王超

摘要：本文介绍了将地面平面及高程控制网传递到地下隧洞的竖井联系测量的方法及数据处理等内容。并对小孔径竖井及较大高差的联系测量的相关问题进行了探讨。

Abstract： This paper introduces the method and data processing of shaft connection measurement for transferring ground plane and elevation control network to underground tunnels. The related problems of connection measurement of small-aperture shaft and large height difference are discussed.

关键词：联系测量;一井定向;陀螺仪

Key words： connection measurement;one-well orientation;gyroscope

中图分类号：U452.13                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）36-0183-03

0  引言

目前在地下隧道工程中，TBM盾构施工方法已在各行业中普遍使用。地下工程贯通测量在一般情况下严格按照规范要求，可以满足相关规范的误差要求。但在现场条件特殊的情况下，如贯通距离比较长、风井口径小、竖井下挖较深等，就需要制定特殊的测量技术方案。影响隧道贯通的因素主要有地面控制测量、联系测量及地下控制测量等。由于地面控制测量观测条件好、可采用的提高精度的测量方法很多，而限制贯通测量精度的主要环节是后两项。本文着重对此进行探讨。

1  概况

珠江三角洲水资源配置工程是由输水干线、深圳分干线、东莞分干线和南沙支线组成，输水线路总长度113.2km。土建施工A4标起点为LG05#工作井经LG06#、LG07#至LG08#工作井，长约7.54km共三个区间。最长区间为LG06#-LG05#段3.63km，深度60m以上。圆形工作井井外径为35.9m，内径为30.5m。

2  地面控制测量

2.1 平面控制网

根据设计单位控制网交桩所提供的首级控制点成果，考虑施工场地范围内建筑物的特点及现场施测条件，布置加密控制点，以达到施工测量的要求。加密控制网可采用GPS网或精密导线网测设。

2.2 高程控制网

高程控制网水准路线沿工程线路布设，采用附合线路施测。每400m布设一个固定水准点。水准点选在远离施工场地变形区域外且较稳固的地方，并设置明显标识，防止毁坏。水准测量按照相关规范要求进行施测。

3  联系测量

将地面平面坐标系统和高程系统通过相关技术传递到地下控制点的测量，称为联系测量。联系测量内容包括：地面近井点平面坐标测量和近井点高程测量;通过竖井、斜井等进行平面坐标系传递及高程传递;地下近井点平面控制测量、初始方位角定向和地下近井高程测量等。

3.1 联系测量控制难点

①圆形工作井外径为35.9m、内径为30.5m，作业范围非常小;地下导线起始边长度不到30m左右，经计算贯通误差无法满足规范要求。

②工作井垂直高差超过60m，从地面向地下投点时，垂直度要求高，为减少投点中误差;高程传递时，要求钢尺变形非常小。

3.2 平面联系测量

3.2.1 近井点引测

一般先在竖井口附近设置近井点，以现有控制网点为起算依据，采用附合导线测量的方法对近井点的平面坐标进行观测。近井点的点位中误差应在±1cm以内。近井点位置一般处在施工影响区域，每次进行联系测量时必须重新观测近井点成果。

3.2.2 联系测量方法一（一井定向）

一般利用近井点，根据施工现场条件进行一井定向（联系三角形）或两井定向进行地下投点。因施工现场不具备两井定向的条件，只能采用一井定向的方法。

一井定向是以联系三角形几何定向法来完成，由地面近井点测量两根钢丝的距离和角度，计算钢丝的坐标以及方位角。通过垂直钢丝可将坐标及方位角传递到地下。在地下利用经计算的钢丝坐标和方位角，通过地下观测数据计算得出地下导线边的坐标和起始方位角。此方法平面坐标传递会有一定的的误差，造成地下各导线点产生同一数值的偏移，对隧道贯通误差的影响是一个常数。起始边定向的误差值，虽然也是一个定值，但会随着导线长度的延伸，造成隧道横向贯通误差成比例增大[1]。

在整个联系测量过程中，坐标传递进行三次，传递的地下定向边2条以上。现场观测条件允许的情况下，应悬挂三根钢丝并组成双联系三角形。单次联系三角形定向须独立观测三次，经计算合格的三次结果取平均值作为坐标传递的最终成果。

①外业观测。在竖井内选取有利位置悬挂2根直径0.5mm的高强度钢丝，钢丝下端各悬挂10kg的重锤，下端置于油桶中增大钢丝摆动阻力，如图1所示。

采用全站仪+钢丝上粘贴Leica反射片，进行联系三角形测量，用全圆测回法观测4测回。边长较差在地上应小于0.5mm，在地下应小于1.0mm。地上观测与地下观测同一边的数据較差应小于2mm。

具体如图2所示，C点与D点分别为地面上连接点和近井点。A、B表示条竖直两钢丝线，C′点和D′为地下连接点和近井点。在地上、地下分别架设全站仪于C点和C′点，分别观测φ、ψ、γ和φ′、ψ′、γ′角、三条边a、b、c和地上连接边CD，以及地下的三条边a′、b′、c′和地下连接边C′D′。在地上、地下组成两个以AB为公共边的三角形△ABC及△ABC′。已知D点的平面坐标和DE的方位角，测量地上三角形各边a、b、c的边长和γ角及地下三角形a′、b′、c′和γ′角，可计算得出地下导线点D′点的坐标和D′F′边的起始方位角。

②内业计算。

在△CBA和△ABC′两个三角形中，c和c′边长可采用全站仪+反射片直接测量得出，也可根据公式计算如下：

c2算=a2+b2-2ab·cosγ c′2算=a′2+b′2-2a′b′·cosγ′        （1）

因此，观测值有一差值

？驻c=c测-c算？驻c′=c′测-c′算 （2）

地上差值？驻c不应超过±2mm;地下差值？驻c′不应大于±4mm。

用计算α、β和α′、β′公式如下：

sinα=a·sinγ/c

sinβ=b·sinγ/c

sinα′=a′·sinγ′/c

sinβ′=b′·sinγ′/c（3）

当α<2°及β<178°时，上式可简化为：

α=a·γ/cβ=b·γ/c（4）

式中γ—地面观测值，以秒计。

计算得出α、β之后，按锐角线路计算地下导线点的坐标和起始方位角。

③一井定向的误差。

一井定向误差包括：地面的观测误差m上，地下的观测误差m下，投向误差θ。设φ、α和β′、φ′的中误差分别为mφ、mα、mβ′、mφ′，则地下一次独立定向的定向边C′D′方位角的中误差计算公式为

M2（C′D′）=m2（CD）+m2φ+m2α+m2β′+m2φ′+θ2 （5）

在式（5）中，起始方位角的中误差m （CD）与测角的观测误差mφ、mφ′，其观测精度可通过相应措施减少误差。

根据以上公式，可得出：

1）CD和C′D′长度应大于20m;

2）联系三角形的最有利形状为延伸三角形，C和C′点尽可能地选在两钢丝连线的延长线上，γ′、α和γ′、β′不应大于2°。

3）mγ的大小和a/c，b/c的比值决定了α、β、α′、β′角的误差。C点尽量靠近钢丝线，可以减小a、b长度，提高γ角的观测精度。

要提高联系测量定向精度，一方面联系三角形采用最有利形状，另一方面根据隧道风流方向合理布设垂线位置，以减弱风流对悬吊钢丝的影响，减小联系测量投向误差[3]。

④加测陀螺方位角。

由于竖井孔径较小，联系测量定向边长较短，且竖井深度大于60m，钢丝投向误差大，对洞内导线精度有较大影响。洞内导线由于受诸多条件的限制其图形结构强度不高，随着隧道掘进的距离加大，导线延伸越长，其点位的精度越差。由于洞内的导线观测条件较差，部分测段可能受到旁向折光等因素的影响，横向贯通精度很难保证符合规范要求。必须使用陀螺经纬仪加测陀螺方位角，以提高地下导线精度，确保隧道准确贯通[4]。

根据相关文献，当导线边数少于10条时加测一个陀螺方位角，导线边数大于10条时，加测2-3个陀螺方位角可大幅提高贯通精度[5]。

本项目采用HGG05型陀螺仪对于LG08#-LG07#段及LG07#-LG06#段隧洞选择在导线全长三分之二处加测陀螺方位角，LG06#-LG05#段在中间长度位置及距出口200m两处加测陀螺方位角保证隧道顺利贯通。

3.2.3 联系测量方法二（联合定向）

联合定向法是采用高精度垂准仪，将地上平面坐标精确投入地下，再采用陀螺经纬仪在确定地下定向边起始方位角。

首先在竖井口选定合适点位，将垂准仪置于该处，仪器整平，瞄准井底的觇标。移动觇标中心对准视准轴，分四个角度向下均匀投点，取4个投点的中心做为1个测回的投点位置。每次投点观测4个测回，并取4测回的4点位所构成图形的中心为最终投点位置。在地上使用全站仪采用附和导线测出点位坐标，作为平面观测的成果。

将陀螺仪置于地面控制点，对中、整平，根据简易指北设备将陀螺仪的大致指向北方，进行近北观测，再进行精确指北观测，以确定陀螺子午线方向角。地面观测结束后，将陀螺仪置于地下起边再次进行精确指北观测，用地面观测的陀螺子午线方向角确定地下待定边的方位角。为保证陀螺仪指北精度，地下观测完成后，应再次进行地上观测，两次陀螺子午线方向角较差符合要求时取平均值作为地下定向计算依据。

垂准仪投點误差，作为一个误差常量，对贯通误差横向影响是一个定值;而陀螺定向边之前各导线边方位角误差不会累计。陀螺仪的定向精度决定了垂准仪与陀螺仪联合定向精度。所以采用高精度的陀螺经纬仪定向可大幅度减小贯通误差。垂准仪与陀螺仪联合定向采用双投点定向的方法，使用中误差为5″的陀螺仪经纬仪，一次性定向精度度可达5″以下。高精度陀螺经纬仪为全自动定向，在定向操作简单、定向速度快、定向精度高，相比传统测量手段具有非常明显的优势。

3.3 高程联系测量

3.3.1 近井点引测

利用首级高程控制网成果，将水准高程引测到近井点上。近井点水准测量布设成附合环线，往返较差、附合环线闭合差应符合规范要求。

3.3.2 高程控制网联系测量

由于本隧道开挖深度较深，高程联系测量采用悬挂钢尺法进行（详见示意图3）。将100m长Ⅰ级钢尺固定在钢架上，置零端向下，下端悬挂10kg重锤于油桶中。一台水准仪置在地面观测，另一台则置于地下观测。为避免悬挂钢尺向下移动，两台水准仪及钢尺读数必须同时观测。地面水准尺读数为a，地面钢尺读数为r1，地下水准尺读数为b，地下钢尺读数为r2。地下水准点高程H2计算公式：

H2=H1+a-b-（L+？驻L）（6）

L=r1-r2                   （7）

？驻L=？驻L1+？驻LV+？驻LP+？驻LC（8）

式中，H1─地面水准点高程，？驻L1─钢尺尺长改正，？驻LV─钢尺温度改正，？驻LP─钢尺拉力改正，？驻LC─钢尺自重改正。改正参数采用钢尺检定的额定参数。

钢尺温度改正公式为：

？驻L2=L×α×（t-t0）            （9）

α—钢尺膨胀系数;

t—实际温度;

t0—标准检定温度。

钢尺拉力改正公式为：

？驻LP=L×（P-P0）/E×F           （10）

P—施加垂球的重量;

P0—標准拉力;

E—钢尺的弹性模量，数值取2×106kg/cm2;

F—钢尺的横断面面积，单位为cm2。

钢尺自重改正公式为：

？驻LC=γ×L2/2E           （11）

γ——钢尺单位体积的质量，值取7.8g/cm3。

高程传递时，观测3次，分别采取不同仪器高。3次计算结果不符值不得超过±3mm，取平均值作为地下高程控制的基准。

4  地下控制测量

4.1 导线控制测量

洞内导线一般采用支导线方法进行，每掘进一段距离后增设控制点。工程直线段每掘进200m或曲线段每掘进100m时，应及时布设精密导线网，将地下控制点向前延伸。两控制点间视线距隧道壁或构筑物应大于0.2m，采用双支导线进行闭合平差，使用Ⅰ级全站仪施测。盘左盘右各观测4测回，较差应小于4″，边长往返较差应小于4mm。控制导线延伸前应对已有控制点进行复测，从稳定的控制点进行导线延伸测量。

4.2 高程控制测量

隧道高程起算点为高程联系测量至竖井结构底板的水准点，在隧道掘进至150m、300～400m、单向开挖中间长度位置以及接近贯通面150～200m时进行包括高程联系测量在内的全面复测。地下水准控制点用数字水准仪配置铟瓦尺施测，约每160m布设一个点，按照规范要求进行控制。

5  结语

竖井联系测量是地下工程贯通测量中最重要的环节，不仅要求测量精度高，且对成果的可靠性也有很高的要求。因此要选择技术先进、成熟、精确的测量方法。本文讨论的几种联系测量方法，在地下工程中应用广泛，技术成熟可靠，精度经过多个项目验证满足相关规范要求。根据施工现场的实际情况，可选择多种竖井联系测量方法进行对比。选择精度与效率最优的方式为宜。随着仪器设备和测量技术的不断发展提高，相信不久的将来便会出现更加可靠、便捷，精度更高的测量方法，让我们拭目以待。

参考文献：

[1]罗三明，万文妮，高培芝.盾构工程竖井联系测量数据处理方法研究[J].大地测量与地球动力学，2007，27（5）：123-127.

[2]段鹏，兰泽英.悬挂钢尺法在深基坑沉降观测中的应用[J] 城市勘测，2016（3）：137-139.

[3]秦长利.提高盾构施工测量精度的要点及方法[J].测绘通报，2003，12：39-41.

[4]周林根，叶捍东，姚连璧，王解先，刘春.高精度陀螺仪在长隧道贯通测量中的应用[J].工程勘察，2011（7）：81-85.

[5]韩群柱，屈漫丽.地下工程直伸支导线陀螺定向精度分析研究[J].西安工业大学学报，2006（03）：75-78.