盾構(gòu)法隧道軸線高精度控制測(cè)量方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐

錢美剛

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200433)

0 引言

如何控制隧道軸線偏差達(dá)到高精度的要求，應(yīng)從和測(cè)量相關(guān)的各個(gè)方面去全面的考慮，從每個(gè)環(huán)節(jié)上給予測(cè)量誤差的最大削弱。本文將以上海硬X射線自由電子激光裝置工程為背景，詳細(xì)闡述通過相關(guān)測(cè)量技術(shù)手段對(duì)盾構(gòu)施工過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)加以控制，使成型隧道軸線偏差達(dá)到有效控制，并滿足軸線偏差高精度的設(shè)計(jì)要求。

1 工程概況及難點(diǎn)

1.1 工程概況

硬X射線自由電子激光裝置項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)張江園區(qū)內(nèi)，項(xiàng)目主要由長(zhǎng)約3.2 km的地下隧道、5個(gè)豎井及豎井附近的地面設(shè)施組成。地下隧道分為加速器段、波蕩器段、光束線段和超長(zhǎng)光束線段。

其中1號(hào)工作井～2號(hào)工作井區(qū)間隧道為加速器段，區(qū)間隧道采用1臺(tái)直徑7.2 m盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。本區(qū)間隧道長(zhǎng)度1 430 m，為所有區(qū)間隧道長(zhǎng)度最長(zhǎng)、測(cè)量控制難度最大的區(qū)間，如圖1所示。本文將以此區(qū)間為例，詳細(xì)闡述高精度控制隧道軸線偏差從方案設(shè)計(jì)到實(shí)踐取得的成果的全過程。

1.2 軸線偏差控制要求

本工程建造的地下隧道其使用功能為科學(xué)試驗(yàn)用，非常規(guī)地鐵隧道，因而對(duì)成型隧道的準(zhǔn)直度要求很高，設(shè)計(jì)成型隧道軸線偏差如下：隧道橫向偏差不大于±25 mm；隧道豎向偏差不大于±25 mm。

1.3 測(cè)量控制難點(diǎn)

1)井位埋深較深，1號(hào)始發(fā)工作井及2號(hào)接收工作井埋深近40 m，井上井下定向測(cè)量難度較大，且1號(hào)始發(fā)工作井井下定向基線邊長(zhǎng)短。

2)區(qū)間隧道長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，地下控制測(cè)量難度較大。

3)區(qū)間隧道施工過程中，成型管片脫出盾尾過程中及脫出盾尾后的橫向位移量、豎向位移量及豎向縱徑變形量的大小直接對(duì)最終成型管片軸線偏差產(chǎn)生直接影響。

2 測(cè)量方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐

2.1 定向測(cè)量

2.1.1 定向測(cè)量方案設(shè)計(jì)

定向測(cè)量在施工控制測(cè)量中，占有十分重要的地位，其精度對(duì)隧道軸線偏差及最終的貫通精度起著最為直接的影響。定向測(cè)量一般可采用一井定向、兩井定向、導(dǎo)線直傳測(cè)量、陀螺全站儀和鉛錘儀組合定向等方法進(jìn)行[1]。充分結(jié)合本區(qū)間隧道工程現(xiàn)場(chǎng)施工條件及現(xiàn)有測(cè)繪裝備，采用兩井定向方式進(jìn)行定向測(cè)量。

Mβ=±(3.27×1 430 000/206 265)=±22.7 mm

(1)

通過上述估算，在不考慮其他測(cè)量誤差的前提下，也較難以達(dá)到軸線偏差不大于±25 mm的要求。故對(duì)兩井定向方案進(jìn)行優(yōu)化，采用雙兩井定向方案進(jìn)行定向測(cè)量，并將定向測(cè)量次數(shù)由6次增加到8次。

兩井定向是通過兩個(gè)豎井內(nèi)各懸掛一根鋼絲，通過測(cè)量鋼絲與地下定向點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系，通過無定向?qū)Ь€方式處理數(shù)據(jù)，獲取地下定向點(diǎn)的坐標(biāo)及方位。雙兩井定向是在原兩井定向的基礎(chǔ)上，在兩個(gè)豎井內(nèi)各增加一根鋼絲，使單次地下定向點(diǎn)成果由1組變?yōu)?組，4組地下定向點(diǎn)成果在方位角相互較差不大于8″的前提下取均值作為單次定向測(cè)量成果，如圖2所示。

Mβ=±(1.41×1 430 000/206 265)=±9.8 mm

(2)

由上可見，采用雙兩井定向測(cè)量引起的橫向誤差較小，如按上述方案嚴(yán)格執(zhí)行且在其他測(cè)量環(huán)節(jié)中對(duì)測(cè)量誤差加以控制，能夠滿足軸線偏差不大于±25 mm的要求。

2.1.2 定向測(cè)量實(shí)施及應(yīng)用成果

定向測(cè)量井上井下采用2臺(tái)LEICA TS60型全站儀同步進(jìn)行觀測(cè)，采用全圓觀測(cè)法四測(cè)回測(cè)角、四測(cè)回測(cè)距的方式進(jìn)行。觀測(cè)結(jié)束后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，確保外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)滿足相關(guān)規(guī)范要求。井下定向點(diǎn)數(shù)據(jù)處理按無定向?qū)Ь€方式進(jìn)行。

本項(xiàng)目1號(hào)工作井～2號(hào)工作井區(qū)間隧道實(shí)施過程中，按設(shè)計(jì)方案共進(jìn)行了8次定向測(cè)量，成果數(shù)據(jù)較多，故本文以第8次測(cè)量成果加以展示(見表1)。

表1 定向測(cè)量成果

從表1可知，第8次定向測(cè)量成果良好，各組測(cè)量成果點(diǎn)位坐標(biāo)及方位角相差均較小，滿足要求。

2.2 地下控制測(cè)量

2.2.1 地下控制測(cè)量方案設(shè)計(jì)

地下控制測(cè)量是以定向測(cè)量成果為起算數(shù)據(jù)，將坐標(biāo)及方位、高程引測(cè)至隧道內(nèi)。作為成型隧道軸線檢測(cè)及隧道施工的依據(jù)，其難點(diǎn)是在于如何有效控制誤差的累計(jì)，所以必須逐一減弱每一延伸站的測(cè)量誤差，確保每一個(gè)點(diǎn)位的精度使最前端點(diǎn)位滿足精度要求。地下控制測(cè)量一般可采用支導(dǎo)線、雙導(dǎo)線方式進(jìn)行。支導(dǎo)線一般適用于距離較短的隧道，可采用多次觀測(cè)的方式達(dá)到提高支導(dǎo)線精度的目的；雙導(dǎo)線一般適用于較長(zhǎng)的隧道，其導(dǎo)線分別布設(shè)隧道兩側(cè)，測(cè)量時(shí)從一側(cè)進(jìn)，另一側(cè)出，網(wǎng)形上形成閉合導(dǎo)線形式，由于雙導(dǎo)線有了檢核條件，因而其精度優(yōu)于支導(dǎo)線。但在雙導(dǎo)線中，隧道貫通前其最弱點(diǎn)始終位于隧道最前端。因本項(xiàng)目對(duì)軸線偏差要求很高，而處于隧道最前端最弱點(diǎn)的精度將對(duì)盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)產(chǎn)生最直接的影響。為有效提高地下控制測(cè)量的精度本項(xiàng)目實(shí)施過程中采用了多閉合導(dǎo)線組方案進(jìn)行地下控制測(cè)量。

多閉合導(dǎo)線組是在隧道內(nèi)布設(shè)多個(gè)閉合圖形(見圖3)，每個(gè)閉合圖形由4個(gè)點(diǎn)位構(gòu)成，閉合圖形與閉合圖形之間采用2個(gè)公共點(diǎn)及1條公共邊進(jìn)行連接，2個(gè)公共點(diǎn)中其中1個(gè)點(diǎn)為相鄰閉合圖形的起算點(diǎn)，另1個(gè)公共點(diǎn)和公共邊構(gòu)成兩組相鄰圖形間的檢核條件。公共點(diǎn)采用坐標(biāo)分量較差檢核，公共邊采用方位角較差檢核。

隨著隧道不斷的延伸，多閉合導(dǎo)線組在地下控制測(cè)量中，是將測(cè)量誤差在每一延伸站中消弱，減少誤差累計(jì)，從而達(dá)到提高地下控制測(cè)量精度的目的。

2.2.2 地下控制測(cè)量實(shí)施與應(yīng)用成果

多閉合導(dǎo)線組每組導(dǎo)線測(cè)量時(shí)采用1臺(tái)LEICA TS60型全站儀按閉合導(dǎo)線形式施測(cè)，采用方向觀測(cè)法，四測(cè)回進(jìn)行左、右角觀測(cè)，左、右角之和與360°之差不大于±4″，邊長(zhǎng)往返觀測(cè)各兩測(cè)回。每組圖形觀測(cè)結(jié)束后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理，確保外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)滿足相關(guān)規(guī)范要求。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用閉合導(dǎo)線按嚴(yán)密平差方式進(jìn)行。地下控制測(cè)量流程圖見圖4。

當(dāng)相鄰閉合圖形均完成內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理后，應(yīng)同步對(duì)相鄰閉合圖形間的公共點(diǎn)坐標(biāo)分量較差Δd，公共邊方位角較差fβ進(jìn)行計(jì)算，確保相鄰圖形間的精度，如式(3),式(4)所示。

(3)

fβ=β′-β

(4)

本項(xiàng)目1號(hào)工作井～2號(hào)工作井區(qū)間隧道實(shí)施過程中，隧道內(nèi)共布設(shè)了6組閉合圖形，并進(jìn)行了多次觀測(cè)，成果數(shù)據(jù)穩(wěn)定。在每組閉合圖形均滿足相關(guān)規(guī)范要求的同時(shí)，相鄰閉合圖形間的公共點(diǎn)坐標(biāo)分量較差Δd，公共邊方位角較差fβ均較小。公共點(diǎn)與公共邊較差見圖5。

如圖5所示，相鄰閉合圖形間的公共點(diǎn)及公共邊，在不同組閉合圖形中通過數(shù)據(jù)處理后，其公共點(diǎn)坐標(biāo)分量較差Δd及公共邊方位角較差fβ均較小，有效的削弱了誤差的累計(jì)，從而達(dá)到提供地下控制測(cè)量精度的目的。

2.3 盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)成型管片監(jiān)測(cè)

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，其盾尾內(nèi)部管片處于非完全穩(wěn)定狀態(tài)，其受掘進(jìn)時(shí)所處線性、盾構(gòu)機(jī)頂力、外側(cè)土壓力及所處土層等多個(gè)因素影響。要確保成型隧道軸線達(dá)到理想狀態(tài)，在成型管片未達(dá)到穩(wěn)定前必須對(duì)其加以監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，從而達(dá)到最終隧道軸線滿足高精度設(shè)計(jì)要求的目的。

2.3.1 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，成型管片在脫出盾尾時(shí)及脫出盾尾后方一段距離后即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因而施工過程中此段為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)區(qū)域。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括成型管片拱底、拱頂豎向位移監(jiān)測(cè)、縱向收斂變形監(jiān)測(cè)、成型管片橫向位移監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)方案擬定應(yīng)充分結(jié)合作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)條件，使方案具備可實(shí)施性。本工程實(shí)施過程中監(jiān)測(cè)方法及點(diǎn)位布設(shè)擬定如下：拱底豎向位移監(jiān)測(cè)采用水準(zhǔn)方式進(jìn)行，點(diǎn)位布設(shè)與管底中心部位，點(diǎn)位為圓頭道釘；拱頂豎向位移監(jiān)測(cè)、縱向收斂變形監(jiān)測(cè)、成型管片橫向位移監(jiān)測(cè)三個(gè)測(cè)項(xiàng)整合為一，采用極坐標(biāo)法結(jié)合三角高程方式進(jìn)行，點(diǎn)位布設(shè)于拱頂中心位置，點(diǎn)位采用定制“T”型螺絲，“T”型螺絲安裝于管片預(yù)埋凹槽內(nèi)，螺絲下端安裝反射棱鏡。點(diǎn)位埋設(shè)時(shí)應(yīng)注意使拱頂拱底點(diǎn)位盡可能的處于同一斷面內(nèi),以提高成果精度，如圖6所示。

監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)計(jì)劃及實(shí)時(shí)工況進(jìn)行擬定和調(diào)整，本工程實(shí)施過程中擬定監(jiān)測(cè)頻率為1環(huán)/次，并根據(jù)監(jiān)測(cè)成果實(shí)時(shí)進(jìn)行合理調(diào)整，直至成型管片達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后停測(cè)，停測(cè)要求目標(biāo)值如表2所示。

表2 停測(cè)要求目標(biāo)值

2.3.2 監(jiān)測(cè)實(shí)施與應(yīng)用成果

本項(xiàng)目1號(hào)工作井～2號(hào)工作井區(qū)間隧道實(shí)施過程中，上述監(jiān)測(cè)項(xiàng)目全程進(jìn)行跟進(jìn)。

拱底豎向位移監(jiān)測(cè)采用索佳SDL1X型數(shù)字水準(zhǔn)儀按二等水準(zhǔn)要求進(jìn)行觀測(cè)，以傳遞至隧道內(nèi)穩(wěn)定的水準(zhǔn)點(diǎn)位作為起算點(diǎn)位，完成觀測(cè)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并及時(shí)提交成果。

拱頂豎向位移監(jiān)測(cè)、縱向收斂變形監(jiān)測(cè)、成型管片橫向位移監(jiān)測(cè)采用LEICA TS15型全站儀按極坐標(biāo)法加三角高程形式同步完成數(shù)據(jù)的采集，測(cè)量時(shí)采用盤左、盤右進(jìn)行觀測(cè)，獲取拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。其獲取的平面坐標(biāo)用于管片橫向位移成果的計(jì)算；高程用于拱頂豎向位移成果的計(jì)算；拱頂高程值與拱底高程值共同用于縱向收斂變形成果的計(jì)算。拱頂高程參與縱向收斂變形成果計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮反射棱鏡中心至拱底管片弧面的高度常數(shù)。

盾構(gòu)掘進(jìn)中某環(huán)監(jiān)測(cè)成果見圖7。

由圖7可知，此環(huán)在成型管片脫出盾尾及脫出盾尾后方一定區(qū)域范圍內(nèi)，其拱底豎向位移量較小，但拱頂豎向位移量、橫向位移量及縱向收斂變形量變化明顯。這些變形量將對(duì)成型隧道的軸線產(chǎn)生最為直接的影響。

盾構(gòu)掘進(jìn)中，通過對(duì)成型管片脫出盾尾及脫出盾尾后方一定區(qū)域范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)成果，調(diào)整施工參數(shù)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行干涉，是保證成型隧道軸線達(dá)到高精度要求的重要技術(shù)措施之一。

2.4 高程控制測(cè)量

高程控制測(cè)量主要包括：地面高程測(cè)量、高程傳遞測(cè)量、地下高程控制測(cè)量。隨著測(cè)繪裝備精度不斷的提升，按相關(guān)規(guī)范要求執(zhí)行即可較容易達(dá)到相關(guān)精度的要求，故本文不做重點(diǎn)闡述。

在本項(xiàng)目實(shí)施過程中，上述測(cè)量?jī)?nèi)容均采用傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量方式獲取待測(cè)點(diǎn)高程。在高程傳遞測(cè)量中，為檢驗(yàn)傳遞至地下高程點(diǎn)位的穩(wěn)定性及可靠性，還采用了雙儀器不量?jī)x高同步三角高程法進(jìn)行了高程傳遞測(cè)量，如圖8,表3所示。

表3 高程傳遞測(cè)量不同方法成果比對(duì)表

3 貫通測(cè)量成果及隧道軸線偏差情況

3.1 貫通測(cè)量成果

隧道貫通后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行貫通測(cè)量，本項(xiàng)目1號(hào)工作井～2號(hào)工作井區(qū)間隧道順利貫通后，通過2號(hào)工作井采用雙兩井定向法進(jìn)行定向測(cè)量，并進(jìn)行2次獨(dú)立定向測(cè)量，平差成果用于貫通測(cè)量。在隧道貫通面附近布設(shè)一點(diǎn)，分別從1號(hào)工作井、2號(hào)工作井內(nèi)的定向測(cè)量點(diǎn)位分別測(cè)量該點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并將其歸算至設(shè)計(jì)軸線上，獲取隧道貫通后的橫向貫通測(cè)量誤差、高程貫通誤差及方位貫通誤差。貫通測(cè)量成果見表4。

表4 貫通測(cè)量成果

如表4所示，貫通測(cè)量成果良好，其中橫向貫通誤差和高程貫通誤差能夠滿足軸線偏差高精度的要求。

3.2 隧道軸線偏差情況

隧道貫通后，利用隧道兩端定向測(cè)量點(diǎn)位作為起算數(shù)據(jù)，在隧道內(nèi)布設(shè)一條地下附合導(dǎo)線。數(shù)據(jù)經(jīng)嚴(yán)密平差后，隧道內(nèi)加密點(diǎn)位用于隧道軸線偏差測(cè)量的起算數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目1號(hào)工作井～2號(hào)工作井區(qū)間隧道軸線平面偏差、高程偏差、成型隧道準(zhǔn)直度均能夠滿足設(shè)計(jì)高精度要求，因成果數(shù)據(jù)量較大，故本文不做詳細(xì)展示。

4 結(jié)語

在上海硬X射線自由電子激光裝置項(xiàng)目實(shí)施過程中，從可能引起軸線偏差不達(dá)標(biāo)的各個(gè)影響因素著手，針對(duì)各個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)進(jìn)行針對(duì)性的測(cè)量方案設(shè)計(jì)，實(shí)施過程中把控各個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)，使各個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)間有效銜接，從而保證了隧道軸線偏差滿足高精度的要求，同時(shí)也為今后類似工程的實(shí)施提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。