姜金

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁 辽阳 111000）

独立坐标系统在城市地铁隧道施工放样中的应用

姜金

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁 辽阳 111000）

利用卫星定位及无约束平差技术建立贵阳市轨道交通2号线二期工程建立独立坐标系统，根据独立坐标系统构建独立平面、高程、联系测量控制网。在WGS-84坐标系中利用POWERADJ4.0软件的平差程序和NASEW软件进行平面控制网、高程控制网、联系测量控制网进行二维约束与二维无约束平差计算，平差后的坐标与一期工程控制网基准数据重合率高；该成果具有精度高、可靠性强，计算简便、节省了时间，使得工作效率得到提高。

坐标系统；联系测量；平差；精度分析

1 概述

地铁隧道独立控制网布设的目的是控制开挖工作面施工的三维位置 （平面位置和高程），用以确保两相向开挖工作面的正确贯通，控制网的测量精度主要取决于隧道贯通精度、隧道长度与形状、开挖面的数量以及施工方法等因素。由于地铁线路测量的特点是跨度较长，如采用施工控制网往往由于离中央子午线较远或海拔较高没有投影到施工平均高程面上，造成施工已知点坐标不够精确，如果采用这些已知点去约束平差计算控制网，会造成GPS控制网的形状产生不同程度的扭曲和变形，满足不了长大隧道工程控制网的高精度要求。坐标系统选择的适当与否关系到整个工程的质量问题，独立控制网的建立节省了时间，使得工作效率得到提高，可对地铁隧道不同的开挖面间进行贯通误差的预计，确保隧道贯通精度满足规范要求。本文通过对贵阳市轨道交通2号线GPS数据采集、三维模型建立、数据处理、成果输出等几个方面分析，对隧道GPS施工控制网的建立和数据处理有了一个全面的了解，利用建立独立控制网来满足高精度施工放样的需要，平面控制网建网的精度等级为GPS D级网。

贵阳市轨道交通2号线包括：北京路站 （长289m）、北京路站～延安路站区间暗挖隧道长634m、延安路站 （1号线车站长180m、2号线车站长181m）、延安路站～中山路站区间暗挖隧道长1178m。为了满足施工要求，贵阳市轨道交通2号线二期工程建立独立控制网。

2 地铁隧道独立坐标系统的设计

独立施工控制网分为平面施工控制网和高程控制网，平面控制网由平面首级GPS控制网构成，高程控制网由二等水准结点网构成。

2.1 平面施工控制网设计

本次平面控制网复测采用GPS观测，与原测控制网相同，本次GPS复测控制网根据已有平面控制点的情况，沿线路呈带状布设，全网采用边连接形式构网，由多个重叠大地四边形组成。GPS控制网复测由非同步独立观测边构成闭合环或附合路线，每个闭合环或附合线路中的边数不大于6条。贵阳市轨道交通2号线二期工程新布设工程线路控制点4点，联测轻轨基准控制点（B级GPS点）9点，共66点。采用独立坐标系来布设施工控制网能在施工过程中减少工作量，便于施工测量放样。新埋设的控制点，如果点位标石位于房顶上，则先将屋顶打毛，用聚氨脂和环氧树脂的混合物将标石粘在打毛的屋顶上，最后用混凝土浇筑。

2.2 高程控制网设计

高程控制网由布设二等水准路线组成，所布设水准点主要分布在拟建轨道交通2号线二期车站、隧道口、车辆段附近，或是线路沿线附近的机关、学校、厂矿、公园处，以保证点位地基的坚实稳定，并利于标石的长期保存和使用。共布设二等水准点55点，组成轨道交通2号线二期工程高程控制网，水准路线长184.795km。水准点的选埋一部分按水准墙标埋设，在永久性加固堡坎或建筑物的水平方向上凿一深约20cm的孔，再用水泥砂浆将预制件铸铁水准标志埋设在加固堡坎或建筑物上。独立施工控制网坐标系统如图2所示，XOY为大地坐标系，AO′B为建筑施工坐标系。选定独立建筑坐标系可以使主要建筑物的轴线与坐标轴向平行 （或垂直），使得在施工测量放样工作中计算变得简便。

图2 独立坐标系统

图3 一井定向联系测量示意图

将勘测坐标换算成建筑坐标公式为：

式中，X0、Y0为建筑坐标系原点O′在大地坐标系中的坐标，α为建筑坐标系A轴的大地坐标方位角。

在大地坐标与建筑坐标转换的过程中，可以使得标段起点即XW136+167中心轴线点的建筑坐标为 （0，136167）沿着地铁线路前进方向线路里程即为轴线点B坐标，地铁隧道外部各轴线点偏离中心轴线点距离即为A坐标 （左+右），在施工放样过程中计算工作简便，使得工作效率得到提高。由于线路有折线部分，为了施工计算过程的方便，需要在折线段前后部分均建立一个独立坐标系统，两段线路相对独立。在工程施工过程中，位于工区边缘的工程点位，如若需要根据场区外的勘测控制网点进行放样时也可将建筑坐标换算成勘测坐标：

式中，X0、Y0为建筑坐标系原点O′在大地坐标系中的坐标，α为建筑坐标系A轴的大地坐标方位角。

2.3 联系控制网设计

贵阳市轨道交通2号线盾构机始发定向采用一井联系三角形方法进行联系测量。在基坑中，将已布设的地下导线与竖井中的钢丝联测，即可将地面独立坐标系中的坐标与方向传递到地下去，经计算求得地下导线各点的坐标与导线边的方位角。一井定向联系测量方法如图3所示，A为地面控制点，与其他地面控制点通视 （T方向），实际工作中至少有两个控制点通视。A′为地下洞内定向点 （地下导线点），与另外一地下导线点T′通视；O1、O2为悬挂在井口支架上的两根钢丝，钢丝下端挂重锤，并将重锤置于机油桶内，使之稳定。三角形测量近井点的坐标测量，利用地表导线控制网的GPS点测量近井点的坐标，近井点设置为强制归心标形式以减少对点误差，按精密导线同等精度测量近井点坐标，角度观测六测回，左、右角各三测回，左、右角平均值与360°的较差≤±4″，边长往返各六测回，用严密平差进行数据处理，点位中误差≤±10mm。

2.4 观测和数据处理

根据在实地GPS所测基线长度以及方位，以YM2为坐标起算原点；线路前进方向即YM2到YM22方向为X轴的正方向，顺时针旋转90°为Y轴，建立地铁隧道独立控制网。首先对外业观测成果以独立基线向量组成的闭合环在WGS84坐标系下进行三维无约束平差计算或最小约束平差计算，获得基线平差值求取YN2至YM22基线向量的平差基线长度，得到WGS三维自由网坐标。根据三维自由网平差结果可以查看独立控制网的内符合精度和粗差。为了提高全网精度，洞外平面控制网检测使用的仪器为瑞士徕卡ATX1250GPS一体机四台套，在整体隧道独立控制网平差后，控制点的最大中误差1.7mm （为YM17点），点的平均中误差为1mm，最弱边的相对精度为1/392157（为YN13～YM14边），基线边方位角中误差最大为±0.51mm，为YM15～YM16方向。采用徕卡TCRA1201全站仪对隧道进口和出口子控制网的平面点进行检核，以检核控制网的可靠性。在隧道进口和出口各选择了一个三角形 （△YM1-△YM3-△YM4和△YM19-△YN21-△YM24）进行了角度和距离检核，并进行了比较和分析。角度观测6个测回数，距离往返观测各6个测回数，以正镜和倒镜观测一次为一个测回。观测距离投影到施工独立控制网的投影面上进行距离归化改正。比较结果如表1、表2所示。

表1 全站仪与GPS角度比较表

表2 全站仪与GPS边长比较表

使用全站仪实测角值与GPS成果计算值比较：最大较差2.90″，最小较差0.65″，较差算术平均值0.24″。全站仪实测角度平差值与GPS成果计算进行比较：最大较差2.53″，最小较差0.55″。实测边长与GPS成果计算进行比较：最大较差2.4mm，最小较差0.2mm，较差算术平均值0.8mm。对比结果表明GPS平面控制测量精度满足施工要求。

由于采用自由网平差是在WGS84坐标系下进行的，WGS84坐标系采用的椭球为WGS84椭球参数，而不是我们独立坐标系下的参考椭球，必须将WGS84下的椭球转换到地方椭球面上，而我们所采用的地方椭球必须施工测区的高程面相一致，测区投影面采用地铁隧道洞内平均高程面作为投影面，其投影面大地高程为H=1174.44m，采用1954北京椭球进行转换，将高斯投影的中央子午线选择在隧道中央，这样避免测区基线边变形较大，保证独立控制网高斯投影边长与实测边长一致。根据建立的独立控制网起算点YM2为原点，按照基线YM2～YM22作为起始方位，采用徕卡GPS后处理POWERADJ4.0软件LGO坐标转换功能进行二维约束平差转换，得到每一个子控制网的二维平差坐标。

2.4 独立坐标系平差

在约束平差前，以2个平面控制点D1083和XG131在贵阳市轨道交通工程独立坐标系的坐标作为起算数据，进行二维约束平差，得到其他6个GPS控制点在贵阳市轨道交通工程独立坐标系的计算坐标，与理论坐标进行比较，详见表3所示。

表3 轨道交通2号线一期工程控制网重合点坐标比较表

续表

从表3可见，7个平面控制点的原测坐标与复测坐标之差均能满足12mm的要求，说明本次GPS独立控制网数据具有较强的可靠性,可作为工程施工控制点。

2.5 高程控制网的平差

高程控制网采用WILD N3光学水准仪 （配基辅分划的线条式因瓦水准尺）进行测量，二等水准测量外业数据经水准标尺尺长改正、正常水准面不平行改正后，计算水准测量偶然中误差，每公里水准测量偶然中误差最大为0.704mm，限差为±1mm。将各项改正后各测段距离和改正后高差输入计算机中，采用NASEW软件进行严密平差。平差在1956年黄海高程系统下进行，平差后水准网中最弱点高程中误差为5.4mm，限差±20mm。

3 结论

利用GPS卫星定位、光学水准技术、独立坐标系建立贵阳市轨道交通2号线二期工程独立平面、高程施工、联系测量控制网，独立坐标系的坐标轴与井下地铁通道轴线方向相一致，将地面建立的独立坐标系统传递至井下，进而以同一坐标系统控制隧道盾构掘进施工。该独立坐标系统在施工放样过程中计算简便、节省时间，使得工作效率得到提高。独立施工控制网观测数据具有很好的内符合精度，其可靠性强，与轨道交通2号线一期工程控制网重合率较高；对GPS平面控制网数据采用POWERADJ4.0的平差程序进行二维约束平差和二维无约束平差，对高程控制网采用NASEW软件进行平差，平差后的坐标具有精度高、可靠性强的特点。

［1］徐顺明.广州轨道交通盾构隧道施工控制测量的研究 ［D］.武汉：武汉大学，2012.

［2］郭沈凡.盾构隧道精密定位导向技术的研究 ［D］.南京：河海大学，2005.

［3］牛学军.城市地铁盾构施工测量若干问题的探讨 ［D］.武汉：武汉大学，2005.

［4］孙青平.城市轨道交通GPS控制网布设应用研究 ［D］.广州：华南理工大学，2009.

［5］邱冬炜.穿越工程影响下既有地铁隧道变形监测与分析［D］.北京：北京交通大学，2012.

［6］马建良.GPS技术在地铁控制网测量中的应用研究 ［D］.北京：中国地质大学，2013.

Application of Independent Coordinate System in the Subway Tunnel Construction Layout

JIANG Jin

It is to establish the independent coordinate system of section project of Guiyang rail transit ine two by using satellite positioning and non-constraint adjustment technique.According to the independent coordinate system,an independent plane,elevation,contact measurement control network are estabished.And then it is calculated two dimensional constraints and two dimensional unconstrained adjustments hrough POWERADJ4.0 software adjustment program and NASEW software for plane control network,elevation control network and contact measurement control network in WGS-84 coordinate system.It coordinates after adjustment and reference data of first phase engineering control network with high coincidence ate.The result has high precision,high reliability,simple calculation and saving time,which improves work efficiency a lot.

coordinate system,contact measurement,adjustment,accuracy analysis

U455

B

1008-3812（2017）02-017-04

2017-03-09

姜金 （1985— ），男，山东五莲县人，助理工程师。研究方向：工业与民用建筑技术。