雙護盾TBM施工中VMT導向系統(tǒng)精度影響因素分析

陳 黨 瑩

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川 成都 610072)

0 前 言

“VMT導向系統(tǒng)”是由VMT GmbH—Gesellschaft fǖr Vermessungstechnik測量技術(shù)公司(德國)專為隧道掘進機開發(fā)的特殊導向系統(tǒng)，即：TUnls或SLS-T激光導向定位系統(tǒng) ，簡稱為“VMT導向系統(tǒng)”。該系統(tǒng)具有錄入隧道設(shè)計軸線坐標參數(shù)并計算設(shè)計軸線、TBM即時位置，并以圖形、數(shù)字方式顯示，計算平滑糾偏曲線，使TBM切向返回設(shè)計軸線等測量導向功能及管片安裝選型、備份已拼裝管環(huán)數(shù)據(jù)信息等其他非導向功能。在掘進過程中，該系統(tǒng)對TBM的位置和隧道設(shè)計軸線的相對關(guān)系進行持續(xù)的監(jiān)控測量，避免TBM發(fā)生意外的運動或方向突變。VMT導向系統(tǒng)基本由四大塊組成，即：后視覘標、測站點、激光靶、控制操作室中控臺。

1 雙護盾TBM施工與其他施工在測量工作上的區(qū)別

隧道(洞)常規(guī)鉆爆法施工時，測量工作主要內(nèi)容是洞外首級控制網(wǎng)的復測、必要的洞外施工控制網(wǎng)的加密、洞內(nèi)導線的布設(shè)、施測與延伸(這也是所有隧洞施工測量必須進行的工作)，通過引進洞內(nèi)的控制點直接進行開挖掌子面的施工放樣及其他測量工作。

敞開式TBM施工時，需通過引入洞內(nèi)的控制導線，向VMT導向系統(tǒng)傳遞掘進導向的基準坐標。一般采用懸掛于圍巖上的后視覘標、全站儀，將掘進導向的基準傳遞給TBM配置的激光靶標，再由激光靶標將基準坐標傳遞給操作室的中控臺導向系統(tǒng)，指導掘進姿態(tài)(水平、豎向)。采用該法施工時，掘進導向用的后視覘標、全站儀均懸掛于穩(wěn)定的圍巖上，一般不會發(fā)生位移。

雙護盾TBM施工的最大特點之一就是隧道(洞)開挖與永久支護(一般采用4～7片管片拼裝形成)一次完成，掘進后即進行管片安裝，但管片安裝后，需向管片與圍巖間的間隙內(nèi)充填豆礫石并進行灌漿處理。由于TBM及其后配套系統(tǒng)一般長度至少在150 m以上，這就造成用于提供掘進導向基準的全站儀或全站儀和后視覘標必須懸掛于管片上(根據(jù)TBM及其后配套系統(tǒng)的長度決定)，而此時的管片尚不穩(wěn)定，可能發(fā)生沉降、抬升、旋轉(zhuǎn)，這對全站儀和后視覘標的懸掛支架提出了要求，需要經(jīng)常進行檢查、校核。

2 雙護盾TBM施工VMT導向系統(tǒng)精度的影響因素

2.1 洞外控制網(wǎng)精度

洞內(nèi)測量控制的是基于洞外控制網(wǎng)的某一點向洞內(nèi)延伸的，因而洞外控制網(wǎng)的精度直接決定了洞內(nèi)測量控制的精度。洞外控制網(wǎng)布設(shè)時，根據(jù)條件，控制點間間距控制在400～1 000 m內(nèi)為宜，如條件限制，最短不得小于200 m，同時根據(jù)隧道長度，選擇合理的控制網(wǎng)等級。

2.2 儀器選型精度

測量儀器精度的選擇，既要滿足合同、設(shè)計貫通精度要求，又不能盲目地追求高精度指標所帶來的不必要的投入增加。選擇儀器時，可參考《水利水電工程施工測量規(guī)范》(SL52-2015)中對不同布網(wǎng)等級的測角、測距中誤差要求；《水電水利工程施工測量規(guī)范》(DL/T5173-2012)中對不同洞長導線測量布設(shè)控制網(wǎng)等級的要求，兼顧以光電測距三角測量代替水準測量對不同等級水準網(wǎng)的要求，同時結(jié)合各工程的實際進行選擇。

如某工程采用雙護盾TBM法施工，隧道設(shè)計長度4.78 km，VMT導向系統(tǒng)配置的全站儀為Leica TS15G，其標稱測角精度為2″，測距為±2 mm+2 ppm，同時激光靶標及后視棱鏡均為Leica棱鏡。為避免因頻繁調(diào)整棱鏡加乘常數(shù)等引起的誤差，測設(shè)導線的全站儀亦選用Leica系列產(chǎn)品。根據(jù)隧道長度，在進行貫通誤差預設(shè)計的基礎(chǔ)上，同時考慮到導線傳遞時的測角、測距誤差、洞內(nèi)照明引起的旁折光誤差，選擇測設(shè)導線的全站儀精度(測角、測距)不低于VMT導向系統(tǒng)所配置的全站儀精度。隧道貫通后，實際測量貫通誤差優(yōu)于貫通誤差預設(shè)計。

2.3 洞內(nèi)導線布設(shè)網(wǎng)形及延伸精度控制

為有效控制隧道掘進軸線、高程偏差，避免導線傳遞過程中無校核條件，洞內(nèi)導線一般采用主副雙導線或交叉雙導線，并嚴格控制由洞口控制點向洞內(nèi)測設(shè)導線時的起始方向連接角測角中誤差，滿足規(guī)范要求，這是保證洞內(nèi)導線精度的首要條件。為有效控制貫通精度，同時兼顧工作量及旁折光影響，最好采用交叉導線形式布設(shè)雙導線網(wǎng)。當導線向前延伸時，每隔一條側(cè)邊閉合一次，形成重疊四邊形。同時洞內(nèi)基本導線網(wǎng)向前每延伸一個環(huán)節(jié)，對其進行一次計算和檢核(見圖1)。導線布設(shè)邊長的選擇根據(jù)隧道長度、貫通誤差預設(shè)計進行選擇，同時要考慮到洞內(nèi)施工環(huán)境對導線測量的影響。

圖1 交叉導線形式布設(shè)雙導線網(wǎng)示意

(1)檢查新構(gòu)成的多邊形的角度閉合差Wβ是否超限，檢核公式為：

式中，Wβ為角度閉合差，(″)；mβ為測角中誤差，(″)；n為多邊形內(nèi)角數(shù)，個。

通過對多邊形角度閉合差的檢核，可以達到核驗①多邊形各內(nèi)角的觀測值是否存在粗差；②導線點L1、R1、L2、R2是否有移位。

(2)檢查不同時段觀測的同一角度差值β是否超限，檢核公式為：

然而，令人失望的是，1936年諾貝爾物理學獎卻頒發(fā)給了比趙忠堯晚了兩年才發(fā)現(xiàn)正電子徑跡的安德遜。安德遜在1983年也寫出了當年的故事：在加州理工學院時，我與趙忠堯同為研究生，辦公室只有一墻之隔。我的研究是受趙的啟發(fā)才做的。

式中，Δβ為不同時段觀測的同一角度差值，(″)；mβ為測角中誤差，(″)。

通過此項檢核，當多邊形閉合差超限時，可分析出是因?qū)Ь€點偏移還是觀測值存在粗差。

(3)檢查導線延伸新增導線點的橫向點位精度，檢核公式為：

通過此項檢核，可檢核新增導線點的邊長測量是否存在粗差；檢核新增導線點測量過程中各導線點的坐標是否存在粗差。

3 洞內(nèi)導線布置

3.1 洞內(nèi)導線點型式

為減少人為誤差，洞內(nèi)導線點標志應設(shè)置為強制對中形式，對中螺絲幾何中心即為導線點平面位置，同時，可以將水準點也設(shè)置在對中螺絲附近，便于查找和使用。

3.2 導線點布設(shè)密度、位置與穩(wěn)固度

洞內(nèi)主導線點間距要根據(jù)隧道長度、貫通誤差限差、貫通誤差預設(shè)計進行合理選擇，但一般不大于500 m(超長隧道應進行單獨設(shè)計)且通視，如隧道存在曲線段，則應根據(jù)各曲線轉(zhuǎn)彎半徑、長度，縮短導線點間間距。導線點一般布設(shè)在已安裝、穩(wěn)定的管環(huán)側(cè)壁、距離安全通道0.5～0.8 m高且遠離照明燈、高壓電纜等強光、電磁干擾部位，并采用混凝土澆筑或角鋼、鋼板固定。如位置過低，影響人員通行或發(fā)生碰撞，過高則不便于觀測，易于與洞內(nèi)其他布置沖突。洞內(nèi)強制對中導線點及布設(shè)位置見圖2。

圖2 洞內(nèi)強制對中導線點及布設(shè)位置示意

3.3 懸掛全站儀及(或)后視覘標的支架處理

由于用于傳遞掘進導向基準的全站儀及(或)后視覘標懸掛于尚未完全穩(wěn)定的管片上，為避免或盡可能減少因管片的不穩(wěn)定對導向基準的影響，需在懸掛支架上安裝柔性的緩沖裝置(一般調(diào)節(jié)范圍在2 cm以內(nèi)，見圖3、4)。這樣，當因掘進過程中TBM的劇烈振動或管片發(fā)生激烈的沉降、抬升、旋轉(zhuǎn)時，可以起到抵消或削弱對導線系統(tǒng)基準準確性的影響。當然，當發(fā)生猛烈變化時，必須對覘標、全站儀懸掛點的坐標進行檢查、校準或加固。

圖3 敞開式TBM施工懸掛全站儀、覘標的支架型式

圖4 雙護盾TBM施工懸掛全站儀、覘標的支架型式

3.4 特殊情況后的處理

當發(fā)生TBM卡機后重新啟動、長時間停機后重新啟動或通過不良洞段等情況，應重新校核VMT導向系統(tǒng)測站、激光靶標、后視點坐標，發(fā)現(xiàn)問題及時糾偏。

3.5 全站儀自身因素

因全站儀屬精密儀器，工作環(huán)境一般為靜態(tài)環(huán)境，但受TBM施工自身特點影響，在掘進、管片安裝、豆粒石回填等過程中，設(shè)備震動較大，全站儀始終處于動態(tài)的工作環(huán)境下。雖然VMT導向系統(tǒng)配置的全站儀根據(jù)此特點，設(shè)置了減振設(shè)施，但長時間運行，全站儀依然會不可避免地受到破壞，無法工作或精度大大降低，導致無法正確指導施工，因而必須進行更換。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，一般每半年更換一臺全站儀。

4 結(jié) 語

采用雙護盾TBM法施工的隧道，影響VMT導向系統(tǒng)精度的因素包括：人為因素、儀器因素、環(huán)境因素及采用此施工法自身特點等，同時與TBM操作手作業(yè)水平、圍巖類別、測站點架設(shè)處及后視棱鏡安裝位置管片的穩(wěn)固度等諸多因素相關(guān)。本文僅就采用雙護盾TBM法施工時，可能影響VMT導向系統(tǒng)精度的測量因素進行了簡要梳理，以期拋磚引玉，與大家共同探討。