長(zhǎng)距離過(guò)海地鐵盾構(gòu)隧道控制測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究

徐秀川 劉運(yùn)明 王 磊 郭 明 張 偉

(1. 北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 北京 100101;2. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430079;3. 北京建筑大學(xué) 測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院, 北京 100044)

0 引言

廈門市軌道交通2號(hào)線為廈門市東西骨架線,構(gòu)建了廈門本島與海滄區(qū)快速跨海連接通道,是廈門地鐵第二條開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的線路,其中海滄大道站—東渡路站區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱“海東區(qū)間”)下穿廈門西海域,為國(guó)內(nèi)首條地鐵盾構(gòu)海底隧道[1],全長(zhǎng)2 784 m,為全線控制性工程。隧道穿越地層地質(zhì)情況復(fù)雜多變,有“地質(zhì)博物館”之稱,是整條線路中施工難度最大、風(fēng)險(xiǎn)最高、對(duì)施工測(cè)量要求最高的施工區(qū)域。

海東區(qū)間為長(zhǎng)距離過(guò)海盾構(gòu)區(qū)間,布設(shè)精度高、穩(wěn)定性好及實(shí)用性強(qiáng)的控制網(wǎng)至關(guān)重要。由于區(qū)間精密導(dǎo)線點(diǎn)無(wú)法布設(shè),該區(qū)段平面控制網(wǎng)采用衛(wèi)星定位測(cè)量方法進(jìn)行布設(shè),并根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行網(wǎng)形優(yōu)化設(shè)計(jì),同時(shí)從外業(yè)選點(diǎn)、外業(yè)施測(cè)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理等方面采取綜合技術(shù)措施提高全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)控制網(wǎng)的實(shí)用性及可靠性。同時(shí),該區(qū)間下穿海域跨度大(超過(guò)2 km),必須采用跨河水準(zhǔn)測(cè)量的方法,將精度等級(jí)滿足規(guī)范要求的本岸高程傳遞到對(duì)岸,統(tǒng)一兩岸過(guò)海隧道高程控制基準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)隧道的順利貫通,本工程采用高精度全站儀基于電磁波測(cè)距三角高程法,并特制了觀測(cè)覘板,實(shí)現(xiàn)了高精度的跨海水準(zhǔn)測(cè)量,為長(zhǎng)距離過(guò)海隧道的順利貫通建立了穩(wěn)定的高程基準(zhǔn)。此外,對(duì)于長(zhǎng)距離盾構(gòu)隧道,為彌補(bǔ)常規(guī)支導(dǎo)線測(cè)量隨站數(shù)增多測(cè)角誤差累計(jì)的缺陷,采用陀螺定向的方式對(duì)地下方位進(jìn)行多次復(fù)核校正,同時(shí)研制了基于手機(jī)的陀螺定向測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[2],大大提高測(cè)量定向效率;針對(duì)該區(qū)間地質(zhì)情況異常復(fù)雜、盾構(gòu)姿態(tài)控制困難的問(wèn)題,采取了一系列盾構(gòu)姿態(tài)控制措施,保證盾構(gòu)機(jī)沿設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)并最終順利接收。歷時(shí)1 113 d,本區(qū)間于2019年3月完成全線洞通。

本文對(duì)過(guò)海段GNSS控制網(wǎng)優(yōu)化布設(shè)、跨海水準(zhǔn)測(cè)量實(shí)施以及盾構(gòu)施工控制測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)分別進(jìn)行介紹。

1 GNSS控制網(wǎng)優(yōu)化布設(shè)

地鐵工程施工前需首先建立指導(dǎo)工程施工的測(cè)量控制網(wǎng),控制網(wǎng)的精度直接影響地鐵隧道的貫通和精度[3],控制網(wǎng)包括平面控制網(wǎng)與高程控制網(wǎng)。對(duì)于平面控制網(wǎng),城市軌道交通線路控制網(wǎng)為二等網(wǎng),采用衛(wèi)星定位方法布設(shè),三等網(wǎng)為線路加密控制網(wǎng),采用精密導(dǎo)線形式布設(shè)。

對(duì)于海東區(qū)間,由于區(qū)間穿越大面積海域,不具備布設(shè)精密導(dǎo)線的條件,故本區(qū)間平面控制網(wǎng)采用衛(wèi)星定位方式布設(shè)。本項(xiàng)目從控制網(wǎng)網(wǎng)形布設(shè)、點(diǎn)位選取、外業(yè)施測(cè)及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理等方面采取多種技術(shù)手段,建立了穩(wěn)定可靠的過(guò)海段平面控制網(wǎng)。

1)將廈門市CORS站數(shù)據(jù)納入2號(hào)線GNSS控制網(wǎng)進(jìn)行平差計(jì)算,提高平面控制網(wǎng)的整體精度。

CORS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)作為GNSS控制網(wǎng)起算基準(zhǔn)具有較高的實(shí)時(shí)性且覆蓋率高、觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量好,點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)穩(wěn)定,且可以有效地減少測(cè)量外業(yè)工作量等優(yōu)點(diǎn)[4]。廈門地鐵2號(hào)線首次將高精度CORS站數(shù)據(jù)納入GNSS控制網(wǎng)中。在2號(hào)線沿線均勻選取GB32、GB39、GB51、GB55、GB57、GB68共6個(gè)連續(xù)運(yùn)行參考站,作為GNSS靜態(tài)控制網(wǎng)的起算數(shù)據(jù),對(duì)GNSS網(wǎng)進(jìn)行整體平差解算,提高了控制網(wǎng)的整體精度。

2)對(duì)過(guò)海段GNSS網(wǎng)形進(jìn)行局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì),提高其實(shí)用性及可靠性。

(1)控制網(wǎng)以同步三角形連接,用邊連式擴(kuò)展成空間GNSS鎖網(wǎng),保證了控制網(wǎng)的網(wǎng)形強(qiáng)度,同時(shí)全網(wǎng)包括多個(gè)非同步獨(dú)立邊構(gòu)成的多邊形閉合環(huán),具有良好的粗差檢測(cè)能力[5]。

(2)在始發(fā)豎井(車站基坑)周邊布設(shè)可以直接用于聯(lián)系測(cè)量的GNSS通視基線邊,為提高方位角精度,基線邊盡量拉長(zhǎng)(約1 km)。

(3)考慮到跨海段實(shí)際情況,取消區(qū)間精密導(dǎo)線點(diǎn),在線路附近的大兔嶼與火燒嶼上布設(shè)一對(duì)通視GNSS控制點(diǎn),提高控制網(wǎng)網(wǎng)形強(qiáng)度及實(shí)用性。

3)多路徑誤差作為GNSS測(cè)量的主要誤差來(lái)源,無(wú)法通過(guò)改正模型或差分技術(shù)進(jìn)行消除或減弱,因此,為減弱多路徑效應(yīng)的影響,控制點(diǎn)在滿足通視的情況下,盡量選埋在遠(yuǎn)離水域的位置,同時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間也可以一定程度上減弱多路徑效應(yīng)的影響[6]。

4)為減少儀器對(duì)中誤差,GNSS控制點(diǎn)均以強(qiáng)制對(duì)中形式埋設(shè)。

5)由于廈門地處低緯度地區(qū),電離層閃爍頻發(fā),影響衛(wèi)星定位精度[7],外業(yè)觀測(cè)前,參考TEC電離層,了解廈門地區(qū)電離層活動(dòng)規(guī)律,避開(kāi)電離層活躍時(shí)段,合理制定外業(yè)靜態(tài)觀測(cè)計(jì)劃,減少電離層影響。此外,本項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中,建立了靜態(tài)數(shù)據(jù)后處理模型,該模型提出電離層高階影響建模修正方法,引入全球地磁場(chǎng)模型對(duì)二階和三階電離層影響進(jìn)行建模,一定程度上減少了電離層對(duì)GNSS成果精度的影響[8]。

6)考慮到該區(qū)間長(zhǎng)度較長(zhǎng)(超過(guò)2 km),外業(yè)測(cè)量時(shí),延長(zhǎng)跨海段部分GNSS基線邊觀測(cè)時(shí)長(zhǎng),提高局部相對(duì)精度。

7)為提高解算精度,基線解算采用精密星歷,采用多基線解算模式進(jìn)行解算。

8)為驗(yàn)證控制網(wǎng)成果的可靠性,對(duì)2號(hào)線與既有1號(hào)線重合控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較分析,結(jié)果如表1所示。

表1 重合控制點(diǎn)坐標(biāo)比較表

通過(guò)對(duì)比分析,2號(hào)線與1號(hào)線重合GNSS控制點(diǎn)坐標(biāo)較差較小,表明2號(hào)線與1號(hào)線GNSS控制網(wǎng)成果有較好的兼容性,成果可靠。

2 跨海水準(zhǔn)測(cè)量

海東區(qū)間過(guò)海段長(zhǎng)度超過(guò)2 km,超過(guò)常規(guī)高精度幾何水準(zhǔn)測(cè)程。根據(jù)《城市軌道工程測(cè)量規(guī)范：GB/T 50308—2017》規(guī)定,水準(zhǔn)路線跨越視線長(zhǎng)度大于100 m時(shí),應(yīng)進(jìn)行跨河水準(zhǔn)測(cè)量。依據(jù)《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范：GB/T 12897》對(duì)跨河水準(zhǔn)測(cè)量的相關(guān)規(guī)定,本項(xiàng)目采用同步對(duì)向觀測(cè)的電磁波測(cè)距三角高程法進(jìn)行跨海水準(zhǔn)測(cè)量[9],采用并特制了一種觀測(cè)覘牌,實(shí)現(xiàn)了海東區(qū)間兩岸高程的高精度傳遞,為區(qū)間的順利貫通提供了穩(wěn)定的高程基準(zhǔn)。電磁波測(cè)距三角高程法測(cè)量裝置示意圖如圖1所示。

圖1 電磁波測(cè)距三角高程法測(cè)量裝置示意圖

如圖1所示,A與B位于海域兩側(cè),其中B為已知高程控制點(diǎn),A為待測(cè)高程控制點(diǎn),則根據(jù)電磁波測(cè)距三角高程測(cè)量原理可知：

(1)

式中,HB為已知點(diǎn)高程;h2可通過(guò)全站儀讀取;h3為標(biāo)志線中心與待定點(diǎn)A的高差;α、β為豎直角;S1、S2分別為全站儀與已知點(diǎn)、待定點(diǎn)的水平距離,該方法無(wú)須測(cè)量全站儀儀器高。其中,由于全站儀與已知點(diǎn)距離近,h2、S1、β測(cè)量精度較高,提高h(yuǎn)3、S2、α的精度是影響跨河水準(zhǔn)測(cè)量的關(guān)鍵。為此,特制跨河水準(zhǔn)測(cè)量裝置,如圖2所示。主要特點(diǎn)如下：

(1)為精確獲取豎直角α,特制電子覘牌,如圖2中12所示,其自身背景與標(biāo)志線(圖2中A所示)的顏色和亮度可調(diào)節(jié),標(biāo)志線粗細(xì)大小也可根據(jù)視線長(zhǎng)度調(diào)整,保證在跨海超遠(yuǎn)測(cè)程的情況下,十字絲可以精準(zhǔn)地瞄準(zhǔn)標(biāo)志線,獲取精確的豎直角α。如圖3所示。

圖2 特制跨河水準(zhǔn)測(cè)量裝置

圖3 全站儀準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)標(biāo)志線

(2)為提高h(yuǎn)3精度,中心軸桿上每10 cm設(shè)置一個(gè)卡扣,該卡扣可通過(guò)緊固螺栓與覘牌精準(zhǔn)連接,該刻度讀數(shù)即為h3,與常規(guī)的通過(guò)米尺量取h3相比,便捷且精度高。

(3)為精確測(cè)量S2,在支撐架頂部設(shè)置棱鏡,同時(shí)支撐架下部設(shè)置有圓水準(zhǔn)氣泡,確保支撐架在豎直狀態(tài)下,通過(guò)全站儀測(cè)量棱鏡精確獲取S2的數(shù)值。

表2 跨海水準(zhǔn)精度統(tǒng)計(jì)

3 過(guò)海盾構(gòu)施工控制測(cè)量

海東區(qū)間采用盾構(gòu)法+礦山法組合施工方案,盾構(gòu)單向掘進(jìn)長(zhǎng)度超過(guò)2.5 km,由于地下空間有限、施工環(huán)境差,長(zhǎng)距離隧道貫通誤差難以保證[11],如何提高地下控制測(cè)量精度保證隧道的準(zhǔn)確貫通是本工程測(cè)量的一大難點(diǎn),另外,海東區(qū)間海底隧道工程穿越地層集軟土、硬巖、上軟下硬、上硬下軟、拱部砂層侵入、兩條斷裂帶等,堪稱“地質(zhì)博物館”,復(fù)雜的地質(zhì)條件導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制困難,需采用測(cè)量手段對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,保證盾構(gòu)沿隧道設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)[12]。本項(xiàng)目采取的盾構(gòu)施工控制測(cè)量措施包括以下方面：

(1)根據(jù)具體測(cè)量條件,選擇合理的平面聯(lián)系測(cè)量方式。區(qū)間自海滄大道站始發(fā),車站兩端豎井可懸吊鋼絲,鋼絲間距近200 m,采用兩井定向方法,同時(shí)為提高定向精度,地下起始基線邊應(yīng)盡量拉長(zhǎng)。盾構(gòu)在東渡路站接收,由于接收端豎井口小,鋼絲間距不足5 m,且深度達(dá)40 m,不具備兩井定向及導(dǎo)線直接傳遞的條件,故接收端暗挖段采用一井定向方法進(jìn)行測(cè)量控制。

(2)測(cè)量采用測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)采集數(shù)據(jù),利用專業(yè)軟件進(jìn)行嚴(yán)密平差,測(cè)量速度快,觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量高[13]。海東區(qū)間使用雙導(dǎo)線網(wǎng)形式進(jìn)行洞內(nèi)導(dǎo)線布設(shè),如圖4所示。為減少對(duì)中誤差,洞內(nèi)控制點(diǎn)均埋設(shè)強(qiáng)制對(duì)中形式。此外,借鑒并優(yōu)化了鋪軌控制網(wǎng)CPIII測(cè)量系統(tǒng)的布點(diǎn)方案、觀測(cè)方法及數(shù)據(jù)處理,引入自由設(shè)站邊角交會(huì)法進(jìn)行應(yīng)用研究,如圖5所示。該方法圖形強(qiáng)度高,檢核條件多,與洞內(nèi)雙導(dǎo)線網(wǎng)互相驗(yàn)證,共同構(gòu)成地下控制測(cè)量系統(tǒng),保證了盾構(gòu)隧道的準(zhǔn)確貫通。

(3)海東區(qū)間單向掘進(jìn)長(zhǎng)度超過(guò)2 km,由于隧道內(nèi)沒(méi)有可附合的已知點(diǎn),洞內(nèi)延伸控制測(cè)量屬于支導(dǎo)線范疇,隨著隧道掘進(jìn)的延伸,距離和角度測(cè)量累積誤差逐步增大,為減少誤差累計(jì),一方面隧道內(nèi)盡量增加導(dǎo)線邊長(zhǎng)減少測(cè)站數(shù),另一方面,在隧道掘進(jìn)超過(guò)1.2 km后,采用加測(cè)陀螺方位角的方法控制導(dǎo)線方位誤差的累計(jì)[14],保證盾構(gòu)機(jī)沿軸線掘進(jìn)并順利接收。

圖4 雙導(dǎo)線網(wǎng)示意圖

圖5 自由設(shè)站邊角交會(huì)導(dǎo)線網(wǎng)示意圖

針對(duì)在陀螺定向施測(cè)過(guò)程中不便使用紙筆記錄定向數(shù)據(jù)、判斷陀螺定向數(shù)據(jù)互差煩瑣復(fù)雜浪費(fèi)時(shí)間人力、計(jì)算坐標(biāo)方位角需要自行筆算等問(wèn)題,根據(jù)陀螺定向過(guò)程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于普通商用Android智能手機(jī)的陀螺定向測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),該系統(tǒng)有效避免了實(shí)際隧道工程測(cè)量中由于精度不滿足要求而需要反復(fù)測(cè)量的弊端,極大提升了測(cè)量工作效率,該系統(tǒng)在本項(xiàng)目中進(jìn)行了成功應(yīng)用,驗(yàn)證了其有效性與準(zhǔn)確性[2]。

(4)采用多種測(cè)量手段控制盾構(gòu)隧道掘進(jìn)軸線偏差,具體包括：①設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入盾構(gòu)機(jī)之前進(jìn)行多級(jí)復(fù)核,確保相關(guān)參數(shù)準(zhǔn)確無(wú)誤,需重點(diǎn)注意盾構(gòu)線路中心與隧道中心的區(qū)別;②建立遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控;③每天采用人工測(cè)量方法對(duì)盾尾成型管片姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量,可使用全站儀+水平尺采用極坐標(biāo)法獲取管片中心坐標(biāo)及管片頂?shù)赘叱?檢核隧道軸線偏差;④由于盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)只能檢核自身系統(tǒng)精度,不能滿足絕對(duì)精度檢測(cè),無(wú)法發(fā)現(xiàn)因系統(tǒng)錯(cuò)誤導(dǎo)致的軸線實(shí)際偏差[15]，因此,需要定期(至少1次/月)采用人工測(cè)量方法對(duì)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行檢核,確保其準(zhǔn)確可用性，主要方法是人工測(cè)量盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)參數(shù)與導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比,具體包括平面偏差、高程偏差、俯仰角、方位角、滾動(dòng)角、切口里程等參數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

作為國(guó)內(nèi)首條過(guò)海地鐵盾構(gòu)隧道,廈門地鐵2號(hào)線海東區(qū)間過(guò)海段超過(guò)2 km,本項(xiàng)目測(cè)量實(shí)施過(guò)程中,從平面控制網(wǎng)優(yōu)化布設(shè)、跨河水準(zhǔn)實(shí)施、地下施工測(cè)量控制等方面制定針對(duì)性的專項(xiàng)測(cè)量實(shí)施方案,建立了長(zhǎng)距離跨海段地面控制基準(zhǔn),形成了一套完整的地下控制測(cè)量體系,保證了盾構(gòu)隧道的準(zhǔn)確貫通,為地鐵2號(hào)線的順利通車奠定了扎實(shí)的測(cè)量基礎(chǔ)。由于屬于國(guó)內(nèi)首次,希望能為類似項(xiàng)目提供參考。