基于多级控制网测量技术的电缆隧道轴线三维数据测量方法

宁科，王敏

(国网上海市电力公司，上海 200122)

随着电力电缆在城市电网的大规模应用，电力电缆在上海电网所占的比重已经超过架空线路输电方式，成为上海电能的主要输送方式。上海110 kV及以上电压等级的电缆主要采用排管敷设或隧道敷设方式。由于电缆隧道内无法接收全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)信号，只能通过已知位置点依次测量未知点，这会造成误差的叠加，使测量误差越来越大。传统的测量方法由于受条件的限制，仅依靠施工方的竣工资料及设计资料进行，因此电缆隧道的测量工作由于测量误差的不断叠加，经常会出现超过允许误差的情况。当前主要依靠全站仪和水准仪等测绘仪器，采用人工画线的方法进行电力电缆隧道轴线的测量。测站点坐标由控制点引线测量计算得到，联系测量由铅锤直接传递，隧道轴线点通过钢尺画线求得，而这3个环节均会引入较大的误差。如某些电缆隧道施工方提供的竣工资料数据，与测绘院测绘结果最大相差可达0.52 m[1]。

因此，本文将多级控制网测量技术运用到电力电缆隧道轴线测量，通过该方法可以精准测绘电缆位置并定位隧道电缆，满足110 kV及以上电压等级输电电力电缆隧道测量精度≤0.1 m[2]的要求，同时方便日后的检修和维护工作。

1 基于多级控制网测量技术的电缆隧道轴线总体测量方案

当前电缆隧道通道的测量均是由较远处引点通过测算获得测站点坐标，根据测站点坐标引点至隧道井内进行隧道轴线坐标测量。电缆隧道测量的难点主要在将地面的控制点准确地传递到井下，并且验证控制点的正确性和精度以及确定隧道轴线位置。

多级控制网测量技术对测量进行了分步，分为首级控制网、高程控制网、平面联系测量和高程联系控制，结合电缆隧道轴线测量的需要，设计的总体测量方案如图1所示。

图1 电缆隧道轴线总体测量方案

该方法将最终误差进行有效分解，每一步都必须控制好误差及误差的传播，根据每一步的误差大小，选择合适的仪器和方法。

2 隧道电缆轴线测量的实施

根据多级控制网测量技术并结合电缆隧道测量的工作实际，对测量中的各个环节进行叙述。

2.1 首级控制网测量

首级控制网采用静态GPS系统对控制点坐标进行采集、计算，该方法与传统控制点推算法相比，具有准确性高、受外界环境影响小等优点[2-3]。静态GPS获取控制点坐标方法如图2所示。

图2 静态GPS获取控制点坐标原理图

在使用首级控制网测量技术时，作业人员需根据最近图纸定位测量点，并保证定位点与图纸给定点误差范围≤0.5 m；根据测量需求情况布置GPS设备，一般要求GPS台数≥4；GPS架设点需与确定的定位点一致；卫星高度角设定为≥15°。在使用过程中，天线安置应严格整平、对中，天线标志线指向正北，仪器天线高度值取3次，分别是测前、测中、测后，再取平均值，每次从3个方向量取，数据采样间隔设定为15 s。

2.2 高程控制网测量

在测量电缆隧道轴线时需利用精密水准仪及配套的铟瓦水准标尺，按《国家一、二等水准测量规范》二等水准测量要求进行外业测量。为了便于高程的传递，需要在每个井口都留有相应的高程控制点，将所有井口的高程控制点与已知控制点串联成一条符合的二等水准路线[4]。

2.3 联系三角形法测量

联系三角形法原理是通过竖井悬挂2根钢丝(为了检核大多悬挂3根钢丝)，由井上近井点测定钢丝的距离和角度，从而算得钢丝的坐标以及它们之间的方位角，然后在井下确认钢丝的坐标和方位角已知，通过测量和计算得出地下导线起始边的坐标和方位角。

联系三角形法吊2根钢丝联系测量示意图如图3所示。在隧道两端盾构井附近(尽可能在隧道轴线方向上)各布设一个控制点(此处假设为A和B。A和B应为地面控制点)，并要求A，B两点相互通视。在盾构井的井口附近(尽量在隧道轴线的上方)设一强制对中控制点JS(井上近井点)，每次进行联系三角形定向时，均通过A，B两点对近井点进行检测。在竖井内悬挂2根直径0.3 mm 的具有相当强度和韧性的钢丝至井底，下端各挂一个10 kg 左右的重锤，并置于油桶中。

图3 吊2根钢丝联系三角形测量示意图

由于吊2根钢丝缺少检核条件，对于超长隧道(隧道长度大于7 km)建议采用吊3根钢丝，增加检核条件，确保联系测量的精度，如图4所示。

图4 吊3根钢丝联系测量示意图

地面近井点端一根为O1，对面两根为O2和O3，定向角O2-JS-O1和O3-JS-O1小于1°，O1与O2和O1与O3之间的距离尽可能大，边长JS-O1与O1-O2和JS-O1与O1-O3之比要小于1.5，3根钢丝与JS形成两个狭长的直伸三角形。在JS的同一方向的隧道内安置一强制对中点JX(井下)，此点也可以是地下导线点，JX 与3根钢丝的关系同JS。在隧道内设一个导线点DX1，DX1与JX的距离不小于120 m。3 根钢丝的相互位置关系及其与测站的位置关系严格按照相关规范执行。待重锤稳定后，井上和井下利用测角精度1″或0.5″级的仪器同时进行观测。井上以A或B为后视方向，井下以DX1为后视方向，方向观测采用全圆测回法。边长测量不使用传统的钢尺量距，采用了新的测量方法，即在钢丝上粘贴反射片，利用全站仪光电测距的方法来测量边长，钢丝间的距离利用对边测量方法得到。这种方法不但速度快，而且精度也较高，完全符合限差的要求。边长测量各3次，3 次互差小于1 mm，同一边井上和井下较差小于2 mm。

采用吊3根钢丝联系三角形法地下导线起始方位角的推算如图5所示。

图5 吊3根钢丝联系三角形法地下导线起始方位角推算图

第一步：计算两吊垂线间距，根据全站仪所测结果，可求得O1和O2的间距。

第二步：检核计算，检核测量结果，具体公式如下：

α算=b2+c2-2bccosα
Δα=α算-α测≤±2 mm

(1)

第三步：计算三角形边长改正数，具体公式如下：

(2)

第四步：计算β和γ，具体公式如下：

asinβ=bsinα
asinγ=csinα

(3)

第五步：求闭合差并进行改正，具体公式如下：

fβ=α+β算+γ算-180°
2*Vβ=-fβ
2*Vγ=-fβ

(4)

第六步：计算地下导线起始方位角，具体公式如下：

αA′B′=αBA+ω+β-β′-ω′±360°

(5)

至此，可以将地面导线AB的方位角传递到井下导线。

2.4 高程联系测量

电缆隧道井的高程传递如图6所示，其任务是根据地面上水准点A的高程，求出井下水准点B的高程。

图6 电力隧道井高程传递示意图

在A，B点上立水准尺，电力隧道井中悬挂钢丝。水准仪在水准尺上读数为a1，b1，在钢丝上只能做记号b1，a2。则B点高程为a2-b1的值。

为了求出a2-b1的长度，一般在地面上先量出m和n两桩间的长度，当用绞车绕起细钢丝时，就可用m和n两桩间的长度来度量b1和a2两个记号间的长度，余长用钢尺量出，即可求得a2-b1的值[5-7]。

2.5 电缆隧道内精密导线及高程控制

由于电缆隧道的井间距离较长并且有一定的弯度和坡度，导致两井间无法进行通视。电缆隧道井下按照四等导线布设，根据隧道内实际的通视条件合理布设导线控制点，点间距不一定能满足四等导线的技术要求，但施测时按照四等导线的精度进行；考虑到三维坐标，将高程控制点与导线点重合，便于以后碎步点测量，隧道内高程控制点按照二等水准的技术要求进行测量，将各进口所传递的点串联成一条符合要求的水准路线，检测各传递点的精度和隧道内二等水准的精度[8]。

2.6 隧道轴线测量

在完成电缆隧道内导线和高程控制点加密后，对全站一站一站地进行轴线测量，每10 m间隔测量一个轴线点。根据电缆隧道内径，事先准备好水平尺和棱镜，棱镜安装在水平尺的中间(中点)，当水平尺的水平气泡居中时，棱镜所在平面位置即为隧道轴线位置，高程再根据水平尺的长度及隧道内径运用勾股定理计算得到，最后将10 m间隔的点连接起来，即为电缆隧道的轴线。

3 测量实例

以上海世博隧道为例，对电缆隧道轴线测量采用上海市城建坐标，高程采用吴淞高程系统，选用经上海市测绘院竣工测绘的世博隧道龙阳路—锦绣路路段作为样本标准，对比了7～14号竖井的20个工井测量点运用多级控制网测量技术进行测量。对测量结果和误差值进行统计，并对比上海市测绘院竣工测绘结果，可以看到偏差都在0.1 m以内，满足测量精度要求。

4 结语

本文将多级控制网测量技术运用到电缆隧道轴线测量，通过对首级控制网、高程控制网、平面联系测量和高程联系控制这几个环节的分析，综合出利用多级控制网测量电缆隧道轴线的方法。将该方法用于世博隧道龙阳路—锦绣路路段轴线测量，结果表明，该方法准确性及适用性良好。