盾構(gòu)法地鐵隧道施工測(cè)量誤差控制技術(shù)措施和方法

徐秀川，段雙全，張偉

(北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

1 引 言

盾構(gòu)是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的簡(jiǎn)稱，是在可以移動(dòng)的鋼結(jié)構(gòu)外殼保護(hù)下進(jìn)行開挖、支護(hù)、襯砌等多種作業(yè)一體化的施工機(jī)械。盾構(gòu)法施工掘進(jìn)速度快，且對(duì)周圍環(huán)境的影響小，不影響地面交通與航運(yùn)，施工中不受季節(jié)、風(fēng)雨等氣候條件制約，可以實(shí)現(xiàn)在多種復(fù)雜地質(zhì)條件下施工，在松軟含水地層中修建埋深較大的長(zhǎng)隧道往往具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)越性。基于以上優(yōu)勢(shì)，盾構(gòu)法隧道施工目前被廣泛應(yīng)用于地鐵建設(shè)中。

然而，盾構(gòu)隧道也有其局限性，不同于礦山法暗挖、明挖或高架施工，盾構(gòu)隧道是單向掘進(jìn)，一方面，起始方位角誤差造成的隧道橫向偏差將隨著隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度的增加而同比例增長(zhǎng)，另一方面，隨著隧道內(nèi)施工控制導(dǎo)線的延伸，測(cè)角誤差將逐步累積，測(cè)角累積誤差帶來的隧道橫向偏差增長(zhǎng)比起始方位角誤差帶來的偏差更加顯著，由于盾構(gòu)隧道一次成形，如果發(fā)生方向偏差將導(dǎo)致不可逆的后果，無法像礦山法一樣通過刷補(bǔ)修正，輕者引起調(diào)線調(diào)坡，導(dǎo)致隧道使用標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)完整性遭到破壞，為運(yùn)營(yíng)期間結(jié)構(gòu)變形埋下了隱患，因此，控制隧道橫向偏差是盾構(gòu)施工測(cè)量的關(guān)鍵。本文從聯(lián)系測(cè)量方法分析比較、地下控制測(cè)量注意事項(xiàng)、盾構(gòu)掘進(jìn)軸線偏差控制等方面，對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道測(cè)量控制措施進(jìn)行了總結(jié)概括，希望對(duì)類似工程提供有益的參考。

2 地鐵盾構(gòu)隧道施工測(cè)量誤差分配

盾構(gòu)法隧道工程施工是由一側(cè)豎井出發(fā)，掘進(jìn)至另一側(cè)豎井，這就必然會(huì)在線路的縱、橫、豎三個(gè)方向出現(xiàn)貫通誤差，其中橫向貫通誤差對(duì)工程質(zhì)量影響最大，控制的難度也最大，是隧道控制測(cè)量的重點(diǎn)工作。從地面及地下控制測(cè)量的設(shè)計(jì)到進(jìn)洞測(cè)量的各項(xiàng)工作，都必須緊緊圍繞如何保證貫通精度，特別是橫向貫通精度。

盾構(gòu)隧道橫向貫通誤差來源主要由地面控制測(cè)量誤差、聯(lián)系測(cè)量誤差、地下控制測(cè)量誤差、盾構(gòu)姿態(tài)定位測(cè)量誤差組成。為保證地鐵盾構(gòu)隧道順利貫通，需對(duì)各橫向誤差項(xiàng)進(jìn)行誤差分配計(jì)算，根據(jù)誤差傳播定律，則有：

(1)

式中，mQ：隧道橫向貫通中誤差；mq1：地面平面控制測(cè)量橫向中誤差；mq2：聯(lián)系測(cè)量中誤差；mq3：地下控制測(cè)量中誤差；mq4：盾構(gòu)姿態(tài)定位測(cè)量中誤差。

根據(jù)測(cè)量方法及以往地鐵測(cè)量工作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于平面控制測(cè)量，地面上的測(cè)量條件較洞內(nèi)要好，則地面控制測(cè)量的精度要求可高于聯(lián)系測(cè)量和地下控制測(cè)量的精度要求，各種誤差對(duì)橫向貫通精度的影響，可采用不等精度分配原則，取值如下：

mq1=n，mq2=3n，mq3=3n，mq4=2n

代入式(1)，得：

根據(jù)《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》GB/T 50308-2017，總平面貫通測(cè)量中誤差=±50 mm[1]。有：

計(jì)算得：n=±10.4 mm

從而求得：地面平面控制測(cè)量橫向中誤差mq1=±10.4 mm；聯(lián)系測(cè)量中誤差mq2= ±31.2 mm；地下控制測(cè)量中誤差mq3= ±31.2 mm；盾構(gòu)姿態(tài)定位測(cè)量中誤差mq4=±20.8 mm。

3 地面控制測(cè)量誤差控制措施

城市軌道交通線路控制網(wǎng)分兩級(jí)布設(shè)[1]，一級(jí)為線路控制網(wǎng)，采用衛(wèi)星定位測(cè)量方法，二級(jí)為線路加密控制網(wǎng)，即精密導(dǎo)線網(wǎng)。為提高地面控制測(cè)量精度，控制測(cè)量誤差，可采取以下措施：

(1)作為起算控制點(diǎn)的衛(wèi)星定位控制點(diǎn)，宜采用強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志，減少儀器對(duì)中誤差。

(2)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)必須由獨(dú)立基線構(gòu)成若干異步環(huán)以構(gòu)成檢核條件，提高網(wǎng)的可靠性。

(3)精密導(dǎo)線應(yīng)布設(shè)成附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線或結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線網(wǎng)形式。

(4)附合導(dǎo)線的邊數(shù)宜少于12條，相鄰邊的短邊與長(zhǎng)邊比例不宜小于 1∶2，最短邊長(zhǎng)不宜小于 100 m，以控制測(cè)角誤差。

(5)位于盾構(gòu)區(qū)間的控制點(diǎn)使用較少，可適當(dāng)加大控制點(diǎn)間距，減少控制點(diǎn)個(gè)數(shù)，提高導(dǎo)線精度[2]。

(6)相鄰導(dǎo)線點(diǎn)間以及導(dǎo)線點(diǎn)與其相連的衛(wèi)星定位控制點(diǎn)之間的垂直角不應(yīng)大于30°，視線離障礙物的距離不應(yīng)小于 1.5 m，以減少旁遮光影響。

(7)當(dāng)前后視邊長(zhǎng)觀測(cè)需要調(diào)焦時(shí)，宜采用同一方向正倒鏡同時(shí)觀測(cè)法，一個(gè)測(cè)回中不同方向可不考慮2C較差要求。

(8)應(yīng)根據(jù)要求對(duì)邊長(zhǎng)進(jìn)行改正，包括氣象改正，儀器加、乘常數(shù)改正，高程歸化和投影改化改正。

4 聯(lián)系測(cè)量誤差控制措施

聯(lián)系測(cè)量是城市軌道交通隧道控制測(cè)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)地下隧道工程貫通控制的關(guān)鍵和核心[3]。平面聯(lián)系測(cè)量是將地面的平面坐標(biāo)系統(tǒng)傳遞到地下，使地上、地下坐標(biāo)系統(tǒng)相一致的測(cè)量工作。平面聯(lián)系測(cè)量包括一井定向、兩井定向、導(dǎo)線直接傳遞測(cè)量、投點(diǎn)定向測(cè)量、陀螺儀定向等。聯(lián)系測(cè)量前，應(yīng)收集豎井設(shè)計(jì)資料及豎井控制測(cè)量成果，根據(jù)豎井幾何形狀及通過豎井向兩側(cè)開挖正洞的長(zhǎng)度，對(duì)豎井聯(lián)系測(cè)量方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，方案比選時(shí)，應(yīng)以滿足精度要求、經(jīng)濟(jì)、高效安全為主要指標(biāo)。下面以石家莊市地鐵2號(hào)線一期工程施工07標(biāo)藍(lán)天圣木站-運(yùn)河橋站盾構(gòu)法區(qū)間為例說明聯(lián)系測(cè)量技術(shù)措施。該盾構(gòu)法區(qū)間長(zhǎng)度約 1 300 m，盾構(gòu)自運(yùn)河橋站始發(fā)，由于場(chǎng)地所限，運(yùn)河橋站分段開挖，前期車站豎井口較小(兩井定向鋼絲間距最長(zhǎng)約 35 m、一井定向鋼絲間距約 11 m)，為保證測(cè)量質(zhì)量，選用不同聯(lián)系測(cè)量方法分析測(cè)量效果。

在施工中，第三方測(cè)量單位、施工單位及施工總承包單位分別使用兩井定向、一井定向、導(dǎo)線直接傳遞測(cè)量三種方式進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量，指導(dǎo)盾構(gòu)始發(fā)及掘進(jìn)，除洞口附近控制點(diǎn)外，均使用相同的洞內(nèi)控制點(diǎn)。隧道掘進(jìn)至約 800 m時(shí)，采用陀螺定向方法對(duì)靠近掘進(jìn)面的控制邊進(jìn)行方位測(cè)量，通過比較不同聯(lián)系測(cè)量方法測(cè)量的同一控制點(diǎn)(LYY7)的坐標(biāo)值及同一邊(LYY6-LYY7)的方位角，對(duì)各種聯(lián)系測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果如表1、表2所示。

方位角對(duì)比表 表1

控制點(diǎn)成果對(duì)比表 表2

由表1可知：對(duì)于同一條控制邊(LYY6-LYY7)，三家單位測(cè)量采用一井定向、導(dǎo)線直接傳遞測(cè)量測(cè)得的方位角基本一致，且與陀螺定向方法確定的坐標(biāo)方位角吻合，且各家單位測(cè)量的結(jié)果集中性比較高，穩(wěn)定性較好。而通過兩井定向測(cè)量的方位角，坐標(biāo)方位角相差較大(最大較差18″)，離散性高，穩(wěn)定性較差。

由表2可知：三家單位一井定向、導(dǎo)線直接傳遞測(cè)量的LYY7點(diǎn)坐標(biāo)基本一致(較差 10 mm內(nèi))，而兩井定向測(cè)量的LYY7點(diǎn)坐標(biāo)較差較大，穩(wěn)定性差(最大較差△Y=44 mm)，根據(jù)《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》GB/T 50308-2017規(guī)定，重合點(diǎn)重復(fù)測(cè)量坐標(biāo)分量較差應(yīng)小于30×d/D(mm)，其中d為控制導(dǎo)線長(zhǎng)度，此處d=800 m，D為貫通距離，此處D=1 300 m，計(jì)算解得坐標(biāo)分量較差限差=30×800/1300=18.5 mm，因此，兩井定向測(cè)量的LYY7(距始發(fā)豎井約 800 m)Y坐標(biāo)分量較差=30 mm>此處限差 18.5 mm，成果超限。究其原因，對(duì)于兩井定向(圖1)，鋼絲間距是影響兩井定向方向誤差的主要因素，鋼絲間距越大，點(diǎn)位(投點(diǎn))誤差引起的方向誤差越小，反之，較短的鋼絲間距可能引起比較大的方向誤差，導(dǎo)致測(cè)量精度的降低。根據(jù)理論計(jì)算及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，采用兩井定向進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量時(shí)，鋼絲間距宜不小于 60 m，本案例，鋼絲間距 35 m，兩井定向精度不可靠。

圖1 兩井定向示意圖

根據(jù)以上工程實(shí)例得出：對(duì)于地鐵盾構(gòu)隧道，應(yīng)針對(duì)不同的測(cè)量條件，選擇合理的聯(lián)系測(cè)量方法。一般情況下，兩井定向的精度較高，且占用井筒時(shí)間較少，因此條件允許時(shí)(通常鋼絲間距大于 60 m)應(yīng)優(yōu)先選擇兩井定向，對(duì)于地鐵盾構(gòu)工程，兩井定向適用的情形有：分?jǐn)?shù)段開挖的區(qū)間隧道，其中一段已貫通，可在貫通隧道進(jìn)行；盾構(gòu)法區(qū)間端頭的車站，一端設(shè)盾構(gòu)吊入井，另一端設(shè)出土井，可在車站內(nèi)進(jìn)行。

一井定向(聯(lián)系三角形定向)可實(shí)現(xiàn)單豎井定向(鋼絲間距宜不小于 5 m)，嚴(yán)格遵守聯(lián)系三角形測(cè)量要求[1]，可獲得比較可靠的定向精度，所以應(yīng)用比較普遍。但操作相對(duì)煩瑣，容易受風(fēng)力、機(jī)械振動(dòng)等外力因素影響，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)且容易出錯(cuò)，不可指導(dǎo)過長(zhǎng)的隧道掘進(jìn)。

導(dǎo)線直接傳遞定向工作量較小、測(cè)量效率高，且精確度有保證，適用于井口大、深度淺等目標(biāo)的測(cè)量[4]，但要注意克服俯仰角較大(宜不大于30°)的影響。此外，地下近井點(diǎn)測(cè)量時(shí)，應(yīng)注意減少洞內(nèi)外溫差、空氣對(duì)向流動(dòng)對(duì)定向結(jié)果的影響。

《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》GB/T 50308-2017規(guī)定[1]，隧道單向貫通距離大于 1 500 m時(shí)，應(yīng)在隧道每掘進(jìn) 1 000處，通過鉆孔投測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)或加測(cè)陀螺方位角等方法提高控制網(wǎng)精度?？紤]到盾構(gòu)隧道區(qū)間投點(diǎn)困難，應(yīng)采用陀螺儀定向方法對(duì)地下方位角進(jìn)行檢核。陀螺定向較導(dǎo)線測(cè)量相比，不會(huì)隨著距離的增大而累計(jì)誤差，適用于長(zhǎng)距離掘進(jìn)隧道。陀螺經(jīng)緯儀作業(yè)時(shí)，必須注意避開振動(dòng)、極端溫度和強(qiáng)電磁場(chǎng)的影響。

5 地下控制測(cè)量誤差控制措施

地下導(dǎo)線為支導(dǎo)線，指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)方向，對(duì)精度要求很高，可通過以下措施提高地下控制測(cè)量精度：

(1)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中，基于使用方便、利于保護(hù)、穩(wěn)定可靠原則，建議控制點(diǎn)布設(shè)在管片結(jié)構(gòu)側(cè)壁上，埋設(shè)強(qiáng)制歸心儀器觀測(cè)裝置，如圖2所示。

圖2 側(cè)壁強(qiáng)制歸心儀器觀測(cè)裝置

(2)為避免旁折光測(cè)角精度的影響，應(yīng)保證視線距隧道壁不小于 0.5 m。

(3)為減小對(duì)中誤差，在單向貫通距離較長(zhǎng)的盾構(gòu)隧道內(nèi)建議采用三聯(lián)腳架法進(jìn)行觀測(cè)。

(4)隧道內(nèi)由于施工導(dǎo)致粉塵、煙霧較多時(shí)，可采取鼓風(fēng)機(jī)等手段，提高隧道內(nèi)測(cè)量條件。

(5)為保證隧道準(zhǔn)確貫通，隧道貫通前(距貫通面約 100 m處)應(yīng)重點(diǎn)做好以下工作：①覆蓋始發(fā)端與接收端的地面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)；②聯(lián)系測(cè)量及地下控制點(diǎn)測(cè)量；③盾構(gòu)接收鋼環(huán)安裝復(fù)核，保證掘進(jìn)面與接收端相對(duì)關(guān)系的穩(wěn)定性。如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)隧道貫通前測(cè)量示意圖

(6)單向掘進(jìn)長(zhǎng)度大于1 km的盾構(gòu)隧道，建議在洞內(nèi)布設(shè)雙導(dǎo)線，形成多邊形閉合環(huán)，每個(gè)閉合環(huán)一般由4～6條邊構(gòu)成。

(7)施工控制導(dǎo)線隨隧道掘進(jìn)而延伸，地下導(dǎo)線盡量按等邊直伸布設(shè)，直線段平均邊長(zhǎng) 150 m，曲線段邊長(zhǎng)不宜小于60m，且盡量埋設(shè)在曲線要素點(diǎn)上[5]。

6 盾構(gòu)隧道掘進(jìn)軸線偏差測(cè)量控制措施

對(duì)于長(zhǎng)隧道及曲線隧道施工來講，確保盾構(gòu)機(jī)能正確地沿著設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行推進(jìn)和貫通是最關(guān)鍵的問題[6]。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中要嚴(yán)格控制隧道中心與設(shè)計(jì)中線的偏差量，通常，盾構(gòu)掘進(jìn)隧道軸線平面及高程允許偏差為 ±50 mm，超過 ±50 mm應(yīng)啟動(dòng)預(yù)警機(jī)制，超過 ±100 mm應(yīng)停工并制定專項(xiàng)掘進(jìn)方案。為保證盾構(gòu)隧道的準(zhǔn)確掘進(jìn)，主要通過盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)、人工測(cè)量盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)及人工測(cè)量成型管片姿態(tài)三方面進(jìn)行控制，具體包括以下測(cè)量措施：

(1)盾構(gòu)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(shè)計(jì)要求。盾構(gòu)機(jī)始發(fā)容易出現(xiàn)栽頭現(xiàn)象，可結(jié)合地質(zhì)及施工條件適當(dāng)抬高盾構(gòu)始發(fā)基座。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)始發(fā)基座安放時(shí)頭部可高于原設(shè)計(jì)軸線坡度2‰的傾角向上進(jìn)行安放，盾構(gòu)機(jī)前端中心高于隧道中心 20 mm左右。

(2)應(yīng)對(duì)盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)中心等設(shè)計(jì)值及盾構(gòu)機(jī)參數(shù)進(jìn)行多級(jí)復(fù)核，確保準(zhǔn)確無誤，尤其注意曲線段隧道中心線與設(shè)計(jì)線路中心線的區(qū)別。

(3)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)軸線偏差，確定軸線偏差控制值，建立預(yù)警機(jī)制。

(4)采用盾構(gòu)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地提供盾構(gòu)軸線與隧道設(shè)計(jì)軸線的偏差[7]，同時(shí)建立遠(yuǎn)程測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)主機(jī)前進(jìn)的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

(5)為保證管片拼裝姿態(tài)，應(yīng)采用人工測(cè)量的方法及時(shí)對(duì)拼裝后的管片進(jìn)行測(cè)量檢核，并定期對(duì)盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)及其顯示的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工檢核校正，并將人工復(fù)核結(jié)果定期上傳測(cè)量監(jiān)督平臺(tái)。

(6)出現(xiàn)隧道軸線偏差過大需要進(jìn)行軸線糾偏時(shí)，應(yīng)制定專業(yè)糾偏方案，做到勤測(cè)勤糾，每次糾偏量盡量小，避免錯(cuò)臺(tái)過大。糾偏過程中，每環(huán)管片在脫出盾尾后及時(shí)人工復(fù)測(cè)，確保盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

7 結(jié) 語

盾構(gòu)法隧道施工具有效率高、成本低、安全可靠等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于地鐵建設(shè)中，但其單向掘進(jìn)，一次成型，結(jié)果不可逆，對(duì)測(cè)量控制要求較高。在平面控制測(cè)量、聯(lián)系測(cè)量、地下控制測(cè)量等各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行控制，通過盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)、人工復(fù)核盾構(gòu)姿態(tài)及成型管片姿態(tài)等措施嚴(yán)格控制隧道掘進(jìn)中的軸線偏差[8]，保證盾構(gòu)隧道按設(shè)計(jì)位置敷設(shè)，是城市軌道交通工程測(cè)量的主要目標(biāo)。本文結(jié)合多年現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)盾構(gòu)隧道施工控制測(cè)量控制措施進(jìn)行了總結(jié)，希望對(duì)類似工程提供有益的參考。