地鐵盾構(gòu)長(zhǎng)大隧道測(cè)量施工技術(shù)研究

劉 宏

（中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程公司 北京 101300）

1 工程概況

廣州市軌道交通22號(hào)線一分部五工區(qū)（祈福站－中間風(fēng)井－廣州南站）盾構(gòu)區(qū)間，采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工。正線兩側(cè)各設(shè)置11條廢水聯(lián)絡(luò)通道，其中4＃廢水聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)兼設(shè)正線區(qū)間廢水通道和泵房。正線區(qū)間廢水通道分為兩段，第一段廢水通道為風(fēng)井小里程車站始發(fā)段，祈福通道為車站小里程接收。區(qū)間左線隧道長(zhǎng)4 040.184 m，右線隧道長(zhǎng)4 046.421 m，隧道設(shè)計(jì)埋深11.3～26.9 m。正線左、右線分別設(shè)置2處隧道平行斜曲線，曲線兩側(cè)隧道半徑分別為4 000 m、1 800 m。左線路縱坡分別設(shè)計(jì)為3個(gè)隧道傾斜坡度，坡度分別設(shè)計(jì)為2‰、13‰、6.9‰；右線路縱坡也分別設(shè)計(jì)為3個(gè)坡度，分別為 2‰、13.7‰、6.9‰。

2 工程施工難點(diǎn)分析

目前，國(guó)內(nèi)外地鐵盾構(gòu)隧道施工傳統(tǒng)貫通測(cè)量距離大多在2 km以內(nèi)，隧道正線平面曲線半徑通常情況下在300～3 000 m。廣州市軌道交通二十二號(hào)線一分部五工區(qū)（祈福站－中間風(fēng)井－廣州南站）盾構(gòu)區(qū)間，全線采用速度160 km/h等級(jí)市域列車，遠(yuǎn)高于常規(guī)地鐵線路，在車輛參數(shù)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面均為全新設(shè)計(jì)。而在中間風(fēng)井－祈福站盾構(gòu)區(qū)間為單向4.04 km、半徑8.8 m斷面隧道，屬于長(zhǎng)距離、大半徑地鐵盾構(gòu)隧道施工?，F(xiàn)有測(cè)量規(guī)范還沒(méi)有地鐵盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度大于2 km、曲線半徑大于3 000 m相關(guān)的貫通誤差及技術(shù)規(guī)范說(shuō)明，查閱相關(guān)資料也無(wú)可供參考的現(xiàn)有案例。

為保證盾構(gòu)隧道能順利貫通，在此盾構(gòu)隧道區(qū)間施工中，創(chuàng)新運(yùn)用長(zhǎng)大隧道打孔定向、陀螺儀定向以及地表深層監(jiān)測(cè)輔助等地鐵隧道施工測(cè)量技術(shù)。在4.04 km長(zhǎng)距離、4 000 m大曲線半徑隧道中實(shí)踐應(yīng)用，達(dá)到較高施工測(cè)量精度，安全系數(shù)高，不但提高施工功效，節(jié)約成本、工期，而且確保盾構(gòu)隧道如期順利貫通，減小了貫通誤差、提高了隧道測(cè)量精度。

3 技術(shù)構(gòu)想及工藝流程

3.1 技術(shù)構(gòu)想

（1）長(zhǎng)大隧道打孔定向測(cè)量技術(shù)

廣州市軌道交通22號(hào)線一分部五工區(qū)中間風(fēng)井－祈福站盾構(gòu)區(qū)間，隧道長(zhǎng)度為4.04 km，屬長(zhǎng)大隧道。正線設(shè)置11條聯(lián)絡(luò)通道，其中從5＃聯(lián)絡(luò)通道處打孔垂入1根鋼絲，組成新的兩井定向進(jìn)行導(dǎo)線聯(lián)測(cè)。5＃聯(lián)絡(luò)通道鉆孔位置距離始發(fā)井1 510.541 m，滿足距離小于2 km的要求；聯(lián)絡(luò)通道上方為興業(yè)大道，地面空曠，地質(zhì)條件良好，可以進(jìn)行打孔作業(yè)。

（2）陀螺儀定向測(cè)量施工技術(shù)

祈福站－中間風(fēng)井－廣州南站盾構(gòu)區(qū)間，每800 m需進(jìn)行一次陀螺儀定向，共計(jì)16次。在施工過(guò)程中，對(duì)左、右線分別進(jìn)行定向，控制導(dǎo)線測(cè)量方向的誤差積累，校正導(dǎo)線測(cè)量角粗差，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離盾構(gòu)隧道的定向。應(yīng)用陀螺定向測(cè)量技術(shù)，就能確定最佳位置，并盡量降低貫通的誤差［1－3］。

（3）地表深層監(jiān)測(cè)施工技術(shù)

中間風(fēng)井－祈福站區(qū)間長(zhǎng)距離下穿1 200 m密集建筑群和高壓燃?xì)夤芫€期間，將地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)替換為深孔監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)判斷地層延遲沉降。最深點(diǎn)打至地表以下8 m，完全進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)掌子面上方的巖層中。地層沉降還沒(méi)有反映到地面和房屋時(shí)，已通過(guò)日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析出來(lái)，從而采取對(duì)應(yīng)的應(yīng)急處理措施。通過(guò)對(duì)施工區(qū)域建筑物及管線布設(shè)情況進(jìn)行分析，選擇合理位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)，布設(shè)至開(kāi)挖面上部黏土層或全風(fēng)化巖層，通過(guò)地質(zhì)沉降的滯后性，可超前預(yù)測(cè)建筑物及管線的沉降情況，確保施工及地表建筑物安全。

3.2 施工工藝流程

工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 施工工藝流程

4 施工方案

4.1 長(zhǎng)大隧道打孔定向測(cè)量技術(shù)

4.1.1 鉆孔施工

（1）選擇施工經(jīng)驗(yàn)豐富的施工隊(duì)伍，確?？孜坏拇怪倍?。

（2）根據(jù)打設(shè)點(diǎn)位的地理位置，提前進(jìn)行圍擋封閉，合理先擇施工作業(yè)時(shí)間，避免擾民。

（3）材料準(zhǔn)備充分，避免因?yàn)椴牧隙倘睂?dǎo)致不連續(xù)施工。

（4）根據(jù)優(yōu)化后的方案進(jìn)行準(zhǔn)確放樣定位。

（5）根據(jù)地質(zhì)條件情況進(jìn)行鉆孔施工，并注漿封堵，見(jiàn)圖2。

圖2 聯(lián)絡(luò)通道成孔過(guò)程

4.1.2 地面控制點(diǎn)測(cè)量

通過(guò)布置加密導(dǎo)線，控制點(diǎn)在始發(fā)處兩端井位置布強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩點(diǎn)號(hào)分別為JJD1、JJD2，再在5號(hào)聯(lián)絡(luò)通道投點(diǎn)位置加密JD4。起算點(diǎn)檢核無(wú)誤后，以 JM2、JM3、XXIIJ082、XXIIJ083 為起算邊，經(jīng)D2、JJD1、JJD2、JD3、JD4 組成附合導(dǎo)線［4］。角度觀測(cè)四測(cè)回，距離觀測(cè)兩測(cè)回。內(nèi)業(yè)人員使用南方平差易軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平差分析計(jì)算，精度完全符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求（見(jiàn)圖3）。

圖3 平面導(dǎo)線示意

4.1.3 洞內(nèi)控制點(diǎn)測(cè)量

利用控制線和導(dǎo)線在出入洞中進(jìn)行測(cè)量，分別在左、右線隧道布置控制導(dǎo)線和管網(wǎng)。在連接線路中線兩側(cè)平移一定高度的管底部?jī)蓚?cè)設(shè)置普通管的導(dǎo)線和點(diǎn)，在連接管道兩端拱頂?shù)难績(jī)蓚?cè)安裝帶有牽制中心的托架，對(duì)中托架兩端設(shè)置完全強(qiáng)制的普通導(dǎo)線的線和點(diǎn)，將其組合布置后形成數(shù)個(gè)相互交叉但沒(méi)有連接的完全閉合普通導(dǎo)線點(diǎn)和環(huán)，確保在不超過(guò)八條邊的情況下，導(dǎo)線點(diǎn)和環(huán)不能進(jìn)行完全封閉。隧道內(nèi)控制導(dǎo)線布置見(jiàn)圖4。

圖4 洞內(nèi)控制導(dǎo)線布置

4.1.4 兩井定向測(cè)量

（1）測(cè)量方法

兩井定向法是在井上吊兩根鋼絲，分別為GS1、GS2；用地面近井點(diǎn)分別測(cè)取距離、角度計(jì)算坐標(biāo)；分別在底板布設(shè)兩條基線邊，導(dǎo)線點(diǎn)JX、Y19、ZY3、ZY1組成無(wú)定向?qū)Ь€網(wǎng)進(jìn)行嚴(yán)密平差并作為測(cè)量導(dǎo)線點(diǎn)。必要時(shí)在端頭井再增加一根鋼絲，作為兩條基線邊進(jìn)行相互校核［5－7］。兩井定向聯(lián)系測(cè)量見(jiàn)圖5。

圖5 地下導(dǎo)線網(wǎng)布設(shè)

圖中GS1、GS2為兩端端頭井口吊下的鋼絲，ZY3、ZY1為復(fù)核基線邊，JX、Y19為控制基線邊。

（2）兩井定向控制

兩次獨(dú)立定向后進(jìn)行三組最終測(cè)量數(shù)據(jù)互相校核，每組最終測(cè)量數(shù)據(jù)分別計(jì)算三次基線井閉合點(diǎn)的坐標(biāo)，誤差需滿足定向測(cè)量規(guī)范的要求，最后計(jì)算取三次的基線井平均值作為該次的定向最終獨(dú)立測(cè)量成果［8］。對(duì)角度值觀測(cè)應(yīng)盡量采用i級(jí)全站儀，觀測(cè)四測(cè)回，各測(cè)回間的觀測(cè)角度值相差應(yīng)不超過(guò)±6″。

（3）鉆孔后兩井定向測(cè)量

中間點(diǎn)采用導(dǎo)線點(diǎn)閉合環(huán)聯(lián)測(cè)形成無(wú)定向?qū)Ь€，用地面近井點(diǎn)分別測(cè)取距離、角度計(jì)算坐標(biāo)，無(wú)定向?qū)Ь€網(wǎng)進(jìn)行嚴(yán)密平差作為測(cè)量導(dǎo)線基線點(diǎn)。兩井定向聯(lián)系測(cè)量見(jiàn)圖6。

圖6 定向聯(lián)系測(cè)量

4.2 陀螺儀懸?guī)Я阄挥^測(cè)

懸?guī)Я阄恢傅氖峭勇蓦姍C(jī)在不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于懸掛帶和導(dǎo)流絲扭力雙重作用使扭力矩為零。開(kāi)始和結(jié)束觀測(cè)都要進(jìn)行零位觀測(cè)，對(duì)應(yīng)前、后零位的觀測(cè)［9］。測(cè)定零位時(shí)，首先要把經(jīng)緯儀整平和固定照準(zhǔn)部，然后觀測(cè)目鏡，讀出3個(gè)連續(xù)讀數(shù)。

4.2.1 粗略定向

陀螺儀用羅盤可以達(dá)到粗定向目的；在未知邊的地方定向，而儀器自身又沒(méi)有粗定向羅盤，可以利用自身功能實(shí)現(xiàn)。

4.2.2 精密定向

精密定向采用逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法［10］進(jìn)行。重置儀器后用一個(gè)測(cè)回測(cè)出方向值使儀器對(duì)向北方；鎖住陀螺擺動(dòng)控制系統(tǒng)，啟動(dòng)陀螺運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)，在運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后即可進(jìn)行粗略定向；制動(dòng)陀螺并托起鎖緊，將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)大體北方位置，固定微動(dòng)器螺旋在中間位置；打開(kāi)陀螺燈，下放自動(dòng)陀螺儀靈敏部，開(kāi)始前懸零位觀測(cè)；零位觀測(cè)完畢后托起、鎖住靈敏部，開(kāi)動(dòng)陀螺電機(jī)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，緩慢下放陀螺靈敏部至半空，稍停后再全放下。

4.2.3 其他操作要點(diǎn)

（1）采用軌道交通獨(dú)有的對(duì)向觀測(cè)能夠大幅提高定向精度。

（2）合理確定陀螺邊長(zhǎng)度、間隔與位置能夠提高貫通精度。

（3）避免由于計(jì)算錯(cuò)誤、點(diǎn)位不清等引起的粗差。

4.3 地表深層監(jiān)測(cè)施工技術(shù)

盾構(gòu)法隧道施工過(guò)程中，地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)常規(guī)布設(shè)原則為每5 m設(shè)隧道中心線監(jiān)測(cè)點(diǎn)、每10 m設(shè)一個(gè)小斷面（6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)）、每30 m設(shè)一個(gè)大斷面（14個(gè)測(cè)點(diǎn)）。監(jiān)測(cè)點(diǎn)鋼筋布設(shè)深度為1.5 m，完全打進(jìn)原狀土。通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)鋼筋的高程變化來(lái)判斷地面的沉降數(shù)據(jù)。

地層沉降測(cè)量，需要將部分傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)替換為深層監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最深長(zhǎng)度需要根據(jù)施工情況和區(qū)間巖層來(lái)確定，原則上需打至完全進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)掌子面上方的全風(fēng)化巖或者黏土層中，見(jiàn)圖7。

圖7 深層監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔內(nèi)觀測(cè)管

深層監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)的觀測(cè)管使用鍍鋅鋼管，代替?zhèn)鹘y(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)的鋼筋，然后將觀測(cè)管放入筒內(nèi)，下放至打設(shè)好的監(jiān)測(cè)孔內(nèi)，見(jiàn)圖8。

圖8 鍍鋅鋼管施工工藝

根據(jù)建筑物及管線情況選擇點(diǎn)位，根據(jù)管線設(shè)計(jì)資料、物探資料，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較大的建筑物及管線進(jìn)行分類列表。在下穿大面積建筑時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位不設(shè)在主要街道上，應(yīng)把建筑分割成若干個(gè)小建筑群區(qū)域；對(duì)于單獨(dú)建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在建筑物前方1.5D洞徑距離位置［11－12］。

5 結(jié)束語(yǔ)

長(zhǎng)大隧道打孔定向測(cè)量技術(shù)和陀螺儀定向測(cè)量施工技術(shù)，主要針對(duì)超過(guò)2 km的長(zhǎng)距離隧道測(cè)量施工，大大提高了隧道貫通測(cè)量精度，對(duì)廣州市軌道交通22號(hào)線一分部五工區(qū)祈福站－中間風(fēng)井－廣州南站盾構(gòu)區(qū)間順利貫通起到了重要的作用。而地表深層監(jiān)測(cè)技術(shù)為長(zhǎng)距離盾構(gòu)穿越城市敏感建筑物的精細(xì)化控制提供了新的測(cè)量手段。三項(xiàng)技術(shù)具有良好的推廣性及應(yīng)用價(jià)值，對(duì)長(zhǎng)大盾構(gòu)隧道測(cè)量施工具有指導(dǎo)意義。