上海地鐵7號線隧道盾構(gòu)施工中的測量工作

桂芳茹

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽 618000)

1 工程概況

上海地鐵7號線錦繡路站——滬南路站區(qū)間隧道工程由西向東從白蓮涇防汛墻樁基和上海第三十八棉紡廠新廠房樁基(現(xiàn)已拆遷)穿過，繞過上海西思迪蓄電池有限公司及安達(dá)醫(yī)院走向。地面絕對標(biāo)高為3.90 m左右。線路平面最大曲線半徑為360 m，在豎向?yàn)椤癡”字形坡。線路埋深在19 m～25 m之間，隧道斷面均為標(biāo)準(zhǔn)的單線單洞區(qū)間隧道，部分隧道工程需穿越高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度、低滲透性的飽和軟粘性土和粉質(zhì)粘土夾粘質(zhì)粉土層，本隧道掘進(jìn)施工土層適合土壓平衡盾構(gòu)施工。

2 施工測量

盾構(gòu)法施工中測量工作的目的主要是為了確保盾構(gòu)機(jī)準(zhǔn)確進(jìn)洞。這也是盾構(gòu)法隧道施工的一個(gè)關(guān)鍵所在。盾構(gòu)法隧道施工中的測量工作主要可以分為四個(gè)部分:地上平面、高程控制測量，地上與地下平面、高程聯(lián)系測量，地下平面、高程控制測量和盾構(gòu)姿態(tài)測量四個(gè)部分。以下將分別詳述在上海地鐵7號線24標(biāo)上行線盾構(gòu)隧道施工中測量工作的各個(gè)方面。

2.1 平面、高程控制測量

(1)地面平面控制網(wǎng)的布設(shè)與施測

以甲方提供的平面控制點(diǎn)為依據(jù)，布置平面控制點(diǎn)，建立地面導(dǎo)線控制網(wǎng)。導(dǎo)線測量采用TOPCON GTS－602全站儀，分三次進(jìn)行復(fù)核，時(shí)間為:施工前、施工中期和進(jìn)洞前(100 m～50 m)。以地面控制網(wǎng)為基礎(chǔ)，施工時(shí)改用導(dǎo)線控制測量來控制整個(gè)隧道的盾構(gòu)推進(jìn)。

(2)高程控制網(wǎng)的布設(shè)與施測

地上高程控制測量主要是在復(fù)核甲方提供的精密水準(zhǔn)點(diǎn)之后，以甲方給定的精密水準(zhǔn)點(diǎn)為依據(jù)，根據(jù)施工的需要對施工現(xiàn)場進(jìn)行臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)的加密，也可將已知高程引測到近井點(diǎn)上，進(jìn)行精密水準(zhǔn)聯(lián)測來有效控制隧道高程貫通誤差。整個(gè)工程中的高程控制測量分三次復(fù)核，時(shí)間為:施工前、施工中期和進(jìn)洞前100m～50m。

采用S1型帶平行玻璃板測微器水準(zhǔn)儀配合因瓦尺按GB50026－93工程測量規(guī)范執(zhí)行。

2.2 地上與地下平面、高程聯(lián)系測量

地上與地下聯(lián)系測量的目的主要是將井上點(diǎn)的平面坐標(biāo)、高程與井上點(diǎn)的平面坐標(biāo)、高程納入到同一個(gè)系統(tǒng)中，從而為井下控制測量提供依據(jù)。

(1)地上與地下平面聯(lián)系測量

在盾構(gòu)法隧道施工中，隧道的貫通誤差有很大一部分來自地上與地下聯(lián)系測量。為了確保井下控制點(diǎn)的準(zhǔn)確度，在工程中采用聯(lián)系三角形對地下控制點(diǎn)的坐標(biāo)和方位進(jìn)行復(fù)核。采用3根鋼絲，以兩組方位傳遞至井下固定起始邊，固定邊長度應(yīng)≥100m～200m，整個(gè)區(qū)間根據(jù)實(shí)際施工需要確定施測次數(shù)，一般不少于3次，3次互差不得超過8″～10″。這種方法作業(yè)時(shí)間短(約需1小時(shí)外業(yè)工作量)、精度高、可靠性強(qiáng)，收效快等特點(diǎn)。

(2)地上與地下高程聯(lián)系測量

地上與地下高程聯(lián)系測量，主要是將地上精密水準(zhǔn)點(diǎn)的已知高程傳遞到地下臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)上去，也就是將地下與地上納入同一個(gè)高程系統(tǒng)中。

高程傳遞采用懸吊鋼尺的方法進(jìn)行，所用鋼尺須經(jīng)過鑒定，并使用與鋼尺標(biāo)準(zhǔn)拉力等量的重錘將鋼尺懸掛于井內(nèi)，然后地面、井下兩臺水準(zhǔn)儀同時(shí)觀察，用6個(gè)～8個(gè)視線高，最大高差不得大于2 mm～3 mm。鋼尺應(yīng)進(jìn)行尺長、溫度兩項(xiàng)改正。井下布設(shè)2個(gè)～3個(gè)地下起始高程控制點(diǎn)。整個(gè)區(qū)間施工中高程點(diǎn)的傳遞次數(shù)不得少于3次。

2.3 地下平面、高程控制測量

(1)地下導(dǎo)線測量

地下平面控制測量主要是采用布設(shè)支導(dǎo)線的方法進(jìn)行。地下平面控制測量以定向測量結(jié)果為井下導(dǎo)線的起始邊，盡量使導(dǎo)線布設(shè)成為等邊直伸導(dǎo)線，隨著隧道掘進(jìn)，逐次布設(shè)地下隧道貫通導(dǎo)線點(diǎn)，同時(shí)在管片封頂塊上布設(shè)吊籃，吊籃上設(shè)強(qiáng)制歸心的平面控制點(diǎn)，由貫通導(dǎo)線點(diǎn)引測。在測量定向過程中，布設(shè)了交叉導(dǎo)線，在每設(shè)置一個(gè)新的導(dǎo)線點(diǎn)時(shí)，均由2條交叉導(dǎo)線測得其坐標(biāo)，當(dāng)檢驗(yàn)無誤后，取其平均值作為新點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)或單導(dǎo)線左右角觀測法等有效測量手段來收斂地下導(dǎo)線重點(diǎn)自由度，確保盾構(gòu)沿設(shè)計(jì)軸線跟蹤。

地下導(dǎo)線測量采用全站儀，左右角各測3測回，圓周角閉合差不得大于2″～3″，重復(fù)測定測角總和不得大于2″×n1/2(n為測站數(shù))，邊長各3測回，往返觀測。每布設(shè)一個(gè)新點(diǎn)，為了檢核，必須從地面導(dǎo)線傳遞下來，將整條導(dǎo)線重測一次。

(2)地下水準(zhǔn)測量

隨盾構(gòu)推進(jìn)深度，每隔一段距離，埋設(shè)一貫通高程控制點(diǎn)，作為隧道掘進(jìn)的高程依據(jù)。按國家3等水準(zhǔn)測量觀測，往返固定點(diǎn)高差≤2 mm～3 mm，全程高差閉合差≤±15 mm×s1/2(s為全程長度，單位:km)。然后轉(zhuǎn)測到相應(yīng)吊籃上的控制點(diǎn)上。貫通高程控制點(diǎn)的高程應(yīng)由地下起始高程控制點(diǎn)傳遞，引測前應(yīng)對起始高程控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核。

地下平面、高程控制測量要做到勤復(fù)勤查。并能有效的和地面點(diǎn)互相聯(lián)測，以保證盾構(gòu)推進(jìn)方向的準(zhǔn)確性。

2.4 盾構(gòu)姿態(tài)測量

對于長隧道或曲線隧道施工來講，確保掘進(jìn)機(jī)(盾構(gòu))能正確地沿著設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行推進(jìn)和貫通是最關(guān)鍵的問題。這一方面取決于地面控制測量的精度，另一方面更重要的是地下隧道測量以及施工測量的精度和測量采用的技術(shù)手段。

根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)的方法及盾構(gòu)測量的特殊性，在測量之前需要對盾構(gòu)機(jī)安裝測量覘牌和坡度板，以便對盾構(gòu)進(jìn)行及時(shí)測量，對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，使盾構(gòu)按設(shè)計(jì)方向掘進(jìn)。進(jìn)行安裝時(shí)，先測量出盾構(gòu)的軸線，并把覘牌和坡度板固定在盾構(gòu)上，前標(biāo)后標(biāo)應(yīng)具有足夠的長度，前標(biāo)距切口越近越好，并用盾殼求出前標(biāo)和后標(biāo)到盾構(gòu)中心的半徑。為確保整個(gè)施工期間不被破壞，設(shè)置保護(hù)記號，此項(xiàng)工作應(yīng)有原始記錄和校核記錄，以免盾構(gòu)標(biāo)志數(shù)據(jù)中存在系統(tǒng)誤差。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在直線段中掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)用井下導(dǎo)線成果計(jì)算出盾構(gòu)標(biāo)志的坐標(biāo)，即前標(biāo)和后標(biāo)的坐標(biāo)(并進(jìn)行轉(zhuǎn)角改正)，再利用幾何關(guān)系計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)切口和盾尾的實(shí)測坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)進(jìn)行比較，而后以盾構(gòu)實(shí)際縱坡計(jì)算出切口、盾尾的高程，經(jīng)與設(shè)計(jì)高程比較后，計(jì)算出切口和盾尾的高程偏離值。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在曲線段中掘進(jìn)時(shí)，依據(jù)緩和曲線的計(jì)算方法，以直緩點(diǎn)為原點(diǎn)，切線方向?yàn)檎狈较虻氖┕ぷ鴺?biāo)系，在這個(gè)坐標(biāo)系中，依據(jù)儀器觀測所得到的前標(biāo)和后標(biāo)的水平角和邊長計(jì)算出切口和盾尾的實(shí)測坐標(biāo)。

根據(jù)切口和盾尾的實(shí)測坐標(biāo)，確定出盾構(gòu)機(jī)實(shí)際的位置，如果盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的位置在第一段緩和曲線中，就以橫坐標(biāo)為里程值，代入緩和曲線的擬合方程，得到盾構(gòu)機(jī)切口和盾尾的設(shè)計(jì)坐標(biāo)，再和盾構(gòu)機(jī)實(shí)測的切口和盾尾的坐標(biāo)相比較，可得出盾構(gòu)機(jī)切口和盾尾的平面偏差。

如果盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)位置在圓曲線中，用實(shí)測的盾構(gòu)機(jī)切口和盾尾中心坐標(biāo)和圓心坐標(biāo)反算出兩個(gè)距離，后根據(jù)半徑和兩個(gè)距離可輕易得出盾構(gòu)機(jī)切口和盾尾的平面偏差。

如果盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)位置在第二段緩和曲線上，將施工坐標(biāo)系的原點(diǎn)轉(zhuǎn)移到緩直點(diǎn)上，與第一段緩和曲線利用相同的計(jì)算方法可以計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)切口和盾尾的平面偏差。這里要注意的是曲線的方向是和第一段緩和曲線相反的。

高程偏差測量，測出前標(biāo)中心的垂直角計(jì)算出前標(biāo)的高程，再依據(jù)盾構(gòu)縱坡和幾何關(guān)系計(jì)算出切口、盾尾的高程與設(shè)計(jì)高程比較后，計(jì)算出切口和盾尾的高程偏離值。

圖1 盾構(gòu)實(shí)時(shí)姿態(tài)跟蹤監(jiān)測

為了做到對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的實(shí)時(shí)控制，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中采用盾構(gòu)姿態(tài)自動監(jiān)測系統(tǒng)。采用全自動跟蹤全站儀及相應(yīng)的系統(tǒng)配件，結(jié)合自行開發(fā)的系統(tǒng)軟件，在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC，以下簡IPC機(jī))的控制下，完成盾構(gòu)實(shí)時(shí)姿態(tài)跟蹤監(jiān)測(單機(jī)模式)。盾構(gòu)隧道支導(dǎo)線的基準(zhǔn)點(diǎn)與基準(zhǔn)線由固定在兩個(gè)吊籃上的一臺自動全站儀T和一個(gè)后視點(diǎn)Ba組成(圖1)。自動全站儀T測量固定棱鏡P1、P2、P3的三維坐標(biāo)，這三個(gè)棱鏡被事先安置于盾構(gòu)機(jī)內(nèi)。通過三維向量歸算求得當(dāng)前盾構(gòu)機(jī)切口和盾尾的特征部位——中心點(diǎn)P01、P02的三維坐標(biāo)(X01、Y01、Z01)、(X02、Y02、Z02)。

本系統(tǒng)的測量方式仍是傳統(tǒng)的連續(xù)支導(dǎo)線測量，通過測站的前后視轉(zhuǎn)角和水平距離的測量，最后測得盾構(gòu)機(jī)內(nèi)棱鏡的坐標(biāo)。全自動測量系統(tǒng)由安裝在測站點(diǎn)T的一臺自動全站儀與IPC機(jī)組成。除了開關(guān)IPC機(jī)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)無須人員操作。只要IPC機(jī)進(jìn)入測量模式，則系統(tǒng)的測量將連續(xù)循環(huán)進(jìn)行，直到退出測量模式或關(guān)機(jī)為止。

為了保證盾構(gòu)姿態(tài)的準(zhǔn)確性，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中采用人工測量和盾構(gòu)姿態(tài)自動測量系統(tǒng)相結(jié)合的方法。對盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)狀態(tài)達(dá)到實(shí)時(shí)的監(jiān)測，確保盾構(gòu)機(jī)沿著設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)。

3 施工測量精度的保障措施

由于工程工期和施工環(huán)境的限制，使得測量工作不允許出現(xiàn)測量誤差超出限差的情況，在施工中，必須高度重視測量工作，必須加強(qiáng)施工測量檢核。特制定以下技術(shù)措施:

(1)施工放樣前將施工測量方案設(shè)計(jì)與意見報(bào)告監(jiān)理審批。內(nèi)容包括施測方法、操作規(guī)程、觀測儀器設(shè)備的配置和測量專業(yè)人員的配備等。

(2)固定專用測量儀器和工具設(shè)備，建立專業(yè)測量組，專人觀測和成果整理。建立測量復(fù)核制度，按“三級復(fù)核制”的原則進(jìn)行施測。每次施測后，須經(jīng)測量工程師復(fù)核。

(3)加強(qiáng)對測量用所有控制點(diǎn)的保護(hù)，防止移動和損壞;一旦發(fā)生移動和損壞，應(yīng)立即報(bào)告監(jiān)理，并與監(jiān)理協(xié)商補(bǔ)救措施。

(4)測量儀器和設(shè)備，應(yīng)按照規(guī)定的日期、方法送到具有檢定資格的部門檢定和校準(zhǔn)，合格后方可投入使用。

(5)用于測量的圖紙資料，測量技術(shù)人員必須認(rèn)真核對，必要時(shí)應(yīng)到現(xiàn)場核對，確認(rèn)無誤無疑后，方可使用，如發(fā)現(xiàn)疑問做好記錄并及時(shí)上報(bào)，待得到答復(fù)后，才能按圖進(jìn)行測量放樣。

(6)原始觀測值和記事項(xiàng)目，應(yīng)在現(xiàn)場用鋼筆或鉛筆記錄在規(guī)定格式的外業(yè)手簿中。測量技術(shù)人員要認(rèn)真整理內(nèi)業(yè)資料，保證所有測量資料的完整。資料必須一人計(jì)算，另外一人復(fù)核。抄錄資料，亦須認(rèn)真核對。

(7)外業(yè)前，測量技術(shù)人員對內(nèi)業(yè)資料進(jìn)行檢查，所采用的測量方法、測量所用樁點(diǎn)以及測量要達(dá)到的目的向測工進(jìn)行交底，做到人人明白;外業(yè)中，平面和高程測量要形成檢核條件，滿足檢核條件要求的測量成果才能成為合格成果，否則，返工重測。

(8)經(jīng)常復(fù)核洞內(nèi)有變形地方附近的導(dǎo)線點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)。隨時(shí)掌握控制點(diǎn)的變形情況，關(guān)注量測信息。在測量工作中，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)位變化，隨時(shí)進(jìn)行測量改正，嚴(yán)格遵守各項(xiàng)測量工作制度和工作程序，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

施工中的各個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)積極和測量監(jiān)理工程師進(jìn)行聯(lián)系、溝通和配合，滿足測量監(jiān)理工程師提出的測量技術(shù)要求及意見，并把測量結(jié)果和資料及時(shí)上報(bào)監(jiān)理，測量監(jiān)理工程師經(jīng)過內(nèi)業(yè)資料復(fù)核和外業(yè)實(shí)測確定無誤后，方可進(jìn)行下步工序的施工，確保施工的質(zhì)量。

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