馬海志

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京100101)

城市軌道交通工程地下高精度平面控制網(wǎng)的建立

馬海志

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京100101)

通過深入分析城市軌道交通工程地下隧道的結(jié)構(gòu)與施工特點，研究建立一套適合現(xiàn)行測量規(guī)范的地下隧道高精度平面控制網(wǎng)，并通過較詳實的精度分析，說明該網(wǎng)可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制基標，直接用于加密基標的測設，達到指導隧道內(nèi)軌道鋪設精細化施工的目標。最后指出，在繼承傳統(tǒng)基礎上進行技術創(chuàng)新對城市軌道交通行業(yè)發(fā)展的迫切性和重大戰(zhàn)略意義。

地鐵;隧道;軌道鋪設;控制基標;CPIII網(wǎng);導線網(wǎng);自由設站;方位角閉合差;點位相對精度

一、前 言

我國高鐵測量技術在引進國外技術的基礎上，經(jīng)過10多年的自主創(chuàng)新，已經(jīng)建立了一套比較完善的控制網(wǎng)布設和施工測量體系，特別是在軌道控制網(wǎng)(CPIII網(wǎng))的建設和使用上，引起了測量界的廣泛關注。高鐵軌道設標網(wǎng)(CPIII網(wǎng))是在其上級控制網(wǎng)CPII或CPI基礎上建立起來的、直接用于高速鐵路軌道鋪設的高精度控制網(wǎng)，它與城市軌道交通工程的一個顯著區(qū)別就是可直接用它進行加密基標測設和軌道板精調(diào)，舍棄了中間環(huán)節(jié)——控制基標的測設(道岔區(qū)仍需測設，本文僅討論線路正線)。要達到這一目標，高鐵是通過保證CPIII網(wǎng)的平面相對高精度來實現(xiàn)的。那么，城市軌道交通工程(以下簡稱地鐵)測量能否借鑒高鐵思想，建立一套適合地鐵建設特點的高精度控制網(wǎng)，實現(xiàn)直接測設加密基標，以達到精細指導軌道鋪設的目的呢?筆者帶著這樣的疑問，經(jīng)過深入研究，證明在地鐵隧道貫通后，建立一套這樣的地下高精度平面控制網(wǎng)是可以實現(xiàn)的。

本文首先分析CPIII網(wǎng)在網(wǎng)形上無法滿足地鐵隧道建網(wǎng)的原因，然后分析地鐵高精度網(wǎng)需達到的平面精度，在此基礎上提出建網(wǎng)方案，并詳細分析該網(wǎng)觀測后可以達到的精度，最后得出一些重要的結(jié)論。

二、高鐵CPIII網(wǎng)引入地鐵隧道所面臨的問題

高鐵CPIII網(wǎng)有兩種成熟網(wǎng)形，本文暫稱CPIII標準網(wǎng)和CPIII改進網(wǎng)(如圖1、圖2所示)，分別適用于寬闊環(huán)境和狹窄環(huán)境。有專業(yè)人士提出將CPIII改進網(wǎng)引入地鐵隧道施工的建議。

圖1 CPIII標準網(wǎng)布網(wǎng)形式

圖2 CPIII改進網(wǎng)布網(wǎng)形式

筆者認為，CPIII改進網(wǎng)用于地鐵隧道建網(wǎng)將遇到如下問題:

1)通視困難，觀測難以實現(xiàn)。高鐵線路兩側(cè)每對CPIII點橫距在10 m以上，即使單線隧道，也能達到8～9 m［3］。而北京地區(qū)的單線隧道，最大內(nèi)徑多數(shù)為5.4 m，比高鐵縮小近一半，即使采用改進網(wǎng)形，自由設站由于位于隧道中線附近，觀測側(cè)壁CPIII點也十分困難。

2)外業(yè)觀測工作量較大。CPIII改進網(wǎng)形的設站間隔和CPIII控制點縱向間距一樣，都是60 m。每個自由設站點觀測至少8個邊長、8個方向。因此，不考慮與高級點的聯(lián)測，每千米隧道CPIII網(wǎng)至少要設站16.7個，觀測邊長133個，觀測方向133個。

3)無法配合施工，與施工方的技術條件不匹配。地鐵隧道在貫通之前，隧道施工單位多采用導線法指導隧道的定向和開挖，如果采用CPIII網(wǎng)布設軌道控制網(wǎng)，就無法充分利用施工單位布設的導線，也不能及時對該導線網(wǎng)進行檢測，也就達不到指導施工的目的。

4)無法滿足與高級點聯(lián)測的要求。高鐵軌道控制網(wǎng)CPIII要求每隔600～800 m要與高級點CPII或CPI進行聯(lián)測，這就要求地鐵隧道每隔600～800 m設置一個區(qū)間豎井，而地鐵區(qū)間隧道較難滿足這一要求;位于隧道內(nèi)的高級控制點，目前也只能采用導線測量的方式進行傳遞。這些都是制約CPIII網(wǎng)布設的瓶頸。

5)精度要求偏高。高鐵CPIII網(wǎng)要求［2］相鄰60 m點的相對點位中誤差在±1 mm以內(nèi)，這個要求是為保證高鐵高平順性而提出的，對地鐵鋪軌來說是否偏高，值得進一步商榷。

三、適用于地鐵工程的高精度平面控制網(wǎng)的建立

地鐵地下隧道高精度控制網(wǎng)，應建立在以“車站—區(qū)間—車站”(兩站一區(qū)間)為固定單元的基礎上，在區(qū)間隧道貫通后再進行統(tǒng)一觀測和整體嚴密平差處理。該網(wǎng)的起算點，仍為區(qū)間兩端用常規(guī)聯(lián)系測量方式傳遞到車站底板的平面控制點。

1.隧道內(nèi)控制網(wǎng)點間距的確定

建立高精度平面控制網(wǎng)的目的是為適應地鐵鋪軌規(guī)范要求，達到直接指導加密基標測設的目標，因此需建立合適的控制點間距?！冻鞘熊壍澜煌üこ虦y量規(guī)范》(GB 50308—2008)［1］規(guī)定，地鐵正線軌道鋪設控制基標直線段間隔為120 m，曲線段除曲線要素外，間隔為60 m;加密基標直線段間距為6 m，曲線地段間距為5 m。因此，高精度平面控制網(wǎng)控制點縱向間隔取和 CPIII網(wǎng)相一致的60 m，既可滿足直線段、曲線段測設加密基標需要，又能滿足曲線地段控制點間的通視要求。

2.點位相對精度要求

《城市軌道交通工程測量規(guī)范》(GB 50308—2008)［1］規(guī)定，按連續(xù)3個控制基標推算的折角計算橫向相對偏差應控制在2 mm以內(nèi)。因此，按照誤差傳播律，容易推得(按控制基標間距120 m計算)建立的高精度平面控制網(wǎng)縱向相鄰點(間距60 m)相對點位中誤差應在±1.4 mm以內(nèi)。此分析也說明，按CPIII網(wǎng)相對點位中誤差±1 mm來建立地鐵鋪軌控制網(wǎng)，精度要求偏高。

3.適用于地鐵隧道的地下高精度平面控制網(wǎng)網(wǎng)形

經(jīng)過反復推敲，建立如圖3所示的平面控制網(wǎng)作為地鐵隧道高精度平面控制網(wǎng)。筆者將其命名為“附加測站極坐標觀測及自由設站觀測的附合導線網(wǎng)”。該網(wǎng)由骨架附合導線點和側(cè)幫強制對中觀測點兩部分組成。其中，骨架導線除兩段車站作為起算點外，均采用可架設全站儀的強制對中標志;側(cè)幫觀測點采用只能安置棱鏡的強制對中測桿，只觀測方向和距離，不設測站。該網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)可劃分為3部分:第1部分是骨架導線觀測數(shù)據(jù);第2部分是測站極坐標觀測數(shù)據(jù);第3部分是自由設站點觀測數(shù)據(jù)。這3部分數(shù)據(jù)可以分步獨立觀測，也可以進行整體統(tǒng)一觀測，最后統(tǒng)一整體平差。

圖3 附加測站極坐標觀測及自由設站觀測的附合導線網(wǎng)示意圖

附加測站極坐標和自由設站觀測的附合導線網(wǎng)，具有如下鮮明特點:

1)充分利用施工導線。該網(wǎng)的骨架網(wǎng)可以充分利用貫通前施工單位布設在隧道兩側(cè)的強制對中標志，節(jié)約一部分埋點費用。控制網(wǎng)的觀測成果，包含了導線坐標數(shù)據(jù)，可作為施工導線檢測成果。

2)充分利用隧道狹窄空間。利用側(cè)幫設置的骨架導線點，按極坐標方式進行側(cè)幫其他點邊長、方向(角度)觀測，比隧道中間設站增強了觀測空間。

3)充分利用強制對中標的優(yōu)勢，增強折角觀測，大量減少自由設站觀測的工作量。

4)適當自由設站點設置，增強點位相對精度。自由設站觀測設置，目的是彌補單一附合導線極坐標觀測的不足，增強觀測數(shù)據(jù)的可靠性，增強帶狀平面控制網(wǎng)的相關關系，適當提高控制點相對點位精度。

四、精度分析與結(jié)論

1.附合單導線的選取

為使分析結(jié)果具有說服力，選取一個具有代表性的工程實例。主要考慮如下因素:首先，實例應包含直線段和曲線段;其次，區(qū)間長度應適中，不能太短也不能太長;最后，附合導線觀測質(zhì)量如方位角閉合差、導線全長相對閉合差不能太小，也不能太大。因此，筆者選取剛通車不久的北京某地鐵線一段長1.8 km的地下盾構(gòu)區(qū)間，貫通后的附合導線基本滿足以上各項要求，只是導線方位角閉合差質(zhì)量稍高(限差為28″，實際為8″)。該附合導線除兩端位于車站內(nèi)各兩個地面控制點外，其余全部為可架設全站儀的隧道側(cè)幫強制對中標志點。導線觀測情況如表1所示，平差詳情如表2所示。平差后的點位中誤差、相對點位中誤差分布如圖4、圖5所示。

表1 附合導線實例觀測情況

表2 附合導線實例平差結(jié)果

圖4 附合導線點位中誤差分布

圖5 附合導線相對點位中誤差分布

該網(wǎng)雖然觀測質(zhì)量較好，但平差后相鄰點相對點位中誤差為±1.6 mm，尚不能達到取代控制基標直接用來測設加密基標的要求。

2.附加測站極坐標導線網(wǎng)精度分析

為逐步說明本文提出的高精度平面網(wǎng)的效果，在實際工程實例的基礎上，采用增加仿真觀測值來進行模擬計算。首先按測角±2″、測距±(1 mm+1× 10－6D)精度模擬測站極坐標邊角觀測值，導線網(wǎng)整體及局部放大形狀如圖6、圖7所示，觀測情況如表3所示，與實際觀測數(shù)據(jù)結(jié)合嚴密整體平差的結(jié)果如表4所示。平差后點位中誤差、相對點位中誤差分布如圖8、圖9所示。

圖6 附加測站極坐標觀測的附合導線整體網(wǎng)形

圖7 附加測站極坐標觀測的附合導線局部放大網(wǎng)形

圖8 附加測站極坐標觀測的導線網(wǎng)點位中誤差分布

圖9 附加測站極坐標觀測的導線網(wǎng)相對點位中誤差分布

從表4中可以發(fā)現(xiàn)，附合導線附加測站極坐標觀測值后，點位精度有少量提高，但相對點位精度幾乎沒有變化。

3.附加自由設站觀測后的導線網(wǎng)精度分析

接下來，在前兩步工作的基礎上，附加自由設站觀測，每站觀測相鄰的4個側(cè)幫點。所有附加數(shù)據(jù)仍采用仿真觀測值。此模擬網(wǎng)整體形狀如圖10所示，局部放大如圖11所示，觀測情況如表5所示，整體平差情況如表6所示。平差后的點位中誤差及相對點位中誤差分布如圖12、圖13所示。

圖10 附加自由設站導線網(wǎng)整體網(wǎng)形

圖11 附加自由設站導線網(wǎng)局部放大網(wǎng)形

表3 附加測站極坐標觀測的附合導線網(wǎng)觀測情況

表4 附加測站極坐標觀測的附合導線網(wǎng)平差結(jié)果

表5 附加自由設站、測站極坐標觀測的附合導線網(wǎng)觀測情況

表6 附加自由設站、測站極坐標觀測的附合導線網(wǎng)平差結(jié)果

圖12 附加自由設站的導線網(wǎng)點位中誤差分布

圖13 附加自由設站的導線網(wǎng)相對點位中誤差分布

通過對以上各表、圖分析可以看出，此時該網(wǎng)點位精度和相對點位精度都有大幅度的提高，其中相對點位中誤差已經(jīng)達到了高鐵±1 mm的標準要求。當然亦可滿足地鐵隧道內(nèi)直接測放加密基標的要求。

4.附合導線方位角閉合差問題

本例附合導線方位角閉合差較小，不具一般性。實踐表明，很大一部分地鐵區(qū)間附合導線方位角閉合差難以滿足《城市軌道交通工程測量規(guī)范》(GB 50308—2008)［1］規(guī)定的5方位角閉合差(規(guī)范無明確要求，此處暫按精密導線指標套用)限差要求。那么，在這種超限情況下，附加測站極坐標觀測及自由設站觀測的附合導線網(wǎng)是否能滿足地鐵鋪軌需要。為回答這個問題，假定該導線短邊一端(邊長24.8 m)的后視起算點產(chǎn)生了橫向5 mm的移動，且無法發(fā)現(xiàn)，仍舊使用其原坐標成果起算，這樣起始方位附加了42″的方位偏差，附合導線閉合差變?yōu)?5″，已超過限差值(28″)。其余觀測值和模擬觀測值不變，對這個方位角閉合差超限的網(wǎng)進行整體嚴密平差。結(jié)果表明，控制網(wǎng)點位中誤差最大為±2.9 mm，相對點位中誤差最大為±1.2 mm，仍可滿足地鐵鋪軌施工需要。說明該高精度平面網(wǎng)具有抵御少量粗差的能力。

5.自由設站觀測的簡化

對比圖3和圖2可以發(fā)現(xiàn)，本文提出的高精度平面網(wǎng)與CPIII改進網(wǎng)相比，自由設站數(shù)相同，外業(yè)觀測量方向數(shù)、邊數(shù)顯著減少。另外從表6來看，該網(wǎng)平差后相對點位中誤差對地鐵施工來說還是比較小。因此，還可適當減少自由設站數(shù)，增加每站觀測方向和邊長數(shù)，在滿足直接測設加密基標的精度要求前提下，進一步減少外業(yè)工作量。

6.結(jié) 論

實例及仿真數(shù)據(jù)分析說明，筆者提出的附加測站極坐標觀測和自由設站觀測的附合導線網(wǎng)點位密度選取較合適，外業(yè)觀測量較高鐵CPIII網(wǎng)減少約20%，精度達到現(xiàn)行地鐵規(guī)范要求，是比較適應地鐵工程特點的地下高精度控制網(wǎng)。其建網(wǎng)思想可引申到地鐵工程的地面線和高架線。

五、總結(jié)與展望

城市軌道交通工程測量較其他土木工程測量來說，雖然測量技術比較成熟，精度較高，但仍存在許多不足的地方。因此，在繼承傳統(tǒng)的基礎上，進行有針對性的技術創(chuàng)新刻不容緩，走精細化施工道路將是行業(yè)發(fā)展的必然選擇。

當前，高鐵領域的測量技術經(jīng)過十多年引進、吸收和再創(chuàng)新，已經(jīng)走在了地鐵的前面，并有了向地鐵領域滲透的趨勢。但地鐵工程具有許多與高鐵不同的特點和難點，地鐵測量技術的創(chuàng)新，絕不能拋棄業(yè)界長期積累的寶貴經(jīng)驗，機械地照搬高鐵。

本文提出的地鐵地下高精度平面控制網(wǎng)建立的思想，立足于地鐵工程自身特點，既繼承了傳統(tǒng)建網(wǎng)的成功經(jīng)驗，又吸納了高鐵軌道設標網(wǎng)的優(yōu)點，目的是在地鐵測量技術創(chuàng)新方面作個表率，拋磚引玉。希望能夠引起業(yè)界同仁的廣泛關注和高度重視，為推動城市軌道交通工程測量領域的科技進步開創(chuàng)一個百家爭鳴、百花齊放、積極探索、爭相創(chuàng)新的嶄新局面。

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The Establishment of High-precise Control Network for Urban Tunnel Construction

MA Haizhi

0494-0911(2012)05-0001-06

P［258］

B

2012-04-20

馬海志(1967—)，男，北京人，教授級高級工程師，主要從事精密工程測量研究及測繪工程管理工作。