地铁竖井高程联系测量方法探析

伍月

摘要：本文通过工程实例，采用水准测量法、全站仪三角高程测量法、悬挂钢尺法三种方法，进行了地铁竖井高程联系测量试验。通过实测数据，论证了悬挂钢尺法传递高程是一种简便高效、精度可靠的方法，以供同类项目参考。

关键词：联系测量；悬挂钢尺；钢尺参数；温度张力改正；三角高程

引言

目前，地铁施工主要通过水准测量的方法进行高程测量，按现有的仪器精度及方法，已能达到相当高的精度。但是，在进行竖井高程联系测量、将地面高程传递至地下时，由于施工场地限制，利用水准测量难以测得距离短、高差大的地上地下两点间高差。

因此，采用何种方法，既简便高效，又能最大限度的提高测量精度，满足地铁施工要求，具有重要的实践意义。

本文以成都地铁X号线XX站为实例，对三种竖井高程联系测量方法进行了探究，讨论了各种方法在实际应用中的优缺点、实用性及局限性，并着重说明了悬挂钢尺法的各项误差及其改正方法。

1工程概况

成都地铁X号线XX站：地下二层侧式车站，长195m，含4个出入口、2个消防出入口、2座风亭。XX站～XX站盾构区间：3座竖井、1座联络通道兼泵房，XX站前明挖段及竖井长197.787m，左线盾构隧道总长715.780m，右线盾构隧道总长733.913m，在明挖段大里程端头设盾构始发井。

我们在对上述盾构区间进行始发联系测量检测时所得的高程结果，与施工单位高程数据出入较大。经核实：其施工单位在进行竖井高程联系测量时，采用悬挂钢尺的方法，将地面高程引入地下；在悬挂钢尺过程中，未考虑温度、张拉力等影响。且在我方进行测量检测时，施工单位为了防止钢尺晃动，直接将用于平面两井定向固定钢丝的约15kg重锤吊于钢尺底部，用于固定钢尺。随即，我们对这一不正确的方法进行了更正。在对地铁X号线及其他线路测量检测时同样发现：较多的施工单位在进行竖井高程联系测量时，均采用了悬挂钢尺方法。但其操作并不规范，对钢尺标准拉力、温度改正等，亦没有具体概念。

2竖向高程传递的基本方法分析

2.1水准测量法

外业作业时，按照《城市轨道交通工程测量规范》一等水准测量要求，进行往返测量。首先将高程从地面已知点DTS077，引测到近井点ZD1，再进行高程联系测量，将高程传递至地下点XYD1。因现场施工场地限制，高程联系测量仅能通过宽度狭小的施工便道进行，仪器架设不便，前后视距离难以控制，操作难度较大。最终耗时3h，通过转点20次（单边）完成了联系测量工作。得到的最终测量成果，见表1：

表1：一等水准测量测段往返测高差较差及精度统计表

2.2全站仪三角高程法

2.2.1三角高程的观测方法采用单棱镜全站仪中间设站法，将全站仪架设在地上和地下两控制点中间，分别测出地上点到全站仪的高差和地下点到全站仪的高差，再计算出地上点到地下点之间的高差。具体操作过程为：在井口处任意位置架设全站仪，在ZD1上架设棱镜，观测全站仪至ZD1的高差ΔHZD1；然后，将该棱镜搬至地下点XYD1上，观测全站仪至XYD1的高差ΔHXYD1。此时，ZD1至XYD1的高差：ΔH=ΔHXYD1-ΔHZD1。测量示意图，见图1：

图1全站仪中间设站法三角高程测量示意图

2.2.2三角高程的误差来源及应对措施三角高程的主要误差为：测角误差（竖直角）、测距误差、仪器高量取误差、目标（棱镜）高误差、大气折光误差。

对其分析和应对如下：

（1）采用高精度TS30全站仪（测距精度0.6mm+1ppm），并加入温度、气压等各项距离改正，尽量缩短前后视距离及距离差，来提高测距精度。

（2）采用高精度徕卡TS30全站仪（测角精度0.5”）、ATR棱镜自动识别技术测量，减小测角误差。通过增加测回数，正倒镜测量，多次测量求平均值，来提高测角精度。

（3）在观测地上点及地下点时，采用同一个棱镜对中杆，且不变换高度；将棱镜头固定在对中杆上之后，便不再取下。采用单棱镜全站仪中间设站法，全程不用量取仪器高和棱镜高，以最大程度减少量高误差对测量精度的影响。

（4）大气折光差主要受距离影响，随着距离的增加而急剧增加。而在地铁竖井联系测量中，在短时间内相同环境下观测、边长一般不超过100m时，此项误差影响极小。

2.2.3三角高程测量的实施在井口处任意设站，共测量6组数据。组与组之间变化仪器高时，在不同位置进行。每组测量数据按正倒镜测量取平均值，作为每组的最终结果。所得测量结果，如表2：

表2：全站仪三角高程测量成果表

由表2可知：采用TS30全站仪进行三角高程传递高程的各测回中，其最大测量值与最小测量值之差为1.8mm；各观测值与平均值较差最大为-1.1mm。观测中垂直角正倒镜指标差较差，最大为4.9秒。

2.3悬挂钢尺法

2.3.1钢尺影响因素及技术指标分析在竖直测量时，影响钢制卷尺测量精度主要有三个因素：温度、尺带的张力和尺带本身重力引起的误差。改正方法如下：

（1）温度前提：尺带在20℃温度时无误差。

计算式：因温度发生误差Δ1=实际测定值×尺带膨胀系数×（使用温度-20℃）。

金属的热胀冷缩，影响钢尺的长度。钢尺的膨胀系数一般在1.15×10-5～1.26×10-5之间，一般取值1.15×10-5。

（2）尺带的张力尺带在标准张力下，不需要张力改正。当尺带高于或低于标准张力时，会产生伸缩现象。

计算式：因张力产生的误差Δ2=（实际测定张力-标准张力）×实测距离&pide;（伸缩弹性力×尺带的截面面积）。

由上式可见，张力误差需要确定钢尺的伸缩弹性力、尺带截面面积这两个技术参数。不同钢尺的伸缩弹性力相差不大，一般取值205800（N/mm2）。但是，不同钢尺的尺带截面面积，却不慎相同。国外钢尺厂商，大多给出了钢尺相应的技术参数指标；而国内很多钢尺厂商，并未给出这些参数指标，还需人工测定钢尺的尺带截面面积参数。

（3）尺带竖直测量时，尺带自身重量引起的误差钢卷尺检定规程规定：钢卷尺的鉴定状态为平铺在卷尺鉴定台上。钢尺在竖直悬空进行测量时，其尺带自身重力，还会引起额外的改正。

图2悬挂钢尺测量示意图

为确保传递结果稳定、可靠，每次高程传递均采用同一把钢卷尺；水准仪与钢尺的观测距离不能太远，以减少读数误差；尽量在风小或无风的时候观测，以避免风力的不良影响。传递高程时，测回间变动仪器高，各测回间测得地上、地下水准点间的高差应小于3mm。

2.3.3观测的实施为规范标准，减少钢尺系统误差对测量结果的影响，本次测量采用经鉴定合格的日本田岛公司（TAJIMA）50m工程用长钢卷尺HSP-50N，所给出的钢尺各项基本参数为：尺带膨胀系数0.0000115，零误差温度20度，标准张力50N，伸缩弹性力205800N/mm2，尺带截面面积1.29mm2；同时配备电子秤用于张力测量，温度计用温度测量。

测试时，我们针对各施工单位在施工现场进行悬挂钢尺的四种常见操作方式，进行了模拟实验：一是钢尺自然悬吊，由底部尺带和尺架重量产生张紧力，不再用重锤固定（实测卷尺底部尺带和尺架重量为0.53kg）；二是与标准张力相同的重锤（5.1KG/张力50N），吊于钢尺底部；三是10kg重锤吊于钢尺底部；四是施工单位现场用于平面两井定向的15KG重锤，吊于钢尺底部。

模拟上述四种不同重量重锤所产生的不同张紧力，分别在两个时段，对其四种测试重量、共八对测试结果加以比较；并在悬挂钢尺过程中，同时记录上、下两处的观测温度和重锤的重量。所得测量结果，见下表3、表4：

表3：6.9℃下不同张力的观测结果

（地上温度：6.0℃地下温度：7.8℃平均温度：6.9℃测段：ZD1～XYD1）

由表5可知：采用悬挂钢尺法测量高差时，经温度、张力及自重改正后，各测回结果波动较小。最大测量值与最小测量值之差，仅为0.7mm；各观测值与平均值较差最大为-0.4mm，测量稳定性较高。

当钢尺底部不用重锤固定、而仅用底部尺带和尺架重量施加拉力时，因产生的张紧力不足，尺带伸直度略有不足。所测得的两组高差结果-16.0904m、-16.0903m，与其他6组数据相比略微偏大。

3地铁竖井高程联系测量方法结果分析与比较

3.1三种方法测量结果比较

悬挂钢尺法、全站仪三角高程法测量结果与一等水准测量结果对比，见表6、表7：

由表9可知：本次采用悬挂钢尺法测量的地下高程点XYD1与施工单位测量结果较差为-4.8mm，小于成都地铁公司《成都地铁施工测量管理细则》“明挖车站、明挖区间、矿山法竖井、盾构始发井：地下高程点高程的互差≤±5mm”的要求。施工单位高程联系测量成果满足限差要求，可以继续引导盾构施工。

4结论与启示

（1）水准测量精度较高，数据可靠。但由于高差较大，转点较多，耗时长，效率低；且受施工影响，路线选择不变，仪器操作困难。甚至在某些工点上，出现水准测量无法进行的情况。

（2）全站仪不断发展，测量精度越来越高。我们在高速铁路进行桥上桥下高程联系测量的实践也证明：采用单棱镜全站仪中间设站法进行三角高程测量，能够满足高速铁路高程传递的精度要求。但地铁施工受场地限制，测量距离短、高差大，造成观测时俯仰角（垂直角）较大，对测量成果的精度和可靠性有一定影响。这就需要在不同位置设站，多次测量求平均值；且在各测回间测量高差偶然性波动不大的情况下使用，才能保证其测量结果。

（3）悬挂钢尺传递方法操作简便，不受施工干扰，在对各项影响因素进行正确改正后，精度准确可靠。但需要注意各种影响因素：悬吊检定合格的钢尺，在风力小的环境测量，进行温度、拉力、自重等尺长改正——这也是测量人员经常容易忽略的部分，成为影响悬挂钢尺测量精度最大的问题所在。

此外，钢尺的温度改正，较为简单；而拉力改正，还必须确定钢尺尺带截面积的参数数据。不同钢尺尺带截面积不尽相同，而许多钢尺又并未给出尺带截面积参数。因而还得进行人工测量，造成拉力改正项目较为繁琐、甚至改正错误。

鉴于拉力改正对测量结果影响巨大，建议施工单位采用标准拉力进行测量。如此，便不需进行拉力改正；其测量改正更加简单，数据精度也更加可靠。

三种方法的试验结果表明：悬挂钢尺法进行地铁竖井高程联系测量与另外两种方法相比较，在保证精度的同时、也更加简便高效。

在随后的成都地铁各线测量检测中，我们指导各施工单位测量技术人员正确地使用该方法，保证了地铁测量精度与施工质量。

参考文献：

[1]《钢卷尺检定规程》JJG4-2015

[2]《城市轨道交通工程测量规范》GB50308—2008

[3]《成都地铁工程施工测量管理细则》成地铁建〔2014〕93号

[4]胡建华，高茜，尹德山《钢卷尺实际测量中温度、拉力及测量状态的误差修正》天津科技，2005年第2期

[5]姜韶，匡志威，张翠峰《悬挂钢尺法在地铁高程联系测量中的应用》城市勘测，2014年6月第3期