精密陀螺全站仪在城市综合地下管廊中的应用研究

马 骥，杨志强，石 震

(长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安710054)

一、引 言

随着国民经济和城市建设的不断发展，地下管网作为城市各行各业有机连接和运转的“生命线”，承受的压力不断增加［1］。长期以来，我国地下管线多是以直接埋放的方式布设于地下，导致在进行管线维修改造时，不可避免地对路面进行破坏，同时加剧了城市建设用地的矛盾。这不仅造成交通的不便，影响居民生活质量，而且在施工维护的过程中也经常造成管线无谓的损坏，致使人力、物力资源极大的浪费。为了解决城市建设用地紧张、道路交通拥堵、环境污染等问题［2］，一种高度集约型的城市市政综合管线载体——地下综合管廊应运而生。

二、建设城市综合地下管廊优势

地下综合管廊，是在地下修建一个廊道空间，将两种以上的城市管线(如市政、电力、通信、给排水等管线)集中设置于同一空间中，设有专门的检修口、吊装口和监测、监控系统，实施统一规划、统一设计、统一建设管理的一种现代化、集约化的城市基础设施。

综合地下管廊作为城市血液和脉络新的载体，与传统管线直埋方式的地下管线相比，其具有明显的优势:

1)管线直埋的施工方式和管线维护致使道路的反复开挖造成周围环境影响和交通延滞所带来的直接或间接经济损失要远远高于地下管线的建设成本，而且随着时间的推移及城市的发展，带来的破坏和损失将越来越高。而综合地下管廊的建设一次性投入大，但其对城市交通的影响是暂时的，地下管廊修建完成后，其维护成本很低，不会对道路路面产生影响。因此，从长远的利益来看综合地下管廊的综合成本比直埋管线更低，综合地下管廊具有明显的经济效益。

2)综合管廊建设避免了由于管线维修反复挖掘路面带来交通和居民的不便和干扰，保持路面的完成和城市的美观。综合管廊内管线布置紧凑合理，有效地利用了地下空间，节约了城市建设用地［3-4］。

3)保证城市各项功能稳定、集约、高效地运转。综合管廊可以实现城市基础设施功能集聚，便于统一管理，消除“城市蛛网”的视觉污染，创造和谐的城市生态环境。同时综合管廊整体刚度大，有利于抗震，同时可抵御冰冻、侵蚀等多种自然灾害，增加了管线的使用寿命。

4)便于各种管线的敷设、增减、维修和日常管理，可满足几十年的管线扩容需求，做到一次投资，长期使用。

三、地下综合管廊平面控制网布设方法

区别于地下管线直埋方式，地下综合管廊的出现，使得地下管线的施工测量任务有所变化，首先需要在地下开挖一条用于敷设各种管线的廊道。为了确保廊道在开挖面相向施工过程中，使廊道中线符合线路平面及纵断面设计要求，在限差满足允许误差的范围条件下正确贯通，使廊道结构符合设计要求，避免施工浪费和减少成本是地下工程控制测量工作的主要任务。控制测量精度与贯通精度息息相关，为确保廊道在指定精度条件下贯通，就必须做好控制测量工作，尽可能减小控制测量的误差，提高控制测量精度。

管线廊道控制测量工作内容可以分为地面控制测量、地下控制测量及联系测量(竖井需要贯通时)，地面控制测量由于GPS定位技术的发展，具有精度高、时间短的优势，其测量误差对贯通误差的影响很小，而地下控制测量的误差是引起廊道贯通误差的关键因素。因此，在进行地下廊道贯通测量时应根据工程需要布设相应的地下控制网。

由于狭长的管线廊道空间使得地下平面控制网图形结构的选择受限，一般只能采用布设狭长导线网的形式来完成地下平面控制测量工作。常见的地下导线网有如下几种布设形式。

1．支导线

在廊道贯通之前，受限于廊道形状和狭窄的工作空间，传统的地下平面控制测量一般采用布设支导线的方法，导线随着廊道的开挖方向逐步向前延伸，廊道地线支导线如图1所示。尽管采用支导线进行地下平面控制具有布设方案简单灵活、工作强度和工作量较少的优点，但支导线缺乏约束条件和多余观测，无法对工作出现的错误进行检核。而且随着支导线的延伸，导线端点平面及高程的测量误差迅速累积并增大，不利于廊道的正确贯通［5］。

图1 地下支导线

2．闭合导线

地下闭合导线如图2所示，它是由一条已知边，测量导线边长和水平夹角后又符合到该已知边的测量方法。闭合导线网适用于较短廊道，其图形强度和检核条件比支导线多，对于长度小于1 km的廊道，是比较适合的布网方式。

图2 地下闭合导线

3．主副导线

为了检核导线的施测效果，可以在廊道内布设不同等级的主副导线。在廊道开挖掘进时先布设边长较短的副导线，指明掘进的方向;当廊道开挖至1～2 km时，再布设边长更长的，测量精度更高的主导线，主副导线可以起到相互校核的作用。地下主副导线如图3所示，单双线分别表示副导线和主导线［6］。副导线需要测量角度，距离可测可不测;主导线角度和距离都必须进行观测。主副导线布网方式比较适用于中长廊道，采用该种布网形式可以有效控制住廊道前进的方向，达到提高贯通精度的目的，但主副导线的网型强度不高，多余观测较少，横向贯通精度依赖于角度测量的精度。

图3 地下主副导线

4．全导线网

如图4所示，全导线网相互并行的导线在两点间交叉，每一个新导线点通过两条路线测量得出纵坐标。布设全导线网的主要目的是让控制网的网型强度增加，可以明显提高横向贯通精度。全导线网适用于大部分地下廊道布网。但对于较短的廊道，全导线网的工作量较大，成本较高，应综合考虑取舍。

图4 全导线网

5．交叉双导线网

如图5所示，交叉双导线网是在全导线网的基础上，没有进行靠近廊道边墙的边长观测，相较全导线网而言，减小了将近一半的工作量，并且有效避免了旁折光的影响，网型强度很高，可以有效减小横向相贯通误差，交叉双导线网适用于高贯通精度的廊道地下控制测量。

图5 交叉双导线网

6．单侧交叉导线网

单侧交叉导线网如图6所示。单侧交叉导线网适用于曲线廊道弯道处布设，它可以看作是交叉导线与支导线的组合。由于弯道处的导线边长较短，应该尽可能提高导线的测角精度，以减小测角误差对横向贯通误差的影响。

图6 单侧交叉导线网

四、精密陀螺全站仪在管廊贯通测量中的应用

地下廊道修建时，需要将地面坐标基准传递至地下，通过平硐或斜井采用几何定向方法传递坐标时，一般采用布设导线方法对地面外控制点进行联测即可;对于立井而言，几何定向(如一井定向、两井定向等)通过悬挂钢丝垂球线将地面控制点的坐标传递到地下，这种方法的定向精度较低，难以满足现代地下廊道建设的需要。而采用陀螺全站仪定向不受时间和环境限制，它通过敏感地球自转角动量独立测定任意测线真北方位角，检核地下导线方位角，操作简便而且能够保证极高的定向精度，因此陀螺全站仪定向测量已经逐渐取代了沿用已久的几何定向方法。

在地下工程的重要贯通工作中，通常会布设很长距离的地下导线，由于地下导线测角误差的不断累积，难以保证较高的横向贯通精度。由于地下环境的限制，导线测角精度难以大幅度提升，因此在实际贯通测量工作中，可以采用加测陀螺定向边的方法提高地下导线的精度，减小测角误差对横向贯通误差的影响［7-8］。下文将分析加测陀螺方位角对横向贯通误差的影响规律。

1．加测N条陀螺方位角的横向贯通误差影响值

对于未加测陀螺方位角的地下导线，导线测角误差度对横向贯通误差的影响值为

式中，Ry'为支导线各导线点到x'轴的垂直距离。

如图7所示，若地下导线网中加测了陀螺定向边α1、α2、…、αN共N条，每条陀螺边定向中误差为mα1、mα2、…、mαN，可将导线分成N段附合导线，各段导线的重心为OI、OII、…、ON，由D点至贯通点K的一段为支导线。

由导线测角误差引起K点贯通误差为

式中，mβ为导线测角中误差;η为各导线点至本段导线重心O的连线y'轴上的投影长度;Ry'为由D至K的支导线各导线点与在导线边与K点连线在y'轴上的投影长度。由陀螺定向边的定向误差引起K点贯通误差为

若mα1=mα2=…=mαN=mα，则有

现对等边直伸型地下导线加测陀螺方位角后横向贯通误差的变化规律进行分析，分析加测不同数量的陀螺定向边对贯通精度增益的规律。

图7 加测N条陀螺方位角的横向贯通误差影响

2．加测不同数量陀螺边对贯通误差增益规律

现取廊道长度为7000 m，并取陀螺定向中误差mα=3″，导线测角精度mα=1″，可计算加测不同数量陀螺边情况下的横向贯通误差mq，其结果列入表1中，表1中精度增益代表加测陀螺方位角后的横向贯通误差与未加测时相比误差减少的百分率。

表1 加测不同数量陀螺边贯通精度增益比较

图8是根据表1绘制的加测陀螺方位角个数与横向贯通误差的关系曲线。

图8 加测陀螺方位角个数与横向贯通误差的关系曲线

五、结 论

由上述分析可以得出以下结论:

1)无论是从经济效益方面还是从社会效益方面，采用地下管廊的形式进行城市管网的布设都比地下直埋管线方式具有更明显的优势。

2)为了确保地下管线廊道的准确贯通，应根据实际的工程需求选择适当的地下导线布网形式，以提高管线廊道的贯通精度。

3)陀螺全站仪定向测量方法能够独立地将坐标方位基准从地面传递至地下，传统的几何定向方法已逐渐被取代。

4)在地下导线网中加测适当数量的陀螺定向边是减小廊道测角误差累积行之有效的方法，随着陀螺边加测的数量越多，贯通精度越小，但加测至一定数量时，其增益效果不明显，对于小于10 km的管线廊道，加测2～3条陀螺定向边为宜;对于超过10 km的地下管线廊道，建议每隔3 km加测一条陀螺边，以保证廊道管线精确贯通。

［1］ 王璇，陈寿标．对综合管沟规划设计中若干问题的思考［J］．地下空间与工程学报，2006，2(4):523-527．

［2］ 孙云章．城市地下管线综合管廊项目建设中的决策支持研究［D］．上海:上海交通大学，2008．

［3］ 王曦，祝付玲．基于博弈分析的城市综合管廊收费对策研究［J］．地下空间与工程学报，2013，9(1):197-203．

［4］ 姚龙龙．城市地下综合管沟工程建设及问题探讨［J］．城市道桥与防洪，2008(3):100-104．

［5］ 邓川．现代长大隧道洞内控制测量与监测技术研究［D］．成都:西南交通大学，2012．

［6］ 周立吾，张国良，林家聪．矿山测量学［M］．徐州:中国矿业大学出版社，1987．

［7］ 李忠金．GAT磁悬浮陀螺全站仪在马坑铁矿竖井定向测量中的应用［J］．矿山测量，2012(1):38-40．

［8］ 张正禄，张松林，伍志刚，等．20～50 km隧道(洞)横向贯通误差允许值研究［J］．测绘学报，2004，33(1):83-88．