楊彬，林飛

(杭州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012)

1 引 言

在隧道的盾構(gòu)施工中，一般采用單向掘進(jìn)，由于接收端的盾構(gòu)鋼環(huán)的大小和位置是固定的，其半徑通常只比盾構(gòu)機(jī)的半徑大 20 cm，如何確保盾構(gòu)機(jī)按照設(shè)計(jì)的線路從接收鋼環(huán)中順利貫通出去就顯得尤為重要了。

如何引入高精度的坐標(biāo)方位角對(duì)保證水平方向的順利貫通意義重大[1]，傳統(tǒng)的方法是通過(guò)精密導(dǎo)線傳遞式引測(cè)至洞內(nèi)，但是這種方法必然會(huì)隨著掘進(jìn)距離的增長(zhǎng)而伴隨著精度的下降，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于距離大于 1.5 km的隧道，為保證順利貫通，在掘進(jìn)過(guò)程中加測(cè)陀螺邊可以有效地檢核及糾正方位的傳遞。

另一方面，如要確保盾構(gòu)隧道的順利貫通，隧道兩端控制點(diǎn)的準(zhǔn)確性乃至整個(gè)基準(zhǔn)控制網(wǎng)的相對(duì)精度和絕對(duì)精度都必須要有所保證。作為整個(gè)工程平面測(cè)繪的基準(zhǔn)，首級(jí)GNSS控制網(wǎng)在城市軌道交通的控制測(cè)量中至關(guān)重要。城市CORS一般和當(dāng)?shù)氐某鞘懈叩燃?jí)控制點(diǎn)均進(jìn)行過(guò)聯(lián)測(cè)，各點(diǎn)具有良好的兼容性[2]?？紤]到整個(gè)工程與其他地鐵線路的銜接問(wèn)題，平面基準(zhǔn)網(wǎng)的起算點(diǎn)采用城市連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)系統(tǒng)最為合適，且城市CORS具有點(diǎn)位穩(wěn)定、觀測(cè)條件好、觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[3]，有利于提高平面基準(zhǔn)網(wǎng)的精度。

2 平面基準(zhǔn)網(wǎng)的建立

杭州至富陽(yáng)城際鐵路工程位于杭州市主城區(qū)與富陽(yáng)區(qū)(原富陽(yáng)市)之間，工程沿線點(diǎn)間高差較大，地形條件復(fù)雜。全長(zhǎng)約 23.508 km，設(shè)站11座，均為地下站，平均站間距約 2.3 km，在終點(diǎn)站與杭州地鐵6號(hào)線搭接。該工程全線區(qū)間除很小部分采用明挖以外，絕大部分均采用盾構(gòu)施工。

工程線路沿線共布設(shè)了32個(gè)GNSS點(diǎn)，然后與4個(gè)距離工程線路最近的CORS站點(diǎn)一起組成平面基準(zhǔn)網(wǎng)，如圖1所示：

圖1 平面基準(zhǔn)網(wǎng)示意圖

外業(yè)采用6臺(tái)Trimble R9雙頻GPS接收機(jī)同步進(jìn)行，考慮到CORS站點(diǎn)與線路控制點(diǎn)距離較長(zhǎng)，為了盡量提高精度，將觀測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)至2個(gè)小時(shí)，具體作業(yè)內(nèi)容按表1規(guī)定執(zhí)行：

GPS測(cè)量作業(yè)技術(shù)指標(biāo) 表1

續(xù)表1

內(nèi)業(yè)采用TBC軟件進(jìn)行基線解算，并采用武漢大學(xué)COSA平差軟件進(jìn)行平差。平面基準(zhǔn)網(wǎng)二維約束平差的結(jié)果如表2所示：

二維約束平差結(jié)果 表2

各項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

3 陀螺定向測(cè)量

陀螺經(jīng)緯儀(全站儀)主要是利用陀螺自身的物理特性以及地球自轉(zhuǎn)的影響，來(lái)實(shí)現(xiàn)快速測(cè)定真北方位的功能，且不受外界條件限制，與傳統(tǒng)測(cè)量相比，陀螺定向具有操作簡(jiǎn)單、精度高及占用井筒和平巷時(shí)間少等優(yōu)點(diǎn)[4]，同時(shí)，在洞內(nèi)導(dǎo)線的傳遞過(guò)程中，加測(cè)陀螺定向邊可以發(fā)現(xiàn)原有導(dǎo)線邊的水平方向的誤差[5]，有利于減少測(cè)角誤差的累積，適合長(zhǎng)距離隧道定向測(cè)量。本文所用陀螺儀為南方測(cè)繪所產(chǎn)的NTS-342G10型陀螺全站儀，尋北精度10″，尋北時(shí)間 ≤10 min。

3.1 基本的定向過(guò)程

本文應(yīng)用的工程所在區(qū)間為杭富城際鐵路的汽車北站～高橋站的盾構(gòu)區(qū)間，地上控制點(diǎn)為平面基準(zhǔn)網(wǎng)中的SQ及LSY，即地面控制邊為：LSY→SQ。根據(jù)已知點(diǎn)數(shù)據(jù)可計(jì)算地上控制邊坐標(biāo)方位角α上。通過(guò)二井定向進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量傳至井下，然后通過(guò)支導(dǎo)線向隧道內(nèi)施測(cè)，地下待測(cè)邊為：T666→T927，由聯(lián)系測(cè)量及隧道內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量得出的數(shù)據(jù)可算出地下待測(cè)邊坐標(biāo)方位角α下。

陀螺儀的基本定向過(guò)程為：

(1)在地面控制邊LSY→SQ進(jìn)行3測(cè)回的陀螺定向測(cè)量；

(2)在地下待測(cè)邊T666→T927進(jìn)行4測(cè)回陀螺定向測(cè)量，得出地下邊陀螺方位角αT下；

(3)再返回地面對(duì)控制邊LSY→SQ進(jìn)行3測(cè)回的陀螺定向測(cè)量，以地面控制邊的兩次各3測(cè)回陀螺定向測(cè)量結(jié)果的均值為地上邊陀螺方位角αT上，檢驗(yàn)儀器的穩(wěn)定性和精度并最終確定儀器常數(shù)，確保陀螺定向成果準(zhǔn)確可靠。

3.2 待測(cè)邊坐標(biāo)方位角的計(jì)算

地面標(biāo)定儀器常數(shù)△為：

△=α上-αT上

(1)

則地下待測(cè)邊坐標(biāo)方位角α下的計(jì)算公式為

α下=αT下+△+δ

(2)

式中：α上為地面控制邊坐標(biāo)反算方位角；

αT上為地面控制邊實(shí)測(cè)陀螺方位角；

αT下為地下待測(cè)邊實(shí)測(cè)陀螺方位角；

δ為地面已知邊和待定邊子午線收斂角差數(shù)，單位為秒，其計(jì)算公式為[6]：

(3)

式中：B為測(cè)區(qū)當(dāng)?shù)鼐暥龋?/p>

y下為地下待定邊端點(diǎn)的橫坐標(biāo)(km)；

y上為地面已知邊端點(diǎn)的橫坐標(biāo)(km)。

4 算例分析

汽車北站～高橋站的盾構(gòu)區(qū)間全長(zhǎng)約 1 880 m，采用盾構(gòu)單向掘進(jìn)，大里程端始發(fā)，小里程端接收，在陀螺定向之前剛進(jìn)行過(guò)一次聯(lián)系測(cè)量及洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量。平面基準(zhǔn)網(wǎng)平差所得地面控制點(diǎn)SQ及LSY及導(dǎo)線測(cè)量所得T666及T927成果如表3所示：

已知點(diǎn)及待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)成果 表3

4.1 陀螺定向測(cè)量數(shù)據(jù)分析

陀螺儀所測(cè)地上地下控制邊的數(shù)據(jù)如表4～表6所示：

第一次地上邊陀螺定向結(jié)果 表4

第二次地上邊陀螺定向結(jié)果 表5

地下邊陀螺定向結(jié)果 表6

根據(jù)已知點(diǎn)及待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)成果計(jì)算得知地上控制邊LSY→SQ坐標(biāo)方位角為：α上=242°36′23.6″，地下待測(cè)邊T666→T927坐標(biāo)方位角為：α下=346°24′8.8″。由式(1)、式(2)、式(3)計(jì)算可得陀螺儀測(cè)出的待測(cè)邊T666→T927坐標(biāo)方位角為：346°24′3.9″?？傻猛勇莘轿唤禽^差為4.9″。

在《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》(GB/T 50308-2017)中規(guī)定：當(dāng)隧道單向掘進(jìn)超過(guò) 1.5 km時(shí)應(yīng)加測(cè)陀螺邊，使用的陀螺儀標(biāo)稱精度不低于15″，陀螺方位角較差不大于20″[7]。以上結(jié)果表明陀螺儀定向測(cè)量結(jié)果良好，也說(shuō)明作為支導(dǎo)線起算點(diǎn)的地上已知控制點(diǎn)的絕對(duì)精度很好。

4.2 貫通精度及結(jié)果分析

在隧道貫通之后，對(duì)該隧道進(jìn)行平面貫通測(cè)量，首先定貫通面附近的點(diǎn)T1432為貫通點(diǎn)，兩端各向其測(cè)支導(dǎo)線進(jìn)行貫通測(cè)量，施測(cè)后的貫通誤差如表7所示：

平面貫通點(diǎn)誤差計(jì)算 表7

然后再進(jìn)行全線的附合導(dǎo)線測(cè)量，附合導(dǎo)線略圖如圖2所示：

圖2 附合導(dǎo)線略圖

經(jīng)計(jì)算后附合導(dǎo)線的主要精度指標(biāo)如表8所示：

貫通后附合導(dǎo)線精度 表8

由表7和表8可以看出，該隧道貫通精度良好，且貫通之后聯(lián)測(cè)的附合導(dǎo)線的主要精度指標(biāo)都在限差范圍以內(nèi)，這說(shuō)明隧道兩端的已知點(diǎn)相對(duì)精度良好。

5 結(jié) 論

通過(guò)在杭州汽車北站～高橋站的盾構(gòu)區(qū)間的實(shí)際測(cè)量結(jié)果可得出如下結(jié)論：①以CORS為起算點(diǎn)的基準(zhǔn)網(wǎng)可有效保證線路局部區(qū)間隧道兩端地上控制點(diǎn)的相對(duì)精度和絕對(duì)精度，這可以有效保證盾構(gòu)隧道的貫通精度。②陀螺全站儀在長(zhǎng)隧道的掘進(jìn)過(guò)程中可以對(duì)地下導(dǎo)線邊做有效的檢核，可作為隧道定向測(cè)量的重要輔助手段。