張利勇

(呼和浩特市城市軌道交通建設(shè)管理有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

近年來，我國城市軌道交通建設(shè)迅猛發(fā)展，未來一段時(shí)間內(nèi)，城市軌道交通仍將進(jìn)行大規(guī)模的建設(shè)和規(guī)劃[1]。隨著地鐵設(shè)計(jì)時(shí)速的提高，人們對(duì)乘坐舒適性、運(yùn)營維護(hù)高效性的要求日益提高，掌握地鐵線路運(yùn)行狀態(tài)和持久保持軌道結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)定性、平順性，確保地鐵列車安全、平穩(wěn)運(yùn)行，已成為地鐵建設(shè)和運(yùn)營管理的一個(gè)十分重要的研究課題，建立地鐵軌道精密工程控制網(wǎng)是解決這一問題的有力探索。CPⅢ技術(shù)是我國高鐵的成熟技術(shù)，是線上精密軌道施工、精密維修養(yǎng)護(hù)和監(jiān)測(cè)、檢測(cè)的基準(zhǔn)和重要科學(xué)依據(jù)。將CPⅢ技術(shù)引入城市軌道交通建設(shè)和運(yùn)營管理中，經(jīng)歷了軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)和自由設(shè)站控制網(wǎng)2個(gè)過程。目前自由設(shè)站控制網(wǎng)普遍是在隧道貫通后進(jìn)行建網(wǎng)，主要應(yīng)用于軌道施工、軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)、運(yùn)營維護(hù)測(cè)量，未能充分發(fā)揮自由設(shè)站控制網(wǎng)的作用，涵蓋軌道交通施工、運(yùn)營全過程。將自由設(shè)站控制網(wǎng)應(yīng)用在軌道交通施工、運(yùn)營全過程的工程極少，未見有相關(guān)報(bào)道。通過呼和浩特市城市軌道交通工程1號(hào)線項(xiàng)目，介紹自由設(shè)站控制網(wǎng)在軌道交通土建施工期間的合理應(yīng)用，驗(yàn)證自由設(shè)站控制網(wǎng)在軌道交通全過程應(yīng)用的可行性。

1 工程概況

呼和浩特市城市軌道交通1號(hào)線一期工程線路呈東西向布置，正線全長21.9 km(不含出入線長度)，全線共設(shè)20座車站，地下站16座，高架站3座，地面站1座，平均站間距1.19 km。所有地下車站在施工過程中，聯(lián)系測(cè)量均采用兩井定向的方法將平面坐標(biāo)和高程傳遞到車站底板控制點(diǎn)上。隧道貫通后，以車站底板上聯(lián)系測(cè)量的成果為基準(zhǔn)點(diǎn)，進(jìn)行了隧道控制點(diǎn)恢復(fù)測(cè)量，在此基礎(chǔ)上建立CPⅢ控制網(wǎng)，為后期鋪軌工程及運(yùn)營維護(hù)提供測(cè)量基準(zhǔn)[2]。其CPⅢ建網(wǎng)模式為地面控制網(wǎng)(線路網(wǎng))—地下控制網(wǎng)(聯(lián)系測(cè)量、地下導(dǎo)線網(wǎng))—自由設(shè)站控制網(wǎng)的方式，控制網(wǎng)采用分級(jí)布設(shè)，其中自由設(shè)站控制網(wǎng)處于第三級(jí)，其測(cè)量精度會(huì)有所下降，同時(shí)由于分級(jí)過程比較多，所有測(cè)量過程中平面坐標(biāo)和高程都是分開進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量工作量比較大，導(dǎo)致測(cè)量效率偏低。以呼和浩特市城市軌道交通1號(hào)線一期工程內(nèi)蒙古展覽館站—內(nèi)蒙古博物院站—市政府站左線3站2區(qū)間為例，介紹該區(qū)段采用自由設(shè)站控制網(wǎng)替代地下控制網(wǎng)(聯(lián)系測(cè)量、地下導(dǎo)線網(wǎng))，直接在地面控制網(wǎng)(線路網(wǎng))的基礎(chǔ)上建立隧道里的自由設(shè)站控制網(wǎng)，在確保測(cè)量精度的前提下，提高了測(cè)量工作效率，實(shí)現(xiàn)了一網(wǎng)多用。

2 自由設(shè)站控制網(wǎng)的應(yīng)用

2.1 自由設(shè)站控制網(wǎng)技術(shù)要求

自由設(shè)站控制網(wǎng)以“自由測(cè)站、后方交會(huì)”的方式進(jìn)行聯(lián)測(cè)，每一測(cè)站間距視通視情況而定，一般不超過120 m，使用的儀器為徠卡TS15A1〃R400全站儀，可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，儀器精度滿足規(guī)范要求，具體布點(diǎn)及觀測(cè)要求如下：

圖1 自由設(shè)站控制網(wǎng)平面圖

(1)控制點(diǎn)測(cè)量組件采用精加工元器件(采用數(shù)控機(jī)床)，由不銹鋼材料制作。軌道基礎(chǔ)控制點(diǎn)標(biāo)志重復(fù)安裝誤差和互換安裝誤差X、Y、Z3方向分別小于0.4 mm、0.4 mm、0.2 mm，控制點(diǎn)組件、埋設(shè)均符合規(guī)范要求。

(2)自由設(shè)站控制網(wǎng)平面采用自由測(cè)站邊角交會(huì)的方法測(cè)量，一般情況下，每個(gè)CPⅢ控制點(diǎn)有3個(gè)方向交會(huì)，自由測(cè)站到CPⅢ點(diǎn)的最遠(yuǎn)觀測(cè)距離不大于120 m，每個(gè)自由測(cè)站觀測(cè)4對(duì)控制點(diǎn)，測(cè)站間重復(fù)觀測(cè)3對(duì)控制點(diǎn)，如圖1所示。

(3)平面測(cè)量水平方向采用邊角交會(huì)觀測(cè)法進(jìn)行觀測(cè)，距離觀測(cè)采用多測(cè)回距離觀測(cè)法，均按照文獻(xiàn)[3]相關(guān)要求執(zhí)行。

(4)CPⅢ平面網(wǎng)按照3站2區(qū)間作為1個(gè)區(qū)段，分段測(cè)量的區(qū)段長度大于2 km，每隔1 000 m左右聯(lián)測(cè)1個(gè)既有的高等級(jí)線路控制點(diǎn)。實(shí)際測(cè)量過程中以車站里采用自由設(shè)站方式傳遞到車站底板的控制點(diǎn)作為既有線路控制點(diǎn)。

(5)高程采用三角高程測(cè)量方法，自由測(cè)設(shè)站三角高程測(cè)量與平面控制測(cè)量合并進(jìn)行，主要技術(shù)要求執(zhí)行文獻(xiàn)[3]的相關(guān)要求。

2.2 自由設(shè)站控制網(wǎng)替代施工階段的聯(lián)系測(cè)量和地下導(dǎo)線控制網(wǎng)

圖2 自由設(shè)站控制網(wǎng)坐標(biāo)和高程同步傳遞(代替聯(lián)系測(cè)量)

目前城市軌道交通聯(lián)系測(cè)量和地下控制網(wǎng)普遍為平面和高程分開測(cè)量，平面聯(lián)系測(cè)量通常采用一井定向、兩井定向、導(dǎo)線直接快遞法，高程傳遞通常采用懸掛鋼尺法、電磁波測(cè)距三角高程法。地下控制網(wǎng)測(cè)量分平面控制測(cè)量和高程控制測(cè)量，常采用精密導(dǎo)線測(cè)量和幾何水準(zhǔn)測(cè)量，測(cè)量內(nèi)容多、程序復(fù)雜，未能實(shí)現(xiàn)平面、高程控制一體化，同時(shí)聯(lián)系測(cè)量和地下控制網(wǎng)分開進(jìn)行。此次試驗(yàn)的內(nèi)蒙古展覽館站—內(nèi)蒙古博物院站—市政府站左線3站2區(qū)間采用自由設(shè)站控制網(wǎng)替代施工階段的聯(lián)系測(cè)量和地下控制網(wǎng)。充分利用自由設(shè)站控制網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)：充分利用強(qiáng)制對(duì)中的優(yōu)勢(shì)，自由設(shè)站，無需對(duì)中，減少對(duì)中誤差[4]；增加邊角觀測(cè)，增強(qiáng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，增強(qiáng)網(wǎng)形強(qiáng)度，適當(dāng)提高了控制點(diǎn)的相對(duì)點(diǎn)位精度[4]，實(shí)現(xiàn)平面坐標(biāo)、高程控制一體化，減少測(cè)量工作量[5]，見圖2。

本次3站2區(qū)間內(nèi)蒙古展覽館站、內(nèi)蒙古博物院站、市政府站3個(gè)車站的聯(lián)系測(cè)量均以車站附近的線路控制點(diǎn)或者精密導(dǎo)線點(diǎn)為基準(zhǔn)，采用自由設(shè)站、后方交會(huì)測(cè)量方法將基準(zhǔn)點(diǎn)三維坐標(biāo)傳遞到各車站底板控制點(diǎn)上。當(dāng)俯仰角大于40°，且不能一站直接傳遞三維坐標(biāo)時(shí)，在車站站廳層或豎井壁上成組布設(shè)強(qiáng)制對(duì)中的三維控制點(diǎn)作為三維坐標(biāo)傳遞過渡點(diǎn)，形成任意設(shè)站控制網(wǎng)測(cè)量線路，將地面線路控制網(wǎng)的坐標(biāo)和高程傳遞到車站地下控制點(diǎn)，再將其與區(qū)間自由設(shè)站控制網(wǎng)聯(lián)測(cè)，從而達(dá)到聯(lián)系測(cè)量與區(qū)間自由設(shè)站控制網(wǎng)一次完成，省去了傳統(tǒng)的兩井定向、地下控制點(diǎn)恢復(fù)測(cè)量等測(cè)量過程。實(shí)際測(cè)量過程中，外業(yè)僅用了2 d，完成了3站2區(qū)間隧道自由設(shè)站控制網(wǎng)的建立，包括從地面到地下的坐標(biāo)、高程傳遞，地下隧道自由設(shè)站控制網(wǎng)的測(cè)量。相對(duì)于傳統(tǒng)的三級(jí)布網(wǎng)模式，大大提高了測(cè)量效率。

2.3 數(shù)據(jù)處理及精度分析

對(duì)自由設(shè)站控制網(wǎng)外業(yè)數(shù)據(jù)100%檢查無誤后，按照文獻(xiàn)[3]要求分別進(jìn)行自由平差和約束平差。內(nèi)蒙古展覽館站—內(nèi)蒙古博物院站—市政府站左線區(qū)間自由平差精度滿足規(guī)范要求。約束平差時(shí)，以各車站地面線路控制網(wǎng)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)3站2區(qū)間自由設(shè)站控制網(wǎng)進(jìn)行平差，平差精度統(tǒng)計(jì)見表1和表2。

表1 CPⅢ平面網(wǎng)約束平差精度統(tǒng)計(jì)

表2 CPⅢ高程網(wǎng)平差精度統(tǒng)計(jì)

從內(nèi)蒙古展覽館站—內(nèi)蒙古博物院站—市政府站區(qū)間左線CPⅢ平差精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：各項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，且精度比較高。其中平面點(diǎn)位中誤差和相鄰點(diǎn)間中誤差、高程中誤差、相鄰點(diǎn)高差中誤差都在±1 mm左右，部分點(diǎn)甚至更高，相對(duì)于傳統(tǒng)的導(dǎo)線測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量方法的平差精度均顯著提高。這將大大提高工程項(xiàng)目建設(shè)的各項(xiàng)精度指標(biāo)[6]，特別是對(duì)軌道的平順性，地鐵列車行駛過程中的舒適度也會(huì)得到明顯提高。

自由設(shè)站控制網(wǎng)相對(duì)于傳統(tǒng)的導(dǎo)線、水準(zhǔn)測(cè)量具有更高的精度指標(biāo)，比如：自由設(shè)站控制網(wǎng)固定約束平差后，相鄰點(diǎn)相對(duì)點(diǎn)位中誤差為±1 mm，而精密導(dǎo)線平差后相鄰點(diǎn)相對(duì)點(diǎn)位中誤差為±8 mm，能更好地控制測(cè)量成果的精度。

2.4 自由設(shè)站控制網(wǎng)的應(yīng)用延伸

相對(duì)于傳統(tǒng)的導(dǎo)線、水準(zhǔn)控制網(wǎng)，自由設(shè)站控制網(wǎng)在提高測(cè)量精度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了平面、高程一體化，同步進(jìn)行平面測(cè)量和高程測(cè)量，大大提高了測(cè)量工作效率。目前城市軌道交通中自由設(shè)站控制網(wǎng)廣泛應(yīng)用于鋪軌工程和后期運(yùn)營維護(hù)，其應(yīng)用效果已得到實(shí)踐的認(rèn)可。在建設(shè)期的車站施工、隧道施工、隧道貫通后的調(diào)線調(diào)坡等過程中的應(yīng)用仍是工程建設(shè)者不斷探索的領(lǐng)域。通過本案例的成功驗(yàn)證，自由設(shè)站控制網(wǎng)作為一種更加優(yōu)越的測(cè)量方法，完全可以在地鐵建設(shè)期的更多施工過程中加以應(yīng)用，從而提高測(cè)量效率。

(1)車站施工過程中，可以以線路控制網(wǎng)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，采用自由設(shè)站的測(cè)量方法進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的放樣，放樣過程中平面、高程測(cè)量同時(shí)進(jìn)行，放樣測(cè)量效率更高。同時(shí)當(dāng)車站基坑開挖到底部進(jìn)行底板結(jié)構(gòu)施工時(shí)，要進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量，完全可以采用自由設(shè)站的方式將地面坐標(biāo)和高程同時(shí)傳遞到車站底板控制點(diǎn)上，避免了平面坐標(biāo)和高程單獨(dú)進(jìn)行測(cè)量造成的工效浪費(fèi)，測(cè)量精度也能得到有效的保證。

(2)自由設(shè)站控制網(wǎng)用于盾構(gòu)施工，目前盾構(gòu)隧道施工測(cè)量以車站聯(lián)系測(cè)量為基準(zhǔn)，隧道平面控制測(cè)量大多采用支導(dǎo)線或者雙支導(dǎo)線測(cè)量方法，由于支導(dǎo)線的精度與其導(dǎo)線長度密切相關(guān)，支導(dǎo)線長度越長，其末端的點(diǎn)位精度就越低，高程采用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量方法，與平面坐標(biāo)測(cè)量同樣也是分開進(jìn)行的，測(cè)量效率不高。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，測(cè)量控制網(wǎng)同樣可以用自由設(shè)站控制網(wǎng)來代替支導(dǎo)線，其施工測(cè)量控制網(wǎng)如圖3所示。

圖3 自由設(shè)站控制網(wǎng)替代施工階段的地下控制網(wǎng)

盾構(gòu)施工過程中，控制網(wǎng)從隧道兩側(cè)同時(shí)向前延伸，采用自由設(shè)站控制網(wǎng)測(cè)量方法，由于其測(cè)量控制點(diǎn)重復(fù)觀測(cè)數(shù)比較多，邊角關(guān)系也更加豐富，因而能大大增強(qiáng)網(wǎng)形強(qiáng)度，同時(shí)提高控制點(diǎn)的相對(duì)點(diǎn)位精度，整個(gè)網(wǎng)形相對(duì)于支導(dǎo)線延伸更加穩(wěn)定，測(cè)量精度也會(huì)更高，還能實(shí)現(xiàn)平面、高程測(cè)量同步進(jìn)行，無需單獨(dú)進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量和水準(zhǔn)測(cè)量。

(3)自由設(shè)站控制網(wǎng)用于調(diào)線調(diào)坡的斷面測(cè)量，傳統(tǒng)的斷面測(cè)量都是在隧道貫通后，先進(jìn)行隧道控制點(diǎn)恢復(fù)測(cè)量，然后再以恢復(fù)的控制點(diǎn)為基準(zhǔn)，進(jìn)行斷面測(cè)量。如果盾構(gòu)掘進(jìn)過程中就采用自由設(shè)站控制網(wǎng)的方式進(jìn)行測(cè)量，在隧道貫通后，只需將隧道的自由設(shè)站控制網(wǎng)與貫通車站的控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，平差后的控制網(wǎng)可以直接作為斷面測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)，由于自由設(shè)站控制網(wǎng)的控制點(diǎn)更加密集，對(duì)于斷面測(cè)量來說就更加方便。同時(shí)也可以作為后期鋪軌工程的CPⅢ網(wǎng)，做到一網(wǎng)多用，完全省去了隧道貫通后的控制點(diǎn)恢復(fù)測(cè)量，提高了測(cè)量效率。

由此可見，自由設(shè)站控制網(wǎng)除了目前被廣泛應(yīng)用于鋪軌工程、運(yùn)營維護(hù)過程外，建設(shè)期的車站施工、隧道施工、貫通后的斷面測(cè)量等施工過程中同樣可以加以應(yīng)用。施工測(cè)量過程中充分利用好自由設(shè)站控制網(wǎng)測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)平面網(wǎng)和高程網(wǎng)測(cè)量同步進(jìn)行，在整個(gè)工程建設(shè)期和運(yùn)營維護(hù)過程中能大大減少測(cè)量工作量，提高測(cè)量效率。同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)自由設(shè)站控制網(wǎng)覆蓋施工、運(yùn)營全過程，做到一網(wǎng)多用，創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語

(1)自由設(shè)站控制網(wǎng)在測(cè)量過程中儀器自由設(shè)站，消除了儀器設(shè)站對(duì)中誤差；同時(shí)采用的后方交會(huì)方式觀測(cè)，增加多余觀測(cè)值，增強(qiáng)控制網(wǎng)網(wǎng)形強(qiáng)度，成果精度更加可靠；相鄰點(diǎn)間相對(duì)精度更高，能有效提高線路的平順性。

(2)自由設(shè)站控制網(wǎng)可將平面、高程控制測(cè)量一體化，大大提高了測(cè)量效率，同時(shí)也減少了人員及儀器設(shè)備的投入，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)自由設(shè)站控制網(wǎng)可以貫穿于整個(gè)施工建設(shè)和運(yùn)營全過程，點(diǎn)位穩(wěn)固性好，可長期穩(wěn)定保存，使測(cè)量工序得到了優(yōu)化、精度得到了提高，測(cè)量效率更高，起到一網(wǎng)多用的作用，必將在地鐵測(cè)量中開創(chuàng)新的篇章。