地铁测量基准的建立与应用及对测量工作的思考

唐红军

(西安市地下铁道有限责任公司 西安 710018)

地铁属于城市轨道交通基本建设项目，按照《城市轨道交通工程测量规范》(以下简称《规范》)要求，地铁工程的测量基准系统应该与所在城市采用的平面和高程系统一致，以便与城市的管网、道路等各种设施衔接，便于利用已有的城市勘测资料。测量基准系统由平面控制网和高程控制网组成。平面控制网按两个等级布设，一等为卫星定位控制网，二等为精密导线网;高程控制网也按两个等级布设，一等是与城市二等水准精度一致的水准网，二等是加密的水准网，即地铁精密水准网。按照规范要求，其精度介于国家二、三等水准测量之间，一般按照二等水准观测的技术要求作业。

1 西安地铁测量基准控制网现状

1.1 西安地铁专用平面控制网的布设及建立

西安地铁采用西安勘察测绘院(以下简称“测绘院”)建立的西安市任意平面直角坐标系。西安地铁于2006年9月28日开工建设张家堡试验段，测绘院提供了应急临时平面控制点，随后地铁公司委托测绘院在市控制网的基础上建立了2号线一期的平面控制网。2008年9月，在建立地铁1号线和2号线南延段控制网时，鉴于1号、2号线十字交叉，同时又需要对2号线GPS控制网进行复测的情况，为了增强控制网的图形强度和提高精度，1号线和2号线的GPS网进行统一测量，整体平差，通过对试用不同组的点起算，进行优化比选，最后确定了汉惠帝陵和凉马台作为起算点，其余所联测的城市控制点作为检核点。

1.2 西安地铁专用高程控制网的布设及建立

西安地铁采用的是国家85高程系统。与平面控制一样，开工时也是采用应急的临时高程控制点，随后地铁公司委托测绘院建立高程控制网。起算点采用了西安市南秦岭脚下的太乙宫基岩点和淳化县北部山区基岩点永乐环1，构成符合水准线路。2号线建造了两座深层水准标石，为了给其测定高程，考虑到联测永乐环1点水准路线要经过渭河，有50多km远，一等水准精度很难保证，又不属于同一区域板块，其稳定性与西安所建地铁地区关系不大，故决定在1号线和2号线南延段建立高程控制网时，由太乙宫基岩点起算，组成一个闭合环，舍弃原来用的永乐环1。由此，专为地铁所建立的张家堡深层水准点和杜陵原深层水准点就成为国家一等水准高程点，地铁公司的高程基准点正式启用。

1.3 平面控制网的不足之处

西安地铁平面测量控制网采用的是西安任意直角坐标系，由测绘院建立，委托测绘院建立地铁专用平面控制网，其提交了GPS平面控制网成果。因没有坐标系参数和高等级起算点，总体总包单位无法进行全面的质量把关，施工单位进场后，不能按照常规要求进行同精度复测，只能进行简单的检核，给工程的质量安全带来了隐患，也给参建单位的工作增加了难度，同时也增加了成本。

1.4 高程控制网的不足之处

西安地裂缝和沉降漏斗较多，而此前基础资料较少，相对可靠稳定的深层水准标石只有两个，分别位于西安市北郊运动公园和南郊杜陵原，对其他线复测时需要远距离测量，局部重点监测也没有可靠的水准点，增加了工作量和费用。

2 建立地铁专用基准网的必要性和可行性

2.1 建立有起算参数的专用网的必要性

目前，大西安规划已开始实施，轨道交通网将快速发展，由于工程建设的不可逆性，因此稳定的高精度的地铁测量基准网对于保证地铁施工质量安全、保证准确贯通是必需的。地铁测量基准网不但要考虑稳定性，还要考虑其拓展性。由于无基本的起算参数，对地铁网的稳定性很难分析，对以后的控制网拓展也将造成成果的不一致。

建立有起算参数的专用网，可以使地铁建设的测量工程具有严密的数学转换参数，便于咨询总体单位进行审核检查，也便于进行同精度复测，并且满足与国家控制网建立关系的规范要求。

2.2 建立有起算参数的专用网的可行性

地铁控制网要与城市控制网一致，一致的主要目的是便于地铁资料与已有的城市勘测资料衔接，便于地铁设计、施工、运营、物业开发。地铁控制网的精度要求高于同等级的城市控制网，由于地铁设计所依据的地形图点位中误差为250 mm，图根点中误差为50 mm，所以要求地铁平面控制网与城市原有平面控制网的重合点的坐标较差不大于50 mm，高程控制网的较差不大于20 mm。

2.2.1 专用网高程控制系统

西安地铁高程控制系统所采用的起算点与西安城市高程坐标系统的起算点一样，都是太乙宫基岩点，为国家85高程系统，是按照一等水准要求联测到西安地铁的两个深层水准点。此两点委托测绘院于2007年7月建立，深360 m，经测绘院监测，点位稳定，满足设计要求，可以作为起算点使用，因此高程控制网可基本满足要求，但深层水准点埋设太少，每次无论测量哪条地铁线路，都要全部联测，所以水准网的建立应该考虑地铁建成后运营测量的需要，在每条线路两端和线路交叉的地方建立深层水准标点，这样对于平时重点监测和分段测量，可以只就近联测，每隔一定年限，再全部联测一次。

2.2.2 专用网平面控制系统

地球是个不规则的椭球体，测量是按照一定的数学法则将地面上的点转换对应到假定的规则椭球体上，再按一定的法则投影到平面上，形成地形图，设计时以地形图为依据做设计，再按照一定的逆向法则放样到地面，指导工程建设。为了保证图纸平面上的数值与地面上实际量测值一致，需要设定一定的条件来保证变形最小，其中对两点之间综合长度的变形作了严格规定，《工程测量规范》和《城市测量规范》均对长度综合变形的容许值作出了明确规定，即选择独立坐标系时，变形不超过±2.5 cm/km，如图1所示。

图1 长度变形与高程h和横坐标y的关系

图1中，h为所选椭球面的高度，y为距中央子午线的距离。西安任意直角坐标系的中央子午线在2号线测区中央，投影面高405 m。西安地铁规划区内高程约为370～470 m，则h值就在－35～65 m，由图可以看出，距西安任意直角坐标系中央子午线(西安中轴线)40 km范围内，综合变形完全可满足规范要求，即满足地铁施工要求。

西安地铁专用网坐标系统采用西安任意直角坐标系，选择地铁现有的两个稳定的GPS点作为已知点，通过旋转、平移、缩放转换到西安任意直角坐标系。这样做对控制点成果影响最大的就是由于中央子午线的改变而造成投影的变化。通过分析，中央子午线相差60 s时，距西安50 km互差值最大的阎良控制点互差为4.8 cm，可满足与城市控制点互差不大于5 cm的要求。如果取经过渭河车辆段的中央子午线，与西安任意直角坐标系的中央子午线最大误差不超过30 s，完全满足规范要求。通过对已有1号、2号控制网的计算验证，可以确认选择这些参数是正确的。这样，既可提高地铁专用网的内附精度，满足地铁施工高精度的要求，又可保持与城市坐标一致。

3 地铁专用基准网的建立和布设

3.1 平面控制网的参数选择和布设

建议选择CGCS2000椭球，经过渭河车辆段的子午线为中央子午线(108°56'05″)，投影面高选择 405 m。先将既有1、2号线两端GPS点和交叉处的5个GPS点由C级升级到B级，与国家B级网联测，按照国家规范要求建立转换关系，这5个GPS点作为地铁骨架网，以后所建立的网就以其中两点作为起算点，其余点作为检核点，建立相应线路的平面控制网，对于进入相邻城市或远离西安的控制网，根据变形限制要求进行分带以及坐标转换，以便与相邻城市的坐标系统对接。

3.2 高程控制网的布设

高程控制网以现有的张家堡和杜陵原深层水准点作为起算基准点，另外在1号线两端，3号线两端，1、2、3号线交叉处补设深层水准点(标石埋深20～30 m，根据地质情况选择在稳固的持力层上)，建立分布均匀、稳定的水准点，以作为对地裂缝和沉降漏斗以及运营监测的监测基点。建立时尽量选择在开阔地，以便对有条件的地点进行GPS联测，以后作为GPS高程测量的参考站。

4 测量基准网的维护及使用

4.1 平面控制网的维护及使用

每条地铁线平面控制网一般是在开工前的半年左右建立，按照规定开工时必须进行同精度复测，以后每隔一年至少复测一次，直到工程完工。几条线同时在建时，GPS控制网复测要统筹考虑，对控制网的稳定性进行评判。

在每条地铁线初建GPS平面控制网时，必须联测已有线路控制网两端的GPS控制点，使其参与构网和平差，提高网形强度和网的可靠性，并作为检核点进行检核。如果超限需分析原因，根据情况决定是否启用新坐标。

4.2 高程控制网的维护及使用

西安地铁的两个深层水准点启用后，水准网由此算起，按照一等水准测量规范，每隔10年，此两点需与国家水准网联测，并委托测绘院保管维护，作为西安测绘的主管单位，定期进行与国家网的联测，从而满足了规范要求。在施工期间，地面水准网按照地铁施工需要，定期进行复测。运营后，地面水准网每隔4年联测一次，每次联测深层水准标石和浅层水准标石以及部分稳定的普通水准点，对于重点监测区段，可以用深层水准点和浅层水准点作为起算点。

4.3 沉降监测

鉴于西安特殊的地质条件(地裂缝和沉降漏斗)，监测需要通盘考虑，根据地铁建设阶段，确定一般监测和重点监测，分阶段实施。

1)尽量全面收集西安市有关地裂缝和沉降漏斗的历史资料，对沉降区和地裂缝进行重点关注。对有规划线路经过的地裂缝和沉降漏斗，可以利用现有的十字骨架测量网，利用GPS测量手段进行低精度、低频率的观测跟踪，预测出沉降区段，于开工前一年进行高精度、高频率的监测，以便为设计提供可靠的依据及处理对策。这样既可大大节省开支，又可对兴趣点进行有效监控。

2)对新开工的地铁段，利用首次布网测量与开工复测的比对，确认沉降区段，结合前期的监测，编写详细的监测方案，对沉降区段进行重点监测。其中，要注意将区域沉降与施工局部沉降进行区分，全线要及时汇总各标段的测量数据，进行归类整理，将现场第一手资料及时反馈给设计，以便及时做出判断。

3)土建完工后，需要对地下隧道开始进行监测，地面可只监测地裂缝和沉降漏斗区段，其所对应的地下部分应进行重点监测。由于地下隧道空间狭小，特别是轨道交通运营后，车辆来往密集，运行速度高，监测难度特大，若采用传统监测，将很难完成，建议提早考虑安装自动监测仪器。

5 结语

由于测量工作时间跨度大，从工程筹划到开工建设，再到建设完工、后续运营，地铁物业开发、地铁限界保护等都需要有测量的支持，这些工作繁杂而专业，作为测量工作者应做好克服各种困难的准备，积极配合各部门的工作，保证技术资料的及时准确性并主动提出具有建设性的意见，为地铁的建设、运营、物业开发、地铁保护等做好保障服务。

［1］GB 50308—2008 城市轨道交通工程测量规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［2］CJJ 8—99 城市测量规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，1999.

［3］张华海，王宝山，赵长胜，等.应用大地测量学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2007.

［4］孔祥元，郭际明，刘宗泉.大地测量学基础［M］.武汉:武汉大学出版社，2006.

［5］梁振英，董鸿闻，姬恒炼.精密水准测量的理论和实践［M］.北京:测绘出版社，2004.