計表 表4

選取第二次兩井定向傳遞到最遠處的導線邊W634～W785與鉆孔定向測量的坐標和方位成果進行對比如下：

兩井定向與鉆孔定向成果對比表 表5

通過對比發(fā)現(xiàn)，兩井定向傳遞與鉆孔定向所測公共邊方位較差為2.5″，坐標較差均在 12 mm之內(nèi)，滿足規(guī)范要求，通過鉆孔定向復核了兩井定向的測量成果，提高了測量精度，為隧道順利貫通提供了保障。

通過以上聯(lián)系測量的方案實施及對薄弱環(huán)節(jié)的加強，有力地保證了測量精度，經(jīng)貫通測量，該長大盾構(gòu)區(qū)間隧道橫向貫通中誤差控制在 ±20 mm，貫通精度良好。

4 結(jié) 論

地鐵聯(lián)系測量方法多種多樣，隨著經(jīng)驗的積累愈加成熟可靠，在實際工作中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件靈活有效地采取適合的方法，對于長大盾構(gòu)區(qū)間應(yīng)采取提高定向測量精度的方法。

(1)導線直接傳遞方法操作簡單，可滿足工程實際需求，對于采用明挖順做法施工的車站在前期結(jié)構(gòu)頂板未施作之前較易采用，導線布設(shè)時應(yīng)重點考慮導線邊數(shù)盡可能少，地面與地下聯(lián)系邊俯仰角盡可能小，并設(shè)置強制對中裝置，有條件時盡量采用雙導線或者雙極坐標法測設(shè)來增加檢核條件，提高精度。

(2)聯(lián)系三角形測量占用井筒時間較長，但當貫通面一側(cè)只有一個豎井時，一般只能進行一井定向。此時可布設(shè)成雙聯(lián)系三角形，能起到相互檢核的作用，保證定向測量的精度。

(3)對于盾構(gòu)法施工的隧道，始發(fā)井一般具備兩井定向的條件，兩井定向法可作為平面聯(lián)系測量的首選方法。定向測量時可以通過移動鋼絲或直接懸吊3根鋼絲的方法，形成2組地下控制點數(shù)據(jù)進行檢核。

(4)當隧道貫通距離較長時，為控制隧道掘進的方向誤差，采用在隧道上方鉆孔的方法進行定向測量，可對兩井定向傳遞的測量結(jié)果進行檢核修正，提高定向測量精度，對隧道的準確貫通十分有利。