高精度全站仪折线型竖井联系测量工法关键技术

1、中铁四局第一工程有限公司竖井折线型导线定向联系测量工法关键技术研究报告中铁四局集团第一工程有限公司2015年12月目录一 项目简要说明31.1项目概况4二 传统方法分析72.1 陀螺定向法简要分析72.2 钻孔投点法简要分析102.3联系三角形法简要分析12三 竖井联系测量新方法折线型导线定向法143.1折线型导线定向法介绍143.2折线型导线定向法原理173.3折线型导线定向法优势18四 关键技术研究194.1相关技术准备204.1.1 ATR自动瞄准技术204.1.2 TS30高精度全站仪234.2 360度竖井用强制对中装置254.4 点位布设264.4.1 井外点位布设264.4.2井

2、壁上点位布设264.5 外业观测264.5.1井外导线测量264.5.2井壁联系测量及井下导线测量28五 实例数据分析305.1测量方式简介305.2 实例数据平差分析31六 效益分析336.1 社会效益336.2 经济效益34七 结论35 一 项目简要说明隧道施工控制测量的根本任务是保证单向掘进隧道的正确贯通与各构筑物的规格符合设计要求，这就需要地上地下具有统一的坐标系统。为了保证地下控制网与地上控制网具有统一的坐标系统，如何将地面控制网中的坐标、方向和高程通过竖井联系测量正确无误地传入地下是关键的一环。高程联系测量比较简单，精度也比较容易保证，而在隧道施工控制测量中的平面坐标传递比较困难。

3、多数竖井的空间狭小，深度却达到了16m以上，极大的增加了联系测量的难度。图1-1竖井联系测量测量目的示意图如图1-1所示，竖井联系测量的目的就是将A点坐标（Xa，Ya）传递至井下A1点（Xa1，Ya1）。1.1 项目概况哈尔滨市轨道交通1号线三期工程土建施工（第三标段）位于黑龙江省哈尔滨市平房区先锋村，包括镜泊路站、四环路站、镜泊路-四环路区间。镜泊路站四环路站区间起讫里程为SK9+724.646SK11+086.206，区间全长1361.560m，区间下穿兴凯路、绕城公路，哈双公路和四环路，施工任务紧、质量要求高（见图1）。图1 哈尔滨地铁地理位置图本区间采用隧道法开挖，为此于SK10+15

4、5.755设置1号竖井，于SK10+595.000设置3号联络通道。竖井的作用是增加施工工作面来缩短工期，是井下渣土向外运输、施工仪器设备和施工人员进出的工作通道，如图2所示。图2 竖井俯视图1.2 国内外研究现状随着经济的飞速发展，地铁不但成为城市政府解决公共交通困顿的优先选项，甚至被视为是实现城市形象升级的符号。在国内，从北京、上海到广州，从沈阳、青岛到成都，全国各大城市都处在地铁建设的热潮之中。地铁的建设主要是通过竖井提供的工作面进行施工，如何保证井下按设计开挖就成为了施工的首要问题，竖井联系测量也越来越多的出现在人们视野之中。竖井联系测量的目的就是将地面控制网的坐标和方位按要求精度准确

5、传递给井下导线，为施工提供依据。目前的竖井联系测量方法主要包括三种：1 陀螺定向法2 钻孔投点法3 联系三角形法二 传统方法分析传统的竖井联系测量方法包括陀螺定向法，钻孔投点法和联系三角形法。2.1 陀螺定向法简要分析陀螺经纬仪是将陀螺仪和经纬仪结合起来的仪器，由于它不受时间和环境的限制，同时观测简单方便、效率高，而且能保证较高的定向精度，因此是一种先进的定向仪器。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

6、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、X3Xn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。陀螺定向法占用井筒的时间短，精度高，观测作业简单。但是陀螺经纬仪的价格较为昂贵。例如索佳GPxX型号陀螺经纬仪,进口价达

7、到￥889900.00一台，后期还需要定期维护，保养，维修。如果可以用别的方法取代陀螺定向法的话，将极大的缩小成本。所以多数单位在竖井联系测量时候采取了钻孔投点法，联系三角形法，拥有陀螺经纬仪的单位较少，继而难以推广使用。2.2 钻孔投点法简要分析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

8、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。钻孔投点法是一种适合较短竖井的测量方法，简单直观，缺点是一般要在隧道上钻一个以上的测量井。由于钻井位置大都位于交通繁忙地段，钻井和测量作业对交通影响大。因此钻井手续审批麻烦，需要事先得到有

9、关政府部门的许可，限制了其在城市地铁的广泛应用。并且钻孔投点法需要的准备工作繁多：1恢复地面中线，由于施工开挖导致测量中线桩、交点、转点、碰动或者破坏，需要通过测量恢复以满足施工需要。2寻找钻孔队伍，需要寻找专业的钻孔队伍，不单单是为了保证钻孔位置的精确，更是确保施工的稳定进行。3现场钻孔，现场钻孔可行度受限于土层结构的影响，需要浪费大量的人力物力，而且容易破坏隧道结构，钻好的孔洞需要配备防水设施。2.3联系三角形法简要分析联系三角形法是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。1、 基本原理与误差平面

10、控制点向下传递的联系测量的基本原理是通过竖井悬挂两根钢丝（为了检核大多悬挂三根钢丝），由井上近井点测定钢丝的距离和角度，从而算得钢丝的坐标以及它们之间的方位角，然后在井下，认为钢丝的坐标和方位角已知，通过测量和计算得出地下导线起始边的坐标和方位角。其中，坐标传递的误差将使地下各导线点产生同一数值的位移，对隧道贯通的影响是一个常数。而方位角传递的误差，将给地下导线各边方向角带来同一误差值，该值对隧道贯通的影响将随着导线长度的增加而增大。由此可见，隧道的施工测量对定向的精度具有很高的要求。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、X2Xn为地下隧道施工控制导线点

11、。联系三角形法是一种传统的竖井几何联系测量方法,存在下列四点不足：(一) 设备笨重联系三角形法需要众多的工具仪器，上下搬动较为麻烦，具体包括两根钢丝、两个钓锤、两个油桶、反光贴片、徕卡TS1201全站仪以及脚架棱镜等配套仪器。（二）工序繁多 联系三角形法需要吊钢丝费时费力，测量技术还需要收钢丝。 油桶等重物的搬上搬下。贴反光贴等细节也需要注意，工序繁多。（三）工作时间长 一个竖井测量一遍需要半天到一天的时间。因为联系三角形法测量途中需要占有井口，不能用于施工。耽误白天施工时间，会造成较大的损失。（四）劳动强度大 联系三角形法竖井联系测量因为工序繁多，所以劳动强度极大。由上四点可知联系三角形法与

12、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,可采用此法进行竖井联系测量。，相对于别的方法来说比较落后，但是简单易操作，成本较低，适用性较强，是现在多数隧道施工单位进行竖井联系测量所使用的方法。分析得知传统的三种竖井联系测量方法都有所不足，陀螺定向法和钻孔投点法都不宜推广使用，而联系三角形法设备较为笨重，工序繁多，占用井筒的时间较长，操作起来比较麻烦。三 竖井联系测量新方法折线型导线定向法3.1折线型导线定向法介绍通过分析发现现有的竖井联系测量方法都极为不方便。本工法依托于哈尔滨地铁工程项目，通过长时间的分析和实验，实现了一种较为系统和简单的竖井联系测量方法，取名为折线型导

13、线定向法。折线型导线定向法，是通过导线测量将平面坐标和方位角传导到井下。根据竖井的深度不同分别有三种方案实施，用简要示意图表示（折线处为棱镜，且红线折线处为一排三个棱镜）：“V”型（适用于16m以下深度的竖井） “N”型（适用于16m 24m深度的竖井） “W” 型（适用于24m以上深度竖井）根据竖井深度的不同分成的三种测量方案，基本能够满足目前所有的竖井的联系测量。图3.1-1井壁上的棱镜3.2折线型导线定向法原理本工法的两大难点是在竖井间仪器的架设和棱镜的安装。仪器在井壁上架设的测量实质为自由设站。利用TS30全站仪的精密导线测量功能。如图所示，在A2点架设仪器，后视B、C、D中任意一点，

14、 并把其他的点位当作前视点，进行测量。根据后方交会求得P点坐标有：xP=PA×xA+PB×xB+Pc×xcPA+PB+PCyp=PA×yA+PB×yB+Pc×ycPA+PB+PC其中 PA=1cotA-cotPB=1cotB-cotPC=1cotC-cot其中： A、B、C三点坐标已知为ABC夹角为APB夹角 为CPB夹角D、E、F点坐标根据测量数据与P点坐标求得：Yi=YP+cosiXi=XP+sini其中：i为点D、E、Fi为边PE、PF、PG的坐标方位角3.3折线型导线定向法优势(1)适用于各种不同深度范围的竖井联系测量任务。(

15、2)测量有关装置只需一次准备，后续测量极为快捷方便，不会占用竖井太长时间。(3)精度高，测量所使用的TS30高精度全站仪具有自动观测的功能。ATR功能消除了因测量人员导致的测量误差。 (4)经济划算，不需要购置陀螺经纬仪这样的贵重仪器。四 关键技术研究折线型导线定位法测量流程见图L型钢的制作安装强制对中装置制作和安装外业观测是观察是否超限否平差处理否数据是否合格是输出成果表工艺流程图4.1相关技术准备4.1.1 ATR自动瞄准技术ATR(Automatic Target Recognition)自动目标识别系统是智能全站仪所具有的一种自动识别系统，它是利用自控马达和CCD相机来完成搜索目标、精

16、确照准和自动观测三个过程。具有寻找合作目标、自动精确瞄准合作目标、自动锁定合作目标、跟踪测量移动目标等优点。利用智能全站仪ATR功能，粗略照准目标后，内置CCD相机立即对返回信号加以分析，并通过马达驱动仪器自动照准棱镜中心，照准、测量、记录同步完成，并可进行正倒镜测量。ATR功能的这一特性在重复测量点时，极大的提高了测量效率，并且由于无需人工调焦及照准，将空气能见度对人工测量的影响减至最小，从而减小了测量误差。（1）ATR功能原理和测距仪一样，自动目标识别（ATR）部件以同样的方法安装在全站仪的望远镜上。红外光束通过光学部件被同轴地投影在望远镜轴上，从物镜口发射出去。反射回来的光束，形成光点，

17、由内置CCD相机接收，其位置以CCD相机的中心作为参考点来精确地确定。假如CCD相机的中心作为参考点来精确的确定。假如CCD相机的中心与望远镜光轴的调整是正确的，则以ATR方式测得的水平角和垂直角，可从CCD相机上光点的位置直接计算出来。（2）精确定位图4-1-1-1 ATR精确瞄准ATR通过三个顺序过程形成了精确定位：搜索过程、目标照准过程和测量过程。在手动对棱镜粗略进行照准之后，ATR的精确定位是完全自动的。首先ATR检查粗略照准的棱镜是否位于望远镜的视场里面，如果它探测不到棱镜，它将从头开始搜索过程即望远镜进行螺旋式的连续运动。扫描的速度可以选择以便使被扫描区域里影像之间没有间隙。一旦探

18、测到棱镜，望远镜马上停止运动，如图4-2。当使用ATR测量技术的时候，没有必要十分严格的手工照准棱镜中心来确定水平方向和垂直角。定位时，马达螺旋式地转动望远镜来照准棱镜的中心并使之处于预先设定的限差之内，一般情况下，十字丝只是位于棱镜中心附近。它之所以没有定位于棱镜中心，是为了优化测量速度。因为定位棱镜中心附近比靠马达准确地定位于棱镜中要快些。为确定偏差，ATR测示的水平角和垂直角。所以，虽然十字丝没有精确地照准棱镜中心，但它是以棱镜中心为准的，实质上是精确定位的。ATR需要一块棱镜配合进行目标识别，为了使工作更加简化，ATR的角度测量与距离测量同时进行。在每一测量过程中，角度偏移量都被重新确

19、定，相应地改正了水平方向和垂直角，进而精确地测量出距离或计算目标点坐标。ATR标准设置中的测量精度与仪器本身的角度测量精度相一致。当使用ATR方式进行测量时，由于其望远镜不需要人工聚焦或精确照准目标，测量的速度将会得到非常明显的增加，其精度不依赖于观测员的水平，基本上保持常数。（3）ATR测量的过程探测目标点偏差ATR处理器粗略手动照准探测目标点Yes No经纬仪处理器找到否？开始螺旋扫描探测目标点找到否？结束扫描确定角度改正限差内？距离EDM处理器定位YesNO角度改正测量距离测量角度测量计算坐标注：ATR照准差的校准。常规的ATR校准工作允许检查和测定CCD相机的中心与望远镜光轴的重合度。

20、测定ATR的照准差，必须人工将望远镜对准棱镜中心。视准线（十字丝）和CCD相机中心之间在水平和垂直方向上的偏差由仪器计算出来。教准过程中确定的偏差改正被应用在ATR方式下的角度测量上。当度盘扫描系统进行测量时，这些改正数被用来改正相对于视准线的值。由此可见ATR照准差的校准是提高其测量精度的重要一环.4.1.2 TS30高精度全站仪高精度的仪器是测量精度根本保证。选用的徕卡TS30智能型全站仪，其测角标称精度为0.5，测距标称精度0.6mm+1ppm，同时具备ATR自动锁定棱镜中心的功能，有效的降低仪器的误差。利用该仪器的ATR的功能，实现自动照准、自动跟踪、自动锁定棱镜的途径，达到消除人眼瞄

21、准误差的目的。4.2 360度竖井用强制对中装置竖井璧的强制对中装置如果安装普通棱镜，测量过程中就必须转动棱镜，极为麻烦。本工法采用了360°徕卡圆棱镜（如图所示）与强制对中装置相结合的措施解决了这一问题（右为效果图）。经过实际测量，装置满足测量要求。4.3竖井用强制对中全站仪基座仪器在竖井中的架设是本工法的一大难点。经过设计，决定使用归心盘，并固定在堆砌好的水泥上面，形成强制对中基座。测量时使用连接头将TS30全站仪与固定好的归心盘相连。4.4 点位布设4.4.1 井外点位布设井外最近点位布设应该在能看得到第一排井壁棱镜的前提下与进口保持安全距离。点位埋设要求：1 点位应选在质地坚

22、硬、稳固可靠、便于安置仪器、便于保存的地方，视野应相对开阔；2 导线点位置应便于测角、测距及地形测量；3 相邻点之间应通视良好，其视线距障碍物的距离，不宜小于1.3m；保证便于观测，以不受旁折光的影响为原则；4 相邻两点之间的视线倾角不宜太大；4.4.2井壁上点位布设井壁上点位的布设根据测量方法的不同各不相同，“V”型测量法在井壁的二分之一处埋设三个一排的强制对中装置。“N”型测量法在井壁的三分之一处埋设三个一排的强制对中装置。“W”型测量法在井壁的四分之一和四分之三处埋设三个一排的强制对中装置。4.5 外业观测4.5.1井外导线测量井上导线测量采用Leica TS30 全站仪按照城市轨道交通

23、工程测量规范（GB50308-2008）施测，测量作业的基本技术要求见下表：表4.5-1 方向观测法水平角观测技术要求（''）全站仪的等级半测回归零差一测回内2C较差同一方向值各测回较差I级696II级8139表4.5-2 距离测量限差技术要求（mm）全站仪等级一测回中读数间较差单程各测回间较差往返测或不同时段结果较差I级32·（a+bd）注： 1 (a+bd)为仪器标称精度，a为固定误差，b为比例误差系数， d为距离测量值（以千米计）； 2 一测回指照准目标一次读数 4 次。外业观测具体要求： a.作业前按要求进行仪器检校，仪器或反光镜的对中误差不应大于 2mm；同

24、时在作 业过程中每次架站都要对基座水准器、光学对点器进行检查，确保其状态正常； b.水平角观测过程中，气泡中心位置偏离整置中心不宜超过 1 格。当观测方向的垂 直角超过±3°的范围时，宜在测回间重新整置气泡位置。有垂直轴补偿器的仪器，可不受此款的限制； c.测距边的斜距要进行气象和仪器常数改正，温度应读至0.2、气压应读至 0.5hPa，温度气压要在测站和反射镜站分别测记，取两端平均值进行气象改正；d.禁止采用智能全站仪自动瞄准功能，棱镜必须配置觇标；e.如受外界因素(如震动)的影响，仪器的补偿器无法正常工作或超出补偿器的补偿范围时，应停止观测。因为井外导线测量没有闭合环，

25、所以起算点不宜距离井口太远。洞外导线按照隧道四等导线测量规范，如下表所示:表4.5-3 精密导线测量主要技术要求平均边长闭合或附和导线总长度（km）每边测距中误差测距相对中误差测角中误差（秒）水平角测回数边长测回数方位角闭合差（秒）全长相对闭合差相邻的相对点位中误差（mm）I级全站仪II级全站仪I，II级全站仪3503-4±41/60000±2.546往返测距2测回±5n1/35000±本次井上导线复测采用“支导线”，导线起始为于N1-1-N1-2构成的已知边，导线终端为已知点S1-1与S1-2，如下图所示：4.5.2井壁联系测量及井下导线测量联测测量及

26、井下导线采用 Leica TS30全站仪按照 城市轨道交通工程测量规范（GB 50308-2008） 施测， 测量作业的基本技术要求如下：1）测量作业之前要检校仪器，学习与测量不同种棱镜必须修改棱镜常数。2）角度观测应采用不低于 II 级全站仪，用方向观测法观测六测回，测角中误差应在±2.5秒之内。 3）垂直角超过±3°的范围时，在测回间重新整置气泡位置。有垂直轴补偿器的仪器，可不受此款的限制。4）测距边的斜距要进行气象和仪器常数改正，温度应读至0.2、气压应读至 0.5hPa，温度气压要在测站和反射镜站分别测记，取两端平均值进行气象改正。5）如受外界因素(如震动

27、)的影响，仪器的补偿器无法正常工作或超出补偿器的补偿范围时，应停止观测。井壁上的测量按照测量方案的不同也有所不同，在上诉的三张测量方案中，“V”型测量法不需要在井壁架设仪器测量，“N”型测量法需要后视井壁上第一排棱镜的其中之一，并前视另外三个和井下的一个棱镜。 “W”型测量法则需要后视第一排的某一个，前视第一排的另外三个和第二排的四个棱镜。后两种测量方法都利用全圆观测法，测定四个测回。井上近井点位是1-1，趋近边由N1-1和N1-2构成，如下图所示：五 实例数据分析5.1测量方式简介以哈尔滨地铁项目竖井联系测量为例(W型测量法)，如图5-1:分别在A处，A1处，A2处架设仪器并进行导线测量。在

28、B、C、D、B1、C1、D1处安装强制对中装置。 在黑框部分为导线测量，两个黑框之间为自由设站测量。数据的处理采用高铁CPIII专业平差软件，进行常规平差和Helmert平差及精度的评定，并与传统联系测量的坐标成果进行对比。实测网简单示意图如下5.2 实例数据平差分析经过对导线测量数据严密平差和精度评定，本次井上导线测量观测数据质量如下表：表5.1-1 观测数据精度统计项目测距往返较差最大值（mm）方位角闭合差最大值（）导线全长相对闭合差最大值测角中误差（）数值-2.137.191:57019仅一条导线，不予计算限差2.3811.181：35000根据5.1-1，可知，本次加密测量满足规范各种

29、限差要求，可进行下步处理。将已知点N1-2，N1-1点作为约束，进行二维约束严密平差，计算出其余各点坐标，导线网严密平差精度统计如下：表5.1-2导线网严密平差精度统计最弱点及其精度点名X(m)Y(m)MX(mm)MY(mm)MP(mm)E(mm)F(mm)T(dms)S1-194414.1109856022.476532.518.663.133.030.81160.2121最弱边及其精度起点终点方位角A(dms)MA(sec)边长S(m)MS(mm)E(mm)F(mm)T(dms)1-4X1207.24579859.2630417.824321.351.440.5937.1311注：验后单位

30、权中误差为：1.92 由严密平差精度统计数据可知，本次导线网精度满足规范要求，本次导线成功表见下表:表5-1导线复测坐标较差表坐标成果表序号点名本次测量成果原有成果差值X(m)Y(m)X(m)Y(m)X(mm)Y(mm)1N1-194261.3470 56064.5079 94261.3470 56064.5079 起算点2N1-294401.1674 56044.0853 94401.1674 56044.0853 起算点31-194325.0066 56026.7191 新点4S194335.1121 56036.8952 新点5S294331.9944 56037.3196 新点6S394322.4744 56038.5037 新点7S494319.0742 56038.9346 新点81-394325.6724 56027.1197 新点9X194334.8870 56036.9608 新点10X294331.7490 56037.3281 新点11X394321.7429 56038.5979 新点12X494319.4457 56038.4169 新点131-494330.9119 56030.2237 新点14S1-194324.6963 56026.9996 94324.695156027.00071.2 -1.1 15S1-294350.6