城市地铁控制测量\精密导线测量
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摘要：随着我国城市公共交通的发展，地下铁道，轻轨交通作为城市公共交通的一种形式，正在我国各大城市发展起来，它包括地下、地面和高架三种形式的轨道工程体系，由于其在建筑物稠密、地下管网繁多的城市环境建设，不但技术密集、造价昂贵，而且对工程测量精度要求很高。
Abstract: with the development of urban public transportation, the underground railway and light rail transit of urban public transportation as a kind of form, are all the big cities in our country developed, it includes underground, the ground and elevated the three forms of rail engineering system, due to its dense in buildings, underground pipe of various urban environmental construction, not only technical dense, high cost, but also to engineering required measure precision is high.
Key word: GPS subway control measurement plane control nets precision analysis
中图分类号：U231文献标识码：A 文章编号：
1.前言：
工程建设项目都必须以社会与经济效益为依据，按照自然条件和预期目的，进行规划设计，测量工作是工程建设中的一项最基础的工作，在道路、桥梁、尤其是在地铁等工程建设中起着重要的作用。
2.GPS在城市控制测量中的应用
在城市复杂的环境中修建地下铁路，除了选择先进的设备外，高质量的线路是保证运行安全、舒适、快速的前提，而要实现这一目标，不单是依赖道路的道床、轨道、扣件和钢轨的合理选型，更主要的是取决于线路的施工精度，而测量工作是关键环节。地下铁路较一般铁路线路设计有更严格的标准，由于受到城市环境的干扰，地面高层建筑、地下桩基、地下管线及地质条件等限制，不少地段甚至采用极限条件设计，如300米小半径的弯道，30%的纵坡；加上有许多地段采用现代盾构法开挖等。是不允许测量出现错误或施工误差过大再做变更设计。否则，小则要凿除侧墙或底板、顶板，大则变更线路设计，这样将造成直线变曲线，单曲线变复曲线，长坡度变短坡度，竖曲线变成超范围的短半径，牵一发而动全身，影响工期、质量和投资，造成不可挽回的损失。为了测量工作正确无误，万无一失，必须进行实时的控制测量。地面平面控制网可建立为GPS网。目前，GPS技术已广泛应用于线路控制测量，它具有常规测量技术不可比拟的技术优势：速度快，精度高，不要求通视等。但是，GPS技术在工程应用中，必须充分顾及服务对象的特点。道路是蜿蜒伸展的细长形工程构造物，对其建立的测量控制点必须紧随线路并贯通全线，所测定的测量控制点必须可靠，并要求点位之间具有较高的相对精度。地铁控制测量质量目标是：保证在任何贯通面上横向贯通中误差不超过±50mm。竖向贯通中误差不超过±25mm。分配给地面控制测量的分别为±25mm和±15mm。保证隧道衬砌不侵入建筑限界，设备不侵人设备限界。建筑物、装修、设备、管线的竣工形置误差满足规范标准。
3地面控制网控制测量的任务
(1)代表建设单位对施工单位施测的控制网进行验收，定期进行检测，一般一条线路在施工开始前检测一次，以后在适当时候再检测一次，并对该网作出正式评价。
(2)维护施工期间地面的平面、高程控制网的完整性，控制点不被破坏，必要时为方便施工引测加密部分地面控制点。
(3)管理地面控制网测量资料，代表建设单位向施工单位和监理单位提供GPS控制点、导线点、水准点的点位和资料，并签署交接文件。
(4)对施工单位的测量资料及成果提出意见和结论，分析解决地铁测量中的偶发问题。
由于城市地铁网建设周期较长，所以工程一般都要分期，根据工程的规模，达到的标准来进行分期，通常情况下分两期进行。各线路分期建设，但各线路互有交叉换乘，所以布网方案中不仅考虑每条线路独立布网，而且线路间的交叉地段必须有一定数量的重合点，以保证各条线路间的衔接。因此应接线路规划检查布点的重合位置，及两期施测结果的差值是否合限。考虑到地铁工程建设与城市建设密不可分，测量资料相互利用，因此地铁控制网必须与城市控制网的坐标系统一致。所以GPS控制网内应重合3―5个原有城市二等控制点或在城市里的国家一、二等点。当包含的点位偏少时，对约束平差选择多种方案不利。地铁GPS网中的城市二等点及少量新点，可以构成骨架网。他们的边较长，观测的时闻也长些，这些点的作用是作为GPS网的起始数据和求定两组坐标之间的转换参数，保证控制网的精度均匀减少尺度比的误差影响。为保障向地下传递方向的准确性，最好用长边作为起始方向，因此要求在隧道洞口、竖井和车站附近布设控制点，且与相邻两控制点有两个通视方向。这一点在城市环境中做到是有困难的，检测网应注意克服原网的缺陷。在仔细分析研究原测网的基础上，根据GPS网的布网原理、方法和上述原则，可以对原测网不合理部分加以改进，使其完全满足地铁施工的霈要，使其更加科学、合理、完善。全网以边连接方式，构成由三角形或四边形组成的独立基线异步环。检测网外业观测的原则是：应用不低于或高于原测网精度的仪器、时段数、观测时间进行基线向量的外业观测，应当强调的是必须独立地观测全部基线向量，骨架网点观测时间要长些。并用光电测距仪对网中某些边长(2-4条)进行检测。然后对GPS网进行三维无约束平差和二维约束平差。
4.地铁地面精密导线测量
地铁平面控制网分两级布设，首级为GPS控制网，二级为精密导线控制网。GPS控制网构成涵盖地铁线路走向的骨架控制网，精密导线网起闭于地铁沿线的GPS控制边，结合线路设计站位、竖井位置和现场实际情况沿线布设成直伸形状，形成挂在GPS点上的附合导线、多边形闭合导线或结点网。地铁工程建设期长、施工精度高、标段多、开工时间不一，网线交叉。精密导线点是土建承包商进场后施工的基础资料，直接用于控制标段施工，尤其对控制开挖作业面间的正确贯通具有指导意义。精密导线点位须长期稳定、连续、便于使用。高质量的精密导线控制网不但能满足规范要求，更能很好地服务于施工需要。
5施工精密导线(网)
由于地铁工程为带状结构，其车站一般长度约为250 m，站间距离为1 km左右，就天津地铁一号线而言，一般情况车站、区间分为不同的施工标段。各标段均由不同的施工单位进行施工，其设计单位所移交平面控制网点，未严格采用“规范”要求的GPS网下布精密导线(网)，而是全部采用GPS进行布网，边长在400 m一600 m左右，点位均在高层建筑物上，这些平面控制点用于直接施工放样极为不方便，原因是：1)放样时仪器的倾角过大且控制点相对施工段落分布不均匀，大部分点位无法直接进行施工放样；2)高层建筑物经常去设站进行施工放样极为不方便，不但延误时间而且由于居民的干扰致使有些点位无法使用。如何解决此类问题，笔者认为针对天津地铁一号线设计所交首级控制点情况，在工程开工之前，施工单位应依据设计单位所提供平面控制点，布
5.1精密导线网的特点
5.1.1统筹规划。整网布设。同期观测精密导线网最好在地铁开工建设前一段时间内集中进行整网布设和测量，布设在地面或松软地质地段的点位要考虑点位稳定需要间隔时间，计划选择合适气候时间段进行全网观测。精密导线点位坐标取值是唯一的。
5.1.2重点难点是选点、埋桩精密导线精度直接影响贯通精度，精密导线工作实施可整理三个阶段。选埋桩点及观测质量好坏影响精密导线精度，其中工作难点是桩位选埋。对于实施单位来说，要求作业人员经验丰富，能够灵活掌握运用相关规范，具备很好的协调沟通能力，为以后长期使用打好基础。
5.1.3点位长期使用。作好维护是关键在地铁建设前期，精密导线点做为定测、地面施工放样、地面加密导线测量等工作依据；在地铁施工期至竣工验收阶段，作为联系测量起算基础，特别是在施工期间，施工导线点不利保存，毁坏或不可用时，还需要从精密导线上重新进行引测，点位使用贯穿于整个地铁建设期。
5.2精密导线网布设形式
5.2.1单导线形式(图1)
精密导线点起闭于GPS边形成附合导线，该网形点位少，多余观测少，形式简单，作业时间短，实施较方便。但在城市建设发展较快的情况下，因个别点位破坏或不可用时易造成导线间断，给施工带来很大不便。5.2.2哑铃形导线形式(图2)
结合设计车站或竖井位置(此处是施工期间联系测量位置)，在其附近布设小三角网或四边形，中间用单导线形式连接。该形式充分考虑了施工需要，把精密导线的特点及作用充分显示出来，个别点位破坏或遮挡不影响施工需要，缺点是常因站位处现场条件限制网形不易布设。5.2.3双导线形式(图3)
是单导线网形的加强，目的在于尽量消除由于城市建设的飞速发展，新建高楼和楼顶安装广告牌等因素影响点间通视，为施工标段提供更好的基础保障。
5.2.4附合导线、多边形闭合导线或结点网相结合形式
该形式依据沿线首级网点位分布情况，结合现场实际情况合理运用以上三种导线形式，增加多余观测条件，体现精密导线特点，是活用规范和现场实际情况相结合的典范，精密导线网应布设成此综合形式。
6工作流程图(见图4)
7施工精密导线(网)精度分析探讨
由于施工精密导线全长一般在1 km左右，为满足直接放样要求，其平均边长应在120 m左右。远远小于“规范”中要求精密导线全长3 km一5 km，平均边长350 m的基本要求。当采用“规范”表3．3．1技术指标来限定导线是否合格时，方位角闭合差、测角中误差及全长相对闭合差往往达不到最低限差要求。
7．1引起超限的原因
1)施工现场处繁华街区车流量较大对观测干扰大，导线边长较短、目标偏心、仪器对中、整平等对角度观测均有较大影响。
2)导线全长相对闭合差为导线端点点位中误差2倍为最大限差与导线全长的比值。当导线绝对闭合差接近限差时全长相对闭合差往往达不到“规范”表3．3．1中要求。
7．2对出现超限问题精度分析和处理
由文献[2]可知，当附合导线长度小于“规范”规定长度1／3时，导线全长的相对闭合差不能达到“规范”的最低要求，此时则以导线全长的绝对闭合差来衡量。由文献[1]理论公式验证，导线平差后，导线中点的点位中误差m 和导线终点的点位中误差M终关系为：
M终=K・m中(1)
则导线全长相对闭合差为：
1／T=2M终／[S]=2K・m中／[S](2)
当限定施工精密导线中点点位中误差m=±20 mm，导线全长[S]=1 km，由文献[1]可知：K≈71/2。则：
M终=71/2x20=±52．9mm(3)
1／T=52．9×2／1000000=1／9452(4)
7．2．1由测量误差引起的终点误差
设 张及m 分别为由导线测量误差及起始数据误差引起的端点及中点的总误差。当导线中点的点位误差m限制为±20 mm时，按等影响原则：
Mt中=Mu中=Mt中′=Mu中′=m中／41/2=20／41/2=±10mm(5)
其中，Mt中，Mu中分别为由测量观测误差引起的中点纵、横误差；Mt中′，Mu中′分别为由起始数据误差引起的中点纵、横误差。
由文献[1]可知起始数据误差引起的端点纵、横误差分别为：
纵向：Mt′=2Mt中′=2×10=±20mm。
横向：Mu′=2Mu中′=2×10=±20mm。
起始数据误差引起端点误差：M′=[(Mt′)2+(mu′)2]1/2=(202+202)1/2=±28．3mm(6)
由于：M2终=：M2+(M′)2 (7)
故由测量观测误差引起的端点误差：M=[M2终一(M′)2]1/2=(52．92-28．32)1/2=±44．7mm(8)
7．2．2测角中误差
由文献[1]可知由测量误差引起的端点纵、横误差分别为：
纵向：Mt=2mt中=M／51/2=±20mm(9)
横向：MU=4Mu中=2×M／51/2=±40mm(10)
由测量误差引起的测角中误差：mβ=(mu×p"／S)×[12／n／(n+1)／(n+2)]1/2=(40×206265〃/120×103)×(12／8／9／10)1/2=8．88”其中，S为施工精密导线平均边长；n为施工精密导线边数。
8.结束语
(1)应用GPS全球定位技术建立地铁控制网能省力、省时、省钱，同时又能获得高精度的成果，是传统方法无法比拟的。
(2)GPS定位成果属于WSG一84全球协议地心坐标系，要能换到传统地面坐标系框架内，选择合理的起算点至关重要，需慎之又慎。一般而言，GPS网的相对精度远远高于传统方法，当选择的起算点有较大误差时，将严重损害整个网的精度。
(3)HLS、ZH、JDS点虽较地铁一号线较远，但通过对多年的观测成果分析发现它们具有较好的精度一致性和点位稳定性。为了便于以后其它精密工程测量建立测量控制网，也为今后成都市城市平面控制网的改造奠定基础，将其纳入成都市地铁一号线GPS控制网内进行平差。
(4)城市地铁的建设均位于城市繁华地段，高楼林立，地物表面具有较强的反射能力，GPS观测易受多路径效应的影响。相关单位(如部队、武警等)均有较大功率发射塔及若干个移动手机发射天线，给选点带来很大困难，因此在选点过程中需详细踏勘，所选点位要尽量减小电磁波对GPS观测的干扰和多路径效应。
(5)在一些特殊地区采用GPS技术布设地铁、轻轨或其它高精度平面控制网时，其边长较短，精度难于保证。建议网中每点至少有三条独立基线与相邻点连接，并要对短边进行同步观测，同时，平差时应尽量选取相对较短的边作为独立基线；在观测过程中要尽量减小中误差，在标芯的制作过程中尽量做到精细、明确。
(6)GPS网外业观测数据所设置的先验参数适当严于规范要求；GPS控制网要尽量考虑与地方坐标系的兼容性问题，如果地方坐标是传统控制网且还没有改造，在进行平差时既要满足地铁控制网的精度，又要尽量兼顾传统控制网，以便日后进行其它精密工程控制网建设时相互兼容。
[参考文献]:
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【3]首都规划建设委员会办公室地下铁通、轻轨交通工程测量规范【s】．北京：中国计划出版社，2000
【4]北京市测绘设计研究院奎率定位系统城市翊{量技术规程『S1．北京：中国建藐工业出版社，1997
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。