高鐵精密工程測量技術與應用

王春蠶 武漢銳進鐵路發(fā)展有限公司

盾構是盾構掘進機的簡稱，是在可以移動的鋼結構外殼保護下進行開挖、支護、襯砌等多種作業(yè)一體化的施工機械。盾構法施工掘進速度快，且對周圍環(huán)境的影響小，不影響地面交通與航運，施工中不受季節(jié)、風雨等氣候條件制約，可以實現(xiàn)在多種復雜地質(zhì)條件下施工，在松軟含水地層中修建埋深較大，往往具有技術和經(jīng)濟方面的優(yōu)越性?；谝陨蟽?yōu)勢，盾構法施工目前被廣泛應用于地鐵建設中。然而，盾構也有其局限性，不同于礦山法暗挖、明挖或高架施工，盾構是單向掘進，一方面，起始方位角誤差造成的橫向偏差將隨著掘進長度的增加而同比例增長，另一方面，隨著內(nèi)施工控制導線的延伸，測角誤差將逐步累積，測角累積誤差帶來的橫向偏差增長比起始方位角誤差帶來的偏差更加顯著。由于盾構一次成形，如果發(fā)生方向偏差將導致不可逆的后果，無法像礦山法一樣通過刷補修正，輕者引起調(diào)線調(diào)坡，導致使用標準降低，重則拆除重建，這樣不僅引起巨大的工程損失和工期延誤，而且由于結構完整性遭到破壞，為運營期間結構變形埋下了隱患，因此，控制橫向偏差是盾構施工測量的關鍵。本文從聯(lián)系測量方法分析比較、地下控制測量注意事項、盾構掘進軸線偏差控制等方面，對地鐵盾構測量控制措施進行了總結概括，希望對類似工程提供有益的參考。

一、盾構貫通施工測量概述

地下工程測量是一項持續(xù)性工作，需落實到勘察設計、施工建設、運營等階段。經(jīng)地下工程測量后，應及時反饋線狀工程的實際狀況，根據(jù)所得結果采取調(diào)整措施，及時糾偏，保證可順利貫通。盾構法因具有技術可靠性和施工便捷性的特點而取得廣泛的應用，盾構期間做好測量工作具有顯著現(xiàn)實意義，能夠作為反映盾構施工狀況的“窗口”，在此基礎上合理組織后續(xù)的盾構作業(yè)，直至盾構貫通為止。根據(jù)盾構法工程的施工特點，測量工作應重點考慮如下幾方面：創(chuàng)建平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)；明確地面的坐標、方向及高程，將其有序傳遞至地下，由此構建完整的地下坐標系統(tǒng)；在前述基礎上，做好地下平面和高程的測量與控制工作；組織測量放樣，作為開挖和襯砌的參照基準，保證開挖量的合理性以及襯砌結構的準確性。根據(jù)上述所提的要點，詳細部署測量工作包括：經(jīng)測量后，在地下標定建筑物的控制基準線，包含設計中心線和高程，作為參照基準而使用，以便后續(xù)的開挖和襯砌作業(yè)均可高效推進；開挖面掘進施工期間，根據(jù)要求使施工中線順利貫通，應確保實際開挖范圍穩(wěn)定在設定的界限以內(nèi)；按圖紙將設備安裝到位；采集并完整記錄測量數(shù)據(jù)，匯總成測量資料，交給設計部門和管理部門，為相關部門日常工作的開展提供參考。盾構施工測量具有指導作用，應保證盾構機沿設計軸線方向穩(wěn)定運行，同時生成的測量數(shù)據(jù)應作為盾構機調(diào)整姿態(tài)的參考。根據(jù)實際情況修正參數(shù)，并且測量數(shù)據(jù)還需反映出襯砌環(huán)的安裝質(zhì)量。

二、高鐵精密工程測量技術與應用

（一）控制網(wǎng)的建立

在整體貫通，圍巖、仰拱及二次襯砌變形穩(wěn)定后，采用交叉導線控制網(wǎng)形式建立萬安、興國洞內(nèi)CPII導線二等控制網(wǎng)，以滿足CPII軌道控制網(wǎng)起閉精度要求。為提高控制網(wǎng)的精度，綜合考慮垂線偏差、大氣折光和實際貫通誤差對CPII導線網(wǎng)的測量和平差影響，主要采取了以下技術措施：首先，在洞外CPII控制點的基礎上重新布設與洞口基本等高的加密點，并保證后視點邊長大于500m以上，有效削弱垂線偏差的影響；其次，兩座均為曲線，在保證導線邊長的情況下，視線距離側壁往往較近，水平角度、距離觀測精度受到旁折光影響不可忽視。為了減弱旁折光的影響，采取在曲線整體規(guī)劃布點位置，確保曲線內(nèi)側的控制點間的視線遠離側壁在1.5m以上，在半徑較小段落采用將控制點設置在中間的排水溝頂?shù)却胧?，有效削弱了旁折光對測距、測角精度的影響，確保了控制網(wǎng)成果的可靠性；此外，CPII控制網(wǎng)所控制的中線一般與施工導線網(wǎng)確定的中線存在一定差異，為了使得貫通CPII導線網(wǎng)確定的中線與實際貫通后的中線盡量保持一致，CPII網(wǎng)測量時，將CPII網(wǎng)與洞內(nèi)施工導線點進行聯(lián)測，通過制定專項CPII網(wǎng)平差方案，將滿足CPII網(wǎng)精度的洞內(nèi)施工導線點作為坐標約束點參與CPII導線網(wǎng)整網(wǎng)約束平差，在滿足CPII軌道控制網(wǎng)起閉精度要求的前提下，最大限度的保證了CPII控制網(wǎng)和貫通中線位置的一致性，即確保了CPII控制網(wǎng)精度滿足洞內(nèi)無砟軌道鋪設平順性的要求，也避免了軌道結構侵入建筑限界，造成工程返工。

（二）聯(lián)系測量誤差控制措施

聯(lián)系測量是城市軌道交通控制測量的關鍵環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)地下工程貫通控制的關鍵和核心。平面聯(lián)系測量是將地面的平面坐標系統(tǒng)傳遞到地下，使地上、地下坐標系統(tǒng)相一致的測量工作。平面聯(lián)系測量包括一井定向、兩井定向、導線直接傳遞測量、投點定向測量、陀螺儀定向等。聯(lián)系測量前，應收集豎井設計資料及豎井控制測量成果，根據(jù)豎井幾何形狀及通過豎井向兩側開挖正洞的長度，對豎井聯(lián)系測量方案進行優(yōu)化設計，方案比選時，應以滿足精度要求、經(jīng)濟、高效安全為主要指標。下面以石家莊市地鐵 2 號線一期工程施工07 標藍天圣木站－ 運河橋站盾構法區(qū)間為例，說明聯(lián)系測量技術措施。該盾構法區(qū)間長度約1300m，盾構自運河橋站始發(fā)，由于場地所限，運河橋站分段開挖，前期車站豎井口較?。▋删ㄏ蜾摻z間距最長約35m、一井定向鋼絲間距約11m），為保證測量質(zhì)量，選用不同聯(lián)系測量方法分析測量效果。

（三）盾構掘進軸線偏差測量控制技術措施

盾構掘進軸線偏差測量控制，主要通過盾構機導向系統(tǒng)、人工測量盾構機姿態(tài)及成型管片姿態(tài)綜合控制，主要測量措施如下：1）盾構始發(fā)前，應檢查始發(fā)架及反力架安裝位置和安裝穩(wěn)定性，確保其安裝位置、安裝穩(wěn)定性滿足設計和規(guī)范要求。2）施工前，應反復核查盾構設計中心、盾構機參數(shù)等，確保所有設計值符合設計和規(guī)范要求，盾構機參數(shù)設置準確。3）為有效降低掘進線路軸線偏差，提高掘進軸線控制精度，應提前確定軸線偏差控制值，并結合以往施工經(jīng)驗和現(xiàn)場工況，制定具有針對性和實踐性的應急預案；同時，在掘進施工期間，實時監(jiān)測軸線偏差情況，嚴格將偏差控制在允許值以內(nèi)。4） 采用盾構自動導向系統(tǒng)，在盾構機掘進施工過程中，系統(tǒng)可實時監(jiān)測開掘軸線與設計軸線偏差，同時，還具有遠程測量監(jiān)控功能，可實現(xiàn)盾構機掘進姿態(tài)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。5）軸線偏差過大時，應根據(jù)軸線偏差情況、偏差大小、現(xiàn)場工況等，制定行之有效的糾偏方案；糾偏應秉承“多次少量，勤測勤糾”的糾偏原則，避免單次糾偏幅度過大，造成錯臺過大。

（四）各級控制網(wǎng)的復測和維護

高速鐵路工程測量貫穿了勘察設計、線下工程施工、線上無砟軌道施工、竣工驗收測量、后期運營維護等各個階段，建設和使用周期長，在此期間控制網(wǎng)標石損毀不可避免，嚴重影響到控制網(wǎng)的完整性、穩(wěn)定性、可靠性。高鐵實施過程中嚴格按照高鐵測量要求的“三網(wǎng)合一”體系開展工作，對破壞點、不穩(wěn)定點及時進行補設、移設，并按照與原測相同的測量等級和標準進行補測，采用同精度擴展的方法、以補樁點周邊同級的控制點作為起算，按照擬穩(wěn)平差或約束平差的方法，獲得補設點的坐標，這樣既保證了補設點與原測網(wǎng)之間相對精度滿足原網(wǎng)一致的精度要求，又使控制網(wǎng)整體性、一致性得到了及時恢復。通過各階段控制網(wǎng)的復測維護工作，實現(xiàn)了勘測設計控制網(wǎng)、工程施工控制網(wǎng)、運營維護控制網(wǎng)坐標高程系統(tǒng)統(tǒng)一、起算基準統(tǒng)一和測量精度的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

（五）盾構掘進軸線偏差測量控制措施

對于長及曲線施工來講，確保盾構機能正確地沿著設計軸線進行推進和貫通是最關鍵的問題。盾構掘進過程中要嚴格控制中心與設計中線的偏差量，通常，盾構掘進軸線平面及高程允許偏差為±50mm，超過±50mm應啟動預警機制，超過±100mm應停工并制定專項掘進方案。為保證盾構的準確掘進，主要通過盾構機導向系統(tǒng)、人工測量盾構機姿態(tài)及人工測量成型管片姿態(tài)三方面進行控制，具體包括以下測量措施：（1）盾構始發(fā)前，始發(fā)架及反力架安裝需穩(wěn)定，且安裝位置符合設計要求。盾構機始發(fā)容易出現(xiàn)栽頭現(xiàn)象，可結合地質(zhì)及施工條件適當抬高盾構始發(fā)基座。根據(jù)經(jīng)驗，盾構始發(fā)基座安放時頭部可高于原設計軸線坡度2‰的傾角向上進行安放，盾構機前端中心高于中心 20mm左右。（2）應對盾構設計中心等設計值及盾構機參數(shù)進行多級復核，確保準確無誤，尤其注意曲線段中心線與設計線路中心線的區(qū)別。（3）盾構掘進過程中，嚴格控制盾構掘進軸線偏差，確定軸線偏差控制值，建立預警機制。（4）采用盾構自動導向系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r地提供盾構軸線與設計軸線的偏差，同時建立遠程測量監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測盾構機主機前進的姿態(tài)數(shù)據(jù)。（5）為保證管片拼裝姿態(tài)，應采用人工測量的方法及時對拼裝后的管片進行測量檢核，并定期對盾構機導向系統(tǒng)及其顯示的盾構機姿態(tài)數(shù)據(jù)進行人工檢核校正，并將人工復核結果定期上傳測量監(jiān)督平臺。（6）出現(xiàn)軸線偏差過大需要進行軸線糾偏時，應制定專業(yè)糾偏方案，做到勤測勤糾，每次糾偏量盡量小，避免錯臺過大。糾偏過程中，每環(huán)管片在脫出盾尾后及時人工復測，確保盾構機導向系統(tǒng)數(shù)據(jù)真實可靠。

（六）“三網(wǎng)合一”測量體系的應用

高速鐵路在勘察設計、結構施工、運營維護的各個階段，均采用控制網(wǎng)進行結構物的坐標點位放樣，因此必須保證各階段控制網(wǎng)放樣點位的一致性。如果勘察設計、線下工程施工和線上無砟軌道施工采用的坐標系統(tǒng)不統(tǒng)一，將會造成線下工程線位偏離設計位置，甚至造成凈空限界不足，無法滿足線上無砟軌道施工要求。為高質(zhì)量、高效率服務于工程建設的各個階段，高速鐵路加密工程測量要求勘測設計控制網(wǎng)、工程施工控制網(wǎng)、運營維護控制網(wǎng)的坐標高程系統(tǒng)統(tǒng)一、起算基準統(tǒng)一和測量精度的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，即“三網(wǎng)合一”。

三、結語

近年來，隨著高速鐵路在鐵路客運系統(tǒng)的普及應用，百年來一直沿用至今的傳統(tǒng)鐵路工程測控技術，逐漸表現(xiàn)出與現(xiàn)代鐵路客運系統(tǒng)不相適應的特點。為了提高國內(nèi)鐵路系統(tǒng)發(fā)展水平，我國不斷學習國內(nèi)外高速鐵路先進測控技術，目前已掌握了高速鐵路精密工程測量技術，為適合本國國情的高鐵精密工程測量模式的成形打下了堅實的基礎。高鐵精密工程測量技術在我國的應用，為國內(nèi)高鐵工程的測控提供了精確的技術指標，為我國建設世界一流的高速鐵路提供了技術支撐，為高速鐵路的安全運行提供了保障。