許 鋒 楊定強(qiáng) 吳新澤 孫宇超
(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300308)
為了加快施工進(jìn)度,礦山法隧道常采用增設(shè)豎井的方式來增加開挖工作面。為確保隧道正確施工和順利貫通,需通過豎井進(jìn)行井上和井下坐標(biāo)的傳遞工作[1]。如何準(zhǔn)確有效的進(jìn)行坐標(biāo)傳遞工作,一直都是地鐵測(cè)量關(guān)注的焦點(diǎn)與難點(diǎn)[2],特別是在山區(qū)或城市小空間深豎井環(huán)境下的聯(lián)系測(cè)量,如何快速施測(cè)、并保證測(cè)量精度則顯得十分重要[3-5]。
聯(lián)系測(cè)量常見方法有一井定向法、兩井定向法、鉆孔投點(diǎn)法、導(dǎo)線定向法、投點(diǎn)+陀螺儀定向法等[6-7]。其中,一井定向法定位精度高、工作量適中,但是對(duì)豎井現(xiàn)場條件要求高,且受場地限制,施工豎井往往無法滿足相關(guān)技術(shù)要求[8];兩井定向法、鉆孔投點(diǎn)法雖然定位精度高,觀測(cè)方便,但是需要單獨(dú)鉆孔投點(diǎn),工序繁多,在山區(qū)地段或者環(huán)境復(fù)雜地段實(shí)施困難[9-10];導(dǎo)線定向法雖然方法簡單,但對(duì)于小空間深豎井而言,常出現(xiàn)邊長長短不一、俯仰角過大等問題[11];“投點(diǎn)+陀螺儀”定向法雖然具有工作量小、勞動(dòng)強(qiáng)度低、快速定位等特點(diǎn),但是存在單次定位精度低,陀螺儀價(jià)格昂貴,對(duì)技術(shù)人員要求高等缺點(diǎn)[12]。近年來,隨著全站儀測(cè)距、測(cè)角精度的大幅提升,以及精密平差軟件、全站儀自動(dòng)觀測(cè)功能的廣泛應(yīng)用,采用多點(diǎn)后方交會(huì)法可以快速得到井下控制點(diǎn)的坐標(biāo)和方位,從而實(shí)現(xiàn)小空間深豎井等復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境下的坐標(biāo)傳遞工作[13-14]。
以下依托廣州市軌道交通21號(hào)線某標(biāo)段2號(hào)隧道(以下簡稱2號(hào)隧道),對(duì)多點(diǎn)后方交會(huì)法豎井聯(lián)系測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究。
多點(diǎn)后方交會(huì)法是指利用全站儀對(duì)豎井內(nèi)懸掛的多根鋼絲進(jìn)行距離和角度觀測(cè),將地面坐標(biāo)傳遞到井下的一種新型測(cè)量方法。多點(diǎn)后方交會(huì)法示意如圖1。具體步驟如下。
圖1 多點(diǎn)后方交會(huì)法示意
(1)地面測(cè)量
首先進(jìn)行控制點(diǎn)DX1、DX3等穩(wěn)定性檢查,其次進(jìn)行近井點(diǎn)JJD的測(cè)量,采用左右角法觀測(cè)近井點(diǎn)與控制點(diǎn)角度和距離。
(2)鋼絲測(cè)量
在豎井內(nèi)均勻懸掛4根鋼絲(GS1、GS2、GS3、GS4),將反射貼片粘貼于鋼絲上下端,反射貼片對(duì)準(zhǔn)全站儀。在地面近井點(diǎn)JJD架設(shè)全站儀,后視DX1完成定向;在地下控制點(diǎn)ZX1架設(shè)全站儀,后視ZX2完成定向,地面和地下同時(shí)觀測(cè)四根鋼絲GS1、GS2、GS3、GS4,采用方向觀測(cè)法得到鋼絲距離和角度觀測(cè)量。同時(shí)移動(dòng)4根鋼絲,地面和地下重新架設(shè)儀器,重復(fù)上述測(cè)量步驟,得到第二組、第三組距離和角度觀測(cè)量。
(3)數(shù)據(jù)平差
整理數(shù)據(jù),輸入控制點(diǎn)(DX1、DX3)坐標(biāo),利用平差軟件進(jìn)行地面控制網(wǎng)平差計(jì)算,得到鋼絲的坐標(biāo);利用鋼絲坐標(biāo)傳遞和最小二乘原理,計(jì)算得到第一組井下控制點(diǎn)(ZX1、ZX2)坐標(biāo);重復(fù)上述步驟,獲得第二組、第三組井下控制點(diǎn)坐標(biāo)。分別比較三組控制點(diǎn)坐標(biāo)、基線長度及方位角,當(dāng)成果差值滿足規(guī)范要求時(shí),取三組平均值作為最終成果。否則需要重新進(jìn)行測(cè)量。
廣州市軌道交通21號(hào)線某標(biāo)段2號(hào)隧道長約2 510 m,在隧道中部設(shè)有1個(gè)施工豎井,豎井采用明挖法施工,尺寸為8.0 m×10.0 m,井深46.775 m。豎井內(nèi)部空間設(shè)有混凝土圈梁、上下樓梯、通風(fēng)道、下料管、臨時(shí)工字鋼支撐等結(jié)構(gòu)設(shè)施,豎井內(nèi)部實(shí)際凈空小于5.0 m。豎井位于山嶺之間,周邊建構(gòu)筑物少,豎井南側(cè)平整后形成約14.5 m高邊坡,豎井北側(cè)為渣土堆料場和鋼筋加工棚,豎井東側(cè)為施工道路和辦公住宿場地,豎井西側(cè)為原始植被。整體而言,豎井施工場地狹小,開挖深度大,測(cè)量環(huán)境差。
根據(jù)施工要求,2號(hào)隧道分別從大小里程、豎井兩個(gè)方向?qū)ο蜷_挖。根據(jù)測(cè)量方案,需要在2號(hào)隧道左右線大小里程方向4條隧道開挖至40~60 m、100~150 m、貫通前150~200 m處3個(gè)位置開展12次聯(lián)系測(cè)量。受場地、人員、經(jīng)費(fèi)以及施工進(jìn)度的限制,常規(guī)測(cè)量方法難以有效進(jìn)行2號(hào)隧道豎井聯(lián)系測(cè)量工作。根據(jù)豎井結(jié)構(gòu)與場地條件,本著質(zhì)量、高效、經(jīng)濟(jì)的原則,利用鋼絲坐標(biāo)傳遞原理,采用多點(diǎn)后方交會(huì)豎井聯(lián)系測(cè)量方法,對(duì)4根鋼絲進(jìn)行觀測(cè),將地面坐標(biāo)傳遞到井下,用以指導(dǎo)隧道施工。
(1)測(cè)量網(wǎng)設(shè)計(jì):100~150 m處聯(lián)系測(cè)量網(wǎng)示意如圖2。
圖2 100~150 m處聯(lián)系測(cè)量網(wǎng)
(2)儀器設(shè)備:全站儀Leica TS50 2臺(tái),測(cè)角精度為±0.5″,測(cè)距精度為±(0.6 mm+1 ppm),Leica光學(xué)對(duì)中覘牌4套,Leica木質(zhì)腳架6套,Leica反射貼片若干,鋼絲1卷、溫濕度計(jì)1個(gè)、氣壓計(jì)1個(gè)。
(3)人員情況:投入2個(gè)班組,共計(jì)12人。
(4)天氣情況:晴,風(fēng)力1級(jí),溫度24~28 ℃,濕度35%,氣壓1.01 kPa。
使用控制點(diǎn)DX1、DX2、DX3、DX4及DX5作為平面坐標(biāo)起算點(diǎn),作業(yè)前進(jìn)行平面控制點(diǎn)穩(wěn)定性檢核,邊長及角度檢核情況如表1。經(jīng)檢核平面控制點(diǎn)點(diǎn)位穩(wěn)定,成果可用。
表1 邊長及角度檢核情況
控制點(diǎn)檢核無誤后,以DX1~DX2、DX5~DX4為起算邊,經(jīng)過DX3、JJD構(gòu)成附合導(dǎo)線。外業(yè)水平角觀測(cè)四測(cè)回,往返測(cè)距各兩測(cè)回,并進(jìn)行儀器加乘常數(shù)、氣壓及溫度改正[15]。內(nèi)業(yè)采用“科傻”測(cè)量控制網(wǎng)平差軟件處理觀測(cè)數(shù)據(jù),附合導(dǎo)線角度閉合差為-1.9″,X坐標(biāo)閉合差為-4.3 mm,Y坐標(biāo)閉合差為6.9 mm,相對(duì)精度為1∶53 276,測(cè)量精度滿足規(guī)范要求。
在地面JJD和井下控制點(diǎn)Y1設(shè)站,分別后視DX3和Y2,觀測(cè)DX4、Y4及四根鋼絲距離和角度,得到第一組距離和角度觀測(cè)數(shù)據(jù)。移動(dòng)4根鋼絲,重復(fù)上述步驟,得到第二組、第三組距離和角度觀測(cè)數(shù)據(jù)。豎井聯(lián)系測(cè)量距離及角度觀測(cè)數(shù)據(jù)如表2。
表2 豎井聯(lián)系測(cè)量距離及角度觀測(cè)數(shù)據(jù)
從豎井聯(lián)系測(cè)量距離及角度觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看出,地面及地下設(shè)站點(diǎn)到鋼絲距離均較短,井上最短邊為JJD~GS1(12.55 m),井下最短邊為Y1~GS4(5.83 m),測(cè)量工作中,短邊直接影響測(cè)角精度及坐標(biāo)方位的傳遞,故在豎井聯(lián)系測(cè)量中,鋼絲部分距離測(cè)量的準(zhǔn)確性就顯得特別重要。
輸入控制點(diǎn)坐標(biāo),利用平差軟件對(duì)3組觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精密平差,得到地下控制點(diǎn)Y1、Y2、Y4成果。平差后,最大點(diǎn)位誤差為2.56 mm,最大點(diǎn)間誤差為2.34 mm,測(cè)量精度滿足規(guī)范要求。依次比較3組控制點(diǎn)坐標(biāo)、方位角及邊長,3組控制點(diǎn)成果差值滿足規(guī)范要求,取3組平均值作為最終成果??刂泣c(diǎn)成果如表3。根據(jù)規(guī)范要求,地下控制點(diǎn)坐標(biāo)互差不大于±16 mm、基線邊方位角互差不大于±12″、邊長互差不大于±8 mm。
2號(hào)隧道右線向大里程開挖至244 m時(shí),實(shí)施隧道貫通前150~200 m聯(lián)系測(cè)量工作。采用同樣的方法實(shí)施測(cè)量,測(cè)量的成果采用3組測(cè)量成果的平均值。將隧道開挖至100~150 m處聯(lián)系測(cè)量成果與貫通前150~200 m處聯(lián)系測(cè)量成果進(jìn)行比較,測(cè)量數(shù)據(jù)顯示,兩階段測(cè)量基線成果坐標(biāo)、方位角及邊長差值均滿足限差要求,測(cè)量成果可靠。兩階段基線成果比較如表4。
表3 控制點(diǎn)成果
表4 兩階段基線成果比較
2號(hào)隧道左線大里程方向、2號(hào)隧道左右線小里程方向豎井聯(lián)系測(cè)量均采用多點(diǎn)后方交會(huì)法進(jìn)行坐標(biāo)傳遞工作,目前4條隧道均已貫通。貫通測(cè)量一端從豎井方向已知點(diǎn)測(cè)至貫通點(diǎn),另一端從隧道入口或出口方向已知點(diǎn)測(cè)至貫通點(diǎn)。貫通測(cè)量成果表明:2號(hào)隧道左右線大小里程方向4條隧道貫通測(cè)量成果良好,滿足規(guī)范的相關(guān)限差要求。隧道貫通測(cè)量成果如表5。
表5 隧道貫通測(cè)量成果
隧道縱向貫通誤差只影響隧道長度,對(duì)隧道質(zhì)量影響極小,故對(duì)隧道質(zhì)量而言只考慮橫向貫通誤差。從表5可以看出,橫向貫通誤差最大為38.8 mm,誤差遠(yuǎn)小于橫向貫通限差±100 mm。
(1)鋼絲直徑選擇宜在0.3~0.5 mm范圍內(nèi),鋼絲下端懸掛10 kg鉛錘靜止于阻尼液中,并確保鉛錘自由懸浮;鋼絲位置應(yīng)盡量均勻分布,鋼絲數(shù)量不少于4根,觀測(cè)次數(shù)不少于3次;鋼絲觀測(cè)時(shí)應(yīng)盡量選擇在隧道停工、通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉的時(shí)段;宜選擇陰天、微風(fēng)或無風(fēng)的天氣條件進(jìn)行施測(cè),以避免因施工、天氣等外部環(huán)境原因造成干擾。
(2)近井點(diǎn)及隧道內(nèi)控制點(diǎn)應(yīng)盡量布設(shè)為強(qiáng)制對(duì)中基座,減少對(duì)中誤差,同時(shí)考慮與鋼絲之間的位置關(guān)系,近井點(diǎn)與鋼絲之間距離應(yīng)盡量放大。進(jìn)行鋼絲和光學(xué)對(duì)中覘牌距離觀測(cè)時(shí),應(yīng)注意更改距離觀測(cè)模式,避免出現(xiàn)因距離觀測(cè)模式不正確而導(dǎo)致的距離觀測(cè)錯(cuò)誤。
(3)隧道控制點(diǎn)應(yīng)確保穩(wěn)定,始發(fā)基線邊在第二次聯(lián)系測(cè)量后,應(yīng)盡量布設(shè)為長邊且形成固定邊,多次聯(lián)系測(cè)量基線邊數(shù)據(jù)可進(jìn)行校核和加權(quán)平均,以確保測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。
地鐵建設(shè)現(xiàn)場環(huán)境一般較為復(fù)雜,多點(diǎn)后方交會(huì)法豎井聯(lián)系測(cè)量技術(shù)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。適用于特殊結(jié)構(gòu)和復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境下的豎井聯(lián)系測(cè)量工作。多點(diǎn)后方交會(huì)地鐵豎井聯(lián)系測(cè)量技術(shù)為廣大地鐵測(cè)量工作者提供一種新的技術(shù)手段,可更好為地鐵聯(lián)系測(cè)量及洞內(nèi)控制測(cè)量工作服務(wù)。