（大地测量学与测量工程专业论文）地铁轻轨施工中的测量研究.pdf

摘要 摘要 地铁、轻轨是现代城市的主要交通工具，也是城市现代化的标志，国内外 各大城市的地铁建设正在热火朝天的进行着。本文以地铁建设为背景，结合现 代工程测量的新技术，从理论和方法上探讨了地铁、轻轨施工建设中的若干测 量问题。 随着盾构技术的成熟，盾构隧道向长距离、大直径发展，这对贯通精度提 出了更高的要求。地下平面控制是贯通误差的主要来源之一，也是最难得到保 证的环节，本文从研究地下导线的布设方案和加测陀螺方位角的角度出发提高 地下平面控制的精度，来减小贯通误差以保证地铁隧道的顺利贯通。地铁、轻 轨的设计、施工和竣工验收中会涉及很多线路计算的问题，本文通过对线路计 算理论的系统研究，建立了线路正反算的统一模型，并适合使用计算机编程。 随着测绘技术的发展，新的测绘仪器向高精度、电子化、自动化发展，正确、 合适的在地铁施i n 量中运用新的测绘仪器不仅可以提高精度同时也可节约劳 动力和减少施工时间。结合具体工程实例，介绍了地铁站台竣工检测和站台数 据测量的方法，以指导屏蔽门系统的设计与安装。 关键词：地铁，轻轨，贯通误差，线路坐标计算，全站仪，电子水准仪，地铁 站台数据测量 a b s t r a c t a b s t r a c t m e t r oa n dl i g h tr a i la r et h em a i nv e h i c l e so ft h em o d e mc i t y , a n da l s oh a v e b e c o m et h es i g n so fm o d e r n i z a t i o n al o to fm e t r o sa r eb u i l d i n gi nt h eb i gc i t i e sa t h o m ea n da b r o a dn o w c o m b i n i n g 、析t ht h eb a c k g r o u n do fm e t r oa n dl i g h tr a i l c o n s t r u c t i o na n dt h en e wt e c h n o l o g i e so fe n g i n e e r i n gs u r v e y , b a s e do nt h ea s p e c t so f t h e o r y a n dm e t h o d ，s e v e r a ls u r v e y i n gp r o b l e m sa r ew i d e l yd i s c u s s e di nt h i s d i s s e r t a t i o n a st h et e c h n o l o g yo fs h i e l dt u n n e l i n gd e v e l o p e dm a t u r e l y , t h ed i s t a n c ea n dt h e d i a m e t e ro ft h et u n n e l sb e c o m el o n g e r , s ot h et r a n s f i x i o ns u r v e y si nt h es h i e l dt u n n e l s m u s tb em o r ea c c u r a t e u n d e r g r o u n dp l a n ec o n t r o ls u r v e yi so n eo ft h em a i ns o u r c e s o ft h et r a n s f i x i o ne r r o ra n dt h ep a r tw h i c hi sp e r f o r m e dd i f f i c u l t l yi nt h em e t r o c o n s t r u c t i o n t h et h e s i si st od os o m er e s e a r c ho na d d i n gg y r oa z i m u t h st ot h e u n d e r g r o u n dt r a v e r s e st oa d v a n c et h et r a n s f i x i o np r e c i s i o n a c c o r d i n gt ot h es t u d y i n g o nt h et h e o r yo fr o u t ec o o r d i n a t e sc a l c u l a t i o n ，e s t a b l i s ht h eu n i v e r s a lm o d e la n d p r o g r a ms o f t w a r ew h i c hi su s e di nr o u t ed e s i g n i n ga n dc o n s t r u c t i o no f m e t r oa n d l i g h tr a i l a st h en e ws u r v e y i n gi n s t r u m e n t s a r ea u t o m a t i ca n dh i g hp r e c i s i o n , m e t h o d so fu s i n gt h en e wi n s t r u m e n t si nm e t r oe n g i n e e r i n gs u r v e yw h i c hc a ns a v e t i m ea n di m p r o v ew o r ke f f i c i e n c ya r ep r o p o s e d a s s o c i a t i n gw i t ht h ep r a c t i c eo f s h a n g h a ir a i l w a y t r a f f i cl i n e9 ，i n t r o d u c et h es u r v e yo fm e t r op l a t f o r m sw h i c hg u i d e s t h ed e s i g na n di n s t a l lo fp l a t f o r ms c r e e nd o o rs y s t e m k e yw o r d s ：m e t r o ，l i g h tr a i l ，t r a n s f i x i o ne r r o r , r o u t ec o o r d i n a t e sc a l c u l a t i o n ， e l e c t r o n i ct o t a ls t a t i o n ，d i g i t a le l e c t r o n i cl e v e l ，s u r v e yo fm e t r o p i a t f o r m s h 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e i j 届i j 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：绦缱 口为矽年月zy 日 七 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在琵年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：枷 学位论文作者签名：绦缱 扩g 年1 月舯 伊i j f 年月沙f 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其它个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：绦键 1 蜩g , - 年f 月z 岁日 第l 章引言 1 1 课题研究的背景 第1 章引言 随着城市的发展和科学技术水平的提高，交通工具发生着日新月异的变化， 从1 8 世纪前的马车时代到1 9 世纪的有轨电车时代再到2 0 世纪的汽车时代，人 们的出行越来越便捷。同时随着经济的发展，人口向城市集中，城市化脚步不 断加快，随之也带来了很多新的问题： ( 1 ) 交通拥堵，行车速度慢，已成为我国许多城市普遍存在的问题。北京 市主干道平均车速比1 0 年前降低5 0 以上，而且以每年递减2 k m h 的速度持续 下降。上海市一些重要路段的平均车速仅8 k m h 。 ( 2 ) 交通秩序混乱。我国城市居民以步行、自行车、助动车、低运输量的 公交车、出租车、私人轿车为主要的出行方式，各种车辆混行在道路上，交通 混乱，事故频繁。 ( 3 ) 环境污染、能源紧缺。我国一些大城市环境形势日益严峻，大气污染 日益加剧。全国5 0 0 多座城市，大气质量达到一级标准的不到1 ，北京、沈阳、 西安、上海、广州均列入世界空气污染严重城市。 发达国家的经验表明，城市快速轨道交通是解决大中城市公共交通运输的 根本途径。地铁和轻轨均属于城市轨道交通的一部分，被世界公认为“绿色交 通 ，它们具有以下优点： ( 1 ) 运输量大：轻轨为大容量交通工具，地铁是特大容量的公共交通工具。 一辆公共汽车的载客量只有4 0 - - 8 0 人，轻轨一节车厢载客量为6 0 , - - , 1 5 0 人，地 铁一节车厢载客量为15 0 - - - , 2 0 0 人。每小时单向输送能力公共汽车为2 0 0 0 - - 5 0 0 0 人，轻轨为1 0 0 0 0 - - - 3 0 0 0 0 人，地铁达3 0 0 0 0 , - - - , 9 0 0 0 0 人，轨道交通输送能力是 公共汽车的5 1 8 倍。 ( 2 ) 速度快：一般情况下，公共汽车时速为l o - - - 2 0 k m ，轻轨时速为2 0 4 0 k m ，地铁时速为4 0 一- 5 0 k m ，最高达7 0 8 0 k m ，轻轨和地铁的速度是公共汽车 速度的2 4 倍。 ( 3 ) 安全、污染少：轨道交通工具的事故率大大低于道路交通工具，噪声 第1 章引言 和空气污染等环境保护方面也优于道路交通。 ( 4 ) 占地省、耗能少：按每小时输送5 万人计算所需道路宽度是：小汽车 1 8 0 m ，公共汽车9 m ，轨道交通综合占地仅为道路交通方式的1 3 左右，而且地 铁和高架式轻轨几乎不占用地面土地。轨道交通每公里能耗为道路交通的1 5 4 0 9 6 。 正是由于这些优点，在不同发展阶段内，凡经济发达的国家与城市都建有 地铁和轻轨。地铁和轻轨已成为一个国家综合国力、城市经济实力、人们生活 水平及现代化的重要标志。 1 8 6 3 年1 月1 0 日，用明挖法施工的世界上第一条地铁在伦敦建成，从此城 市交通进入轨道交通时代。轨道交通的发展在国外主要经历了四个不同的时期： 初步发展阶段( 1 8 6 3 年 - 1 9 2 4 年) 、停滞萎缩阶段( 1 9 2 4 年 - - 1 9 4 9 年) 、再发 展阶段( 1 9 4 9 年 - - 1 9 6 9 年) 、高速发展阶段( 1 9 6 8 年至今) n 。我国的第一条 地铁于1 9 5 6 年7 月在北京西郊玉泉路开始修建，1 9 5 9 年1 0 月完工通车。可见 我国地铁起步与国外发达国家相比相对较晚，但是经过4 0 多年的发展，北京、 天津、上海、广州、南京、深圳等城市都己建成了地铁，并且武汉、长春、沈 阳、大连、杭州、成都、西安、苏州、哈尔滨、重庆等城市也已开始修建地铁。 在“十一五 规划里，中央则已经制订了兴建1 5 0 0 公里地铁网的目标，5 年间， 平均每年要修建3 0 0 公里城市地铁，1 年几乎相当于过去的4 0 年。现在全世界 拥有地铁的城市有1 6 0 多个，总长度6 0 0 0 多公里。到2 0 0 6 年为止，我国大陆 拥有轨道交通系统的城市不超过1 0 个，运营线路总长4 4 4 公里，这与世界相比 都是个零头。另外从轨道交通承担的客运量占城市总客运量的比例上看，我国 拥有最长地铁运营线的北京其地铁只承载了不到3 0 的全城总客流量，而东京地 铁却占8 7 ，伦敦地铁占6 1 ，莫斯科地铁占5 4 。我国5 0 万l o o 万人口的大 中城市4 4 座，1 0 0 万以上的大城市3 5 座，根据发达国家经验，要使快速轨道交 通承担客运交通的5 0 , - - - 8 0 ，居民出行百万人口以上城市控制在4 0 分钟，中等 城市为3 0 分钟，中等城市要修建轨道交通1 3 条，1 0 0 万人口以上的大城市则 要修建4 - - - , 8 条快速轨道交通。可见，地铁和轻轨工程在我国将有巨大的市场 和广阔的前景。 1 2 地铁、轻轨工程测量的现状 2 第1 章引言 地铁、轻轨是城市公共交通的一种主要形式，它是包括地下、地面和高架 三种方式的轨道工程体系。由于其在建筑物稠密、地下管网繁多的城市环境中 建设，不仅工程测量精度要求高，而且技术密集、造价昂贵，因此地下铁道、 轻轨交通工程测量有其特殊方法和要求。与普通的工程测量相比，地铁、轻轨 测量工作有以下特点： ( 1 ) 地铁工程有严格限界规定，为降低工程成本，施工误差裕量已很小， 所以对施工测量精度有较高的要求。 ( 2 ) 测量空间狭窄、测量条件差，并有烟尘、滴水、人和机械干扰的可能。 ( 3 ) 施测对象灰暗，一般无自然光，光照不理想。 ( 4 ) 允许耗时短，有时需要现场提交成果。 ( 5 ) 测量的网型受地下条件限制，成果的可靠性主要依靠重复测量来保证。 ( 6 ) 环境监测任务重，地铁工程盾构掘进会对周围城市环境产生影响，其 中至少要对工程正上方及邻近地表建筑物的沉陷、倾斜或位移进行观测。 1 9 5 6 年以来，我国的测绘工作者在工程实践中勇于创新，不断尝试，逐渐 总结出了一套行之有效的地铁工程测量方法。从1 9 5 9 年我国第一条地铁的通车， 到1 9 7 0 年我国第一条使用盾构法修建隧道的贯通，都倾注了无数测绘工作者的 心血。1 9 9 9 年在全国各测绘生产单位和研究部门的努力下编写了地下铁道、 轻轨交通工程测量规范，这为以后的地铁、轻轨工程测量提供了很好的依据和 准则，也是我国的地铁、轻轨工程测量的一个里程碑。目前，在地面平面和高 程控制网的布设和测量、井上井下的联系测量、地下高程控制网的布设、变形 测量等地铁测量领域都有了长足的发展，形成了一套比较完善的理论和方法。 但是随着地铁施工技术的不断成熟，出现了许多新的测量问题，这就需要测绘 工作者不断完善地铁工程测量的技术。 随着光电技术、微电子技术、精密机械技术、计算机通讯技术、g p s 技术、 陀螺定向技术、激光技术的发展，推动了地铁工程测量新技术的发展。相继出 现了全站仪、g p s 、电子水准仪、陀螺经纬仪、激光指向仪、激光铅直仪等先进 的测绘仪器，改变了传统的测量方法，为地铁工程测量向现代化、自动化、数 字化、智能化方向发展创造了有利条件。目前，全站仪已广泛应用于小地区控 制测量、大比例尺地形图和各类工程测量中，在地铁工程中已基本替代了传统 的光学经纬仪。随着光、机、电、磁等现代技术的发展，新型全站仪集成了更 多新的功能，使观测精度进一步提高，并为仪器操作人员提供了更多方便。g p s 3 第1 章引言 是全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 的简称，它是由1 9 7 3 年美国国 防部研制的，历时2 0 年，耗资1 0 0 亿美元以上。它可以向全球用户提供连续、 实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息乜1 。与常规测量方法相比，g p s 因其具有定位精度高、观测速度快、经济效益高、不受天气影响等优点，被广 泛应用于测绘行业。g p s 在地铁、轻轨施工测量中主要应用于地面控制网的建立。 随着卫星测高精度的提高，g p s 在跨江跨海隧道工程控制测量的高程传递和地铁 工程竣工的运营过程中的地表变形监测等方面将发挥重要作用。电子水准仪( 又 名数字水准仪) 的出现，开创了水准测量自动化时代。与传统光学水准仪相比有 以下优点：读数客观、精度高、速度快、智能化、操作简单。由于电子水准仪 优点显著，目前己经开始应用于路线水准测量、变形监测、水文基准测量、工 业测量等各种领域。相信随着电子水准仪的不断普及，在地铁工程测量中将得 到广泛应用。 1 3 本文研究的意义及主要内容 地铁工程建设期长，投资大，测量工作贯穿始终。地铁、轻轨测量工作是 施工建设中不可或缺的一部分，测量在地铁、轻轨施工建设中的重要性是不言 而喻的，测量的精度直接决定了地铁工程质量的优劣。随着城市地铁工程建设 任务的剧增和新技术在测量中应用，工程测量人员要适应城市地铁建设发展形 式，掌握隧道工程测量新技术，运用经济、合理、快捷的测量方法，为城市地 铁施工提供高质量的测量数据成果。地铁建设的测量工作主要内容有：建立统 一的地铁平面和高程控制网，收集和测绘所需要的地形图、管线图；进行包括 车站和盾构贯通工程项目的施工测量；为调坡所需的竣工测量；配合机电设备 安装的定位测量；界限检测；地铁运营期间所进行的后期沉降、位移、倾斜等 监测工作。本文以实际工程为背景，研究几个目前在地铁、轻轨工程测量中尚 未得到很好解决的问题和一些新的仪器及技术在地铁测量工程中的应用。 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 详细探讨地铁、轻轨施工中的各项工程测量，如：地面控制测量、联 系测量、地下控制测量、隧道施工测量、竣工测量等。这样能全面、系统的了 解地铁、轻轨工程中测量的具体工作内容，这是本文研究的前提，也是必要的 基础。 4 第1 章引言 ( 2 ) 地铁隧道的贯通误差主要取决于地面控制测量、竖井联系测量、地下 控制测量以及隧道施工测量的精度和测量技术的手段，其中地下平面控制的主 要形式是支导线，其精度最难得到保障。本文从研究导线加测陀螺方位角和导 线不同的布设方案等方面出发，增强导线的强度，提高贯通精度。 ( 3 ) 全面的系统的研究线路计算的理论和方法，建立统一的线路正反算的 计算模型，为地铁或其它线路的中线测放、断面测量、轨道的检测等测量工作 提供一套有效的计算程序。 ( 4 ) 研究高精度全站仪( 如徕卡t c a 2 0 0 3 全站仪) ，电子水准仪在地铁测 量中的使用情况，对这类仪器在地下环境恶劣的情况下使用的可行性，具体的 技术指标，使用中的注意事项提出意见，以备参考。 ( 5 ) 结合工程实例对地铁站台数据测量提出一套有效的测量方法，用于确 定站台中各条线路的相对关系，进行几何精度分析，指导屏蔽门的设计与安装。 5 第2 章地铁、轻轨工程测量的主要内容 第2 章地铁、轻轨工程测量的主要内容 2 1 地面控制测量 地面控制测量的实质就是在较大范围内，以较高的精度对地面上一系列具 有控制意义的点进行测量，确定其三维坐标的工作。控制测量的作用是控制测 量误差的连续传播，保证测图和测设必要的精度，保证分区域施测能以一定的 精度连成一个整体。对于地铁工程而言，地面控制测量的主要任务是建立合适 的测量控制系统，提供可靠的控制点，为联系测量和地下导线测量提供起算数 据，同时也作为以后复核测量和竣工测量的起算数据，所以其地位非常重要。 为了便于使用和测量，地面控制网通常分解为平面控制网和高程控制网。 2 1 1 地面平面控制测量 在地铁、轻轨工程建设中，应沿线路独立布设平面控制网，控制网一般分 为两级，首级为g p s 控制网，二级为精密导线网。控制网的坐标系统可采用高 斯正形投影3 。带或任意平面直角坐标系统，也可沿用符合要求的城市坐标系 统。 由g p s 静态相对定位所测定的一组g p s 点构成的网称为g p s 控制网，其具 有观测点不需通视、全天候测量、观测时间短、精度高等优点。地铁平面控制 测量中g p s 控制网的主要技术指标为平均边长2 k m ，最弱点的点位中误差小于 1 2 m m ，相邻点的相对点位中误差小于l o m m ，最弱边的相对中误差小于1 9 0 0 0 0 。 布设应遵守以下原则口1 ： ( 1 ) g p s 控制网内应重合3 n 5 个原有城市二等控制点或在城市罩的国家一、 二等控制点。除对g p s 控制网内短边未知点构网观测外，还应包括重合点在内， 对控制网内构成长边图形观测，这种长边图形，宜为重叠的大地四边形或中点 多边形。 ( 2 ) 隧道洞口、竖井和车站附近应布设控制点，相邻控制点应有两个以上 的方向通视，其它位置的控制点间应至少有一个方向通视。 ( 3 ) g p s 控制网必须由异步独立观测边构成闭合环或附合线路( 按长边和 6 第2 章地铁、轻轨工程测量的主要内容 短边分别连接) ，每个闭合环和附合线路中的边数6 。 在首级g p s 控制网的基础上，布设二级精密导线网，精密导线应沿线路方 向布设，并采用附合导线或多个结点的导线网。精密导线选点时应符合以下要 求引： ( 1 ) 相邻边长不宜相差过大，个别边长不宜短于l o o m 。 ( 2 ) 精密导线点的位置应选在地铁、轻轨工程施工沉降变形区域以外。 ( 3 ) 点位应避开地下管线和地下建筑物。 ( 4 ) g p s 控制点与相邻精密导线点间的垂直角不应大于3 0 。 ( 5 ) 相邻点之间的视线距障碍物的距离以不受旁折光影响为宜。 ( 6 ) 应充分利用城市导线点。 ( 7 ) 在前、后期两条线路相交叉的地方设置共用的导线点。 精密导线测量的主要技术要求如表2 1 。 表2 1 精密导线测量的主要技术要求 平均导线 每边测角 测回数相邻点 方位 全长 的相对 边长 总长度 测距中 测距 中误 i 级 级角闭 相对 点位中 误差 相对 差 全站全站 合差 ( m )( k m )中误差闭合差 误差 ( r a m )( ) 仪仪 ( ) ( m m ) 3 5 03 5 61 6 0 0 0 0 2 546 5 五 1 3 5 0 0 08 注：1 1 为导线的角度个数 2 1 2 地面高程控制测量 地下铁道、轻轨交通工程测区采用统一的高程系统，并与城市原有高程系 统一致。地面高程控制网是在城市二等水准点下沿工程线路布设的精密水准网。 使用精密水准仪配合因瓦尺进行施测，并在在旅工前、施工中和进洞前分三次 复核，具体观测方法如下： ( 1 ) 往n - 奇数站上的观测次序为“后一前一前一后”，偶数站上的观测次序 为“前一后一后一前。 ( 2 ) 返测：奇数站上的观测次序为“前一后一后一前 ，偶数站上的观测次序 为“后一前一前一后。 7 第2 章地铁、轻轨- t 程测量的主要内容 ( 3 ) 每- - n 段的往测和返测分别在上午、下午进行，也可在夜间观测。 ( 4 ) 由往测转向返测时，两根标尺必须互换位置。 精密水准测量的主要技术要求如表2 2 3 | 。 表2 2 精密水准测量的主要技术要求 每千米高差中 附合水观测次数 往返较差、附合或环线 数中误差( m m )水准闭合差( m m ) 准路线 偶然 全中 平均长 仪等水准尺 中误 误差度( k i n ) 级 与已知点附合或环 平坦地 山地 联测线 差 往返测各往返测各 24 2 4 d s l因瓦尺 8 i2 石 一次 一次 注：l 为往返测段、附合或环线的路线长度( 以k 计) n 为单程的测站数 2 2 初测与定线测量 2 2 1 初测 初测的主要工作是沿小比例尺地形图上选定的路线，去实地测绘大比例尺 带状地形图。线路带状地形图测绘的比例尺可根据各设计阶段的需要选用1 ： 5 0 0 、l ：1 0 0 0 或1 ：2 0 0 0 ，局部地区可选用1 ：2 0 0 。线路带状地形图测绘可使 用传统的测绘法成图，也可采用数字化测图法。由于数字化测图自动化程度高、 作业时间短、精度高等特点，目前已基本取代了传统的测绘成图。测绘大比例 尺地形图时先建立图根控制，然后使用全站仪进行碎部测量，最后使用数字成 图软件绘图。 带状地形图测绘完成以后，还应对地铁、轻轨交通工程线路、联络线中线 两侧各1 0 0 m 及其车辆段范围内的地下管线、地下建筑物，跨越线路的建筑物、 水域地形和既有建筑物的基础等进行专题调查与测绘。 2 2 2 地面定线测量 定线测量就是将初步设计的中线移设于实地上的测量工作，也称放线。地 铁工程线路的初步设计和施工设计采用解析设计的方法，设计者依据地形图和 8 第2 章地铁、轻轨工程测量的主要内容 沿线的重要建筑物的位置设计线路的走向，因此，地铁工程地面定线测量不同 于地面铁路设计的草测、初测和定测，以及收集资料进行纸上定线、实地定线 的程序。地铁初步设计的线路设计者需要在实地核实后，才将初步设计阶段的 线路测设到地面上。地铁、轻轨的地面定线测量工作分为初步设计定线和施工 定线。初步设计定线是将线路转点和曲线元素点等控制桩和必要的加桩测设于 实地，一般采用解析法放样中线控制桩，在遇到困难时也可采用图解法。施工 定线测量是在施工图设计完成后，根据施工设计资料和施工定线任务书编制施 工定线测量方案进行定线。定线时在双线并行地段定右线，不并行的地段定双 线但以右线里程为准。施工定线桩点是作为施工单位开挖基坑和浇筑隧道结构 的依据，因此线路中线控制点测设完毕后，应将其串联成附合导线形式的线路 中线，进行线路中线测量，并进行严密平差。 2 3 联系测量 竖井联系测量是隧道贯通测量中的一个重要环节，它主要是通过竖井将地 面和地下控制网联系到统一的坐标系统中，把地面上控制点的坐标、方位角和 高程传递到地下隧道中去，作为地下导线的起算坐标和起始方位角，依此指导 和控制盾构掘进机的开挖施工并保证正确贯通。竖井联系测量方法包括平面联 系测量和高程联系测量两部分。 2 3 1 平面联系测量 平面联系测量的主要任务是将地面控制点的平面坐标和方位角的传递到地 下，其方法主要有一井定向、两井定向、竖井导线定向和陀螺经纬仪联合定向 等。但在具体的实施过程中，由于现场条件的限制，应用最多的还是联系三角 形一井定向。 2 3 1 1 一井定向 通过一只竖井传递坐标和方位角的方法叫一井定向，其具体做法如下：在 井筒中自由悬挂两根垂线。由于垂线较长，容易振动，为了使垂线很快达到稳 定状态，应将垂线下端的重锤浸入油桶中。这时认为同一垂线上各点的平面坐 标相同。为了方便理解，把地上和井下的观测网图形垂直投影在同一平面上， 9 第2 章地铁、轻轨工程测量的主要内容 如图2 1 。 ，一一、卜 b7，一7 一、一 ， ，c ，j ：三，。c b 图2 1 一井定向 a 、c 为地面控制点，b 、d 为井下控制点。在地面上测量三角形a o 。o ：中的三 条边长a 、b 、c ，并在a 点测- c a 0 2 = 缈，么q 4 0 2 = 口。在井t n 量三角形曰叫嘎 中的三边长a 、b 、c ，并在b 点测量z o i s o ；= 口，z o i s o = 国。边长a 应 等于边长a ，这可供校核用。 先由三角形a o 。0 2 解出b ，由三角形b d ：破解出b 。 矽：a r c s i n fs i n 口鱼l 、7 、 ( 2 1 ) ：a r c s s i n 口生1 。 l 以 然后再按c 、a 、0 2 、0 。、b 、d 的线路顺序推算方位角并计算坐标。 竖井定向测量时重要的是以很高的精度传递方位角，而传递方位角的精度 主要取决于b 的精度。因此，为了减4 , n 角误差m 。对待定角1 3 的影响，应在布 设图形时尽量缩小比值b a ，一般应使b 在场地许可的条件下尽量短些，而a 取 决于井筒的直径，应尽可能大些。为了减少测距误差对待定角b 的影响，应在 布设图形时使b 角尽可能小些，这意味着联系三角形应具有延伸三角形的形状， 即三角形三点近似在一条直线上h 1 。 2 3 1 2 两井定向 在一井定向中，如果井筒直径小，两吊丝间距也小，则垂线投影的误差对 支导线端点的横向位置有较大的影响。为了减小垂线投影误差的影响可采用两 井定向。在相距较远( 一般大于4 0 m ) 的两个井筒中各挂一根吊垂线，根据地面控 制点测定它们的平面坐标。在地下隧道中用导线联测这两根吊垂线，经过计算 1 0 第2 章地铁、轻轨工程测量的主要内容 可以求得地下导线点的坐标和导线边的方位角。这种将坐标和方位角传递到地 下去的方法叫做两井定向法。 x y 图2 2 两井定向 如图2 2 所示，a 、b 为两个竖井中垂线，其坐标分别为( x 彳，l ) 、( x 丑， ) 。隧道中用导线联测这两根吊垂线a 、b 。假设一个坐标系，其原点在a ，x 轴与a 1 边重合。 那么导线中各点在x 。】，坐标系中的坐标和方位角为： x ：= e s l c o s a j = e s ，s i n a ： ( 2 2 ) 口：= 口1 + i - 1 魄一1 8 0 ) a 1 边在朋坐标系中的方位角为： 口= a r c 锄囊专一a r c t a n 芝 q 3 ， 式中x ：，为b 点在z 】，坐标系中的坐标。 第2 章地铁、轻轨工程测量的主要内容 那么导线各点在x y 坐标系中的坐标和方位角为： 式中m 是长度比，为 2 3 2 竖井高程传递 口l2 口1 + a j ( 2 4 ) ( 2 5 ) m ：复坠二些二型( 2 6 ) t x ：七y ： 竖井高程传递是通过竖井把地面控制点的高程传递到地下的工作，竖井口 地下水准点经传递求得高程后，将作为地下水准测量的起始点。地铁工程中竖 井高程传递一般采用悬挂钢尺法( 见图2 3 ) 。 f u d f - 莆一 b l ， ， ， ， a ， 一 一 一救j ， - ， ，f ， 、 a 2 _ 一一l1 _ 1 b 一 一 i 图2 3 悬挂钢尺法高程传递 1 2 b 2 x r ，、 ， m q 出 3 一 c q q m c s ，l m+ 、 l 匕 ，、 = 、， x r，一 第2 章地铁、轻轨工程测量的主要内容 设a 为地面水准点，b 为地下水准点。为了联测a 、b 之间的高程，挂一长 钢尺( 零点在下) 、上下同时架设水准仪，分别读取口。、6 l 、口：、6 ：，则a 、b 间高差的近似值为： a 日= 瓴一口l4 - ( 6 2 一口2 ) = ( 6 。一口2 ) + ( 6 ：一口。) ( 2 7 ) 令= ( b i g 2 ) 为用钢尺丈量的两水准仪的视线间的距离，由于悬挂的钢尺受重 力、温度等影响，因此为了求得高程的精确值，还必须加上改正数。 ( 1 ) 温度改正数址， 设工作时尺子温度为t ，钢尺鉴定时是以t 。为标准温度计算了尺长鉴定改正 数。因此温度改正数缸，为： a l ，= “( f - - t o ) ( 2 8 ) 式中，口为钢尺的温度线膨胀系数。 ( 2 ) 尺长改正数址。 钢尺全长厶的鉴定改正数为瑟。，则： ， 地= - 昆r ( 2 9 ) l 0 ( 3 ) 尺子自重改正数战。 设尺子比重为y ，钢尺的弹性模量为e ，则钢尺位分段出受尺长自重影响下 的伸长量为： 比。：丝出 e 因此从口，至b 。之间的钢尺由自重引起的伸长量为： 缸，= f ：呜= 等出= 琶b 2 电2 ) = 争半 顾及这几项改正数后a 、b 间的高差为h 1 ： 日= + 址l + 三t + 皿口+ ( 6 2 一口1 ) 2 4 地下控制测量 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 地下控制测量包括平面和高程测量，用于指导盾构开挖的方向，在盾构推 进中担任了极为重要的任务。 1 3 第2 章地铁、轻轨工程测量的主要内容 2 4 1 地下平面控制测量 由于地下平面控制的特殊性，导线分为施工导线和施工控制导线两种。施 工导线是隧道施工中为了方便进行放样和指导盾构推进而布设的一种导线，它 的边长一般仅3 0 5 0 m 左右，以准确地指导盾构推进的方向。而施工控制导线 是为准确指导盾构推进、保证地铁隧道正确贯通而布设的精度较高的导线。控 制导线在直线段平均边长为1 5 0 m ，在特殊情况下，不应小于1 0 0 m ，在曲线段一 般边长不应小于6 0 m 口1 。施工导线的一部分点可作为布设的控制导线点。由于地 下导线在施工期间只能布设成支导线的形式，为加强检核，保证隧道的贯通精 度，所以导线测量中应采用往、返观测。并且在隧道开挖时，由于种种原因， 会使导线点发生变化，因此在每次延伸施工控制导线测量前，应对已有的施工 控制导线前三个点进行检测，如有变动，应选择另外稳定的施工控制导线点进 行施工控制导线延伸测量。 2 4 2 地下高程控制测量 地下高程测量包括地下施工水准测量和地下控制水准测量。地下施工水准 测量可采用s 。水准仪和3 米木制水准尺按照四等水准测量进行。地下控制水准 测量的方法和精度要求与地面精密水准测量相同，在隧道贯通前应独立进行三 次，并与地面向地下传递高程同步。 2 5 隧道施工测量 隧道施工测量的主要工作是标定隧道的设计线路中线、里程和高程，指导 隧道施工导向。应用盾构法掘进的隧道施工测量包括盾构井测量、盾构拼装测 量、盾构姿态测量和衬砌环片测量。隧道贯通后，应利用贯通面两侧平面和高 程控制点进行贯通误差测量。 2 6 线路中线调整测量 地铁工程一般由多个旌工单位施工，由于施工误差、测量误差，各单位旌 1 4 第2 章地铁、轻轨工程测量的主要内容 工的隧道线路中线不会准确的在设计位置上，因此必须进行线路中线的调整测 量。线路中线实测值与设计值比较偏移量较小时，将其调整到设计位置即可， 当偏移量超限时，调整到设计位置时要入侵界限，影响行车安全，所以要进行 隧道线路平面和剖面的设计变更。线路中线调整的步骤如下： ( 1 ) 在贯通面两侧的高级控制点之间进行附合导线形式的线路中线测量， 并将各线路中线点按新坐标值归化到设计位置上。 ( 2 ) 以归化后的线路中线为依据，进行隧道线路结构净空断面测量和高架 线路结构横断面测量。 ( 3 ) 当采用剔凿的办法还不能满足净空界限要求时，应变更线路平、剖面 设计，并应重新进行修改后的线路中线测量和接近界限地段的净空横断面测量。 ( 4 ) 改线后对线路中线进行定测。 2 7 变形测量 地铁工程大都穿越城市繁华地区，埋深浅，地层岩石条件复杂，且多数情 况下采用暗挖形式，因此在隧道工程施工期间，为了保证工程的安全和质量， 应对隧道自身的结构和建筑物、工程沿线变形区域内的地表建筑物、道路以及 地下建筑物、地下管线设施等变形测量。同时，在地铁工程投入运营以后，由 于监测对象仍未稳定，或由于动荷载的增加使地铁结构和沿线环境产生变形， 在这种情况下必须进行运营阶段的变形测量。可见地铁工程中的变形测量是一 项长期而且十分重要的工作 地铁变形测量的主要内容有以下3 部分： ( 1 ) 施工阶段支护、结构工程的变形测量。 ( 2 ) 施工阶段沿线环境的变形测量。 ( 3 ) 运营阶段线路、结构和环境的变形测量。 地铁变形测量监测对象范围比较广，且变形体具有各自的特殊性，因此根据 变形的特点和作业的环境选用合适的测量方法和测量仪器非常重要。如沿线地 表沉降观测和地面建筑物变形测量可以运用传统的大地测量方法使用精密水准 仪和精密电子全站仪进行测量，也可使用近景摄影测量的方法。 由于观测阶段、观测的对象不同，变形观测的等级和精度也不同，具体内 容见表2 3 瞄1 。 1 5 第2 章地铁、轻轨工程测量的主要内容 表2 3 变形测量的等级划分、精度要求和适用范围( m i l l ) 垂直位移测量水， ，位移测量 变形测量等级 变形点的高相邻变形点变形点的点位适用范围 程中误差高差中误差中误差 线路沿线变形特别敏感的超高 i0 3 0 11 5 层、高耸建筑物、精密工程设施、 重要古建筑和地下管线等 线路沿线高层、高大建筑物；地 铁施工中的支护、结构、管线， i io 5 o 33 0 隧道拱下沉、结构收敛和运营中 的结构、线路变形 线路沿线多层建筑物、地表沉降 i i i1 o 0 56 o 及施工和运营中的次要结构 注：变形点的高程中误差和点位巾误差是对最近变形监测控制点而言。 2 8 竣工测量 竣工测量记录了地铁工程地面、地下建筑物竣工后的实际位置、高程以及 形体尺寸、材质等重要情况，是反映、评估施工质量的技术材料。应作为工程 进行交接验收，管理维护，改建扩建的重要依据；作为建设及运行管理单位必 需长期保存的技术文件；更是国家建设行政管理部门进行监督审理，国有产业 必备归档的主要技术档案。竣工图的编制和测量，一般由各承办施工单位负责。 按工程施工技术规范和地下铁道、轻轨交通工程测量规范的有关规定执行。但 对某些施工中变动较多、技术复杂、竣工测量繁重的项目，或涉及全线整体质 量评估及行车安全的项目，应统一由建设单位主持、组织或委托勘测单位测绘。 地铁的竣工测量包括线路轨道竣工测量、区间路线车站结构竣工测量、沿 线相关设备竣工测量、地下管线竣工测量。竣工测量采用的坐标系统、高程系 统、图式等应与原施- r n 量相同。对施工中无变动的项目应采用调查和检测的 方法，对于已变更施工设计的项目应按实际位置进行竣工测量。竣工测量的基 本方法和精度要求与施工测量相同。竣工图应正确反映竣工建筑物的位置、高 程以及形状、材质等内容，并能作为工程验收的重要技术资料。竣t _ n 量成果 超过设计限差时除应在现场明显标示外，还应专题上报。竣工测量完成后应提 交竣- r n 量成果表、竣工图、竣工报告。正式竣工图包括线路平面竣工图、线 1 6 第2 章地铁、轻轨工程测量的主要内容 路纵断面竣工图、线路净空横断面竣工图、线路轨道铺设竣工图或竣i n 量表、 线路区间，车站主体结构，站厅、站台建筑装饰等有关净空界限的竣工图、沿 线相关的地下管线竣工图、综合管线竣工平面图、沿线相关设备的安装竣工调 查表。 1 7 第3 章地铁盾构隧道贯通误差分析与精度估算 第3 章地铁盾构隧道贯通误差分析与精度估算 随若我国城市化步伐的加快，地铁工程建设在各大城市中得到高度重视。 地铁隧道的施工方法通常因为工程性质和地质条件的不同而存在差异：浅埋隧 道可以采用明挖法，深埋隧道和软质土层多采用盾构法开挖，而硬质土层则采 用矿山法。盾构法是利用盾构机在地面以下暗挖隧道的一种施工方法。盾构法 施工由于自身的优点，近年来，在各大城市如上海、南京和广州等得以广泛采 用。盾构法施工具有以下优点： ( 1 ) 自动化程度高、劳动强度低、施工速度较快。 ( 2 ) 地面作业很少，隐蔽性好，因噪声、振动引起的环境影响小。 ( 3 ) 施工时不影响地面交通与设施，穿越河道时不影响航运。 ( 4 ) 施工不受气候、天气、潮汐等影响。 城市中地铁最大贯通距离一般不超过1 5 k m 。但是随着盾构技术的不断成熟 以及工程建设的需要，长距离甚至超长距离的地铁隧道工程也渐渐出现。上海 轨道交通9 号线一期工程中，九亭站至中春路站间的隧道长约2 2 k m ，红梅路站 至桂林路站间的隧道也长达2 k m ，其它车站问的隧道很多都超过了1 5 k m 。目前 在建的连接大陆与长兴岛的上海长江隧道更是长达7 5 k m 左右。这些工程的出 现给我们测绘工作者提出了新的难题，长距离盾构隧道能否顺利贯通需要我们 测绘工作者的智慧与努力。 3 1 地铁隧道贯通误差的来源与分配 由于地铁隧道的施工大多采用盾构掘进，所以盾构推进方向的测量，必须 是高精度和高可靠性的。贯通测量是在两个已建成的地铁车站的隧道预留洞之 间进行的测量，是指导盾构准确到达竖井的预留洞门重要方法，因此贯通测量 在地铁盾构施工中起着很重要的作用。隧道贯通测量的目的，是使盾构准确地 沿设计轴线开挖推进，并进入接受井中的预留洞门。由于盾构法隧道工程施工 是从一侧竖井掘进至另一侧竖井，这就必然会在线路上产生误差，这种盾构机 头中心与预留洞门中心的偏差值称为贯通误差。贯通误差在中线方向上的投影 1 8 第3 章地铁盾构隧道贯通误差分析与精度估算 长度称为纵向贯通误差；在垂线上的投影长度称为竖向( 高程) 贯通误差；在 垂直于中线方向上的水平投影长度称为横向贯通误差。纵向贯通误差影响隧道 中线的长度，不影响隧道中线的方向，所以只要它不大于定测中线的误差即可。 竖向贯通误差会影响隧道的坡度，要求较高，但实际经验表明，应用水准测量 的方法容易达到所要求的精度。而横向误差会影响隧道有效断面的大小，是衡 量隧道掘进准确度的标准，但要减小横向贯通误差比较困难，因此测绘界一般 提及贯通误差就是指横向贯通误差瞄，。 3 1 1 地铁隧道贯通误差的来源 贯通测量从地面控制点出发，经过竖井联系测量传递到地下，然后经地下 控制测量传递到开挖工作面附近，这过程中的测量工作必然伴随着误差，施工 中的贯通误差就包含有这些控制测量误差的累积。结合工程实践，研究地铁贯 通误差的来源，一般认为地铁贯通测量的误差，主要来自于以下5 道测量工序： ( 1 ) 地面控制测量误差； ( 2 ) 盾构出洞处竖井联系测量误差； ( 3 ) 盾构进洞处洞门中心坐标测量误差； ( 4 ) 地下导线测量误差； ( 5 ) 盾构姿态的定位测量误差； 3 1 2 地铁隧道贯通误差的分配 根据地下盾构施工的实际情况，横向贯通误差主要由以上5 道测量工序的 误差决定，其它因素影响较小可以忽略不计。若设各项误差影响相互独立，则 有： m = m ? + 肘；+ m ；+ m ；+ m f f ( 3 1 ) 式中：m 横向贯通中误差； m 地面控制测量引起