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        精密陀螺全站儀在城市綜合地下管廊中的應(yīng)用研究

        2015-03-29 06:34:14楊志強(qiáng)
        測(cè)繪通報(bào) 2015年1期
        關(guān)鍵詞:測(cè)角廊道管廊

        馬 驥,楊志強(qiáng),石 震

        (長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,陜西 西安710054)

        一、引 言

        隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的不斷發(fā)展,地下管網(wǎng)作為城市各行各業(yè)有機(jī)連接和運(yùn)轉(zhuǎn)的“生命線”,承受的壓力不斷增加[1]。長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)地下管線多是以直接埋放的方式布設(shè)于地下,導(dǎo)致在進(jìn)行管線維修改造時(shí),不可避免地對(duì)路面進(jìn)行破壞,同時(shí)加劇了城市建設(shè)用地的矛盾。這不僅造成交通的不便,影響居民生活質(zhì)量,而且在施工維護(hù)的過程中也經(jīng)常造成管線無(wú)謂的損壞,致使人力、物力資源極大的浪費(fèi)。為了解決城市建設(shè)用地緊張、道路交通擁堵、環(huán)境污染等問題[2],一種高度集約型的城市市政綜合管線載體——地下綜合管廊應(yīng)運(yùn)而生。

        二、建設(shè)城市綜合地下管廊優(yōu)勢(shì)

        地下綜合管廊,是在地下修建一個(gè)廊道空間,將兩種以上的城市管線(如市政、電力、通信、給排水等管線)集中設(shè)置于同一空間中,設(shè)有專門的檢修口、吊裝口和監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一建設(shè)管理的一種現(xiàn)代化、集約化的城市基礎(chǔ)設(shè)施。

        綜合地下管廊作為城市血液和脈絡(luò)新的載體,與傳統(tǒng)管線直埋方式的地下管線相比,其具有明顯的優(yōu)勢(shì):

        1)管線直埋的施工方式和管線維護(hù)致使道路的反復(fù)開挖造成周圍環(huán)境影響和交通延滯所帶來(lái)的直接或間接經(jīng)濟(jì)損失要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地下管線的建設(shè)成本,而且隨著時(shí)間的推移及城市的發(fā)展,帶來(lái)的破壞和損失將越來(lái)越高。而綜合地下管廊的建設(shè)一次性投入大,但其對(duì)城市交通的影響是暫時(shí)的,地下管廊修建完成后,其維護(hù)成本很低,不會(huì)對(duì)道路路面產(chǎn)生影響。因此,從長(zhǎng)遠(yuǎn)的利益來(lái)看綜合地下管廊的綜合成本比直埋管線更低,綜合地下管廊具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

        2)綜合管廊建設(shè)避免了由于管線維修反復(fù)挖掘路面帶來(lái)交通和居民的不便和干擾,保持路面的完成和城市的美觀。綜合管廊內(nèi)管線布置緊湊合理,有效地利用了地下空間,節(jié)約了城市建設(shè)用地[3-4]。

        3)保證城市各項(xiàng)功能穩(wěn)定、集約、高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。綜合管廊可以實(shí)現(xiàn)城市基礎(chǔ)設(shè)施功能集聚,便于統(tǒng)一管理,消除“城市蛛網(wǎng)”的視覺污染,創(chuàng)造和諧的城市生態(tài)環(huán)境。同時(shí)綜合管廊整體剛度大,有利于抗震,同時(shí)可抵御冰凍、侵蝕等多種自然災(zāi)害,增加了管線的使用壽命。

        4)便于各種管線的敷設(shè)、增減、維修和日常管理,可滿足幾十年的管線擴(kuò)容需求,做到一次投資,長(zhǎng)期使用。

        三、地下綜合管廊平面控制網(wǎng)布設(shè)方法

        區(qū)別于地下管線直埋方式,地下綜合管廊的出現(xiàn),使得地下管線的施工測(cè)量任務(wù)有所變化,首先需要在地下開挖一條用于敷設(shè)各種管線的廊道。為了確保廊道在開挖面相向施工過程中,使廊道中線符合線路平面及縱斷面設(shè)計(jì)要求,在限差滿足允許誤差的范圍條件下正確貫通,使廊道結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求,避免施工浪費(fèi)和減少成本是地下工程控制測(cè)量工作的主要任務(wù)??刂茰y(cè)量精度與貫通精度息息相關(guān),為確保廊道在指定精度條件下貫通,就必須做好控制測(cè)量工作,盡可能減小控制測(cè)量的誤差,提高控制測(cè)量精度。

        管線廊道控制測(cè)量工作內(nèi)容可以分為地面控制測(cè)量、地下控制測(cè)量及聯(lián)系測(cè)量(豎井需要貫通時(shí)),地面控制測(cè)量由于GPS定位技術(shù)的發(fā)展,具有精度高、時(shí)間短的優(yōu)勢(shì),其測(cè)量誤差對(duì)貫通誤差的影響很小,而地下控制測(cè)量的誤差是引起廊道貫通誤差的關(guān)鍵因素。因此,在進(jìn)行地下廊道貫通測(cè)量時(shí)應(yīng)根據(jù)工程需要布設(shè)相應(yīng)的地下控制網(wǎng)。

        由于狹長(zhǎng)的管線廊道空間使得地下平面控制網(wǎng)圖形結(jié)構(gòu)的選擇受限,一般只能采用布設(shè)狹長(zhǎng)導(dǎo)線網(wǎng)的形式來(lái)完成地下平面控制測(cè)量工作。常見的地下導(dǎo)線網(wǎng)有如下幾種布設(shè)形式。

        1.支導(dǎo)線

        在廊道貫通之前,受限于廊道形狀和狹窄的工作空間,傳統(tǒng)的地下平面控制測(cè)量一般采用布設(shè)支導(dǎo)線的方法,導(dǎo)線隨著廊道的開挖方向逐步向前延伸,廊道地線支導(dǎo)線如圖1所示。盡管采用支導(dǎo)線進(jìn)行地下平面控制具有布設(shè)方案簡(jiǎn)單靈活、工作強(qiáng)度和工作量較少的優(yōu)點(diǎn),但支導(dǎo)線缺乏約束條件和多余觀測(cè),無(wú)法對(duì)工作出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行檢核。而且隨著支導(dǎo)線的延伸,導(dǎo)線端點(diǎn)平面及高程的測(cè)量誤差迅速累積并增大,不利于廊道的正確貫通[5]。

        圖1 地下支導(dǎo)線

        2.閉合導(dǎo)線

        地下閉合導(dǎo)線如圖2所示,它是由一條已知邊,測(cè)量導(dǎo)線邊長(zhǎng)和水平夾角后又符合到該已知邊的測(cè)量方法。閉合導(dǎo)線網(wǎng)適用于較短廊道,其圖形強(qiáng)度和檢核條件比支導(dǎo)線多,對(duì)于長(zhǎng)度小于1 km的廊道,是比較適合的布網(wǎng)方式。

        圖2 地下閉合導(dǎo)線

        3.主副導(dǎo)線

        為了檢核導(dǎo)線的施測(cè)效果,可以在廊道內(nèi)布設(shè)不同等級(jí)的主副導(dǎo)線。在廊道開挖掘進(jìn)時(shí)先布設(shè)邊長(zhǎng)較短的副導(dǎo)線,指明掘進(jìn)的方向;當(dāng)廊道開挖至1~2 km時(shí),再布設(shè)邊長(zhǎng)更長(zhǎng)的,測(cè)量精度更高的主導(dǎo)線,主副導(dǎo)線可以起到相互校核的作用。地下主副導(dǎo)線如圖3所示,單雙線分別表示副導(dǎo)線和主導(dǎo)線[6]。副導(dǎo)線需要測(cè)量角度,距離可測(cè)可不測(cè);主導(dǎo)線角度和距離都必須進(jìn)行觀測(cè)。主副導(dǎo)線布網(wǎng)方式比較適用于中長(zhǎng)廊道,采用該種布網(wǎng)形式可以有效控制住廊道前進(jìn)的方向,達(dá)到提高貫通精度的目的,但主副導(dǎo)線的網(wǎng)型強(qiáng)度不高,多余觀測(cè)較少,橫向貫通精度依賴于角度測(cè)量的精度。

        圖3 地下主副導(dǎo)線

        4.全導(dǎo)線網(wǎng)

        如圖4所示,全導(dǎo)線網(wǎng)相互并行的導(dǎo)線在兩點(diǎn)間交叉,每一個(gè)新導(dǎo)線點(diǎn)通過兩條路線測(cè)量得出縱坐標(biāo)。布設(shè)全導(dǎo)線網(wǎng)的主要目的是讓控制網(wǎng)的網(wǎng)型強(qiáng)度增加,可以明顯提高橫向貫通精度。全導(dǎo)線網(wǎng)適用于大部分地下廊道布網(wǎng)。但對(duì)于較短的廊道,全導(dǎo)線網(wǎng)的工作量較大,成本較高,應(yīng)綜合考慮取舍。

        圖4 全導(dǎo)線網(wǎng)

        5.交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)

        如圖5所示,交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)是在全導(dǎo)線網(wǎng)的基礎(chǔ)上,沒有進(jìn)行靠近廊道邊墻的邊長(zhǎng)觀測(cè),相較全導(dǎo)線網(wǎng)而言,減小了將近一半的工作量,并且有效避免了旁折光的影響,網(wǎng)型強(qiáng)度很高,可以有效減小橫向相貫通誤差,交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)適用于高貫通精度的廊道地下控制測(cè)量。

        圖5 交叉雙導(dǎo)線網(wǎng)

        6.單側(cè)交叉導(dǎo)線網(wǎng)

        單側(cè)交叉導(dǎo)線網(wǎng)如圖6所示。單側(cè)交叉導(dǎo)線網(wǎng)適用于曲線廊道彎道處布設(shè),它可以看作是交叉導(dǎo)線與支導(dǎo)線的組合。由于彎道處的導(dǎo)線邊長(zhǎng)較短,應(yīng)該盡可能提高導(dǎo)線的測(cè)角精度,以減小測(cè)角誤差對(duì)橫向貫通誤差的影響。

        圖6 單側(cè)交叉導(dǎo)線網(wǎng)

        四、精密陀螺全站儀在管廊貫通測(cè)量中的應(yīng)用

        地下廊道修建時(shí),需要將地面坐標(biāo)基準(zhǔn)傳遞至地下,通過平硐或斜井采用幾何定向方法傳遞坐標(biāo)時(shí),一般采用布設(shè)導(dǎo)線方法對(duì)地面外控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)即可;對(duì)于立井而言,幾何定向(如一井定向、兩井定向等)通過懸掛鋼絲垂球線將地面控制點(diǎn)的坐標(biāo)傳遞到地下,這種方法的定向精度較低,難以滿足現(xiàn)代地下廊道建設(shè)的需要。而采用陀螺全站儀定向不受時(shí)間和環(huán)境限制,它通過敏感地球自轉(zhuǎn)角動(dòng)量獨(dú)立測(cè)定任意測(cè)線真北方位角,檢核地下導(dǎo)線方位角,操作簡(jiǎn)便而且能夠保證極高的定向精度,因此陀螺全站儀定向測(cè)量已經(jīng)逐漸取代了沿用已久的幾何定向方法。

        在地下工程的重要貫通工作中,通常會(huì)布設(shè)很長(zhǎng)距離的地下導(dǎo)線,由于地下導(dǎo)線測(cè)角誤差的不斷累積,難以保證較高的橫向貫通精度。由于地下環(huán)境的限制,導(dǎo)線測(cè)角精度難以大幅度提升,因此在實(shí)際貫通測(cè)量工作中,可以采用加測(cè)陀螺定向邊的方法提高地下導(dǎo)線的精度,減小測(cè)角誤差對(duì)橫向貫通誤差的影響[7-8]。下文將分析加測(cè)陀螺方位角對(duì)橫向貫通誤差的影響規(guī)律。

        1.加測(cè)N條陀螺方位角的橫向貫通誤差影響值

        對(duì)于未加測(cè)陀螺方位角的地下導(dǎo)線,導(dǎo)線測(cè)角誤差度對(duì)橫向貫通誤差的影響值為

        式中,Ry'為支導(dǎo)線各導(dǎo)線點(diǎn)到x'軸的垂直距離。

        如圖7所示,若地下導(dǎo)線網(wǎng)中加測(cè)了陀螺定向邊α1、α2、…、αN共N條,每條陀螺邊定向中誤差為mα1、mα2、…、mαN,可將導(dǎo)線分成N段附合導(dǎo)線,各段導(dǎo)線的重心為OI、OII、…、ON,由D點(diǎn)至貫通點(diǎn)K的一段為支導(dǎo)線。

        由導(dǎo)線測(cè)角誤差引起K點(diǎn)貫通誤差為

        式中,mβ為導(dǎo)線測(cè)角中誤差;η為各導(dǎo)線點(diǎn)至本段導(dǎo)線重心O的連線y'軸上的投影長(zhǎng)度;Ry'為由D至K的支導(dǎo)線各導(dǎo)線點(diǎn)與在導(dǎo)線邊與K點(diǎn)連線在y'軸上的投影長(zhǎng)度。由陀螺定向邊的定向誤差引起K點(diǎn)貫通誤差為

        若mα1=mα2=…=mαN=mα,則有

        現(xiàn)對(duì)等邊直伸型地下導(dǎo)線加測(cè)陀螺方位角后橫向貫通誤差的變化規(guī)律進(jìn)行分析,分析加測(cè)不同數(shù)量的陀螺定向邊對(duì)貫通精度增益的規(guī)律。

        圖7 加測(cè)N條陀螺方位角的橫向貫通誤差影響

        2.加測(cè)不同數(shù)量陀螺邊對(duì)貫通誤差增益規(guī)律

        現(xiàn)取廊道長(zhǎng)度為7000 m,并取陀螺定向中誤差mα=3″,導(dǎo)線測(cè)角精度mα=1″,可計(jì)算加測(cè)不同數(shù)量陀螺邊情況下的橫向貫通誤差mq,其結(jié)果列入表1中,表1中精度增益代表加測(cè)陀螺方位角后的橫向貫通誤差與未加測(cè)時(shí)相比誤差減少的百分率。

        表1 加測(cè)不同數(shù)量陀螺邊貫通精度增益比較

        圖8是根據(jù)表1繪制的加測(cè)陀螺方位角個(gè)數(shù)與橫向貫通誤差的關(guān)系曲線。

        圖8 加測(cè)陀螺方位角個(gè)數(shù)與橫向貫通誤差的關(guān)系曲線

        五、結(jié) 論

        由上述分析可以得出以下結(jié)論:

        1)無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)效益方面還是從社會(huì)效益方面,采用地下管廊的形式進(jìn)行城市管網(wǎng)的布設(shè)都比地下直埋管線方式具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。

        2)為了確保地下管線廊道的準(zhǔn)確貫通,應(yīng)根據(jù)實(shí)際的工程需求選擇適當(dāng)?shù)牡叵聦?dǎo)線布網(wǎng)形式,以提高管線廊道的貫通精度。

        3)陀螺全站儀定向測(cè)量方法能夠獨(dú)立地將坐標(biāo)方位基準(zhǔn)從地面?zhèn)鬟f至地下,傳統(tǒng)的幾何定向方法已逐漸被取代。

        4)在地下導(dǎo)線網(wǎng)中加測(cè)適當(dāng)數(shù)量的陀螺定向邊是減小廊道測(cè)角誤差累積行之有效的方法,隨著陀螺邊加測(cè)的數(shù)量越多,貫通精度越小,但加測(cè)至一定數(shù)量時(shí),其增益效果不明顯,對(duì)于小于10 km的管線廊道,加測(cè)2~3條陀螺定向邊為宜;對(duì)于超過10 km的地下管線廊道,建議每隔3 km加測(cè)一條陀螺邊,以保證廊道管線精確貫通。

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