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盾构隧道铺轨前设备安装 1 米线控制点测量方法研究

摘要:城市轨道交通盾构隧道设备安装 1 米线通常是根据已经铺设完成的轨道面为参考基准进行放线,但为了满足施工进度,设备安装施工有时可能需要先于轨道铺设开始。鉴于此,本文提出了进行平面位置投测的环缝平行偏距法和基于高精度自动跟踪测量全站仪在圆形盾构隧道中进行自由设站及免仪器高的 1 米线控制点测量方法。最后以福州市轨道交通某盾构区间为例进行实践验证,实现了高效、高精度的设备安装 1 米线控制点测量。 
0 引言
  随着全国各大、中城市路面交通越来越繁忙,城市出行迫切需要一种更好的公共交通方式,城市轨道交通因为其占用地面面积小、载客量大、快速准时等优势,迅速成为了很多经济较发达城市改善公共交通状况的重要选择。城市轨道交通建设周期长、施工工序衔接复杂,无法避免地会出现工种之间交叉施工的现象,而且机电设备安装,包括隔断门和疏散平台、行车信号和线路标志、站台屏蔽门、供电通信线缆布设等工程,涉及的专业众多,需要提供统一的控制基准方能保证各工种之间按设计施工,避免相互干扰、侵入限界。为此,测量标定统一的 1 米控制线作为各设备安装专业的施工基准,对于控制设备限界、保障施工质量及进度具有重要的作用。
  本文以福州市轨道交通某盾构区间为例,在缺乏以铺轨完成的轨道面作为参考基准的条件下,对设备安装 1 米线控制点的测量方法进行研究。
1 设备安装 1 米控制线的测量方法
  在盾构隧道中,设备安装 1 米控制线一般测设在侧壁上,首先按照 10 ~ 20m 的固定间距,在隧道侧壁上呈左右对称成对设置 1 米控制线上的各个控制点,最后以两两相邻的控制点作为基点进行弹墨线施工,重复此步骤在隧道两侧侧壁分别标定一条1 米控制线。
  1 米线控制点的测量分两步进行,第一步依据线路平面设计图,得到各个控制点对应中线处的平面坐标,将中线点平面位置横向偏移投测至侧壁上,形成一条过中线点的平面位置线; 第二步根据设计调坡调线后的铺轨综合图计算出 1 米控制线上各个控制点的设计高程,在平面位置线上进行精确测设各个控制点,如图 1 所示。
1. 1 设计高程计算
  以小里程往大里程前进方向定义 “左、右”,将计算的对应位置处轨面高程抬高 1m 即为 1 米控制线上各个控制点的设计高程 H左1m、H右1m。根据平曲线和竖曲线参数求得中线轨面高程为H0, 直线段左右等高,则有:
  若存在曲线段超高设计,隧道内超高一般采用外轨抬高超高值一半、内轨降低超高值一半的方式设置,超高值在变化段内按里程长度的比例线性递变,令超高值为 Δh超,则有:
  式中,a 为转向系数,当曲线左转时,a = 1; 曲线右转时,a = - 1。
1. 2 误差分配
  设备安装工作一般在隧道贯通后实施,1 米控制线上各个控制点是以隧道贯通后恢复测量后的地下控制点作为基准点,其测设误差也是相对于恢复测量控制点的误差。因此可认为 1 米线控制点测设高程中误差 mH 主要由平面位置测设引起的中误差mp 和高程位置测设引起的中误差 mh 两部分组成。按城市轨道交通工程测量规范规定,1 米线控制点测设高程中误差不超过±10mm。假设两项误差的影响相对独立,根据误差传播定律可得:
  考虑到后续点位标定、弹墨线等操作也会存在一定的误差,结合现有技术条件,可适当提高测量精度,为后续工序提供一定的阈量,据此将高程位置测设中误差定为±5mm。
  另,因为线路一般存在纵向坡度,平面位置测设所产生的 1 米线控制点高程误差,主要是由平面位置放样时其沿线路纵向偏差引起。
  如图 2 所示,令平面位置纵向偏差为 Δs,其引起的高程放样误差为 mph, 纵向坡度值为 i,则有:
  按照地铁设计规范,正线最大坡度宜采用30‰,困难地段或特殊地段最大可采用 40‰。根据式 ( 5) 进行估算,将平面位置纵向极限误差保证在 12cm 以内,即可将由平面位置放样偏差引起的高程放样误差控制在 5mm 以内。通常取极限误差的一半作为中误差,得到平面位置纵向位置测设中误差为±6cm。
  至此,得到 1 米线控制点测设误差分配值,作为后续各项测设作业的依据。
1. 3 平面位置线投测
  以平曲线参数计算得出的为线路中线坐标,在圆形盾构隧道中,直接测设其位置将落在圆形底部。因为成型后的隧道不是一个标准圆形,其现状与设计之间存在一定的施工不确定误差,所以无法依据设计图纸的理论参数,准确计算出偏移至隧道侧壁上且处在 1 米线控制点高度位置的平面坐标值而直接实施放样。而且两侧隧道壁为弧形面,直接将中线点偏移放样至管片壁上存在较大的操作困难。
  按照 1. 2 节误差分配结论,无需过于苛求平面位置的放样精度,即可满足最终的高程测设精度要求。为此,本文结合圆形盾构隧道的结构特点,提出了环缝平行偏距投测法,以快速、高效地实现平面位置投测的目标,具体如下:
  首先以区间环片中心设计坐标或施工期管片姿态测量资料为参照,根据 1 米线控制点对应中线点的平面坐标快速确定其所在的管片环号 n,再加入环片标准宽度参数,得出该点距当前环片缝的距离。以该点所在管片近一侧的环片缝为基准,采用定制的可伸缩标尺一端卡在基准环片缝边缘,量取该点与基准环片缝的垂直距离,作为偏距固定值 d。
  仍以该环片缝为基准,将标尺移动至侧壁上,以偏距固定值为参考线,将标尺在平行环片缝的方向上移动标定,在 1 米线控制点放样的大致区域内投测出一条过中线点且与环片缝平行的平面位置线,实现将 1 米线控制点中桩横向投影至两侧盾构壁上,如图 3 所示。
1. 4 高程位置测设
  铺轨前的盾构隧道中,现场光线条件较差,人工照准目标存在困难,且放样位置高度大概距离圆形隧道底部 1. 7m,作业人员长时间站立在弧面状的管片侧边进行常规的放样作业显然很不方便,效率较低、精度无法保证。
  为此,本文提出基于高精度自动跟踪测量全站仪在圆形盾构隧道中进行自由设站及免仪器高的 1米线控制点测量方法,以应对这种特殊位置处的放样作业,如图 4 所示。
  ( 1) 在两个已知高程控制点之间自由安置自动测量全站仪,记录此时全站仪的设站高程 H'z,将小棱镜装置立于一端已知高程控制点 A 上,反测其高程 H'a,此为棱镜中心的高程,令小棱镜的目标高为v,求取 A 点反测高程与其已知高程 Ha 之间差值 Δh:
  ( 2) 根据差值把设站高程修正为其真实高程Hz,重新记录测站:
  ( 3) 将同一小棱镜立于另一端已知高程控制点B 上,反测其高程 H'b, 与其真实值 Hb 求差,当差值小于两倍高程位置测设中误差±10mm 时记录,若测量 B 的高程与其真实值差值无法满足小于±10mm 时,则重复 ( 1) 、( 2) 步骤,直至满足要求。
  ( 4) 最后将该棱镜置于 1. 3 节标定的平面位置线上,沿平面位置线移动棱镜,利用机器人的自动搜索跟踪功能施测,直至测量高程 H'p与 1 米线控制点设计高程 Hp 之间较差小于两倍高程位置测设中误差±10mm,将棱镜中心水平投影标记至盾构侧壁上即为 1 米线控制点位置。重复该步骤,测设另一侧 1 米线控制点。
2 工程实例
  福州市轨道交通某盾构区间下行线里程 XK23+483. 000 ~ XK24 + 083. 791,区间总长度 约 0. 6km,存在 3 段平曲线超高段,最大曲线超高值 80mm。有两处纵向变坡点,其中最大坡度 5. 53‰,最小坡度 3. 44‰。根据平面设计图和铺轨综合图以 25m断面间距按照公式 ( 1) ~ ( 3) 计算 1 米线控制点高程和对应的中线平面坐标,表 1 为部分计算成果。
2. 1 1 米线控制点测设
  首先进行地下高程控制测量 ( 见表 2) ,以区间两端车站内由地面高程近井点经高程联系测量传递至车站的地下近井点为起算点,为保证后续全站仪测量高程点的精度及作业便利性,以大约 100m 间距沿隧道内管片布设 水准点。采 用Trimble Dini03 数字水准仪 ( 每公里偶然中误差0. 3mm) ,按照二等水准测量要求进行 “两站一区间”附合水准测量。
  然后以设计高程为测设依据,以布设高程控制点为起算基准,采用环缝平行偏距投测法进行平面位置投测,利用高精度自动跟踪测量全站仪进行自由设站及免仪器高的 1 米线控制点测量,最终实现整区间 1 米线控制点的测设。
2. 2 测设成果验证
  为验证测设方法的可靠性,在整区间放样工作全部完成后,采用 Leica TS60高精度全站仪(0. 5″,0. 6+1ppm) 在隧道中按轨道交通工程精密导线测量方式布设平面控制点,以已布设的地下平面和高程控制点为起算,采用全站仪极坐标法采集隧道侧壁上所有 1 米线控制点的实际三维坐标。
  根据设计平曲线参数,以实测平面坐标数据反算得到实测里程,实测坐标反算里程与设计里程的差值即为采用环缝平行偏距投测法进行平面位置投测沿线路纵向的偏差值 ( 见表 3) 。
  利用实测坐标反算里程及设计竖曲线、超高值参数,可反过来推算得到该实测里程对应的 1 米线控制点设计高程,再与实测高程求差值即为 1 米线控制点高程位置测设偏差值 ( 见表 4) 。
  以两倍中误差作为极限偏差,取平面位置投测偏差限值为 ± 12cm、高程位置测设偏差限值为 ±10mm。验证结果表明,平面位置投测和高程位置测设偏差均在误差分配限值内,能够满足 1 米线控制点的测设精度要求。
3 结语
  本文综合分析了盾构隧道铺轨前进行设备安装1 米线控制点测设的各种不利因素,并考虑作业效率、环境特点等,结合地铁隧道设计参数进行测设误差分析,将误差分别分解至平面和高程测设工序中,提出了契合工程实际的 1 米线控制点平面和高程测设方法,并通过工程实例进行反推验证其测设精度完全满足要求。本文方法解决了传统测量方法在圆形隧道侧壁弧面上进行 1 米线控制点放样的种种困难,以较小的技术投入即能实现较高精度目标,保证测设质量的同时也大大提高了作业工效,对于从事城市轨道交通测量的人员具有一定的实践参考价值。 

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