一井联系测量技术及在城市地下综合管廊深井中的应用论文_孙维振,杨雅伟,惠昆勃,郭树涛

摘要：在地下工程中通过平硐、斜井及竖井将地面上的坐标系统及高程系统传递到地下，使井上下采用统一的坐标系统，该项工作称为联系测量。联系测量的目的是把井上下坐标统一起来，并绘制井上、井下对照图。本文对一井联系测量技术与精度分析进行说明，并结合城市地下综合管廊深井工程实例应用进行了可行性研究。该技术的引入可改善传统联系测量方法，无论是测量作业效率，还是测量结果的精度都得到了很大的提高，具有广阔的应用前景。

关键词：坐标系统；高程系统；联系测量；深井工程

引 言

地下工程测量是地下综合管廊深井工程中必不可少的部分，可以说是地下工程测量的“眼睛”，为城市地下综合管廊深井施工提供数据资料和各类图件等。城市地下综合管廊深井工程测量主要包括：建立地面控制网，地面和地下的联系测量，顶管施工中的高程及偏移量控制测量。本文结合深井工程实际概况，通过联系测量的操作流程及工程应用，分析总结出联系测量在实际工程中的实施方法及关键环节，为解决类似工程问题提供指导和技术支持。

1 一井定向的投点与连接

1.1 一井定向的方法

一井定向方法有连接三角形法、四边形法和适用于小型矿井的瞄直法。在城市地下综合管廊工程中一井定向一般采用三角形法连接，如图1-1所示，图中O1、O2为井筒中悬挂的垂线点，其中C、C´分别表示地面和井下的连接点，地面D、E为连测导线点，D´、E´为井下定向基点。以O1O2C和O1O2C´，通称为连接三角形。

图1-1

在选择井上下连接C和C´时，应该满足以下要求：

（1）点C与D及点C´与D´应该彼此通视，在C点进行水平角观测，其仪器必须对中三次，每5次对中应将照准部或基座位置交换120o。

（2）点C和C´应尽可能地设在DC边延长线上。

（3）点C和C´应适当地靠近最近的垂球线。

1.2 投点

采用连接三角形进行一井定向时，要在井内挂两根垂球线，投点时，一般都采用垂球线单重投点法，即在投点过程中，垂球的重量不变。

垂球线投向的误差是一个立井几何定向时，由于垂球线的偏斜，引起的两垂球线的方向误差，即投向误差，以θ表示，θ值的大小直接与投点误差e的大小及方向有关，如图1-2所示。

（a） （b）

图1-2 垂球线的投向误差

图中 A0、B0——垂球线在地面上的位置；

A´、B´——垂球线在定向水平上偏斜后的某一位置；

eA、eB——A0、B0在定向水平上的投点线量误差；

φ´——垂球线的偏斜方向与两垂球线连线方向的夹角；

θ´——垂球线在某一偏斜情况下所引起的投向误差；

c——两垂球线之间的距离

利用觇标对中误差的推导方法可得到

由此可知，要减少投向误差，必须加大两垂球线间的距离c和减少投点误差之值。但是由于深井直径的限制，增大距离c受限，因此只有采取精确投点的方法。

人为地使垂球线在某一角度自由摆动，用两台经纬仪T1、T2分别按标尺M、N观测钢丝摆动的左右最大位置的读数，多次读数取平均值，作为钢丝铅直状态的位置读数。按照上面的步骤进行两次观测，当差值不大于1mm时，取其平均值为最终值。然后根据最终结果按标尺M、N用经纬仪T1、T2来固定钢丝位置。

1.3 连接

连接三角形法的示意图如图1-3所示。由于不能在垂球线A、B点安设仪器，因此，选定井上下的连接点C与C´，从而在井上下形成了以AB为公共边的三角形ABC和ABC´，一般把这样的三角形称为连接三角形。从井上下连接三角形的平面投影图1-3（b）可看出，当已知D点坐标及DE边的方位角和地面三角形各内角及边长时，便可按导线测量计算法，算出A、B在地面坐标系中的坐标及其连接的方位角。同样，已知A、B的坐标及连线的方位角和地下三角形各要素时，再测定角δ´，就能计算出井下导线起始边D´E´的方位角及D´点的坐标。

（a）（b）

图1-3 连接三角形示意图

在选择井上下连接点C和C´时，应满足下列要求：

（1）点C与D及点C´与D´应彼此通视，且CD和C´D´长度应尽量大于20m，当CD边长小于20m时，在C点进行水平角观测，其仪器必须对中三次，每次对中应将照准部（或基座）位置变换120°；

（2）点C与C´应尽可能在AB的延长线上，是三角形的锐角γ应小于1°，这样便构成最有利的延伸三角形；

（3）点C与C´应适当的靠近最近的垂球线（图1-3（b）中，地面为B，地下为A），使a/c及b´/c的值应尽量小一些。

连接三角形水平角的实测方法及限差如下表所示：

2 陀螺经纬仪的定向

立井几何定向占用井壁，影响管廊施工，并且操作复杂，需要较多的人力和物力。陀螺经纬仪可以克服这些缺点，用陀螺经纬仪定向，可采用跟踪逆转点法或逆天法进行。

2.1 陀螺经纬仪定向

由于陀螺仪轴衰减微弱的摆动系数保持不变，故其摆动的平均位置可以认为是假象的陀螺仪轴的稳定位置。仪器常数Δ可以在已知方位角的精密导线边或三角网边上直接测出来。图2-1（a）中精密导线边CD的地理方位角为A0。若把陀螺经纬仪安放在C点，通过陀螺运转和观测可求出CD边的陀螺方位角，Δ=HA-αT，若把陀螺经纬仪安放在C´点，如图2-2（b）所示，可以测出C´D´边上的陀螺方位角αT，及A=αT+Δ。

（a） （b）

图2-1 陀螺仪定向示意图

2.2 粗略定向

在测定已知边和定向边的陀螺方位角之前，必须把经纬仪望远镜视准轴调置于近似北方，也就是所谓粗略定向。粗略定向最常用的方法为两个逆转点法。当接近摆动逆转点时，光标像移动慢下来，制动照准部，改用水平微动螺旋继续跟踪，达到逆转点时，读取水平度盘读数u1；松开制动螺旋，按上述方法继续向相反方向跟踪，到达另一逆转点时，在读取水平度盘读数u2。锁紧灵敏部，制动陀螺马达，按下式计算近似北方在水平度盘上的读数：

2.3 精密定向

精密定向就是精确测定已知边和定向边的陀螺方位角。精密定向方法可分为两大类：一类是仪器照准部处于跟踪状态，即逆转点法；另一类是仪器照准部固定不动，目前普遍使用的是中天法。

图2-2用逆转点观测 图2-3用中天法观测

3 高程导入测量

3.1 导入高程的实质

高程联系测量的任务，就在于把地面的高程系统，经过平硐、斜井或立井传递到地下高程测量的起始点上，其目的是建立井上、井下统一的高程体系。在城市地下综合管廊深井中高程联系测量的方法有长钢尺导入法、长钢丝导入法和光电测距仪导入法等。

3.2 钢尺法导入高程

目前在国内外使用的长钢尺有500m、800m、1000m等几种类型，用长钢尺导入高程的设备及安装如图3-1所示。

图3-1用长钢尺导入高程

钢尺通过井盖放入井下，到达井底后，挂上一个垂球，拉直钢尺，使之居于自由悬挂位置，垂球质量一般为10kg，下放钢尺的同时，在地面及井下安平水准仪，分别在A、B两点所立水准尺上读取读数a和b，然后将水准仪照准钢尺，当钢尺挂好后，井上、下同时读取m和n。最后再在A、B水准尺上读数，检查仪器高度是否发生变动。用点温计测定井上、下的温度t1、t2。根据上述测量数据，就能求得A、B两点之高差为：

3.3 钢丝法导入高程

目前我国长钢丝甚少，当井较深时，采用短钢尺相接的办法耗时耗力，因此，在城市地下综合管廊深井工程中一般不用此法。

3.4 光电测距仪法导入高程

用光电测距仪导入高程的原理如图3-2所示。测距仪G安置在井口附近处，

图3-2 光电测距仪导入高程

在井架上安置反射镜E（与水平面成45°角），反射镜F水平置于井底。用仪器测得光程长S（ ），仪器G至反射镜E的距离为l（ ），由此得井深H为：

式中 ——光电测距仪的气象、仪器常数等总修正数。

在井上、下分别安置水准仪，读取立于E、A及F、B处水准尺的读数e、a和f、b。则水准基点A、B之间的高差为：

则B点的高程为：

4 一井联系测量精度要求

4.1 地面趋近导线测量

地面趋近导线应附合在精密导线点上，除近井点设置固定标志外，其它地面趋近导线点均可设置临时标志，地面趋近导线全长不宜超过350m，平均边长60m，最短边长应大于30m，趋近导线应采用严密平差，其近井点的点位中误差控制在±10mm之内。

4.2 联系三角形定向

联系三角形定向均应独立进行多次，城市地下综合管廊工程中一般进行三次定向，最终取三次的平均值作为一次定向的结果。井上、井下联系三角形应满足下列要求：两悬吊钢丝间距应大于5m；定向角α应小于1°；a/c及a´/c´的比值应小于1.5。联系三角形边长测量应采用检定过的钢尺，能估读至0.1mm。每次应独立测量三测回，每测回往返三次读数，地上各测回之差应小于0.5mm，地下各测回之差应小于1mm，地上与地下测量同一边的差值控制在2mm以内。

角度观测应采用Ⅱ级全站仪或DJ2级光学经纬仪，用全圆测回法观测四个测回，测角中误差控制在±4"以内。各测回测定的地下起始边方位角差值控制在20"以内，方位角平均值中误差控制在12"以内。

4.3 高程传递测量

采用在竖井内悬吊钢尺的方法进行高程传递测量时，地上和地下安置的两台水准仪应同时读数，并应在钢尺上悬吊与钢尺检定时相同质量的重锤。

传递高程时，每次应独立观测三个测回，每测回应变动仪器高度，三测回测得地上、地下水准点的高差应小于3mm。

5 工程实例

5.1 工程概况

雁南一路缆线管廊位于雁南一路北侧，西起长安南路，东至翠华路；翠华路段位于翠华路东侧，自翠华路与雁南一路十字向南延伸至翠华路与翠薇路十字。管廊工程总长度约 1.18km，采用顶管法施工，沿线路前进方向共布置 9 口竖井，竖井采用一井联系测量技术。

5.2 一井定向

基于本工程深井的深度及截面尺寸，本深井工程采用一井联系测量方法三角形定向，用钢尺法导入高程。

在深井内悬挂两根直径为0.8mm的具有相当强度和韧性的钢丝至井底，下端各悬挂50kg的重锤，并置于装有油的油桶中。

本工程深井采用采用连接三角形，具体示意图如图5-1所示。

具体已知数据及测量数据如下：

近井点D至连接点C方位αDC=163°56´45´´，Xc=55.085m，Yc=1894.572m，地面连接三角形观测值γ=0°03´06´´，井下连接三角形观测值γ´=0°27´01´´，加修正数后各边边长a=8.3359m，b=12.005m，c=3.0697m，a´=4.8526m，b´=7.9237m，c´=3.0720m，观测角及导线长：∠BC´E=91°29´08´´，∠C´EF=165°56´09´´，∠EFG=185°54´23´´，IC´E=33.852m，IEF=43.256m，IFG=48.062m。

求出井下导线起始边FG的方位角及坐标是准确测量的关键，求解三角形的具体过程如下：

（1）对于延伸三角形，垂球处角度α、β按正弦公式计算：

，推出α=0°8´25.09´´ β=179°48´28.93´´

（2）角度残差平分配，由于α+β+γ=180°，则ΔV=0°0´0.02´´，平差后

α´´=0°08´25´´，β´´=179°48´29´´

（3）边长平差，设c计是计算出的c边长，c丈是实地丈量的c边长，则有

c计2=a2+b2-2abcosγ d=c丈-c计

井上连接三角形中d=2mm，d≤2mm，井下连接三角形d≤4mm，符合≪城市轨道交通工程测量规范≫要求，算出c计=3.0693m，丈量边长修正数

Va=-d/3，Vb=+d/3，Vc=-d/3，加入修正后a´´=8.3358，b´´=11.4054m，

c´´=3.0696m。

（4）按一般导线计算井上井下连接三角形坐标，具体计算数据如表5.2。

表5-2 连接三角形连接井上井下坐标计算

5.3 导入高程

本深井工程采用钢尺法导入高程，具体导入原理及设备安装如图5-3所示。

图5-3导入高程示意图

钢尺通过井口到达井底后缀质量为10kg重锤，放入盛有油的油桶中，地面以及井下安装好的水准仪同时读数a=1.635m，b=1.521m，当钢尺挂好拉直后，井上井下同时读数m和n分别为：m=13.362m，n=2.855m，然后再返回读取水准尺上的读数，并检查仪器自身高度是否发生变动。最后根据上述数据得出A、B两点的高差为：h=（b-a）+（m-n）+ΣΔL

式中ΣΔL表示钢尺总修正数，包括钢尺长度、自重、温度和拉力等修正，修正后h=10.866m。

结 语：

一井联系测量技术在暗挖工程和矿山开挖工程中运用相对较多，本文论述的一井联系测量技术在城市地下综合管廊深井工程中的应用，一方面对管廊深井测量提供技术支持，另一方面提高了测量的质量、效率和准确度，对整个施工进度起到了关键作用，该技术在城市地下综合管廊深井中成功的应用，并总结出一套相对娴熟的测量方案，后期可以广泛推广，为深井工程以及类似工程提供参考。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，城市轨道交通工程测量规范：GB50308-2008[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]刘相法；城市地下工程定向测量及监测技术研究[D]；东南大学；2006年

[3]莫中生；联系三角形定向在地铁盾构隧道中的应用分析[J]；隧道建设；2011年05期

论文作者:孙维振,杨雅伟,惠昆勃,郭树涛

论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期

论文发表时间:2020/1/18

标签：角形论文;  钢尺论文;  高程论文;  测量论文;  深井论文;  方位角论文;  读数论文;  《基层建设》2019年第27期论文;