导线直传法在地铁盾构隧道定向测量中的应用研究

2013-12-06张慧慧

长春工程学院学报（自然科学版） 2013年4期

张慧慧

（辽宁省交通高等专科学校测绘系，沈阳110122）

0 引言

盾构法施工的地铁隧道具有单向掘进、限界裕量小、贯通距离长、纠偏困难等特点，因此在盾构掘进过程中需要采用高精度的控制测量技术做保障以确保盾构按设计路线准确掘进［1］，而平面联系测量精度是控制盾构姿态的关键环节。在实际工作中地铁盾构隧道通常采用的平面联系测量方法主要有联系三角形定向法、两井定向法以及导线直传定向法3种［2］。其中导线直传法是一种相对传统的定向测量方法。

1 导线直传法的定向原理

导线直传法主要是沿着竖井的竖直方向布设导线点，通过测定相邻点之间的水平角和导线边，根据地面已知边和已知点坐标推算井下待定边的方位角和待定点坐标的一种方法。该方法的导线布设路线一般为从地面经车站中板到盾构区间进行坐标和方向传递测量，其施测示意图如图1所示。

地下定向边BM 的坐标方位角αBM及井下坐标可表示为：

式中：si为各导线的观测边长；αi为各导线边的方位角；θi为各导线边的竖直角。

图1 导线直传法示意图

2 导线直传测量法误差分析

2.1 方位角的中误差分析

若不考虑起算方位角误差，并令各水平角观测中误差mβ1＝mβ2＝…＝mβ，则地下定向边方位角中误差为

由式（3）看出，方位角中误差与导线边数和测角中误差有关。当测角精度一定时，竖直导线边数n越少，精度越高。在盾构井深度H与井径D确定的情况下，竖直角θ、井深H、井径D之间的关系为Dtanθ1＋Dtanθ2＋…＋Dtanθn＝H，设θ1＝θ2＝… ＝θn＝θ，则

因此导线边数与竖直角大小成反比，即导线边数少了，会导致导线边垂直角增大。故导线布设时应在控制导线边竖直角的条件下，尽可能减少导线边数。

2.2 水平角观测的误差分析

导线直传定向法一般是通过车站端头的工作井将地面坐标和方位传递到地下的，该方法所布设的导线具有边长短、竖直角大等特点［3］。因此水平角观测的主要误差来源是仪器的三轴误差、对中误差以及目标偏心误差。其中仪器三轴误差中的视准轴误差和横轴误差的影响可以采用盘左、盘右观测取平均值的方法予以消除［4］。

对于深度小于16m、井径为11m以上（一般不超过15m）的竖井，地面近井导线点与车站中板导线点的高差约为8～10m，其水平距离一般只有13～20m，即在该边上的竖直角最大可达近40°，在如此大竖直角及短边的条件下进行水平角观测，仪器及前、后视的对中、整平情况对测角精度的影响是不容忽视的，现重点分析仪器竖轴倾斜误差、对中误差及目标偏心误差的影响。

2.2.1 仪器竖轴倾斜误差

竖轴倾斜引起水平轴倾斜iv角时对水平方向观测值影响的公式为：

式中：v为仪器竖轴倾斜的角度；α为观测方向竖直角。

从式（5）看出，竖轴倾斜对方向观测值的影响，不仅与仪器竖轴倾角v有关，还随着照准目标竖直角的增大而增大，当竖直角为40°，仪器电子气泡每偏2″对水平角影响为1.7″。该项误差属于系统误差，任一观测方向在进行盘左、盘右观测时取平均值不能消除其影响。因此在观测时要采取一定的措施削弱其影响，即：使用前应预先检验、校正照准部水准管，仔细整平仪器，尽量减小竖直的倾角v值；测回间经常重新整置仪器，使各测回竖轴的倾斜方位和大小不同，通过取平均值的方法抵消一些竖轴倾斜的误差影响。精度要求较高时，宜将水平方向观测值加竖轴倾斜改正，其改正数为

式中：n为气泡偏离中央格数；τ为水准器的格值；α为观测方向竖直角。

实际操作中采用具有双轴补偿的全站仪有利于减弱竖轴倾斜误差对水平观测值的影响。

2.2.2 仪器对中及目标偏心误差

在短距离测角中，此项误差给水平角带来较大的影响，对于15m的边长，仪器或棱镜（觇牌）对中误差每差0.1mm对水平角的影响即可达1.4″，仪器及棱镜（觇牌）的对中误差一般是由人为因素所致，目标偏心误差的产生往往是由于在转站时或在同一测站上棱镜（觇牌）中心与自身旋转轴不一致，以及基座连接装置的偏心等都会对方位角的传递产生较大的误差。这些误差大多是由棱镜（觇牌）中心与基座对点器竖轴不重合或觇牌变形所致，因此在施测前必须对对点设备进行常规检校。在布设导线时，各导线点均应埋设具有强制对中装置的观测墩或带有内外架式的金属吊篮，这将有效地消除或减弱对中误差和目标偏心误差的影响。