楊永海 第五江波

北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，中國(guó)·吉林 長(zhǎng)春 130022

地鐵隧道；設(shè)計(jì)；調(diào)線調(diào)坡；斷面測(cè)量；數(shù)據(jù)處理

1 引言

地鐵隧道在施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境差，同時(shí)受其他專業(yè)施工作業(yè)限制，斷面測(cè)量條件常常達(dá)不到理想條件，且隧道線路長(zhǎng)度長(zhǎng)、斷面多，綜合考慮，采用全站儀三坐標(biāo)法進(jìn)行測(cè)量[1]。

2 斷面數(shù)據(jù)要求

通常情況下，地鐵隧道斷面按形狀主要分為三類：圓形、馬蹄形、矩形；不同結(jié)構(gòu)類型斷面的測(cè)點(diǎn)位置要求也不同（如圖1、圖2、圖3所示）。

盾構(gòu)工法圓形隧道的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)如圖1所示：

圖1 圓形隧道測(cè)量圖

設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)為：

（1）O2點(diǎn)的坐標(biāo)。

（2）隧道頂點(diǎn)O3距離軌面的高度H1。

（3）隧道底點(diǎn)O4距離軌面的高度H2。

礦山法馬蹄形隧道的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)如圖2所示：

圖2 馬蹄形隧道測(cè)量圖

設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)為：

（1）O2點(diǎn)的坐標(biāo)。

（2）隧道頂點(diǎn)O3距軌面的高度H1。

（3）隧道底點(diǎn)O4距軌面的高度H2。

車站結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)如圖3所示：

圖3 車站結(jié)構(gòu)測(cè)量圖

設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)為：

（1）O1與a1的距離A1（即a1到軌道中心線的距離）。

（2）b1到軌道中心線的距離B1。

（3）C1到軌道中心線的距離C1。

（4）f1到軌道中心線的距離S1。

（5）f2到軌道中心線的距離S2。

（6）d1到軌面的距離H1。

（7）d2到軌面的距離H2。

（8）f1到軌面的距離H3。

3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

測(cè)量數(shù)據(jù)采集主要使用三維坐標(biāo)法。在隧道內(nèi)，以貫通測(cè)量檢測(cè)平差過(guò)的平面及高程控制點(diǎn)為起算依據(jù)，進(jìn)行斷面測(cè)量，設(shè)站可以采用空間交會(huì)法、已知測(cè)站法、假設(shè)坐標(biāo)法等。作業(yè)前對(duì)起算點(diǎn)的點(diǎn)位關(guān)系進(jìn)行檢核，檢核合格后對(duì)目標(biāo)點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)量，直接測(cè)取各點(diǎn)位的三維坐標(biāo)并存入儀器存儲(chǔ)卡內(nèi)。改變測(cè)站后，對(duì)上一測(cè)站所測(cè)最后兩個(gè)斷面的特征點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行檢核[1-2]。

盾構(gòu)圓形隧道數(shù)據(jù)的采集使用徠卡TS50 全站儀。該儀器測(cè)角精度0.5″，測(cè)距精度 1mm+1ppm，具有自動(dòng)照準(zhǔn)、鎖定跟蹤、聯(lián)機(jī)控制等功能，它能夠應(yīng)用ATR 模式自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)，當(dāng)全站儀發(fā)送的紅外光被反射棱鏡返回并經(jīng)全站儀內(nèi)置的CCD 相機(jī)判別接受后，馬達(dá)就驅(qū)動(dòng)全站儀自動(dòng)轉(zhuǎn)向棱鏡，并自動(dòng)精確測(cè)定，所以又稱為“測(cè)量機(jī)器人”。采集時(shí)將棱鏡放置于環(huán)片一側(cè)（靠近另一環(huán)），從頂部開(kāi)始，順時(shí)針采集5 個(gè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)。斷面測(cè)量間距：直線段每10 環(huán)測(cè)量一個(gè)斷面，曲線段每5 環(huán)測(cè)量一個(gè)斷面。區(qū)間兩端頭20 環(huán)，需一環(huán)一測(cè)[3-4]。

圖4 點(diǎn)位采集位置圖

4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

首先，將外業(yè)采集的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel 表格，經(jīng)過(guò)人工干預(yù)，剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，糾偏數(shù)據(jù)。通過(guò)Excel 表格整理出相應(yīng)的隧道數(shù)據(jù)（矩形隧道為頂板高程、底板高程和邊墻數(shù)據(jù)），圓形隧道為多個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

利用Matlab 軟件多點(diǎn)擬合圓心程序，擬合出圓形隧道（馬蹄形隧道）中心數(shù)據(jù)和圓形半徑。然后根據(jù)線路曲線要素，采用交點(diǎn)法，通過(guò)Excel 表格隧道施工測(cè)量程序，計(jì)算出點(diǎn)位相應(yīng)的設(shè)計(jì)里程、坐標(biāo)和軌面標(biāo)高，最后得出實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值的關(guān)系，即侵限值，為設(shè)計(jì)調(diào)線調(diào)坡提供數(shù)據(jù)支撐。

5 工程實(shí)例

地鐵工程由于結(jié)構(gòu)形式的多樣化，給斷面測(cè)量及數(shù)據(jù)處理也帶來(lái)了一定的難度，現(xiàn)舉一個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。

以長(zhǎng)春市地鐵2 號(hào)線解放橋站至建設(shè)街站右線為例。長(zhǎng)春市地鐵2 號(hào)線一期工程線路全長(zhǎng)23.5 公里，其中車站19座，區(qū)間18 個(gè)。車站包含明挖車站和暗挖車站，區(qū)間包含盾構(gòu)隧道和暗挖隧道。車站長(zhǎng)度平均200m，區(qū)間長(zhǎng)度平均1000m。解放橋站位于位于西解放立交橋西側(cè)，景陽(yáng)大路南側(cè)，沿東西向設(shè)置。車站總長(zhǎng)154.600m，車站有效站臺(tái)中心里程為K28+937.090，主體結(jié)構(gòu)為明挖法施工；建設(shè)街站位于解放大路與建設(shè)街交匯路口，呈東西走向，為地下島式車站，車站全長(zhǎng)176.3m，車站有效站臺(tái)中心里程K29+786.516。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)工法，從西解放立交橋中南部起，經(jīng)過(guò)西解放立交橋中東部至解放大路。線路右線起訖里程為K29+112.547～K29+678.666，線路右線長(zhǎng)度為566.119m，右線設(shè)置R=300m 曲線一處、R=600m 曲線一處[5-6]。

（1）將解放橋站至建設(shè)街站右線的平、縱線路要素依次輸入隧道施工測(cè)量程序，計(jì)算平面偏移、豎向偏移。

（2）將區(qū)間的測(cè)量數(shù)據(jù)按照點(diǎn)號(hào)、北坐標(biāo)、東坐標(biāo)、高程的格式保存為文本，導(dǎo)入Matlab 軟件中五點(diǎn)圓心擬合程序，得出擬合出圓心坐標(biāo)、半徑、一次殘差、二次殘差和三次殘差。通過(guò)殘差值和擬合的半徑值，可以了解測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量是否可靠[7-8]。

表1 平面參數(shù)

表2 縱面參數(shù)

圖5 原始斷面測(cè)量數(shù)據(jù)

圖6 Matlab 軟件圓心擬合

圖7 擬合成果

（3）已知盾構(gòu)隧道半徑為2.7m，擬合結(jié)果半徑均在2.665m左右，擬合半徑加上圓棱鏡參數(shù)0.035m，結(jié)果符合要求。

（4）用每個(gè)斷面的圓心標(biāo)高值加（或減）擬合半徑與棱鏡參數(shù)之和，便可得出該處斷面的頂板、底板標(biāo)高。

（5）將擬合出的中心坐標(biāo)輸入隧道施工測(cè)量程序，計(jì)算出相應(yīng)的里程、理論坐標(biāo)和高程，擬合圓心坐標(biāo)與設(shè)計(jì)線路的偏差，進(jìn)而算出頂板、底板的差值，最后整理出設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)。

（6）同樣，馬蹄形隧道、矩形隧道、U 型槽隧道斷面均能計(jì)算出與設(shè)計(jì)線路的偏差，判斷出隧道是否滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)果分析

考慮隧道施工時(shí)不可避免的施工誤差、結(jié)構(gòu)變形、隧道沉降以及測(cè)量誤差等，在隧道建筑限界周邊再預(yù)留100mm 的裕量，通過(guò)計(jì)算處理后的測(cè)量數(shù)據(jù)，可以判定初支超欠挖，成型后斷面限界情況。

表3 理論坐標(biāo)、高程計(jì)算

表4 區(qū)間成果表樣例

表5 車站成果表樣例

論文的測(cè)量方法與數(shù)據(jù)處理最主要的特色就是節(jié)約了成本費(fèi)用，大大提高了工作效率，在地鐵1 號(hào)線 2 號(hào)線施工過(guò)程中得到了推廣和應(yīng)用，受到施工單位的一致好評(píng)。