地鐵屏蔽門安裝前的設計測量實施摘要:上海地鐵一號線屏蔽門設計工程的測量共有12個站臺,每個站臺采用獨立坐標系,用威特Ｎ3水準儀聯測起算水準點,用徠卡ＴＣ2003全站儀聯測起算平面點。用徠卡ＴＣ2003采集各特征點,采用不量儀器高,固定棱鏡高的方法推算各特征點的高程;采用徠卡公司定做的標桿測量鐵軌,利用徠卡測距儀測量多個距離進行檢測。關鍵詞:地鐵屏蔽門;徠卡ＴＣ2003全站儀;Ｎ3水準儀0前言 為了市民乘車安全和節能,上海地鐵總公司決定在地鐵站臺安裝屏蔽門。首先進行的是上海地鐵一號線上海火車站至上海南站十二個站臺屏蔽門的安裝工程。這十二個站分別是:上?；疖囌尽h中路、新閘路、人民廣場、黃陂南路、陜西南路、常熟路、衡山路、徐家匯、上海體育館、漕寶路以及上海南站。本次工程的前期設計和測量工作由新加坡ＷＩＳＥＳＣＡＮ公司和本公司承當,我公司負責各站臺現場情況的測量,采集外業數據,再將外業數據通過Ｅ＿ｍａｉｌｌ發給新方公司,新加坡公司進行數據處理和站臺屏蔽門的設計。按照上海地鐵總公司的要求:點位平面精度為±5ｍｍ,高程精度±5ｍｍ。這些都是站臺屏蔽門設計需要的設施間相對的精度。我們把它們統一到相對于控制點的精度。1測量控制點名稱與站臺方向的定義 上海地鐵公司定義:通往上?；疖囌痉较驗樯闲?通往莘莊方向為下行。我們在測量定義方向時也沿襲了這種說法。在站臺上,面向著上海火車站方向,右手為上行,左手為下行,相應的我們在測量站臺上行這邊時,控制點名稱中含有字母Ｒ(ＲＩＧＨＴ),測量站臺下行這一邊時控制點名稱中含有字母Ｌ(ＬＥＦＴ)。 由于各站臺的測量是獨立的,所以我們采用的是獨立坐標系和高程系。在上行和下行的軌道中間各選兩個地釘作為平面控制點,另外在這兩個平面控制點附近再分別選兩點作為高程控制點?？刂泣c的命名是按方向的順序命名為“1”和“2”,平面控制點命名為“?Ｒ1”、“?Ｒ2”、“?Ｌ1”和“?Ｌ2”,高程控制點對應的命名為“?ＢＭ1Ｒ”、“?ＢＭ2Ｒ”、“?ＢＭ1Ｌ”和“?ＢＭ2Ｌ”,其中“?”為各站臺的拼音代碼,各不相同。各站臺的拼音代碼見表1,站臺命名示意圖如圖1所示。
2屏蔽門測量的原理及精度分析 本次測量其實是把站臺的實際情況反映到設計圖上,也就是測量安裝屏蔽門時站臺各相關位置和設施在設計中所采用的點的三維坐標。前面我們已經定義了各個控制點,這些控制點在實地選擇時是有講究的,為了保證采集時照準精度,視距控制在6～95ｍ之間,因而此次測量每個站臺的上下行均布置了一對控制點,且每邊兩個點均在站臺整體長度的1/4和3/4處的軌道中間,相應的高程控制點距各自最近的平面控制點約6～8ｍ(如圖1)。控制點均是利用現有的地鐵監測點。 用ＴＣ2003全站儀采用三聯腳架法把四個平面控制點按導線測量的方法聯測,使用Ｎ3水準儀按照二等水準測量的要求聯測各高程控制點。由于地鐵隧道內的各種外部條件穩定,所以外部環境對儀器的影響較小。 用ＴＣ2003采集現場碎部點的三維坐標。平面坐標是用極坐標法(假定已知點坐標)來計算獲得;高程數據在不量儀器高的情況下先用徠卡的小棱鏡(固定高為0.10ｍ)作為傳遞的起始,采集碎部點高程時再用已知高度的棱鏡(出廠時已經把桿的長度很精確的測定)進行打點,然后根據差值計算獲得。 經過推導,假設傳遞高程起始時測量小棱鏡的距離為Ｓ0,天頂距為Ｔ0,那么高程起算點到測站的高差為:ΔＨ0=Ｉ-0.1+Ｓ0×ｃｏｓＴ0 (1) 其中Ｉ為測站儀器高,0.1為小棱鏡的鏡高。 采集碎部點時測量的距離為Ｓ1,天頂距為Ｔ1,那么碎部點到測站的高差為:ΔＨ1=Ｉ-Ｖ+Ｓ1×ｃｏｓＴ1 (2) Ｉ為測站儀器高,Ｖ為碎部點鏡高,桿在出廠時就較精確確定了長度,無需量取。 所以碎部點到起算點的高差ΔＨｓ為:ΔＨｓ=ΔＨ1-ΔＨ0=Ｉ-Ｖ+Ｓ1×ｃｏｓＴ1-(Ｉ-0.1+Ｓ0×ｃｏｓＴ0)=0.1+Ｓ1×ｃｏｓＴ1-(Ｖ+Ｓ0×ｃｏｓＴ0) (3) 因為采點使用的支撐桿為徠卡廠家直接加工,精度較高,在不量儀器高的情況下認為高程的精度決定于全站儀測量天頂距和測量距離的精度。ＴＣ2003測角中誤差為±0.5″,測距為±1ｍｍ+1ｐｐｍ。對(1)式進行微分:ｄ(ΔＨｓ)=ｄ(Ｓ1)×ｃｏｓＴ1-Ｓ1×ｓｉｎＴ1×ｄ(Ｔ1)/ρ-ｄ(Ｓ0)×ｃｏｓＴ0+Ｓ0×ｓｉｎＴ0×ｄ(Ｔ0)/ ρ (4) 根據實際情況,本次測量最大的Ｓ1為92ｍ,最大的Ｓ0為8ｍ,所有的正弦和余弦值均取為1,ρ=206265,將微分寫為中誤差,則儀器直接帶來的高程中誤差(最不利情況):ｍｈ=±0.12ｍｍ 實際用Ｎ3水準儀檢測,各相關位置高差與ＴＣ2003采集計算的高差較差在±1ｍｍ以內,優于設計要求(設計要求±5ｍｍ)。 對于平面坐標:ΔＸ=ｃｏｓα×Ｓ (5)ΔＸ=ｓｉｎα×Ｓ (6) 式中:α為坐標方位角,Ｓ為水平距離。 對(5)、(6)式微分:ｍｘ=-ｓｉｎα×Ｓ×ｍα/ρ+ｃｏｓα×ｍｓ (7)ｍｙ=ｃｏｓα×Ｓ×ｍα/ρ-ｓｉｎα×ｍｓ (8) 取上述同樣數據,Ｓ=92ｍ,ｍα=±0.5″,ｍｓ=±(1+1ｐｐｍ)ｍｍ,ρ=206265,ｓｉｎα=1,ｃｏｓα=1。 則坐標中誤差ｍｘ、ｍｙ及儀器引起的點位中誤差ｍ測分別為: ｍｘ=±0.87ｍｍ,ｍｙ=±0.87ｍｍ,ｍ測=±1.23ｍｍ 平面點位誤差還有定向和對中的影響,我們取對中的誤差ｍ中為1.0ｍｍ,定向的誤差ｍ定為1 0ｍｍ,則點位中誤差為: 優于設計的要求(設計要求±5ｍｍ)。3 屏蔽門安裝前的設計測量具體實施3.1標記斷面 此次測量共要得到上(下)行每個斷面的11個數據,從起點開始每隔3ｍ采集一個斷面,為了采集時斷面位置的準確性,測量前均從起點開始利用鋼尺量距每隔3ｍ對斷面位置進行標記并且對其進行編號,依次標記為01、02、03……,每個站的上下行一般有61～62個斷面。3.2控制點的觀測 利用ＴＣ2003全站儀采用導線測量的方法對四個平面控制點進行聯測,用Ｎ3水準儀對四個高程控制點進行觀測,得到四個高程控制點的高差。3.3數據采集 在上(下)行的一個平面點上設站,用上(下)行的另一個點定向,儀器測站點和后視點均仔細對中,定向時用徠卡大棱鏡(加常數為0ｍｍ)。 利用高程傳遞的原理測離設站點最近的一個高程控制點,使用小棱鏡(加常數為17.5ｍｍ),加常數已設置在儀器中。每個斷面要求測量11個數據(見圖2)。 用儀器采集的有兩條鐵軌以及Ｄ2、Ｄ3、Ｄ4、Ｄ8標,每個測站遷站時均進行歸零,如發現歸零差超限則立即重測。儀器采集除了采集兩條鐵軌時使用大棱鏡外,其余均使用小棱鏡,測量鐵軌時的鏡高為0.111ｍ(在徠卡公司定制的測桿,棱鏡高固定),測Ｄ2、Ｄ3時棱鏡均倒著擺放,所以棱鏡高為-0.1ｍ,測Ｄ8時鏡高為0.1ｍ。由于各個站臺Ｄ4的長度相差較大,所以棱鏡的擺法有所不同,Ｄ4的長度較小時,立不起來,棱鏡橫著擺放,鏡高為0ｍ;Ｄ4的長度較大時,棱鏡立著擺放,鏡高為0.10ｍ,所有點的鏡高均設置在儀器中。由于Ｄ5、Ｄ6不便于儀器觀測,所以用檢定過的鋼尺直接量取Ｄ5、Ｄ6的長度。用徠卡公司專門定做的標桿采集兩邊鐵軌,然后計算出軌道的中心線。由于天花板下面有兩條超強電流的裸露的直流輸電線,且在測量作業時間內不能斷電,為了安全起見,Ｄ1的數據采用徠卡測距儀進行測量。這些用鋼尺和測距儀量出的數據,都可利用各自相關的幾何關系算出各自的三維坐標。3.4 檢查 每個站的上行或下行都用鋼尺量取3個斷面(15、30、45號斷面),并量取相應斷面的處站臺的寬度,與儀器采集出來數據進行比較,見表2。4結束語本次屏蔽門安裝前的設計測量采用了Ｎ3水準儀、ＴＣ2003等高精度的儀器,最后甲方現場用水準儀和鋼尺檢測,滿足設計要求,對成果比較滿意。 本次測量我們在高程方面進行了較多檢驗,使用了ＴＣ2003進行測量,由于用精密儀器對上下行進行了聯測,所以在測量完畢一個車站后,就得到了一個車站下候車處的三維立體圖。因此本次測量的成果不僅可以用于地鐵屏蔽門的設計,還可以應用于其他需要這個三維空間數據的一系列工程。參考文獻[1] 李青岳,陳永奇.工程測量學[Ｍ].北京:測繪出版社,1995.[2] 陳龍飛,金其坤.工程測量[Ｍ].上海:同濟大學出版社,1990.[3] 鮑利沙科夫.精密工程測量方法和儀器[Ｍ].北京:測繪出版社,1981.[4] ＣＪＪ8-99.城市測量規范[Ｓ].北京:中國建筑工業出版社,1999.
2屏蔽門測量的原理及精度分析 本次測量其實是把站臺的實際情況反映到設計圖上,也就是測量安裝屏蔽門時站臺各相關位置和設施在設計中所采用的點的三維坐標。前面我們已經定義了各個控制點,這些控制點在實地選擇時是有講究的,為了保證采集時照準精度,視距控制在6～95ｍ之間,因而此次測量每個站臺的上下行均布置了一對控制點,且每邊兩個點均在站臺整體長度的1/4和3/4處的軌道中間,相應的高程控制點距各自最近的平面控制點約6～8ｍ(如圖1)。控制點均是利用現有的地鐵監測點。 用ＴＣ2003全站儀采用三聯腳架法把四個平面控制點按導線測量的方法聯測,使用Ｎ3水準儀按照二等水準測量的要求聯測各高程控制點。由于地鐵隧道內的各種外部條件穩定,所以外部環境對儀器的影響較小。 用ＴＣ2003采集現場碎部點的三維坐標。平面坐標是用極坐標法(假定已知點坐標)來計算獲得;高程數據在不量儀器高的情況下先用徠卡的小棱鏡(固定高為0.10ｍ)作為傳遞的起始,采集碎部點高程時再用已知高度的棱鏡(出廠時已經把桿的長度很精確的測定)進行打點,然后根據差值計算獲得。 經過推導,假設傳遞高程起始時測量小棱鏡的距離為Ｓ0,天頂距為Ｔ0,那么高程起算點到測站的高差為:ΔＨ0=Ｉ-0.1+Ｓ0×ｃｏｓＴ0 (1) 其中Ｉ為測站儀器高,0.1為小棱鏡的鏡高。 采集碎部點時測量的距離為Ｓ1,天頂距為Ｔ1,那么碎部點到測站的高差為:ΔＨ1=Ｉ-Ｖ+Ｓ1×ｃｏｓＴ1 (2) Ｉ為測站儀器高,Ｖ為碎部點鏡高,桿在出廠時就較精確確定了長度,無需量取。 所以碎部點到起算點的高差ΔＨｓ為:ΔＨｓ=ΔＨ1-ΔＨ0=Ｉ-Ｖ+Ｓ1×ｃｏｓＴ1-(Ｉ-0.1+Ｓ0×ｃｏｓＴ0)=0.1+Ｓ1×ｃｏｓＴ1-(Ｖ+Ｓ0×ｃｏｓＴ0) (3) 因為采點使用的支撐桿為徠卡廠家直接加工,精度較高,在不量儀器高的情況下認為高程的精度決定于全站儀測量天頂距和測量距離的精度。ＴＣ2003測角中誤差為±0.5″,測距為±1ｍｍ+1ｐｐｍ。對(1)式進行微分:ｄ(ΔＨｓ)=ｄ(Ｓ1)×ｃｏｓＴ1-Ｓ1×ｓｉｎＴ1×ｄ(Ｔ1)/ρ-ｄ(Ｓ0)×ｃｏｓＴ0+Ｓ0×ｓｉｎＴ0×ｄ(Ｔ0)/ ρ (4) 根據實際情況,本次測量最大的Ｓ1為92ｍ,最大的Ｓ0為8ｍ,所有的正弦和余弦值均取為1,ρ=206265,將微分寫為中誤差,則儀器直接帶來的高程中誤差(最不利情況):ｍｈ=±0.12ｍｍ 實際用Ｎ3水準儀檢測,各相關位置高差與ＴＣ2003采集計算的高差較差在±1ｍｍ以內,優于設計要求(設計要求±5ｍｍ)。 對于平面坐標:ΔＸ=ｃｏｓα×Ｓ (5)ΔＸ=ｓｉｎα×Ｓ (6) 式中:α為坐標方位角,Ｓ為水平距離。 對(5)、(6)式微分:ｍｘ=-ｓｉｎα×Ｓ×ｍα/ρ+ｃｏｓα×ｍｓ (7)ｍｙ=ｃｏｓα×Ｓ×ｍα/ρ-ｓｉｎα×ｍｓ (8) 取上述同樣數據,Ｓ=92ｍ,ｍα=±0.5″,ｍｓ=±(1+1ｐｐｍ)ｍｍ,ρ=206265,ｓｉｎα=1,ｃｏｓα=1。 則坐標中誤差ｍｘ、ｍｙ及儀器引起的點位中誤差ｍ測分別為: ｍｘ=±0.87ｍｍ,ｍｙ=±0.87ｍｍ,ｍ測=±1.23ｍｍ 平面點位誤差還有定向和對中的影響,我們取對中的誤差ｍ中為1.0ｍｍ,定向的誤差ｍ定為1 0ｍｍ,則點位中誤差為: 優于設計的要求(設計要求±5ｍｍ)。3 屏蔽門安裝前的設計測量具體實施3.1標記斷面 此次測量共要得到上(下)行每個斷面的11個數據,從起點開始每隔3ｍ采集一個斷面,為了采集時斷面位置的準確性,測量前均從起點開始利用鋼尺量距每隔3ｍ對斷面位置進行標記并且對其進行編號,依次標記為01、02、03……,每個站的上下行一般有61～62個斷面。3.2控制點的觀測 利用ＴＣ2003全站儀采用導線測量的方法對四個平面控制點進行聯測,用Ｎ3水準儀對四個高程控制點進行觀測,得到四個高程控制點的高差。3.3數據采集 在上(下)行的一個平面點上設站,用上(下)行的另一個點定向,儀器測站點和后視點均仔細對中,定向時用徠卡大棱鏡(加常數為0ｍｍ)。 利用高程傳遞的原理測離設站點最近的一個高程控制點,使用小棱鏡(加常數為17.5ｍｍ),加常數已設置在儀器中。每個斷面要求測量11個數據(見圖2)。 用儀器采集的有兩條鐵軌以及Ｄ2、Ｄ3、Ｄ4、Ｄ8標,每個測站遷站時均進行歸零,如發現歸零差超限則立即重測。儀器采集除了采集兩條鐵軌時使用大棱鏡外,其余均使用小棱鏡,測量鐵軌時的鏡高為0.111ｍ(在徠卡公司定制的測桿,棱鏡高固定),測Ｄ2、Ｄ3時棱鏡均倒著擺放,所以棱鏡高為-0.1ｍ,測Ｄ8時鏡高為0.1ｍ。由于各個站臺Ｄ4的長度相差較大,所以棱鏡的擺法有所不同,Ｄ4的長度較小時,立不起來,棱鏡橫著擺放,鏡高為0ｍ;Ｄ4的長度較大時,棱鏡立著擺放,鏡高為0.10ｍ,所有點的鏡高均設置在儀器中。由于Ｄ5、Ｄ6不便于儀器觀測,所以用檢定過的鋼尺直接量取Ｄ5、Ｄ6的長度。用徠卡公司專門定做的標桿采集兩邊鐵軌,然后計算出軌道的中心線。由于天花板下面有兩條超強電流的裸露的直流輸電線,且在測量作業時間內不能斷電,為了安全起見,Ｄ1的數據采用徠卡測距儀進行測量。這些用鋼尺和測距儀量出的數據,都可利用各自相關的幾何關系算出各自的三維坐標。3.4 檢查 每個站的上行或下行都用鋼尺量取3個斷面(15、30、45號斷面),并量取相應斷面的處站臺的寬度,與儀器采集出來數據進行比較,見表2。4結束語本次屏蔽門安裝前的設計測量采用了Ｎ3水準儀、ＴＣ2003等高精度的儀器,最后甲方現場用水準儀和鋼尺檢測,滿足設計要求,對成果比較滿意。 本次測量我們在高程方面進行了較多檢驗,使用了ＴＣ2003進行測量,由于用精密儀器對上下行進行了聯測,所以在測量完畢一個車站后,就得到了一個車站下候車處的三維立體圖。因此本次測量的成果不僅可以用于地鐵屏蔽門的設計,還可以應用于其他需要這個三維空間數據的一系列工程。參考文獻[1] 李青岳,陳永奇.工程測量學[Ｍ].北京:測繪出版社,1995.[2] 陳龍飛,金其坤.工程測量[Ｍ].上海:同濟大學出版社,1990.[3] 鮑利沙科夫.精密工程測量方法和儀器[Ｍ].北京:測繪出版社,1981.[4] ＣＪＪ8-99.城市測量規范[Ｓ].北京:中國建筑工業出版社,1999.
