平面联系测量在天津地铁长盾构区间中的应用

纪万坤，靳羽西，徐国勇

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

1 引 言

联系测量是城市轨道交通隧道控制测量的关键环节，是实现地下隧道工程贯通控制的关键与核心，同时也是由地上到贯通面整个测量工作中最难控制的环节[1，2]。联系测量包括平面联系测量和高程联系测量，而平面联系测量是轨道交通工程测量中最为重要的环节之一，是盾构工程测量中承上启下的关键[3]。

联系测量基本工作原理是通过明挖车站、施工竖井、盾构井等将地面坐标、方位和高程传递到地下，作为地下控制测量起算数据的一项综合测量工作。平面联系测量是以地面近井点为依据，确定井下近井导线起算边的坐标方位角和起算点的坐标测量工作，简称定向测量[4，5]。平面联系测量方法主要有联系三角形法、陀螺经纬仪与铅垂仪(钢丝)组合法、两井定向法、导线直接传递法、投点定向法等[4～6]。

本文以天津地铁某长盾构区间为背景，根据施工场地环境和测量条件先后运用了导线直接传递法、双三角形联系测量、两井定向、钻孔投点定向等方法实现定向测量，保证了联系测量的精度，达到了优质的贯通效果。

2 工程概况

天津某地铁区间工程位于天津市东丽区卫国道下面，采用盾构法施工，区间全长 1 951 m。此盾构区间左线线路平面上自翠阜新村站直线出发，240 m后进入曲线段，先后经过半径 450 m曲线段、半径 800 m曲线段、半径 1 000 m曲线段下穿昆仑路立交桥，随后再经半径 1 000 m曲线段后以直线段进入沙柳路站，盾构始发井位于沙柳路站，接收井位于翠阜新村站。由于本盾构区间贯通面一侧隧道长度大于 1.5 km，曲线段较多，施工难度较大，测量条件受施工影响较大，需采取高精度的联系测量方法提高定向测量精度，以保证隧道的正确贯通。

3 工程实践

3.1 地面控制测量

在联系测量之前，应首先做好地面控制测量的工作。翠阜新村站～沙柳路站区间附近的GPS控制点和精密导线点作为全线地面控制网的一部分，每年复测一次。为确保起算点的正确性，每次进行联系测量之前，须对地面已有控制点进行复核测量，复测时如果对原起算点的稳定情况有疑问时，应另选择可靠的控制点作为起算数据，并在经检测确认这些控制点稳定、可靠的情况下，才可以作为起算点[4]。对地面控制点进行复核时，地面平面近井点与精密导线点构成附合或闭合导线，近井导线边数不宜超过5条，最短边长应大于 50 m，近井点的点位中误差不应超过 ±10 mm[6]。导线测量时按城市轨道交通精密导线测量的技术要求进行。

3.2 导线直接传递法

导线直接传递法主要是沿着竖井的竖直方向布设导线点，利用全站仪以导线测量的方式，通过测定相邻点之间的水平角和导线边，根据地面已知边和已知点坐标推算地下待定边的方位角和待定点坐标的一种方法[7]。

如图1所示，以复测过的地面GPS控制点GPS2323、GPS2325和精密导线点WT3、WT4为起算点，布设附合导线将地面、井下控制点联测，通过测定井下两个导线点DL1、DL2的坐标和所构成边的方位角，将地面坐标系统传递到地下控制点上。大里程端井口通视条件较好可布设成双导线，增加检核条件。

图1 导线直接传递法联系测量示意图

导线直传法的水平角观测具有边长短、倾角大、水平角值较小等特点[2]。为保证精度，本次测量利用具有双轴补偿的高精度徕卡全站仪(标称测角精度1″，测距精度1 mm+1 ppm)。为防止短边对中误差对精度的影响，井下控制点设置强制对中装置。导线测量按照城市轨道交通精密导线测量的技术要求进行，外业水平角观测四测回，各方向测回互差小于4″，往返测距各两测回，每测回正倒镜各三次读数，测回互差小于 2 mm，往返互差小于 3 mm，地上地下联系边要增加水平角测回数至6个测回。测量精度满足规范要求，如表1所示。

双导线直接传递精度统计表 表1

通过计算，两条导线测量测得地下定向边DL1～DL2方位角较差为3.1″，满足规范要求。最后在平差软件中将双导线角度距离观测数据统一输入、统一平差得到地下控制点的坐标数据。

3.3 双联系三角形定向测量

联系三角形法是通过竖井悬挂两根钢丝，由井上导线点测定与钢丝间的距离和角度，从而算得钢丝的坐标以及它们之间的方位角。在井下，认为钢丝的坐标和方位角已知，通过测量和计算便可得出地下导线点的坐标和方位角，实现把地上与地下导线联系起来[9]。

双联系三角形法是在普通联系三角形测量的基础上做出的改进，该方法是在竖井中悬吊3根钢丝组成双联系三角形来传递方向以进一步提高精度[9]。通过两条独立的三角形传递方向所推算出来井下定向边的方位角可以互相检核，确保联系测量正确[10]。

在盾构掘进至约100 m时，沙柳路站车站一侧端头井暂时封闭，只留有一个施工竖井，不具备两井定向的测量条件，此时有条件布设优化的联系三角形，为了避免测量错误和增加复核条件，本次测量利用双联系三角形法进行定向测量。

如图2所示，在竖井合理的位置吊三根钢丝组成两个三角形，均满足规范规定的最有利的延伸三角形形状。进行定向测量时，在地面和地下近井点(JA、JB)分别测量近井点至三钢丝(O1、O2、O3)和钢丝间的距离以及近井点与钢丝间的角度，通过两个三角形把地上平面坐标和方向传递到三钢丝O1、O2、O3上，再通过三钢丝对应地下的位置传递到地下定向边JB～DX1上。用精密导线测量方法和技术要求进行角度和边长测量，导线外业水平角观测六测回，导线点间距离往返测距两测回，导线点与钢丝间距离采用正倒镜观测四测回，距离进行温度和气压改正。

图2 双联系三角形定向示意图

内业根据地面已知边JA～Z1的已知方位角及观测连接角，推算出井下定向边JB～DX1的方位角(如表2所示)，两个三角形传递到地下起始边JB——DX1的方位角之差为2.9″，满足规范要求并起到相互检核的作用，最后取两个方位角的平均值78°32′56.15″作为井下起始边的方位角。

双联系三角形方位角传递计算表 表2

3.4 两井定向法

两井定向，是利用地面上布设的近井点或地面控制点采用导线测量方法测定两钢丝的平面坐标值，在地下隧道中，将已布设的地下导线与竖井中的钢丝联测，即可将地面坐标系中的坐标与方向传递到地下去，经计算求得地下导线各点的坐标与导线边的方位角，与一井定向相比，两井定向减少了投点误差引起的方向误差，有利于提高地下导线的精度，外业测量简单，占用竖井时间较短[4]。

本区间贯通距离较长，且盾构掘进300 m后车站东西两个端头竖井都完成施工，此时车站底板通视条件较好，可将地下基线边加长至 146 m，后续联系测量可采用两井定向的方法。

分别在盾构掘进至 300 m、800 m时进行过2次车站两端头位置的两井定向。如图3所示，分别从沙柳路车站东西端头井合理位置悬吊钢丝，地面以GPS2323、GPS2325和精密导线点WT3、WT4为起算点，沿两钢丝连线的延伸方向测设近井附合导线，在近井点1361N、1362N架设仪器对钢丝进行观测，地下导线点DX1、DX2上分别设站与两根钢丝联测。导线测量均按规范要求的精密导线测量的技术要求执行。测量完毕后，变动钢丝一次，进行第二次定向测量。

图3两井定向布设示意图

内业计算时，先通过地上导线测量算出两钢丝的坐标，利用坐标反算出两钢丝连线的方位角和长度。再通过两钢丝对应地下的位置传递到地下，地下通过无定向导线的计算方法计算导线点DX1、DX2的坐标和所构成的方位角。两次两井定向测量得到的地下定向边成果如表3所示：

两井定向计算成果比较表 表3

通过上面的结果可以推算出两次定向互差为2″，满足规范要求，能可靠地指导盾构继续掘进。

3.5 钻孔投点定向法

本盾构区间虽然在盾构掘进时已进行过3次联系测量，但由于隧道长度达到 1.9 km，需增加联系测量的次数并提高定向测量精度。

第4次联系测量采用钻孔投点定向法，钻孔投点法就是通过地面钻孔或施工投料孔，用垂球或投点仪进行投点，从而将地面坐标和方位角传递到井下的方法[11]。

当盾构掘进至1.7 km的位置时，距贯通面还有 200 m，为进一步提高联系测量的精度，保证隧道的正确贯通，根据现场条件在盾构第820环上方钻孔，分别从盾构始发竖井及钻孔位置悬吊钢丝形成大两井定向。如图4所示，地上以复测稳定的GPS2323、GPS2325、12D1、12D2控制点为起算，沿两钢丝连线的延伸方向测设附合导线，在近井点1362N、WT5架设仪器对钢丝进行观测，地下沿隧道方向布设无定向导线，在W785、DX2架设仪器对钢丝进行观测，按精密导线测量的技术要求进行观测。为提高投点点位精度、增加检核条件，测量完毕后，变动钢丝一次，进行第二次定向测量。

图4钻孔投点两井定向示意图

内业采用测量平差软件对观测数据进行处理，利用地面导线测量方法测定两钢丝的平面坐标值，地下将两根钢丝的坐标值作为导线的起算数据，通过无定向导线计算的方法求解出地下导线点的坐标。测量精度满足规范要求，如表4所示。

钻孔定向精度统计表 表4

选取第二次两井定向传递到最远处的导线边W634～W785与钻孔定向测量的坐标和方位成果进行对比如下：

两井定向与钻孔定向成果对比表 表5

通过对比发现，两井定向传递与钻孔定向所测公共边方位较差为2.5″，坐标较差均在 12 mm之内，满足规范要求，通过钻孔定向复核了两井定向的测量成果，提高了测量精度，为隧道顺利贯通提供了保障。

通过以上联系测量的方案实施及对薄弱环节的加强，有力地保证了测量精度，经贯通测量，该长大盾构区间隧道横向贯通中误差控制在 ±20 mm，贯通精度良好。

4 结 论

地铁联系测量方法多种多样，随着经验的积累愈加成熟可靠，在实际工作中应根据现场条件灵活有效地采取适合的方法，对于长大盾构区间应采取提高定向测量精度的方法。

(1)导线直接传递方法操作简单，可满足工程实际需求，对于采用明挖顺做法施工的车站在前期结构顶板未施作之前较易采用，导线布设时应重点考虑导线边数尽可能少，地面与地下联系边俯仰角尽可能小，并设置强制对中装置，有条件时尽量采用双导线或者双极坐标法测设来增加检核条件，提高精度。

(2)联系三角形测量占用井筒时间较长，但当贯通面一侧只有一个竖井时，一般只能进行一井定向。此时可布设成双联系三角形，能起到相互检核的作用，保证定向测量的精度。

(3)对于盾构法施工的隧道，始发井一般具备两井定向的条件，两井定向法可作为平面联系测量的首选方法。定向测量时可以通过移动钢丝或直接悬吊3根钢丝的方法，形成2组地下控制点数据进行检核。

(4)当隧道贯通距离较长时，为控制隧道掘进的方向误差，采用在隧道上方钻孔的方法进行定向测量，可对两井定向传递的测量结果进行检核修正，提高定向测量精度，对隧道的准确贯通十分有利。