港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道曲線管幕頂管測量和軌跡控制技術(shù)

羅興虎

(中鐵十八局集團有限公司，天津300222)

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道曲線管幕頂管測量和軌跡控制技術(shù)

羅興虎

(中鐵十八局集團有限公司，天津300222)

管幕工程是港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道暗挖段難度最大的項目之一，工程下穿拱北口岸限定區(qū)域，埋深4～5 m，管幕平均長度257.92 m，由36根直徑1 620 mm的鋼管組成。線路位于緩和曲線和圓曲線組成的復合曲線上，其特點是群管頂進、互為接收始發(fā)、間距小、曲線半徑小、精度控制高、地表沉降小、周邊環(huán)境敏感。本文對從導線測量、一井定向、頂管測量、軌跡控制到精度估算的技術(shù)要點做了詳細介紹，可為類似工程提供借鑒。

拱北隧道 曲線管幕 一井定向 軌跡 精度估算

1 工程概況

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道為上、下行疊層雙向六車道，平面以曲線的形式下穿珠澳兩地通關(guān)口岸間的地下狹長地帶。開挖斷面寬約19 m，高21 m，斷面面積約337 m2，隧道埋深4～5 m。

管幕工程是該隧道暗挖段的重要組成部分，曲線頂管是本工程的核心技術(shù)之一，其成功與否將直接關(guān)系到本項目的成敗。管幕由36根直徑為1 620 mm的鋼管組成，平均長度257.92 m，采用德國海瑞克AVN1200TC泥水平衡式頂管機頂進。

管幕工程下穿拱北口岸限定區(qū)域，設東西工作井各一座，互為始發(fā)、接收井，工作井凈空尺寸為23.5 m ×10.7 m，深29.76 m。管幕埋深4～5 m，管間距35.5～35.8 mm。線路位于緩和曲線和圓曲線組成的復合曲線上，曲線半徑890 m，緩和曲線長88 m，圓曲線長167 m。線路縱坡0.35%。

2 工程特點

1)技術(shù)難度大。曲率半徑小，外側(cè)管幕距澳門聯(lián)檢大樓樁基最近1.6 m，內(nèi)側(cè)管幕距免稅商場回廊樁基最近0.46 m，管幕頂進精度要求控制在±50 mm內(nèi)，地面沉降要求控制在±30 mm內(nèi)。井下和管道內(nèi)空間狹小，測量操作難度大，曲線通視距離短，測量精度要求高。

2)環(huán)境復雜，地理位置特殊。緊靠澳門關(guān)閘，政治敏感度高;周邊建筑物分布密集，形式多樣。地質(zhì)方面多為后填雜土，原來是鴨涌河河道;靠近海邊，有透水層。

3)曲線上長距離群管頂進，精度控制要求嚴格，技術(shù)含量高，施工難度大，國內(nèi)領(lǐng)先，世界罕見，決定了曲線管幕頂管測量和軌跡控制的難度。相關(guān)技術(shù)指標見表1。

表1 檢測項目及控制指標

3 井內(nèi)聯(lián)系測量

聯(lián)系測量，是通過工作井將地面的平面坐標系統(tǒng)及高程系統(tǒng)傳遞到井下，使地面與井下建立統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)，為管幕工程的施工提供坐標基準。這是保證管幕工程和隧道開挖正確貫通，地下設備正確安裝的重要工序。聯(lián)系測量工作分為平面聯(lián)系測量(定向測量)和高程聯(lián)系測量(導入標高)。

為給頂管始發(fā)指引方向，在施工平臺后方的后背墻反力座的鋼板上設強制對中器，在其上架立儀器傳遞三維坐標。優(yōu)點是前50 m可直接觀測頂管機標靶，提高工作效率。同時最大限度地延長了在管內(nèi)的后視距離，減少因多次搬站造成的誤差積累。

3.1 井深10 m范圍內(nèi)

此時通視條件良好，全站儀直接輸入坐標觀測，采用后方交會法。

首先在井口四周各布設1個控制點，并使用近井加密導線點測得其三維坐標。在施工放樣測量過程中，直接將全站儀置于工作井內(nèi)，通過后視井口上的2個控制點進行后方交會，算出全站儀所在點位坐標以及高程。通過后視井口的另外2個控制點的坐標進行復核。

3.2 井深10～20 m范圍

在向井下投點時，利用井壁傳遞坐標和高程，此時頂管位置較深直接觀測困難，且俯角過大，誤差累計也大。為減少轉(zhuǎn)站以及結(jié)構(gòu)振動所帶來的誤差，預先將點埋設于井壁上(至少4個點，且盡量在1個水平面上)。如圖1所示。

圖1 導線定向法示意

本方法適用于中淺頂管施工，具有精度高，操作簡單，不易受工作井內(nèi)其它工序施工影響的特點。在后期的施工放樣過程中，可以直接利用在井口上的已知點進行后方交會進行設站、放樣。

3.3 井深＞20 m

此時工作井深度較深，無法直接通視，采用一井定向法進行平面聯(lián)系測量。

在進行聯(lián)系測量之前，首先按照城市一級導線測量精度，將工作井附近的地面控制點坐標，引測到井口附近，埋設2個近井點A，A'。A，A'的方向與隧道中線垂直，利用全站儀在已知地面控制點上測量得到A，A'的坐標。其次在豎井內(nèi)懸吊2根吊錘線O1，O2，吊錘線O1，O2的間距盡可能地大，且方向沿A，A'方向。然后，全站儀分別架設在近井點A，A'上，采用雙測站極坐標測量的方法，測量后視邊到O1，O2的角度以及測站到O1，O2的距離，此時的距離測量全部為全站儀對反射片的直接測距。再利用雙測站極坐標的測量原理，計算出吊錘線O1，O2在地面坐標系統(tǒng)中的坐標值。當2組坐標值的差值小于2倍點位單位權(quán)中誤差時，取其最或然值作為O1和O2的最終坐標。這樣就可將地面控制點的坐標和方位角傳遞到吊錘線O1，O2上。

吊錘線O1，O2是通過豎井框架懸掛并吊有重錘的高強鋼絲，要求鋼絲直徑≤0.5 mm，重錘質(zhì)量≥10 kg，在鋼絲上地面位置和地下位置分別貼有Leica反射膜片。將重錘浸入到油桶中，鋼絲在重力作用下穩(wěn)定并保持鉛垂線方向。如圖2所示。

圖2 一井定向法坐標傳遞示意

在獲得吊錘線的地面坐標后，分別在井下布設的導線點B，B'上架設儀器，如圖3所示。按地面上相同的測量方法和精度，測量測站到O1，O2的角度θ，以及測站到O1，O2的距離S1，S2。進而反算出O1，O2的平距S3。然后根據(jù)邊角交會法求出B，B'2點在地面坐標系統(tǒng)中的坐標值，從而實現(xiàn)平面聯(lián)系測量。

圖3 井下導線點與吊錘線的聯(lián)系測量原理示意

此方法需要2臺全站儀進行井上井下同時觀測，且不能受工作井內(nèi)其它工序施工影響，投點所需時間長，測點容易受到破壞。故在完成投點工作后應及時將點引測到工作井上(至少保證邊墻上有4個點)。在后期的施工放樣過程中，可以直接使用位于工作井壁上的點進行后方交會。但是要經(jīng)常檢查點位，發(fā)現(xiàn)異常情況及時復測。

3.4 工作井高程測量

當頂管深度＜10 m時采用三角高程法進行高程傳遞。為保證三角高程的可靠性，應對后視點進行復核。三角高程可以隨同后方交會或者導線法測量一同進行，從而達到節(jié)省引點工作的時間。

當頂管深度＞10 m時采用水準儀長鋼尺法，其方法是:通過懸吊經(jīng)過檢核的長鋼尺，使用水準儀在地上、地下觀測鋼尺和水準尺，加以尺長、溫度等各項改正，將高程傳遞到地下。

如圖4所示，A為設在地面井口附近高程已知的近井水準基點。B為井下導入高程點，其高程待求。通過豎井下放長鋼尺，在鋼尺的底端掛上重錘，并將重錘浸入到油桶中。鋼尺在重力作用下穩(wěn)定并保持鉛垂線方向。然后井上、井下測量人員分別安置整平水準儀，讀取立于A，B 2點水準尺的讀數(shù)a1與b2。然后轉(zhuǎn)動水準儀照準長鋼尺，井上、井下同時讀取讀數(shù)b1和a2。最后再對立于A，B點上的水準尺讀數(shù)，以檢查儀器高度在觀測期間是否發(fā)生變動，避免粗差的產(chǎn)生。則井下B點的高程為

圖4 數(shù)字水準儀長鋼尺法高程聯(lián)系測量示意

按照上述方法，再傳遞獲得另一個井下的高程控制點C，通過測量高差hBC，來檢核和評定高程聯(lián)系測量的精度。

至此完成了工作井內(nèi)的平面位置與高程的傳遞工作，為管幕的各根頂管定向做好了準備。

4 頂管測量

4.1 頂管前的技術(shù)準備

根據(jù)頂管施工平臺后背墻上設置的強制對中點指引方向，完成頂管的定向和檢核工作。確定儀器開始時的姿態(tài)，一共7個參數(shù)，這7個參數(shù)是設備啟動前必須要輸入的數(shù)據(jù)，對頂管機自身姿態(tài)的控制有很強的現(xiàn)實意義。此時頂進軌跡在機內(nèi)生成，自動糾偏模塊啟動，可以正式頂進。

4.2 軸線軌跡控制與糾偏

根據(jù)頂管機標靶點的三維坐標實時獲得頂管掘進的中線偏差。海瑞克AVN1200TC配備的UNS (Universal Navigation System)導向系統(tǒng)可以完成自動糾偏，精度為1 mm/m。在管幕頂進中，自動糾偏系統(tǒng)誤差呈線形積累，隨著進尺增加，誤差積累逐步放大，因此每掘進一段距離，需要進行人工測量復核。人工測量復核主要包括2個方面:頂管機軸線測量及管節(jié)軌跡測量。

軸線測量:將全站儀安置在基點后，后視控制點進行定向，觀測標靶點直接得出坐標值，經(jīng)過換算得出實際軸線坐標，與設計軸線三維坐標進行比對可以得到兩者的偏差值。如果在2 cm以內(nèi)則不進行調(diào)整，若超出2 cm時，必須糾偏。將偏差值輸入導向系統(tǒng)，并設置頂管機回歸方式，不宜一次直接輸入糾偏滿值，要逐步趨近。在實際操作中切忌回歸速度太快，應以“勤糾，緩糾”為原則，以防快速越過設計軌跡朝相反的方向再次偏出，回歸速度控制在5 mm/m以內(nèi)。

管節(jié)軌跡測量(如圖5所示):在管節(jié)法蘭連接處，將水平尺兩端卡在管節(jié)上并保持水準氣泡居中，觀測水平尺上反射片的十字絲得出三維坐標(a，b，c)，坐標反算可得測點處的里程S，則可推算出此里程處的設計值(X，Y，Z)，此里程的實際坐標為(x，y，z)。其中:x=a，y=b，z=c+L－R，實際值和理論值比較得出偏差值(ΔX，ΔY，ΔZ)。

圖5 頂管軌跡測量

4.3 測量成果(以0#管為例)

1)0#管于2013年7月15號順利接收，貫通面里程為YK2+642.825，實際觀測值和理論觀測值均在允許范圍內(nèi)，實現(xiàn)了設計意圖。

2)軌跡偏差

按作業(yè)進度情況，在管道整體位置約1/4，2/4，3/4，4/4處檢查軌跡偏差一次，通過歷次數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)同一測點整體偏移趨勢一致，沒有出現(xiàn)已完成管節(jié)個別大幅偏移的現(xiàn)象，軌跡得到很好的控制。

5 測量精度估算

所有單根頂管直徑為1 620 mm，接收套管直徑為1 720 mm，管間距為357 mm。由于孔口管半徑比頂管半徑大50 mm，決定了接收精度必須控制在±50 mm范圍內(nèi)，因此誤差累積不能超過該值。

施工控制測量主要包括3個方面:①平面控制測量;②工作井聯(lián)系測量;③頂管頂進測量。因此頂管最終精度是由此3部分的誤差累積而成。全站儀測角精度1”，測距精度(2+2×10－6×D)mm。

1)平面控制測量精度

采用城市一級導線測量，每邊測距中誤差≤±14 mm，單位權(quán)中誤差≤±5”，導線全長相對閉合差≤1/17 000，最弱相鄰點邊長相對中誤差≤1/2 000。經(jīng)平差計算，平面控制測量點位誤差＜±0.022 6 m。

2)工作井聯(lián)系測量精度

采用全站儀邊角后方交會自由設站測量的方法進行聯(lián)系測量，其觀測元素是邊長和方向。全站儀設站距離按照50 m計算，估算得點位精度≤±5.7 mm。

當頂進底層頂管時，采用全站儀一井定向法進行平面坐標傳遞，豎井聯(lián)系測量的定向誤差即是地下導線起始邊方位角的誤差。

采用水準儀+長鋼尺法進行高程傳遞，井下高程測量中誤差＜±3 mm。

3)頂管頂進精度

地面控制和聯(lián)系測量點位中誤差及井下定向邊的方位角中誤差對進洞導線的橫向貫通誤差為24.8 mm。結(jié)合頂管頂進誤差和延伸導線測量控制精度，頂進貫通軸線精度為±39.8 mm，小于設計值±50 mm，完全符合接收精度要求。

6 結(jié)語

頂管頂進觀測的難度在于后視距離過短，管節(jié)空間小，作業(yè)場地擁擠，管內(nèi)溫度高，濕度大。需要凈化管內(nèi)空氣，創(chuàng)造良好觀測條件，減少誤差累積，做好人工測量數(shù)據(jù)準確性的保障工作。

目前拱北隧道管幕施工已進入東西工作井同時頂進階段，從已完成的9根管來看，頂管機與地層的適應性良好，所形成的管節(jié)軌跡控制順暢，達到了精度要求，實現(xiàn)了設計意圖，不過仍有一些方面需要進一步完善。掘進機導向系統(tǒng)雖然配備了自動糾偏模塊，可以實現(xiàn)掘進機沿預設路線前進。但遇到地層突變、障礙物、機械故障等重啟時，會出現(xiàn)糾偏系統(tǒng)無法準確判定掘進機行進方向，常規(guī)的人工測量依然是不可缺少的必要補充步驟，也仍然需要人工測量為其精確定位。UNS導向系統(tǒng)可以自動糾偏，與常規(guī)的人工測量之間相互復核意義重大。

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．GB 50026—2007建筑工程測量規(guī)范［S］．北京:中國計劃出版社，2008．

［2］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會．GB/T 12898—2009國家三、四等水準測量規(guī)范［S］．北京:中國標準出版社，2009．

［3］中華人民共和國交通部．JTG F60—2009公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2009．

［4］魏龍海，程勇，陳煒韜．等．近接小半徑曲線頂管施工擾動數(shù)值研究［J］．四川建筑科學研究，2012(4):315-318．

［5］程勇，劉繼國．拱北隧道設計方案［J］．公路隧道，2012(3): 34-38．

［6］程勇，賈瑞華．城市建筑密集區(qū)臨海淺埋隧道暗挖方案比選［J］．武漢勘察設計，2013(3):26-29．

［7］余晶，程勇，賈瑞華．港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道方案論證［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012(2):119-125．

Measuring and controlling techniques of curved tube-shed pre-support according to designed segmental direction for Gongbei tunnel on Zhuhai link line in Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Project

LUO Xinghu
(China Railway 18 Bureau Group Co．，Ltd．，Tianjin 300222，China)

Pipe curtain engineering is the most difficult underground excavation part of the Gongbei T unnel in Zhuhai Section in Hongkong-Zhuhai-M acao Bridge．T his part is within the specified port area．T he pipeline is 4 to 5 m beneath the ground．T he average pipe curtain length is 257.92 m，composed of 36φ1 620 mm steel pipes．T he line is within the combination of transition curve and circular curve．It has following properties:pipe group jacking and starting each other，short spacing，small curve radius，accurate controlling，small surface subsidence and sensitive environment．In this paper，traverse survey，well orientation，top pipe measurement，track control and accuracy assessment were introduced in details，and these can be used for other similar engineering works．

Gongbei T unnel;Curve pipe curtain;W ell orientation;T rack;Accuracy assessment

TU198+．2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．15

1003-1995(2015)04-0055-04

(責任審編趙其文)

2014-09-15;

2015-01-28

羅興虎(1972—)，男，甘肅武威人，高級工程師。