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地铁屏蔽门安装前的设计测量实施

供稿:工控网 2006/10/25 8:48:00

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0 前言
为了市民乘车安全和节能,上海地铁总公司决定在地铁站台安装屏蔽门。首先进行的是上海地铁一号线上海火车站至上海南站十二个站台屏蔽门的安装工程。这十二个站分别是:上海火车站、汉中路、新闸路、人民广场、黄陂南路、陕西南路、常熟路、衡山路、徐家汇、上海体育馆、漕宝路以及上海南站。本次工程的前期设计和测量工作由新加坡WISESCAN公司和本公司承当,我公司负责各站台现场情况的测量,采集外业数据,再将外业数据通过E_maill发给新方公司,新加坡公司进行数据处理和站台屏蔽门的设计。按照上海地铁总公司的要求:点位平面精度为±5mm,高程精度±5mm。这些都是站台屏蔽门设计需要的设施间相对的精度。我们把它们统一到相对于控制点的精度。
1 测量控制点名称与站台方向的定义
上海地铁公司定义:通往上海火车站方向为上行,通往莘庄方向为下行。我们在测量定义方向时也沿袭了这种说法。在站台上,面向着上海火车站方向,右手为上行,左手为下行,相应的我们在测量站台上行这边时,控制点名称中含有字母R(RIGHT),测量站台下行这一边时控制点名称中含有字母L(LEFT)。
由于各站台的测量是独立的,所以我们采用的是独立坐标系和高程系。在上行和下行的轨道中间各选两个地钉作为平面控制点,另外在这两个平面控制点附近再分别选两点作为高程控制点。控制点的命名是按方向的顺序命名为“1”和“2”,平面控制点命名为“?R1”、“?R2”、“?L1”和“?L2”,高程控制点对应的命名为“?BM1R”、“?BM2R”、“?BM1L”和“?BM2L”,其中“?”为各站台的拼音代码,各不相同。各站台的拼音代码见表1,站台命名示意图如图1所示。



2 屏蔽门测量的原理及精度分析
本次测量其实是把站台的实际情况反映到设计图上,也就是测量安装屏蔽门时站台各相关位置和设施在设计中所采用的点的三维坐标。前面我们已经定义了各个控制点,这些控制点在实地选择时是有讲究的,为了保证采集时照准精度,视距控制在6~95m之间,因而此次测量每个站台的上下行均布置了一对控制点,且每边两个点均在站台整体长度的1/4和3/4处的轨道中间,相应的高程控制点距各自最近的平面控制点约6~8m(如图1)。控制点均是利用现有的地铁监测点。


用TC2003全站仪采用三联脚架法把四个平面控制点按导线测量的方法联测,使用N3水准仪按照二等水准测量的要求联测各高程控制点。由于地铁隧道内的各种外部条件稳定,所以外部环境对仪器的影响较小。
用TC2003采集现场碎部点的三维坐标。平面坐标是用极坐标法(假定已知点坐标)来计算获得;高程数据在不量仪器高的情况下先用徕卡的小棱镜(固定高为0.10m)作为传递的起始,采集碎部点高程时再用已知高度的棱镜(出厂时已经把杆的长度很精确的测定)进行打点,然后根据差值计算获得。
经过推导,假设传递高程起始时测量小棱镜的距离为S0,天顶距为T0,那么高程起算点到测站的高差为:
ΔH0=I-0.1+S0×cosT0 (1)  
其中I为测站仪器高,0.1为小棱镜的镜高。
采集碎部点时测量的距离为S1,天顶距为T1,那么碎部点到测站的高差为:
ΔH1=I-V+S1×cosT1 (2)  
I为测站仪器高,V为碎部点镜高,杆在出厂时就较精确确定了长度,无需量取。
所以碎部点到起算点的高差ΔHs为:
ΔHs=ΔH1-ΔH0=I-V+S1×cosT1-(I-0.1+S0×cosT0)
=0.1+S1×cosT1-(V+S0×cosT0) (3)  
因为采点使用的支撑杆为徕卡厂家直接加工,精度较高,在不量仪器高的情况下认为高程的精度决定于全站仪测量天顶距和测量距离的精度。TC2003测角中误差为±0.5″,测距为±1mm+1ppm。对(1)式进行微分:
d(ΔHs)=d(S1)×cosT1-S1×sinT1×d(T1)/ρ
-d(S0)×cosT0+S0×sinT0×d(T0)/ ρ (4)
根据实际情况,本次测量最大的S1为92m,最大的S0为8m,所有的正弦和余弦值均取为1,ρ=206265,将微分写为中误差,则仪器直接带来的高程中误差(最不利情况):
mh=±0.12mm
  实际用N3水准仪检测,各相关位置高差与TC2003采集计算的高差较差在±1mm以内,优于设计要求(设计要求±5mm)。
对于平面坐标:
ΔX=cosα×S (5)
ΔX=sinα×S (6)
  式中:α为坐标方位角,S为水平距离。
对(5)、(6)式微分:
mx=-sinα×S×mα/ρ+cosα×ms (7)
my=cosα×S×mα/ρ-sinα×ms (8)
  取上述同样数据,S=92m,mα=±0.5″,ms=±(1+1ppm)mm,ρ=206265,sinα=1,cosα=1。
则坐标中误差mx、my及仪器引起的点位中误差m测分别为:
mx=±0.87mm,my=±0.87mm,m测=±1.23mm  
平面点位误差还有定向和对中的影响,我们取对中的误差m中为1.0mm,定向的误差m定为1 0mm,则点位中误差为: 优于设计的要求(设计要求±5mm)。
3 屏蔽门安装前的设计测量具体实施
3.1 标记断面
此次测量共要得到上(下)行每个断面的11个数据,从起点开始每隔3m采集一个断面,为了采集时断面位置的准确性,测量前均从起点开始利用钢尺量距每隔3m对断面位置进行标记并且对其进行编号,依次标记为01、02、03……,每个站的上下行一般有61~62个断面。
3.2 控制点的观测
利用TC2003全站仪采用导线测量的方法对四个平面控制点进行联测,用N3水准仪对四个高程控制点进行观测,得到四个高程控制点的高差。
3.3 数据采集
在上(下)行的一个平面点上设站,用上(下)行的另一个点定向,仪器测站点和后视点均仔细对中,定向时用徕卡大棱镜(加常数为0mm)。
利用高程传递的原理测离设站点最近的一个高程控制点,使用小棱镜(加常数为17.5mm),加常数已设置在仪器中。每个断面要求测量11个数据(见图2)。


用仪器采集的有两条铁轨以及D2、D3、D4、D8标,每个测站迁站时均进行归零,如发现归零差超限则立即重测。仪器采集除了采集两条铁轨时使用大棱镜外,其余均使用小棱镜,测量铁轨时的镜高为0.111m(在徕卡公司定制的测杆,棱镜高固定),测D2、D3时棱镜均倒着摆放,所以棱镜高为-0.1m,测D8时镜高为0.1m。由于各个站台D4的长度相差较大,所以棱镜的摆法有所不同,D4的长度较小时,立不起来,棱镜横着摆放,镜高为0m;D4的长度较大时,棱镜立着摆放,镜高为0.10m,所有点的镜高均设置在仪器中。由于D5、D6不便于仪器观测,所以用检定过的钢尺直接量取D5、D6的长度。用徕卡公司专门定做的标杆采集两边铁轨,然后计算出轨道的中心线。由于天花板下面有两条超强电流的裸露的直流输电线,且在测量作业时间内不能断电,为了安全起见,D1的数据采用徕卡测距仪进行测量。这些用钢尺和测距仪量出的数据,都可利用各自相关的几何关系算出各自的三维坐标。
3.4 检查
每个站的上行或下行都用钢尺量取3个断面(15、30、45号断面),并量取相应断面的处站台的宽度,与仪器采集出来数据进行比较,见表2。


4 结束语
本次屏蔽门安装前的设计测量采用了N3水准仪、TC2003等高精度的仪器,最后甲方现场用水准仪和钢尺检测,满足设计要求,对成果比较满意。
本次测量我们在高程方面进行了较多检验,使用了TC2003进行测量,由于用精密仪器对上下行进行了联测,所以在测量完毕一个车站后,就得到了一个车站下候车处的三维立体图。因此本次测量的成果不仅可以用于地铁屏蔽门的设计,还可以应用于其他需要这个三维空间数据的一系列工程。

参考文献
[1] 李青岳,陈永奇.工程测量学[M].北京:测绘出版社,1995.
[2] 陈龙飞,金其坤.工程测量[M].上海:同济大学出版社,1990.
[3] 鲍利沙科夫.精密工程测量方法和仪器[M].北京:测绘出版社,1981.
[4] CJJ8-99.城市测量规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1999. 信息来源于:中国城市轨道交通

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