地铁施工中精密工程的控制测量复测技术研究

赵佳楠

（中铁一局集团有限公司广州分公司，广州511492）

1 引言

近年来，随着我国城镇化、机械化进程的不断加快，交通堵塞成为一大交通问题，形成了困扰城市发展的难题[1]。而地铁建设是受国际青睐解决大城市交通问题的首选方式，其具有客运量大、准时、速度快、安全舒适和能源消耗小等优点，发展地铁是解决当前国内交通问题的有效途径。地铁建造主要包括车站建设与隧道建设。车站建设主要采用明挖回填法与钻挖法对加密控制点直接放样建造；隧道建设通常采用明挖顺作法和基坑盖挖顺作法，使地面和地下坐标保持一致，以地下导线为标准，根据起算坐标和方位角测量并控制地下开挖，保证隧道的方向正确贯通[2]。在复杂、耗时耗力的地铁施工中，利用多种测量方式对地铁进行施工测试是成功的关键因素，因此，精密工程的控制测量技术是直接影响隧道贯通精准度的关键点。

地铁测量是地铁施工建设工程中十分重要的环节，它的主要特点可以分为3个方面，地铁施工测量内容较多、测量时间久；地铁的开挖施工涉及区域面积大，要经过城市繁华商业区，因此，对地铁车站建设精准度的要求很高，对隧道贯通测量精准度的要求也十分严格[3]；对于地铁的总体规划、分期建设的特点，地铁站测量工作必须保证各路段、线路的准确衔接。

综上所述，以上特点对地铁施工的精准测量有重要影响，所以，需要根据地铁施工中的具体情况而定，必要时采取一些特殊技术措施。

2 精密工程的控制测量复测技术设计

2.1 布设地铁施工中精密工程控制网

结合地铁施工过程中的实际情况以及施工区域的地面沉降大且不均匀、无规律可循的特征，地铁施工过程中的精密工程的高程控制点布设有一定要求，首先要求按基岩点、深埋水准点和加密水准点3种类型进行布设，并且必须在线路施工的影响范围之外[4]。各点埋设深度不同，依据施工沿线地质条件来决定。基岩点埋设深度通常情况下是300～400 m，深埋水准点埋设深度通常是30～50 m，密埋水准点埋设深度通常是3～5 m。

为了保证地铁施工中轨道铺设的牢固性，基础网的加密水准点高程必须达到2 mm/km的精准度。根据二等水准测量观测中误差的限差要求[5]，符合深埋水准点上的加密水准路线，最弱点误差应为：

式中，m为单位公里内水准测量在高差观测中的误差；L为与水准路线附和的长度。

假设深埋水准点间的路线长度为5～6 km，根据式（1）可得出加密水准最弱点的精度为（±0.84～±0.92）mm。那么以4～5 km的间距布设深埋水准点，中间布设加密水准点，按照国家二等水准测量的精度进行检测[6]，才能使加密最弱点的精度优于2 mm。

深埋水准点的高程要求按国家一等水准测量的标准施测，并复核基岩水准点。国家一等水准测量中误差的限差要求是每公里高差观测的中误差是±0.45 mm。假设基岩点之间的水准路线长度为25～35 km，由式（1）可得出最弱点的精度为（±1.01～±1.23）mm，因此，以30 km为一个间隔来埋设基岩点，那么国家一等水准路线的长度就低于35 km，进而保证最弱点精度优于2 mm（这里和城市轨道交通工程测量规范中不吻合，城市轨道交通工程测量规范不设计国家一等水准）。

考虑到造价层面，根据上面的精度分析，每30 km一个基岩点，每5 km一个深埋水准点是比较理想的[7]。那么全线应布设基岩点5个，深埋水准点25座。

精密工程的平面控制网需要按照首级GPS网（见图1）、次级GPS基础网、GPS加密网以及精密导线网的形式布设。

图1 首级GPS网结构图

首级GPS网、次级GPS基础网分别与水准基岩点、深埋点的埋设一同参考。应在基岩点和深埋水准点上建成观测墩，同时建立强制归心标志。首级、次级GPS网构成三角形和四边形独立闭合环，以保证控制网的安全性。GPS加密网点间距在1.5～2 km，约100个，沿线布设的原则是既要便于加密布线又要满足施工需要，并尽可能地让点间通视，困难地段有必要增加方向辅助点。首级、次级、加密GPS网的技术要求分别以B、C、D级网的技术标准为参考（规范明确城市轨道交通卫星定位网设置两级），工程现实情况要求各级GPS网的平面坐标点位精度要优于10 mm。

线路导线布设在加密GPS网的基础之上，平均边长为180～200 m，点数约在500个，点位布设原则是方便施工，点位埋设标准与加密GPS点一致。导线的测角误差应为2″。

2.2 确定地铁施工中精密工程贯通测量误差

城市轨道交通工程贯通测量误差是受两个方面的影响，一是设计所给出的隧道结构限界裕量允许偏差值，二是测量仪器的精度情况。设计中通常给出的隧道结构限界裕量是每侧100 mm，这其中主要包括施工带来的误差、测量过程中误差、变形导致的误差等[8]。施工初期，支护钢筋格栅的安装允许产生±30 mm的误差，而喷射混凝土平整度要求隧道横向偏差为±30 mm为最佳，变形误差在±20 mm以内为合格，那么从式（2）可以得出，采用这一施工方式下贯通测量误差允许值M4=±88.3 mm。

式中，M为误差允许范围总值；M1表示地面控制测量的误差；M2为竖井连续测量的误差；M3为地下控制导线测量的误差；M4为隧道横向贯通误差。

参照以上贯通误差制定的标准，以及各个测量环节现实工作中能够达到的精度，借鉴轨道交通贯通测量所采用的不等精度分配方法，将贯通误差定义为轨道交通平面测量的重要步骤[9]。这就需要地面控制测量的误差在±25 mm，而且竖井连续测量的误差范围是±20 mm，另外，地下控制导线测量的误差值范围是±30 mm，隧道横向贯通误差是在±43.8 mm＜±44.2 mm。

目前，通常情况下城市轨道交通工程设计所给到的高程安全裕量为70～100 mm，相对较大。就目前测量仪器、设备状况以及隧道结构的竖向允许偏差3方面来看，土建施工方满足贯通误差设计要求比较容易做到。但是，城市轨道交通工程采用整体道床铺轨方式，因此，提高了标准，将地铁高程贯通测量误差确定在±25 mm。将误差分配到高程测量的各个环节[10]。地面高程控制测量的允许误差为±16 mm，高程传递测量的允许误差为±10 mm，地下高程测量的允许误差为±16 mm。则高程贯通测量允许的误差范围是Mh=±24.7 mm＜±25 mm。

2.3 设计地铁施工中精密工程的控制测量复测流程

基于确定地铁施工中精密工程贯通测量误差，设计了地铁施工中精密工程的控制测量复测流程，具体步骤如下：

步骤一：将2台安平投点仪安放在井架的2个端点位置处，并使其与地铁施工井下的端点位置对应；

步骤二：在地面上方将全站仪安放在井点附近，用于观测角度和边长，并测定2台安平投点仪的坐标；

步骤三：在井下将陀螺经纬仪安放在西2点，采用逆转点法测定陀螺的方位，将陀螺经纬仪取下，再将全站仪安放在西2点上，观测井下角度和边长，确定西2点的坐标，完成地铁施工中精密工程的控制测量复测工作。

综上所述，通过设计地铁施工中精密工程的高程控制网和平面控制网，布设了地铁施工中精密工程控制网，通过确定地铁施工中精密工程高程贯通测量误差精度指标和平面贯通测量误差精度指标，确定了地铁施工中精密工程贯通测量误差，结合地铁施工中精密工程的控制测量复测流程设计，实现了地铁施工中精密工程的控制测量复测。

3 实验对比分析

为了验证提出的精密工程控制测量复测技术具有更高的精度，引入传统精密工程控制测量复测技术，分别以井上施工和井下施工为背景，进行了对比实验。

地铁井上施工中精密工程的控制测量复测误差对比结果如图2所示。

图2 地铁井上施工中精密工程的控制测量复测误差对比结果

从图2的结果可以看出，在地铁井上施工中精密工程的控制测量复测误差方面，提出的精密工程控制测量复测技术与传统精密工程控制测量复测技术相比，具有更高的精密工程控制测量复测精度。

地铁井下施工中精密工程的控制测量复测误差对比结果如表1所示。

表1 控制测量复测误差对比结果%

从表1的结果可以看出，地铁井下施工中，传统精密工程控制测量复测技术的控制测量复测误差将近15%，而提出的精密工程控制测量复测技术可以将地铁井下施工中精密工程的控制测量复测误差控制到10%以内，平均复测误差为6.12%。

4 结语

本文提出了地铁施工中精密工程的控制测量复测技术研究，通过布设地铁施工中精密工程控制网，确定了地铁施工中精密工程贯通测量误差，结合地铁施工中精密工程的控制测量复测流程设计，实现了地铁施工中精密工程的控制测量复测。结果显示，提出的控制测量复测技术具有更高的精度。