昆明地鐵工程測量技術(shù)分析及測繪新技術(shù)應(yīng)用

龔振文 龍曉敏 胡朝英

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電與建筑學(xué)院，云南昆明 650201)

0 引言

昆明是云南省政治、經(jīng)濟(jì)、交通、文化中心，省會所在地，隨著昆明經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，外來人口大量進(jìn)入中心城市，造成交通擁堵，交通秩序混亂，市民出行困難。各種車輛互相干擾，汽車時(shí)速20 km/h，交通事故每天發(fā)生，帶來城市空氣環(huán)境污染、汽油緊缺。地鐵交通是最有效解決交通擁堵的措施。其特點(diǎn)是運(yùn)輸量大，速度快:地鐵的速度是公共汽車速度的2倍～4倍。占地省、耗能少:地鐵幾乎不占用地面土地。軌道交通每千米能耗為道路交通的15%～40%。昆明地鐵建設(shè)可解決交通擁堵，讓春城市民能快速、準(zhǔn)時(shí)、安全、舒適到達(dá)城市任何一個(gè)地方，大大加快昆明人民生活節(jié)奏，提高全市社會勞動生產(chǎn)效率，改善昆明交通出行方式，改善市容市貌，成為西南邊陲的大都市和面向東南亞開放的橋頭堡。

我國城鎮(zhèn)化過快，各城市交通擁堵問題突出，急需建地鐵交通解堵，而測量工作與地鐵工程密切相關(guān)，從規(guī)劃設(shè)計(jì)到完工運(yùn)行，都需測量人員測圖，施工放線，變形監(jiān)測，測量工作能保證地鐵工程質(zhì)量，指導(dǎo)施工順利進(jìn)行，運(yùn)行安全。由于昆明地域狹小、城市房屋密度大、地下管網(wǎng)太多，而地鐵工程測量精度要求高，而且技術(shù)密集、造價(jià)昂貴，地下工作空間狹窄、施工干擾大，通視條件差。施測對象灰暗，一般無自然光，光照不理想，允許耗時(shí)短，有時(shí)需要現(xiàn)場提交成果。不同于地面，不能很好布置測量網(wǎng)型，成果的檢查條件少，施工會帶來地表建筑物的沉陷，要進(jìn)行實(shí)時(shí)的變形觀測。傳統(tǒng)測繪技術(shù)已不適應(yīng)地鐵測量要求，急需引入現(xiàn)代測繪技術(shù)達(dá)到高效，實(shí)時(shí)，精準(zhǔn)的信息化測繪的地鐵工程建設(shè)模式。

1 工程概況

本工程為2號線，是昆明主城內(nèi)南北方向的骨干線。線路起點(diǎn)位于主城北部汽車北站，沿7204公路、北京路延長線、北京路經(jīng)昆明站轉(zhuǎn)至官南大道，終點(diǎn)位于主城南部蘇王村站。線路全長22.4 km，其中地下線長約13.8 km，地上線長約8.6 km(見圖1～圖3)。2號線線路起于主城北部銀河片區(qū)，縱向穿越中心城區(qū)到達(dá)主城南部滇池北岸，是解決主城南北客運(yùn)主流向出行需求的南北主軸線。

2 測繪新技術(shù)在昆明地鐵工程測量中的應(yīng)用

2.1 在地鐵2號線工程勘測階段的應(yīng)用

由三維GIS收集的測繪資料以各種小比例尺地形圖、航測照片、衛(wèi)星影像為依據(jù)進(jìn)行線路比選、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的確定。可用測量機(jī)器人進(jìn)行線路初步設(shè)計(jì)定線，將初步設(shè)計(jì)所確定的線路放樣于實(shí)地。調(diào)查沿線重要建筑物是為了徹底摸清沿線對線路設(shè)計(jì)有制約作用的重要建筑物。無人機(jī)航測具有便捷、高效、低耗、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、易操作、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，它能優(yōu)質(zhì)、快速地為地鐵工程提供所需線路沿線1∶500及1∶1 000帶狀地形圖測量。車載移動測量系統(tǒng)已經(jīng)成為地理空間數(shù)據(jù)快速采集和更新的最好解決方案(見圖4)。利用其獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)編制大比例尺地形圖能很好地滿足地鐵工程總體規(guī)劃、詳細(xì)規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)的需求，也可測沿線縱斷面與橫斷面?？闪繙y實(shí)景影像DMI的空間信息系統(tǒng)、可進(jìn)行空間信息自動化、智能化、實(shí)時(shí)化服務(wù)，在系統(tǒng)中進(jìn)行地鐵沿線地下管線調(diào)查與測繪，查清擬建線路范圍內(nèi)沿線重要建筑物位置及地下管線的詳細(xì)情況，為地鐵線路設(shè)計(jì)及管線遷改工作提供依據(jù)。

圖1 地鐵車站

圖2 地鐵隧洞

2.2 地鐵施工圖設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

GPS應(yīng)用地鐵控制網(wǎng)測量。昆明地鐵采用地鐵專項(xiàng)坐標(biāo)、高程系統(tǒng)。采用昆明城市二等GNSS控制網(wǎng)作為首級控制網(wǎng)，是全市統(tǒng)一的、高精度的軌道交通GPS及水準(zhǔn)框架網(wǎng)，并提供與現(xiàn)有城市坐標(biāo)、高程系統(tǒng)相一致的測量成果，以滿足昆明地鐵線網(wǎng)規(guī)劃階段、工程設(shè)計(jì)階段、施工階段及運(yùn)營階段的規(guī)劃審批、施工測量和變形監(jiān)測工作的需要。GPS控制點(diǎn)絕大部分位于主要道路的十字路口，有一些點(diǎn)之間相互不通視，必須加點(diǎn)聯(lián)測。因施工占用道路，所以有的GPS控制點(diǎn)由于改道而被破壞或者即將破壞，所以必須用新加密的控制點(diǎn)替代原有的GPS控制點(diǎn)的作用，2 km的標(biāo)段范圍內(nèi)，原有水準(zhǔn)點(diǎn)稀少，不能滿足施工需要，增加臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)十分必要。其中由業(yè)主提供的GPS點(diǎn)4個(gè)，北京路東側(cè)的2個(gè)點(diǎn)定向，施工單位加密點(diǎn)6個(gè)共同組成附和導(dǎo)線后進(jìn)行平面控制測量，平面控制點(diǎn)測量，測距往返4次取平均數(shù)，測角度盤左、盤右2測回取平均數(shù)，經(jīng)平差后，導(dǎo)線全長1 907.8 m，閉合差1/2 307，評估精度高于一級導(dǎo)線要求的1/15 000，誤差均小于城市軌道交通工程測量規(guī)范中規(guī)定的平差后最弱點(diǎn)橫向中誤差20 mm的取值，所以可以用于施工使用。高程測量控制由昆明北站站～人民路站沿線15個(gè)點(diǎn)組成，其中原有水準(zhǔn)點(diǎn)4個(gè)，臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)9個(gè)，線路全長2 663 m，測站39個(gè)。全線高差閉合差8.5 mm，平均2.1 mm/km，精度達(dá)到二等水準(zhǔn)測量要求，軟件用到地鐵施工控制網(wǎng)測量系統(tǒng)，適用于地鐵設(shè)計(jì)以及施工中的控制網(wǎng)布測，復(fù)測，高效機(jī)載程序，方便實(shí)用，多種數(shù)據(jù)格式，兼容國內(nèi)通用平差軟件，高精度，高穩(wěn)定測量儀器，屏幕照明，激光對中，ATR自動照準(zhǔn)。

2.3 測量機(jī)器人在地鐵施工測量階段的應(yīng)用

1)測量機(jī)器人:測量機(jī)器人是一種能代替人進(jìn)行自動搜索、跟蹤、識別和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并獲取角度、距離、三維坐標(biāo)以及影像等信息的智能型電子全站儀，具有高精度、智能自動化、馬達(dá)驅(qū)動、自動照準(zhǔn)、鎖定跟蹤、遙控測量、操作系統(tǒng)無棱鏡模式、導(dǎo)向光、自動調(diào)焦的特點(diǎn)，測量機(jī)器人的出現(xiàn)，極大地提高了地鐵施工測量工作效率和可靠性，實(shí)現(xiàn)測繪內(nèi)外業(yè)一體化，測量機(jī)器人具有實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的功能，以便于可以實(shí)時(shí)檢查測量的質(zhì)量，提高測量效率;全站儀的集成化有利于各種儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并進(jìn)行交換和共享，以提高施工放線工作的效率和進(jìn)度。測量機(jī)器人可以在線處理測量數(shù)據(jù)，使施工放線質(zhì)量和效率大大提高，考慮各因素，地鐵安裝誤差為100 mm(見圖5)。

圖3 地鐵施工現(xiàn)場

圖4 車載移動測量系統(tǒng)

圖5 測量機(jī)器人

2)定向測量:傳統(tǒng)是利用全站儀、垂準(zhǔn)儀和陀螺經(jīng)緯儀聯(lián)合進(jìn)行豎井定向，并且采用雙投點(diǎn)，雙定向的方法，不僅增加了測量檢核條件，又提高了定向精度。而采用隧道盾構(gòu)自動引導(dǎo)測量系統(tǒng)進(jìn)行隧道開挖，實(shí)時(shí)顯示隧道軸線的點(diǎn)偏移值，保證順利貫通，高程貫通測量誤差確定為25 mm。采用地下頂管施工自動引導(dǎo)測量系統(tǒng)、頂管自動引導(dǎo)測量系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)頂管施工過程中人工測量作業(yè)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、占用工時(shí)的問題，系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制測量機(jī)器人來自動完成作業(yè)。

3)斷面測量:地鐵建設(shè)中采用全站儀，數(shù)據(jù)采集器，計(jì)算機(jī)和覘牌組成的斷面測量系統(tǒng)進(jìn)行斷面測量。隧道測量系統(tǒng)能應(yīng)用于隧道施工的各個(gè)階段:開挖斷面輪廓線放樣，全自動斷面測量及分析，隧道超欠挖實(shí)時(shí)檢測及激光標(biāo)示，噴錨層厚度的測定，隧道中邊樁放樣，圍巖變形測量，工程方量計(jì)算，腰線及軸線放樣，鋼架安裝凈空、路基坡面、路面放樣與檢測，開坡線、坡腳線放樣，橋墩臺中心、四角特征點(diǎn)放樣，系統(tǒng)可以有效地指導(dǎo)隧道的開挖、襯砌，避免過量的超欠挖，從而節(jié)約大量的人力物力;系統(tǒng)可以有效地提高作業(yè)速度，放樣精度達(dá)到毫米，為工程質(zhì)量和工期提供有力保障。全自動、無反射棱鏡三維斷面測量，自動、快速采集斷面數(shù)據(jù)，一次設(shè)站可以測量多個(gè)斷面，5 min可采集100個(gè)斷面點(diǎn)，精確、高效、簡單操作。

4)無棱鏡測量機(jī)器人在地鐵施工中的應(yīng)用。免棱鏡全站儀通過輻射測量極坐標(biāo)的方式，能夠準(zhǔn)確、快速地完成地鐵施工隧道掘進(jìn)放樣、斷面測量、圍巖凈空位移量測等主要施工測量工作，全部測量內(nèi)業(yè)利用計(jì)算機(jī)自動處理，為隧道施工測量帶來技術(shù)革命，為整個(gè)工程節(jié)約時(shí)間、減少投資，瞄哪測哪，測量速度快，使用方便。在200 m以內(nèi)都可以測量，特別適合地鐵測量，測距精度為3 mm+2 ppm，可把設(shè)計(jì)圖上的地鐵各種建筑物大小位置放樣在實(shí)地。作為施工依據(jù)，遙控測量時(shí)一人就可以在鏡站上輕松自如的實(shí)現(xiàn)對全站儀所有功能的遙控，更快地進(jìn)行放樣，提高放樣精度，特別適合用在地鐵施工測量中。應(yīng)用由測量機(jī)器人為主的地鐵施工基坑監(jiān)測系統(tǒng)對周邊環(huán)境變形監(jiān)測及基坑圍護(hù)體系監(jiān)測，集數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)查詢，報(bào)表生成，警戒值報(bào)警等功能于一體，非常適用于地鐵基坑監(jiān)測項(xiàng)目。

5)測量機(jī)器人應(yīng)用于地鐵施工鋪設(shè)。測量機(jī)器人通過無線傳輸技術(shù)將測量數(shù)據(jù)持續(xù)傳輸?shù)綑C(jī)載計(jì)算機(jī)，計(jì)算出軌道鋪設(shè)的實(shí)際位置和方向并與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。通過控制器將調(diào)整結(jié)果發(fā)送到液壓系統(tǒng)進(jìn)行精確的鋪設(shè)和方向控制。通過持續(xù)比較放樣數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，地鐵鋪設(shè)較高的精度，節(jié)約測量成本，不需要安裝和維護(hù)任何控制放樣線，提高安全、生產(chǎn)質(zhì)量和鋪設(shè)性能，生產(chǎn)力提高30%，鋪設(shè)高程精度2 mm，鋪設(shè)位置精確到8 mm，能按照軌道鋪設(shè)要求進(jìn)行安裝測量工作。用測量機(jī)器人進(jìn)行安裝測量工作，可提高軌道鋪設(shè)質(zhì)量，降低成本，完成高精度的軌道鋪設(shè)任務(wù)。地面沉降監(jiān)測精確度為1 cm，對現(xiàn)澆梁中心線精確為5 mm，高程精確為5 mm。測量機(jī)器人應(yīng)用于施工路面掃描系統(tǒng):監(jiān)測的目標(biāo)可選擇圓棱鏡，無棱鏡和反射貼片三種類型，且可混合使用;可采用無線或有線的方式遠(yuǎn)程控制儀器進(jìn)行測量;可實(shí)時(shí)顯示變化趨勢圖和三維圖形;可以以方便靈活的方式輸出各種圖形報(bào)表。

6)地鐵工程竣工測量?？⒐y量是對地鐵結(jié)構(gòu)的平面位置、埋深，線路的平面位置、高程，沿線設(shè)備的位置，地鐵施工時(shí)遷改的管線的平面位置、埋深等進(jìn)行實(shí)測，其結(jié)果作為竣工驗(yàn)收的重要依據(jù)，并作為城市的基礎(chǔ)測繪檔案長期保存。可用測量機(jī)器人對各建筑物及附屬結(jié)構(gòu)凈空測量、尺寸測量、線路及高程測量等。為了保證本工程各結(jié)構(gòu)、軌道道岔、軌道測量的精度與出入線段平面導(dǎo)線點(diǎn)及水準(zhǔn)控制點(diǎn)及水準(zhǔn)點(diǎn)的聯(lián)測，利用聯(lián)測成果對建筑物進(jìn)行測量放樣。

2.4 地鐵的運(yùn)營期應(yīng)用

地鐵的運(yùn)營是長期的，車站、隧道結(jié)構(gòu)以及軌道等的位移沉降直接影響到行車安全，造成地鐵周邊建筑變形，地面沉降問題，昆明地區(qū)地基土軟弱，特別需要長時(shí)間進(jìn)行位移沉降監(jiān)測，全面掌握地鐵結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，為設(shè)計(jì)方和運(yùn)營方提供數(shù)據(jù)以便優(yōu)化設(shè)計(jì)及安全運(yùn)營。由傾斜儀、GPS、全站儀、裂縫儀等多種傳感器采集數(shù)據(jù)，基坑現(xiàn)場由多種傳感器數(shù)據(jù)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)項(xiàng)目遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理，項(xiàng)目信息可視化，超限自動報(bào)警，數(shù)據(jù)庫管理統(tǒng)一化，自動生成各項(xiàng)監(jiān)測報(bào)表，采用徠卡高精度測量設(shè)備，用于地鐵施工以及營運(yùn)過程中沿線高層樓宇監(jiān)測，移動式TPS監(jiān)測沿線建筑監(jiān)測，使用徠卡高精度全站儀，數(shù)據(jù)自動分析處理，掌控直觀的變化趨勢，測量目標(biāo)建筑特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，直觀高效，不間斷高頻監(jiān)測，獲取建筑物的變化趨勢，也適用于地鐵施工過程中沿線路面監(jiān)測，可直接對路面進(jìn)行掃描測量，無線遠(yuǎn)程遙控，可以同時(shí)控制多臺儀器監(jiān)測不同區(qū)域，單臺儀器可監(jiān)測多個(gè)區(qū)域，超限自動報(bào)警，操作簡單，易學(xué)易用，全自動化的變形監(jiān)測系統(tǒng)通過對安置在地鐵隧道內(nèi)部的目標(biāo)棱鏡的連續(xù)不間斷測量，從而達(dá)到實(shí)時(shí)掌握隧道變形情況的目的?？蛇M(jìn)行車站及隧道結(jié)構(gòu)的沉降監(jiān)測和水平位移監(jiān)測;高架線路橋墩沉降監(jiān)測;高架線路水平位移監(jiān)測;高架線路橋梁撓度監(jiān)測;也可對沿線各種建筑全面和重點(diǎn)部位安全監(jiān)測。

3 結(jié)語

測量機(jī)器人具有實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的功能，能實(shí)時(shí)檢查測量放樣的質(zhì)量，提高測量效率;同時(shí)保障了地下測量人員的安全。測量機(jī)器人激光指向儀為地鐵掘進(jìn)提供了基準(zhǔn)線。陀螺全站儀將在地下工程定向中取代傳統(tǒng)的定向方法。GPS定位技術(shù)、車載式三維空間移動測量技術(shù)、激光準(zhǔn)直和掃平儀、地鐵工程變形觀測系統(tǒng)，測繪信息網(wǎng)絡(luò)化管理等在地鐵測量中得到應(yīng)用，使地鐵測量工作精確、高效、簡單操作，為地鐵測量工作帶來全新的技術(shù)革命。

［1］秦長利.淺談地下鐵道工程測量工作的現(xiàn)狀和展望［J］.鐵路航測，1998(4):62-63.

［2］GB 50308-1999，地下鐵道、輕軌交通工程測量規(guī)范［S］.