竖井联系测量方法比较探讨

地下隧道竖井联系测量方法比较探讨随着城市发展的需要，国内很多城市都陆续开展了轨道交通工程的建设，以保证城市交通的顺畅，确保人民群众出行的便利。

我市从上世纪八十年代末就开始首条轨道交通线的建设，目前已运营的轨道交通线达到4条。

06年12月19日，随着3号线北延伸段的正式通车试运营，我市轨道交通的运营里程达到了139公里，超越香港和北京成为全国第一。

为有效利用城市空间，我市轨道交通工程主要采用地下隧道的形式进行。

在进行地下隧道的施工建设时，主要是通过竖井（车站端头井或中间工作风井）提供工作面进行施工，因此如何保证地下车站以及区间隧道严格按设计施工就成为建设者们的首要问题。

竖井联系测量（平面）的目的就是将地面控制网的坐标和方位按要求精度准确地传递给地下隧道施工控制导线（或施工导线），为施工提供控制依据。

笔者根据近期参加轨道交通11号线第三方测量的工作经验，将地下隧道竖井联系测量的常用几种方法进行分析比较，提出一种适合我市情况的联系测量方法，为今后的地下隧道施工建设提供一些参考经验。

目前国内绝大多数城市在轨道交通建设中，竖井联系测量基本上采用以下四种方法进行：陀螺定向法、钻孔投点法、联系三角形法和导线定向法。

以下就这几种方法分别作个分析比较。

1 测量原理
1.1 陀螺定向法
陀螺定向法是综合利用全站仪、光学垂准仪（或重锤球）以及陀螺经纬仪等仪器进行导线联系测量的一种方法。

首先利用光学垂准仪（或重锤球）将地面车站端头井的点位沿同一铅锤线方向投影到端头井的井底，同时利用全站仪测量井上、井下各导线点的角度与距离、利用陀螺经纬仪测量井上、井下的相关导线边的陀螺方位角，从而求算出井上、井下投影点在空间的平面夹角，最终把地面趋近导线的平面坐标和方位传递到地下隧道施工控制导线上。

如下图1所示，K0、K1为地面趋近导线点，其中K0为近井点；T1、T2为地面车站端头井投影点；T1´、T2´分别为T1、T2投影到车站端头井底部的投影
点；X1、X2、X3……Xn为地下隧道施工控制导线点；a1、a2、a5、a6、a7和d1、d2、d3、d4、d5、d6分别为全站仪实测的角度和距离。

Xn
X2
图1：陀螺定向法竖井联系测量导线联测示意图
实际测量时，利用陀螺经纬仪测量地面趋近导线边K0K1和地下隧道施工控制导线边X2X3的陀螺方位角，求出陀螺经纬仪的定向常数，结合全站仪实测数据求出a3、a4的角度值，最终按导线平差的原理求出地下隧道施工控制导线点X1、X2、X3的坐标和方位角，作为区间隧道施工控制导线的起算数据。

1.2 钻孔投点法
钻孔投点法实际上是根据长边投影时投影点的点位投影误差对投影边的坐标方位角影响将大大削弱的原理进行导线联系测量的一种方法。

其基本思想是在隧道前进（或后退）的方向上已开挖的地方离开车站端头井一定的距离（一般应大于150m），从地面钻孔直达地下隧道中，然后利用光学垂准仪（或重锤球）分别通过车站端头井和钻孔将地面点位沿同一铅锤线方向投影到地下，最终把地面趋近导线的平面坐标和方位传递到地下隧道施工控制导线上。

如下图2所示，K0、K1为地面趋近导线点；T1、T2分别为地面车站端头井和钻孔井上的投影点；T1´、T2´分别为T1、T2投影到车站端头井和区间隧道底部的投影点，T1´、T2´同时又为地下隧道施工控制导线的起算点；X1、……Xn为地下隧道施工控制导线点；a1、a2、a3、a4和d1、d2、d3分别为全站仪实测的角度和距离。

由图2可以看出，地面T1、T2与地下T1´、T2´在平面位置上实际上为同一点位，因此T1、T2的坐标就是T1´、T2´的坐标。

K0T1
图2：钻孔投点法竖井联系测量导线联测示意图
端头井
1.3 联系三角形法
联系三角形法是以前国内地下隧道竖井联系测量中最常用的方法。

其基本原理是通过联系三角形的测量，将地面趋近导线的平面坐标和方位传递到地下隧道施工控制导线上。

B'
B
a
a'K0K1
W
b
d r o c 1W'r'c'
b'a'o 2X1X2
Xn
图3：联系三角形法竖井联系测量导线联测示意图
上图3为联系三角形法测量原理的示意，其中K0、K1两点为地面趋近导线点，X1、X2……Xn 为地下隧道施工控制导线点。

因此法是传统方法，具体测量及解算过程本文就不再累述。

1.4 导线定向法
导线定向法是利用导线传递测量的原理进行地下隧道竖井联系测量中的方法。

在车站端头井的导线点布设有其本身的缺陷：一是边长短、二是俯仰角大，但随着高精度测距测角全站仪的普及应用，使得以上缺陷所造成的精度损失得到有效控制，从而最终确保地下施工控制导线的精度指标。

下图4为导线定向法竖井联系测量的示意图。

K0
K1
X1X2Xn
图4：导线定向法竖井联系测量导线联测示意图T1
T2
2 各种方法优缺比较
2.1 陀螺定向法
陀螺定向法的主要优点是占用车站端头井的时间短、观测作业简单，对施工单位的施工作业影响相对较小；不足之处是陀螺经纬仪的价格昂贵，拥有陀螺经纬仪的单位较少,难以推广应用，同时其单次定位精度低，一般的仪器为20″。

2.2 钻孔投点法
钻孔投点法是一种适合于浅埋(埋深小于30m)工程的竖井联系测量方法，具有作业时间短、测量精度高、简单直观、容易操作的特点。

当具有钻孔条件时,地铁竖井可以优先考虑采用此法进行联系测量。

不足之处是准备工作繁多，如确定投点位置，寻找钻孔队伍，现场钻孔等，不利于钻孔投点法的推广应用。

同时由于上海地层为第四纪沉积层，其中0~40m 深度内均为软弱地层，主
要为粘土、粉质粘土、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粉砂土等，这类土颗粒微细、固结度低，具有高溶水性、高压缩性、易塑流等特性。

因此钻孔投点时可能会危及已开挖隧道的安全。

2.3 联系三角形法
联系三角形法是一种传统的竖井联系测量方法，但存在设备笨重、工序繁多、工作时间长、劳动强度大等不足，与其他方法相比已显得比较落后。

只是在不具备其他方法作业条件的情况下，才采用此法进行竖井联系测量。

2.4 导线定向法
该法具有作业时间短、测量精度高、简单直观、容易操作的特点。

对施工单位的施工作业影响相对较小。

综合以上分析，结合上海地区的地质特点，在上海地区，导线定向法是一种最适合的竖井联系测量方法。

我们在实际合作中也正是采用的这个方法，很好地解决了联系测量工作中存在的难点，确保了联系测量的精度控制。

3 导线定向法测量时的重点
实际测量作业时，我们利用leciaTC2003仪器进行观测，该仪器的测角中误差为±0.5″，测距精度为1+1×10-6.D(mm)。

在井中适合位置安置测站，如不能一次传入隧道内，则再经临时工作通道传至隧道内。

这个方法必须解决下面两个问题：就是仪器纵轴倾斜误差影响和短边上的对中误差影响。

井上导线点与井下导线点的高差约为8 ～15 m，而其水平距离一般只有10 ～20m,即在该边上的高度角为30︒～40︒。

在如此大的高度角的情况下，进行水平角观测，仪器的纵轴必须严格垂直，否则将按∆β＝V·tg α影响水平角，式中V为仪器纵轴倾斜量，α为该边的高度角，∆β是对水平角的影响。

当高度角α=35︒时,如果照准气泡偏0.2格(4")，则对水平角影响∆β＝3"。

必须指出，这项误差是属于系统误差，不能通过盘左盘右或多个测回数来消除。

只有通过改正或观测时严格气泡居中来克服。

这种传递方法，由于高差大，对仪器结构完善要求高。

leciaTC2003仪器具有纵轴倾斜自动改正装置，经过实践证明，该全站仪的这种补偿功能的作用是有效的。

在短边上对中误差一般要求不大于0.1mm（当边长10m～20m时，则对水
平角影响为∆β＝2"~1"）。

对中误差的产生往往是由于在仪器转站时或在同一测站上，觇牌中心与仪器旋转中心、觇牌中心与自身旋转轴不一致误差，以及基座连接装置的偏心等都会对方位角的传递产生较大的误差。

这些误差大多是由于觇牌变形所致，因此，对觇牌必须事先进行检验。

4 工作体会
导线定向法是目前我市地铁隧道施工时竖井联系测量的有效方法，采用该方法不仅能够有效解决上海软地基其它方法无法实现的问题，而且作业时间短，成果精度高，能够有效保证区间隧道的正确贯通。

为有效解决仪器和目标的对中误差，有条件的工作场所测站最好埋设强制归心观测标志；确实无法埋设时，固定三脚架及其观测基座，避免对中。

为有效解决望远镜的调焦误差，在作业前一定要望远镜调焦运行的正确性，同时在短边测角时调焦一定要注意用力均匀操作。

观测方法可采用盘左、盘右对同一个目标同时测完后再观测下一个目标。

在短边方位角传递测量时，有条件的话可采用多台仪器同时作业的角导线互瞄法来克服对中误差和调焦误差的影响。

角导线互瞄法可以通过互瞄仪器望远镜的十字丝来实现。

为有效解决仪器纵轴倾斜误差的影响，应采用具有纵轴倾斜自动改正装置的全站仪进行观测。