地鐵盾構(gòu)施工中的若干測量手段及方法

朱旭

摘 要：本文基于對地鐵盾構(gòu)施工中的若干測量手段及方法進(jìn)行了深入的研究和分析，詳細(xì)闡述了定位測量盾構(gòu)姿態(tài)、測定隧道中心坐標(biāo)以及相關(guān)的計(jì)算方法等，從而為地鐵盾構(gòu)施工測量提供一些測量的基礎(chǔ)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地鐵；盾構(gòu)施工；測量手段；方法分析

中圖分類號： U25 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）27-48-2

1 地下導(dǎo)線如何提高精度

在地鐵的隧道中，地下導(dǎo)線是貫穿測量隧道的一條導(dǎo)線分支，它主要為盾構(gòu)的推進(jìn)指導(dǎo)方向，因此必須確保地下導(dǎo)線的準(zhǔn)確性。對此，在進(jìn)行定向測量的過程中，就可以設(shè)置交叉導(dǎo)線，并且在設(shè)置每一個(gè)新的交叉導(dǎo)線的點(diǎn)時(shí)，都能通過這兩條交叉的導(dǎo)線來測量其所在的坐標(biāo)，然后對其進(jìn)行檢查和審核，確認(rèn)無誤后，就將其平均值用作這一交叉點(diǎn)的測量值。

在曲線隧道部分，可以利用跳站的方式來進(jìn)行觀測，即間隔一個(gè)或幾個(gè)站點(diǎn)來進(jìn)行觀測，從而形成一個(gè)跳點(diǎn)導(dǎo)線，見圖1。在直線隧道部分，就需要在每一個(gè)吊籃上安裝兩個(gè)觀測的平臺，從而使左右構(gòu)成兩條導(dǎo)線，最后交會于新點(diǎn)處，這樣不僅能夠保證測量出來的數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的可靠性，同時(shí)還能保證地下導(dǎo)線具有較高的精度。

一般情況下，導(dǎo)線點(diǎn)主要是建立在管片儀器的側(cè)面或者頂部的平臺上，這個(gè)儀器主要使用強(qiáng)制歸心，測量工作人員可以在走道板或者吊籃上進(jìn)行觀測，而不與儀器臺接觸，這樣就能保證儀器具有較好的穩(wěn)定性。提高地下導(dǎo)線精度的具體措施為：①使用雙導(dǎo)線或者交叉導(dǎo)線點(diǎn)的方法；②測量地下導(dǎo)線時(shí)，橫向貫通中邊長誤差的很小，而存在的誤差主要來源于測角誤差，通過估算能夠?qū)ζ溥M(jìn)行控制。

2 定位測量盾構(gòu)姿態(tài)

定位盾構(gòu)姿態(tài)主要就是按照導(dǎo)線點(diǎn)對盾構(gòu)掘進(jìn)的位置和方向進(jìn)行精確定位。

定位盾構(gòu)姿態(tài)的方法和途徑如下：①在盾構(gòu)機(jī)的中心頂部軸線上，水平固定一個(gè)前尺和后尺，并測量兩者之間的距離，從而對橫向的偏差予以控制。盾構(gòu)推進(jìn)的中心軸方向，左側(cè)水平尺以紅色刻畫，右側(cè)水平尺以黑色刻畫，撥角儀器指向紅色的水平尺，以“+”進(jìn)行讀數(shù)，黑色水平尺以“-”進(jìn)行讀數(shù)。②將一根水準(zhǔn)尺固定在水平后尺的中心位置，水準(zhǔn)尺的底部指向盾構(gòu)3130m的中心處，然后引測其高程。③用幾何原理導(dǎo)出計(jì)算公式：

第一，平面部分。盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)角修正：

e=前尺：2475sinT

后尺：2640sinT

式中：T——轉(zhuǎn)角，左轉(zhuǎn)為“+”，右轉(zhuǎn)為“-”

第二，切口偏差：

x=-2605（a+b）-a+e

第三，尾部偏差：

y=+2648（a+b）-b+e

第四，高程部分。令坡度為：i，與設(shè)計(jì)值的差為：

Δ切口=4012i+Δh

Δ盾尾=-2538i+Δh

式中，仰為“+”，俯為“-”；Δh=r-rcosT，它主要是由T這一盾構(gòu)轉(zhuǎn)角所造成的豎直標(biāo)尺發(fā)生變位的改正數(shù)。

④按照幾何原理，并利用相關(guān)公式來進(jìn)行計(jì)算，確保能夠?qū)⒍軜?gòu)機(jī)的盾尾和切口處的高程以及平面偏差控制在合理的范圍內(nèi)，且每一部分管片推進(jìn)后都必須進(jìn)行嚴(yán)格地精度控制，使之保持在規(guī)范的范圍內(nèi)。

3 測定隧道中心坐標(biāo)

在測量隧道中心坐標(biāo)的過程中，盡管難度不高，但是非常復(fù)雜。一般在瓦形環(huán)襯的隧道砌洞壁中，洞壁上的環(huán)中心無任何明顯的標(biāo)志，因此在測量的過程中，使用的方法一般是測量某一圓周上許多個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，并按照二乘最小擬合的方法來對環(huán)中心以及環(huán)橢圓的坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)在觀測的過程中，需要在地下導(dǎo)線的交點(diǎn)上安置測量的儀器，然后將特制棱鏡安裝在隧道砌洞壁圓周的每一個(gè)點(diǎn)上，并針對每一個(gè)點(diǎn)測量其三維坐標(biāo)。擬合計(jì)算的方法主要是按照普通的曲線閉合時(shí)的方程來計(jì)算的。

以某市地鐵2號線為例，對于測量隧道的中心坐標(biāo)，我們采用了一種非常簡單的方法，并經(jīng)大量的實(shí)踐應(yīng)用證明，這種方法的測量效果非常好（與上述計(jì)算方法所得結(jié)果的偏差均處于10mm之內(nèi)）。方法具體內(nèi)容為：①確定環(huán)片平面的中心位置，確定中心點(diǎn)的方式為：將一根長度為5m的鋁合金精制尺，橫放在隧道環(huán)的左右兩側(cè)，并利用水準(zhǔn)器來校正標(biāo)桿，使之處于水平位置，這時(shí)標(biāo)桿的中心點(diǎn)則是環(huán)片的中心點(diǎn)。然后采用全站儀向中心位置瞄準(zhǔn)，并測出中心點(diǎn)的坐標(biāo)。②確定中心標(biāo)高，使用一根塔尺，長度為5m，并將其放置在環(huán)片上下最大讀書處的中央位置，然后利用水平絲讀數(shù)上下尺，并將讀數(shù)相加，從而得到豎徑值。最后將每一個(gè)環(huán)片的底部高程與豎徑值的一半相加，就能得出各個(gè)環(huán)片的高程。

4 計(jì)算方法

在掘進(jìn)盾構(gòu)的過程中，通過對盾構(gòu)的中心位置的測定，糾正盾構(gòu)的姿態(tài)定位。在直線上，對隧道設(shè)計(jì)中心的坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算非常簡便，但是在彎道上，其計(jì)算的方法與地面曲線上的中心坐標(biāo)計(jì)算存在較大的差異。在細(xì)部放樣曲線上，由于具有超距e與超高h(yuǎn)，因此施工的曲線與設(shè)計(jì)的曲線就會存在不一致的現(xiàn)象。而設(shè)計(jì)曲線一般是指鋪設(shè)在隧道內(nèi)的中心軌道上的曲線，即實(shí)線軌跡的中心部分；施工曲線則指的是隧道中心確定的曲線，也是掘進(jìn)盾構(gòu)的曲線，即虛線軌跡的中心部分。當(dāng)設(shè)計(jì)曲線與掘進(jìn)盾構(gòu)曲線兩者的圓心相互重合時(shí)，緩和曲線上的e（超距）就會慢慢減小或者增大，但是在直線上則為零。

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)超距e=0.149m時(shí)，超高h(yuǎn)=0.120m。隧道中心軌道上的曲線，其半徑則按照R′=R-e這一公式來計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。

在掘進(jìn)盾構(gòu)的過程中，針對影響超距設(shè)計(jì)曲線的坐標(biāo)計(jì)算，有如下計(jì)算公式可以參考：

①計(jì)算緩和曲線上的任意點(diǎn)坐標(biāo)。先計(jì)算切線點(diǎn)支距的坐標(biāo)（見下圖）：

x=l--e

sin

y=l-+e

cos

式中，lo為緩和曲線的長度；l為從ZH點(diǎn)起算的弧長。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：

X=XZH+xcosθ-ysinθ Y=YZH+xsinθ+ycosθ

在起始位置，θ=A；在終點(diǎn)位置：θ=A+T+c，且XZH?XHZ，YZH?YHZ。

②計(jì)算圓曲線上任意點(diǎn)的坐標(biāo)。圓心坐標(biāo)（X0，Y0）的計(jì)算：

C=A+T+（c-T）/2 X0=XQZ+R′cosC Y0=YQZ+R′sinC

式中，（XQZ，YQZ）為圓曲線的中點(diǎn)坐標(biāo)；R′=R-e。

圓心到HY點(diǎn)的方位角B為：

B=C-（T-2U0）/2+c=A+U0+3τ/2

如果任意一點(diǎn)距離起點(diǎn)（HY）的弧長為L，則圓曲線上的任意一點(diǎn)的坐標(biāo)則為：

X=X0-R′cos（B+L/R′） Y=Y0+R′sin（B+L/R′）

5 總結(jié)

綜上所述：①對于地鐵隧道中所設(shè)置的地下導(dǎo)線，測定其導(dǎo)線點(diǎn)的方位角以及坐標(biāo)一般采用的是支導(dǎo)線方法。支導(dǎo)線則指使得未進(jìn)行檢測和審核的自由導(dǎo)線，在隧道盾構(gòu)施工的過程中，未經(jīng)檢測和審核的數(shù)據(jù)是不被認(rèn)可的，因此隧道盾構(gòu)施工的過程中，必須保證每個(gè)測量的數(shù)據(jù)都是可靠的。②在定位盾構(gòu)姿態(tài)時(shí)，闡述了定位的方法和措施，分析了影響的所有因素，并逐步進(jìn)行了改正，以控制誤差。③針對在隧道盾構(gòu)施工的過程中，設(shè)計(jì)曲線與施工曲線均存在的超距以及超高問題，推導(dǎo)出了相關(guān)的計(jì)算公式，并進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，從而有效地解決了施工過程中存在的相關(guān)問題。

參 考 文 獻(xiàn)

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