地鐵盾構(gòu)機姿態(tài)定位測量技術(shù)分析

劉紅滬

摘要：地鐵隧道修建中盾構(gòu)法的運用廣泛，落實盾構(gòu)機的姿態(tài)測量十分重要，直接關(guān)系到最終隧道貫通質(zhì)量。本文首先對地鐵盾構(gòu)機姿態(tài)偏差易導(dǎo)致的問題及其控制必要性進行了簡要分析，其后詳細探討了地鐵盾構(gòu)機姿態(tài)控制參數(shù)與定位測量方法，最后圍繞實例具體論述了地鐵盾構(gòu)機姿態(tài)定位測量技術(shù)的運用情況，以期可供參考。

Abstract： The shield method is widely used in the construction of subway tunnels. It is very important to implement the attitude measurement of the shield machine， which is directly related to the final tunnel penetration quality. This article briefly analyzes the problems caused by the attitude deviation of the subway shield machine and the necessity of control firstly， then discusses the attitude control parameters and positioning measurement methods of the subway shield machine in detail， and finally discusses the application of attitude positioning and measurement technology of subway shield machine in detail around an example to provide reference.

關(guān)鍵詞：地鐵;盾構(gòu)機;姿態(tài)控制;定位測量;工程案例

Key words： subway;shield machine;attitude control;positioning measurement;engineering case

中圖分類號：U231.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）27-0131-03

0? 引言

目前，盾構(gòu)工法憑借著機械化程度高、掘進速度快、周邊影響小、施工安全性高等諸多優(yōu)勢，在各大城市地鐵修建中得到了廣泛應(yīng)用，截止2019年末，我國擁有軌道交通運營里程6172.2km，增加877.1km（其中，擁有地鐵線路159條、5480.6km，輕軌線路6條、217.6km）。由此可見，在今后很長一段時間內(nèi)，地鐵盾構(gòu)工程量將持續(xù)增加，如何進一步保證盾構(gòu)質(zhì)量、安全性十分關(guān)鍵，本文主要圍繞地鐵盾構(gòu)機姿態(tài)定位測量技術(shù)展開詳細分析。

1? 地鐵盾構(gòu)機姿態(tài)控制概述

21世紀以來，我國城市規(guī)模持續(xù)擴大，人口大量聚集、交通越加繁忙，為緩解交通擁堵情況，立體式交通逐漸發(fā)展起來，地下空間開發(fā)、利用規(guī)模持續(xù)擴大。在地鐵盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)機姿態(tài)控制是一大關(guān)鍵問題，實際定位測量是否精確，直接關(guān)系到隧道軸線控制情況，另外盾構(gòu)姿態(tài)不良也極易導(dǎo)致過大地層損失，出現(xiàn)較大地表沉降，主要問題如表1所示。

總的來說，地鐵盾構(gòu)機姿態(tài)控制不佳極易導(dǎo)致嚴重的質(zhì)量、安全隱患，做好姿態(tài)定位測量工作十分重要，其是后續(xù)調(diào)整、控制措施實施的基本前提，直接關(guān)系到地鐵隧道成型質(zhì)量與運行安全性、可靠性。

2? 地鐵盾構(gòu)機姿態(tài)控制參數(shù)與定位測量方法

2.1 盾構(gòu)機姿態(tài)控制參數(shù)

地鐵盾構(gòu)機推進過程中，受到諸多因素的影響，極易出現(xiàn)盾構(gòu)機姿態(tài)改變、盾構(gòu)軌跡偏離設(shè)計軸線的情況，如：當正面四周阻力差異較大時，推進液壓缸推力不均，重心易偏向一側(cè)。根據(jù)實踐分析可知，盾構(gòu)施工必然要穿越不同地層，各地層特性、物理指標差異較大，若是控制不當，盾構(gòu)機會呈蛇行推進狀態(tài)，出現(xiàn)時起時伏、左右搖擺的情況。

盾構(gòu)機姿態(tài)主要可以用俯仰角、橫擺角、扭轉(zhuǎn)角進行描述，如圖1所示。

2.2 盾構(gòu)機姿態(tài)定位測量方法

盾構(gòu)機姿態(tài)定位測量主要有兩種方法：人工測量方法和自動導(dǎo)向系統(tǒng)測量方法，前者成本低，但是耗時長、精度低，后者效率高、自動化程度高，主要有陀螺儀導(dǎo)向系統(tǒng)、激光導(dǎo)向系統(tǒng)等，具體可根據(jù)項目情況選用，切實提高盾構(gòu)姿態(tài)控制精度。

2.2.1 人工測量方法

①標尺法：此方法主要是測量盾構(gòu)機內(nèi)水平放置的標尺中心位置坐標，按照盾構(gòu)機組裝時確定的幾何關(guān)系，對盾構(gòu)機前、后盾體的中心坐標進行推算，并與隧道設(shè)計軸線進行對比，獲得偏差值。

②三點法：此方法主要是在組裝階段在盾構(gòu)機中適當位置均勻焊接螺母，在螺母上固定棱鏡（圖2），構(gòu)建獨立的控制網(wǎng)，測得測量點C1～8與盾構(gòu)機前后盾體幾何關(guān)系，施工測量中只需獲得其中任意三點的坐標即可計算獲得盾體中心坐標。三點法的操作時間相對較差，且計算程序也較為復(fù)雜，多數(shù)用于自動測量復(fù)核。

2.2.2 自動導(dǎo)向系統(tǒng)測量方法

①陀螺儀法：根據(jù)陀螺旋轉(zhuǎn)原理分析可知，勻速自轉(zhuǎn)的陀螺在無任何外力作用的情況下，可維持自身轉(zhuǎn)動慣量，自轉(zhuǎn)軸指向一個固定的方向。盾構(gòu)機內(nèi)的空間十分有限，機械陀螺的體積偏大，且定位時間過長，盾構(gòu)測量中較常使用的是光纖陀螺儀自動測量系統(tǒng)。

②自動全站儀法：此種方法與三點法類似，需在盾構(gòu)機設(shè)置目標靶，盾構(gòu)機組裝過程中測量獲得目標靶與盾構(gòu)機前/后盾體的中心坐標的幾何關(guān)系。在盾構(gòu)機掘進過程中，可在盾構(gòu)機后方管壁固定自動全站儀，實現(xiàn)目標靶連續(xù)、實時的監(jiān)測，采集到的出數(shù)傳輸至中央控制室后顯示盾構(gòu)機軸線與設(shè)計軸線偏差情況。此種定位測量方法的運用中，自動全站儀具有操作簡單、測量精度高等歐式，可實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測、遠程管控，優(yōu)勢顯著。

2.3 盾構(gòu)機姿態(tài)糾偏控制策略

結(jié)合上文分析可知，盾構(gòu)機掘進施工中姿態(tài)控制是一個關(guān)鍵任務(wù)，借助上述各種定位測量方法，有利于及時掌握盾構(gòu)姿態(tài)誤差，通過姿態(tài)輸出器獲得糾偏向量增量，建立糾偏向量與糾偏機構(gòu)關(guān)系。姿態(tài)控制器輸入、輸出信息如表2所示。

在工程實踐中，應(yīng)根據(jù)上述信息有計劃、有步驟的進行糾偏控制，主要措施如下：

①掘進中，注意滾角變化情況監(jiān)測，依據(jù)盾構(gòu)機滾角值對刀盤轉(zhuǎn)動方向進行調(diào)整;

②結(jié)合每段的地質(zhì)情況，調(diào)整掘進參數(shù);

③糾偏過程中放慢掘進速度，防止糾偏時單側(cè)千斤頂受力過大，導(dǎo)致管片破損;

④合理選擇管片類型，防止因為管片拼裝質(zhì)量不合格引起盾構(gòu)機姿態(tài)調(diào)整;

⑤糾偏過程中密切監(jiān)測盾構(gòu)機姿態(tài)、管片選型、盾尾間隙，注意盾尾與管片四周間隙必須均勻;

⑥若是盾構(gòu)機與設(shè)計軸線的偏差值較大，嚴禁猛糾猛調(diào)，以免出現(xiàn)糾偏幅度過大的情況。

3 實例探析地鐵盾構(gòu)機姿態(tài)定位測量技術(shù)的運用

3.1 工程概況

本項目為某城市地鐵二號線區(qū)間段，左線區(qū)間長度為958.135m，共計有797環(huán)。此盾構(gòu)區(qū)間位于市區(qū)交通要道，施工難度較大，且對安全文明管理要求較高。本項目新引進的盾構(gòu)機重量達300t，是為此次盾構(gòu)施工定做的，預(yù)計每個月可掘進約400m，可按期完成施工作業(yè)。

3.2 施工測量

為滿足本項目盾構(gòu)施工需要，具體施工測量工作如下：

①地面導(dǎo)線、高程控制測量：車站旁設(shè)2個加密導(dǎo)線點CK146、CK147，使用強制對中觀測裝置，與車站周邊4個高級控制點進行聯(lián)測，形成附合導(dǎo)線（圖3）。本項目車站周邊業(yè)主提供了2個精密水準點，與附合導(dǎo)線中的2個精密導(dǎo)線點構(gòu)成附合水準路線（圖4）。車站附近選擇1個近井水準點，將高程傳遞至車站附近。

②聯(lián)系測量：包括豎井定向、高程傳遞兩大部分，其中，豎井定向采用雙井定向方法，采用增大2根鋼絲距離的方法減小鋼絲投向誤差，提高起始邊方位角精度;高程采用豎井傳遞，采用鋼尺導(dǎo)入法，高程傳遞需獨立進行3次。

3.3 盾構(gòu)機始發(fā)測量

盾構(gòu)機始發(fā)階段需做好測量工作，主要項目如下：

①始發(fā)托架定位測量：測量目標是保證導(dǎo)軌中線與設(shè)計隧道中線偏差、導(dǎo)軌前后高程與設(shè)計高程不超限、導(dǎo)軌下堅實平整，利用地下導(dǎo)線點再導(dǎo)軌前后兩端分別放樣得到隧道中線中心點，并通過這兩個中線點對導(dǎo)軌平面位置進行控制（圖5）;使用水準儀利用地下水準點測定始發(fā)托架高程，每條導(dǎo)軌均測6個點，確保托架方向、坡度、高程與設(shè)計值的偏差在2mm以內(nèi)。

②反力架定位測量：此部分包括平面定位、高程定位，前者通過地下導(dǎo)線點對反力架軸線進行精確定位，后者通過地下高程控制點對底板預(yù)埋鋼板頂高程進行測定，推算預(yù)埋鋼板設(shè)計頂高程，偏差≤3mm。

3.4 地下控制測量

盾構(gòu)隧道地下控制測量如下：

3.4.1 地下導(dǎo)線控制測量

①施工控制導(dǎo)線：由洞外聯(lián)系測量確定的1#、2#導(dǎo)線延伸而來（圖6）。施工控制導(dǎo)線平均邊長150m，整個隧道設(shè)置6個控制導(dǎo)線點，施工過程中利用隧道內(nèi)第4、5個（SDN4、SDN5）導(dǎo)線點構(gòu)成的邊，指導(dǎo)盾構(gòu)貫通，必須保證方位、坐標精確，采用閉合導(dǎo)線處理方法進行角度、距離的平差，在與貫通面相距50m處測量3次，加權(quán)平均后得到最后的結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)盾構(gòu)機入洞。

②施工導(dǎo)線：此為隧道掘進依據(jù)，施工導(dǎo)線精度直接關(guān)系到盾構(gòu)推進姿態(tài)、隧道貫通，其主要是由控制導(dǎo)線點敷設(shè)獲得，直接受到施工控制導(dǎo)線的控制。盾構(gòu)施工中，施工導(dǎo)線懸掛固定在隧道頂部吊籃，確保ROBOTEC系統(tǒng)測量機器人和盾構(gòu)機目標靶通視。施工導(dǎo)線邊長直線段、曲線段分別為60～80m、20～50m，盾構(gòu)機掘進過程中，施工導(dǎo)點持續(xù)遷移，每次換站后對盾構(gòu)機姿態(tài)實施人工檢測。

3.4.2 地下高程控制測量

盾構(gòu)掘進至70～80環(huán)，把高程引至隧道內(nèi)高程控制點，伴隨隧道的掘進，水準路線持續(xù)向前延伸，布設(shè)5個水準點，每布設(shè)1個新水準點均要從井下水準點測出新水準點的高程;盾構(gòu)施工中，利用第5個水準點（BM605）指導(dǎo)貫通。

3.5 盾構(gòu)機姿態(tài)測量

本項目采用ROBOTEC 導(dǎo)向系統(tǒng)，具體姿態(tài)測量情況如下：

①盾構(gòu)機初始姿態(tài)測量：本項目在盾構(gòu)機千斤頂處支撐環(huán)面適當位置，均勻粘貼13個棱鏡貼片，并使用全站儀測定13個貼片坐標，通過程序計算獲得圓心坐標、圓法面向量，據(jù)此計算出盾首、尾坐標，所有測量結(jié)果輸入導(dǎo)向系統(tǒng)，明確3個目標棱鏡與盾構(gòu)機位置關(guān)系，為掘進施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，盾構(gòu)機姿態(tài)測量如圖7所示。

②盾構(gòu)掘進姿態(tài)測量：采用ROBOTEC自動導(dǎo)向系統(tǒng)，主要組成部分包括Trim-ble5603 全站儀、RMT 棱鏡，在適當位置設(shè)3個目標靶（圖8），在盾構(gòu)機調(diào)整階段確定其與盾構(gòu)機前后盾體幾何關(guān)系。盾構(gòu)過程中，自動全站儀連續(xù)、實時監(jiān)測目標靶，所有采集到的數(shù)據(jù)傳輸至中央控制室，經(jīng)軟件處理后實施顯示各項偏差、坡度以及里程數(shù)據(jù)等，一旦偏差過大直接報警，為及時糾偏奠定堅實基礎(chǔ)。為保證隧道順利貫通，本項目采用人工復(fù)測方法，每換站后檢測1次。

3.6 襯砌環(huán)片測量

襯砌環(huán)片測量包括環(huán)片中心平面位置、標高的確定，前者利用1根長4m的精制鋁合金尺+水準器確定環(huán)片中心平面位置，使用全站儀獲得坐標;后者利用1根長5m的塔尺+水準儀進行測量。通過管片姿態(tài)測量，為盾構(gòu)機的掘進提供可靠參考，可用于驗證盾構(gòu)機姿態(tài)，保證隧道順利貫通。

4? 結(jié)語

綜上所述，在地鐵隧道盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)機姿態(tài)控制是否精確直接關(guān)系到隧道掘進質(zhì)量與安全性。目前，我國盾構(gòu)機姿態(tài)定位測量技術(shù)主要分為人工測量與自動導(dǎo)向系統(tǒng)測量兩種，各有優(yōu)缺點，具體可根據(jù)工程實際情況合理選擇，可采取自動導(dǎo)向系統(tǒng)測量+人工復(fù)測方法，切實保證盾構(gòu)機姿態(tài)定位測量精確性，為后期糾偏控制提供可靠數(shù)據(jù)支撐，保證隧道順利貫通。

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