范朋飛

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300251)

引言

在城市軌道交通工程建設(shè)過(guò)程中,聯(lián)系測(cè)量作為指導(dǎo)施工的一道重要環(huán)節(jié)[1],始終發(fā)揮著極為重要的作用[2-3]。通過(guò)聯(lián)系測(cè)量可以建立地面控制點(diǎn)與地下控制點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,獲取地下控制點(diǎn)坐標(biāo)及控制邊方位角[4],從而實(shí)現(xiàn)地下工程嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)位置施工的目的[5]。已有許多學(xué)者開展相關(guān)研究,許鋒等在使用全站儀、鋼絲、鉛錘等常規(guī)儀器設(shè)備情況下,僅通過(guò)對(duì)多根鋼絲進(jìn)行多次觀測(cè)便可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)傳遞,獲得井下控制點(diǎn)坐標(biāo)及方位角,指導(dǎo)隧道施工,適用于特殊結(jié)構(gòu)和復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的豎井聯(lián)系測(cè)量工作[6];姬曉旭等提出一種井上采用雙測(cè)站極標(biāo)法計(jì)算吊錘線坐標(biāo),井下采用邊角后方交會(huì)計(jì)算導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)和起算邊方位角的豎井聯(lián)系測(cè)量新方法,相較于傳統(tǒng)聯(lián)系三角形法而言,具有定向精度高、測(cè)量原理明了、測(cè)量效率高、占用井筒時(shí)間短和操作簡(jiǎn)單快捷等優(yōu)點(diǎn)[7];孫士通等提出一種一井定向井下聯(lián)系測(cè)量控制點(diǎn)采用任意設(shè)站布點(diǎn)方式的改進(jìn)方法,該方法提高了地鐵長(zhǎng)隧道一井定向精度,極大提高了井下隧道定向邊測(cè)設(shè)的穩(wěn)定性,保證定向邊方位角的精準(zhǔn)性[8]。目前,在地鐵聯(lián)系測(cè)量方法中,無(wú)論是單井聯(lián)系測(cè)量[9-11]還是兩井聯(lián)系測(cè)量[12-13],傳統(tǒng)的測(cè)量方法為全人工瞄準(zhǔn)測(cè)量,測(cè)量過(guò)程中經(jīng)易受到諸多外部環(huán)境條件影響[14],致使整體作業(yè)效率低、費(fèi)人費(fèi)時(shí)、易出錯(cuò)[15]。

基于以上不足之處,提出一種半自動(dòng)化聯(lián)系測(cè)量方法,采用“TSDI多測(cè)回測(cè)角”機(jī)載軟件,配合徠卡全站儀,并利用研發(fā)的數(shù)據(jù)后處理軟件,以期真正實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化聯(lián)系測(cè)量。

1 方法介紹

無(wú)論是單井聯(lián)系測(cè)量還是兩井聯(lián)系測(cè)量,傳統(tǒng)最常用的方式就是懸掛鋼絲測(cè)量,基本原理即在近井點(diǎn)架設(shè)全站儀,人工觀測(cè)并記錄近井點(diǎn)與后視點(diǎn)和鋼絲之間的角度和距離,再通過(guò)人工數(shù)據(jù)整理,組成聯(lián)系三角定向?qū)Ь€或無(wú)定向?qū)Ь€,代入地面已知點(diǎn)坐標(biāo)成果,經(jīng)過(guò)嚴(yán)密平差解算出井下待求控制點(diǎn)坐標(biāo)和控制邊方位角成果[16-17]。

“TSDI多測(cè)回測(cè)角”機(jī)載軟件是一款自主開發(fā)的全站儀測(cè)量軟件,軟件通過(guò)學(xué)習(xí)點(diǎn)信息,支配全站儀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤采集相應(yīng)方向點(diǎn)角度和距離信息,達(dá)到多測(cè)回角度和距離自動(dòng)采集記錄的效果[18-20]。軟件直接內(nèi)嵌于徠卡各系列全站儀,無(wú)需外掛設(shè)備,無(wú)需開通GeoCOM,穩(wěn)定可靠。

半自動(dòng)化聯(lián)系測(cè)量工作流程見圖1,在使用過(guò)程中需要注意以下幾點(diǎn)。

圖1 半自動(dòng)化聯(lián)系測(cè)量流程Fig.1 The process of Semi-automatic Connection Mea-surement

(1)待測(cè)鋼絲需要分別在井上、井下適當(dāng)?shù)奈恢谜成戏瓷淦?/p>

(2)點(diǎn)位學(xué)習(xí)的時(shí)候,后視點(diǎn)棱鏡學(xué)習(xí)應(yīng)選擇ATR自動(dòng)照準(zhǔn)模式,鋼絲反射片學(xué)習(xí)應(yīng)選擇無(wú)棱鏡模式。

(3)點(diǎn)位學(xué)習(xí)完成后,測(cè)量類型選擇自動(dòng)定位,測(cè)量的時(shí)候儀器會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到待測(cè)點(diǎn),然后人工點(diǎn)擊測(cè)量,當(dāng)跳轉(zhuǎn)到鋼絲位置時(shí)需要人工精確瞄準(zhǔn)鋼絲后再點(diǎn)擊測(cè)量。

(4)測(cè)量過(guò)程中鋼絲點(diǎn)位的水平角是測(cè)量的重點(diǎn),需要嚴(yán)格把控水平角限差,做到精確對(duì)準(zhǔn)測(cè)量。而豎直角和斜距只是用來(lái)計(jì)算平距,故豎直角和斜距不作限差限制。

采用以上方法,可以減少全人工操作繁瑣的工序,大幅提高外業(yè)數(shù)據(jù)采集的效率,規(guī)避人工記錄數(shù)據(jù)易出錯(cuò)的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化整理。

2 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件總體設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括3個(gè)層次。

①原始觀測(cè)數(shù)據(jù)讀取,數(shù)據(jù)格式為“TSDI多測(cè)回測(cè)角”軟件生成的TPT文件格式。

②參數(shù)設(shè)置,設(shè)置水平角歸零差、2C互差、同一方向值測(cè)回間互差限差,設(shè)置平距測(cè)回內(nèi)和測(cè)回間較差限差,設(shè)置距離改正地球曲率半徑和平均折光系數(shù)[18]。

③數(shù)據(jù)整理,輸出Excel觀測(cè)手簿、平差報(bào)告、整理后的導(dǎo)線數(shù)據(jù)。

軟件設(shè)計(jì)主要原則如下。

①軟件可靠性,通過(guò)參數(shù)設(shè)置,檢查觀測(cè)數(shù)據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)是否超限,通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證角度和距離計(jì)算理論方法正確可靠。

②軟件生成成果多樣性,目前可生成Excel電子手簿,代替人工記錄手簿;可生成平差報(bào)告,分別針對(duì)水平角和水平距離輸出詳細(xì)報(bào)告;可生成兩款不同導(dǎo)線平差軟件所需數(shù)據(jù)格式,滿足不同平差軟件需求。

2.2 平距計(jì)算

聯(lián)系測(cè)量過(guò)程中在測(cè)站架設(shè)全站儀,觀測(cè)記錄方向測(cè)點(diǎn)的水平角、豎直角和斜距,距離角度示意見圖2。

圖2 距離角度示意Fig.2 The sketch map of distance and angle

通過(guò)豎直角和斜距可計(jì)算出測(cè)站到方向測(cè)點(diǎn)的平面距離,基于測(cè)站高程面的平面距離計(jì)算式為

式中,D平為基于測(cè)站高程面的平面距離;S斜為測(cè)站到方向測(cè)點(diǎn)的測(cè)量斜距;β為測(cè)站到方向測(cè)點(diǎn)的豎直角讀數(shù);k為平均折光系數(shù);R為地球曲率半徑。

利用徠卡全站儀搭載“TSDI多測(cè)回測(cè)角”軟件,采集2組觀測(cè)數(shù)據(jù),采用兩種方案獲取平面距離。方案一：采用人工操作全站儀方式直接測(cè)量并記錄測(cè)站到方向測(cè)點(diǎn)之間的平面距離;方案二：利用采集的豎直角和斜距通過(guò)式(1)計(jì)算平面距離。兩種方案所得平面距離對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 方案一與方案二所得平面距離對(duì)比

由表1可知,本文所列平距計(jì)算公式計(jì)算所得平面距離與全站儀所測(cè)平面距離完全一致。

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

根據(jù)提出的軟件總體設(shè)計(jì)原則,結(jié)合平面距離計(jì)算方法,基于VB.NET開發(fā)一款專門針對(duì)半自動(dòng)化聯(lián)系測(cè)量數(shù)據(jù)整理軟件,軟件功能簡(jiǎn)單實(shí)用,界面清晰,操作簡(jiǎn)便,軟件主界面見圖3。

圖3 軟件主界面示例Fig.3 Example of software main interface

采用本軟件對(duì)深圳地鐵建設(shè)三期工程中1個(gè)車站的1次聯(lián)系測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,并與幾款常用軟件對(duì)比,結(jié)果見表2、表3。

表2 不同軟件數(shù)據(jù)整理方向角對(duì)比 (°)

表3 不同軟件數(shù)據(jù)整理平面距離對(duì)比 m

通過(guò)對(duì)比可知,采用本文聯(lián)系測(cè)量數(shù)據(jù)整理軟件與常用的幾款成熟軟件整理結(jié)果一致,表明數(shù)據(jù)整理結(jié)果可靠,可用于半自動(dòng)化聯(lián)系測(cè)量數(shù)據(jù)處理。

3 半自動(dòng)聯(lián)系測(cè)量方法應(yīng)用分析

3.1 實(shí)例介紹

深圳地鐵三期某條線路盾構(gòu)井需進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量,該盾構(gòu)井條件受限,長(zhǎng)度僅為38 m,而單向盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度達(dá)到2 km。該工點(diǎn)地面控制網(wǎng)采用附合導(dǎo)線測(cè)量方式,由地面4個(gè)控制點(diǎn)對(duì)其近井加密點(diǎn)進(jìn)行加密測(cè)量,然后通過(guò)近井點(diǎn)對(duì)該井開展聯(lián)系測(cè)量工作,井上井下點(diǎn)位示意見圖4。

圖4 井上井下點(diǎn)位示意Fig.4 The sketch map of points on and underground the well

本次采用2種方案開展聯(lián)系測(cè)量工作,具體方案如下。

(1)常規(guī)方法

采用懸掛3根鋼絲,組成1個(gè)單井聯(lián)系三角形測(cè)量和2個(gè)兩井定向聯(lián)系測(cè)量,通過(guò)不同方法組合確保人工聯(lián)系測(cè)量方法成果可靠,為驗(yàn)證方案二半自動(dòng)化方法成果可靠性提供基準(zhǔn)。整個(gè)過(guò)程中,從照準(zhǔn)、測(cè)量到讀數(shù)記錄,再到數(shù)據(jù)整理等,人工干預(yù)程度較高。

(2)半自動(dòng)化方法

采用全站儀自動(dòng)定位加人工輔助瞄準(zhǔn)鋼絲的方式,基本實(shí)現(xiàn)定位、數(shù)據(jù)采集、記錄、后處理自動(dòng)化,大幅降低人工干預(yù)的程度和整個(gè)測(cè)量過(guò)程占用的時(shí)間。

3.2 應(yīng)用分析

通過(guò)對(duì)2種方案聯(lián)系測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到井下控制點(diǎn)的坐標(biāo)及控制邊的方位角,2種方案成果對(duì)比見表4和表5。

表4 2種方法所得控制點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比(簡(jiǎn)化坐標(biāo))

表5 兩種不同聯(lián)系測(cè)量方法所得控制邊方位角對(duì)比

由表4、表5可知,方法成果與傳統(tǒng)方法各自獨(dú)立測(cè)量成果一致,方位角較差2.75″,滿足城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范中關(guān)于各次地下近井定向邊方位角較差應(yīng)小于16″的限差要求,精度可靠。

除此之外,對(duì)兩種方案聯(lián)系測(cè)量工作進(jìn)行綜合對(duì)比分析如下。

(1)方案一：需要設(shè)置井上和井下2個(gè)測(cè)量組,每組需要3～4人,完成全部聯(lián)系測(cè)量工作花費(fèi)約4 h,共完成人工記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)48組;

(2)方案二：在確保鋼絲穩(wěn)定的情況下,設(shè)置1個(gè)測(cè)量組,僅需2人,先測(cè)井上再測(cè)井下,完成全部聯(lián)系測(cè)量工作花費(fèi)約1 h,自動(dòng)記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)48組。

由對(duì)比分析可知,方案二使用人員少,測(cè)量速度快,占用工作井時(shí)間短,對(duì)施工的影響小,較傳統(tǒng)人工方法工作效率高。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)半自動(dòng)化聯(lián)系測(cè)量方法介紹、數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)開發(fā)及半自動(dòng)化聯(lián)系測(cè)量實(shí)例應(yīng)用分析,得出以下結(jié)論。

(1)提出的半自動(dòng)化聯(lián)系測(cè)量可操作性強(qiáng),使用測(cè)量人員少,占用施工時(shí)間少,測(cè)量效率更高,工作效率約為傳統(tǒng)聯(lián)系測(cè)量方法的2倍。

(2)通過(guò)實(shí)踐,采用本文聯(lián)系測(cè)量數(shù)據(jù)整理軟件與常用的幾款成熟軟件整理結(jié)果一致,表明數(shù)據(jù)整理結(jié)果可靠,可用于半自動(dòng)化聯(lián)系測(cè)量數(shù)據(jù)處理。