地鐵盾構隧道各階段平面控制測量的限差分配

莫中生，王佩賢

（1.沈陽地鐵集團有限公司，遼寧沈陽 110011；2.遼寧工程技術大學，遼寧阜新 123000）

地鐵盾構隧道各階段平面控制測量的限差分配

莫中生1，王佩賢2

（1.沈陽地鐵集團有限公司，遼寧沈陽 110011；2.遼寧工程技術大學，遼寧阜新 123000）

結合“城市軌道交通工程測量規范”中的相關技術要求，從理論上分析盾構隧道橫向貫通誤差的主要來源及各階段平面控制測量誤差限值的合理分配，并針對盾構法施工地鐵隧道的特點，探討長大盾構區間地面平面控制點的布設原則及限值的優化配賦。

盾構法；地鐵隧道；中誤差；貫通誤差

1 盾構隧道貫通誤差簡介

盾構法施工的地鐵隧道均為單向掘進，即從區間一端的預留洞門始發，按設計的線路和縱坡推進，到達區間另一端的預留洞門推出（預留洞門為一事先按設計位置安裝好的鋼環，其半徑一般比盾構機半徑大10～15 cm），盾構機中心與預留洞門中心的偏差即為盾構隧道的貫通誤差。貫通誤差在垂直于線路中線方向上的投影水平長度稱為橫向貫通誤差，沿中線方向上的投影水平長度稱為縱向貫通誤差，在高程方向的投影垂直長度稱為高程貫通誤差。對盾構隧道而言，縱向貫通誤差只影響隧道中線的長度，高程貫通誤差影響隧道的坡度，由于當前距離測量和水準測量精度較高，故后兩種誤差比較容易控制。橫向貫通誤差如超過一定的范圍就會引起隧道中線幾何形狀的改變，甚至洞內建筑物侵入規定限界，必將給工程帶來重大損失［1］。“城市軌道交通工程測量規范”（以下簡稱“城軌規范”）規定暗挖隧道橫向貫通中誤差應≤50 mm，該值是決定不同階段測量精度的依據。

由于隧道貫通后盾構機中心與預留洞門中心的偏差值用常規測量手段難以測定，在實際工作中，一般先在貫通面附近設一臨時點，選用貫通面兩側穩定的地下控制點作為起始點，該臨時點與貫通面兩邊的已知控制點形成附合導線及附合水準路線，從而求算貫通誤差。因此，通常所實測的隧道貫通誤差與盾構掘進施工測量無關，其值由控制測量精度所決定。

2 盾構隧道橫向貫通誤差的主要來源及其分配原則

根據盾構法施工地鐵隧道的實際情況，橫向貫通誤差主要由地面平面控制網的點位測量中誤差、盾構始發井（接收井）處地面近井點測量中誤差、盾構始發井（接收井）處平面聯系測量中誤差以及地下導線測量中誤差引起。假設各項誤差對貫通的影響相互獨立，則有

式中：mQ為平面貫通總橫向中誤差為地面平面控制測量引起的橫向中誤差為盾構始發井處地面近井點測量引起的橫向中誤差為盾構始發井處豎井平面聯系測量引起的橫向中誤差為盾構接收井處豎井平面聯系測量引起的橫向中誤差為盾構接收井處地面近井點測量引起的橫向中誤差，為地下導線測量引起的橫向中誤差。

2.1 地面平面控制測量中誤差

地鐵地面平面控制網分2個等級布設，首級為GPS控制網，次級為精密導線網，地面控制測量對二級網點位的中誤差的影響為［2］

式中：MP為地面控制測量點位中誤差（mm），MG為GPS網中最弱點的點位中誤差（mm），MT為導線網中最弱點的點位中誤差（mm）。

依據“城軌規范”，地鐵首級GPS控制網及精密導線測量的主要技術指標如表1、表2所示［3］。

表1 衛星定位控制網主要技術指標

表2 精密導線測量的主要技術要求

精密導線網中相鄰點的相對中誤差與其點位中誤差的關系可用式（3）表示。

式中：（MT）ij為導線網中相鄰點的相對中誤差（mm），n為精密導線的邊數。

為使測量精度偏于安全起見，假定GPS控制網和精密導線網的測量精度以及精密導線的布設均取最不利因素，即MG取±12 mm，（MT）ij取±8 mm，導線總長和平均邊長分別以4 km和350 m計算，則由式（3）得MT＝±19 mm，因式（2）所計算的點位中誤差總是較相應的橫向誤差大，用式（1）中的代替MP，則＝±22.5 mm.宜取±23 mm，即分配給地面控制測量橫向誤差影響值最大不能超過±23 mm。

2.2 地面近井點測量中誤差

地面近井點即為了方便聯系測量而在井口附近布設的導線控制點，其測量過程亦稱趨近測量。“城軌規范”中要求趨近測量點位測量中誤差應不大于10 mm，為偏于安全分配給地面近井點測量中誤差＝＝±10 mm。

2.3 平面聯系測量中誤差

平面聯系測量即通過豎井將地面和地下控制網聯系在統一坐標系統中的測量工作。把地面上控制點的坐標、方位傳遞到地下，作為地下導線的起算坐標和起始方位角，依此指導和控制盾構機掘進。地下平面起算點的坐標誤差將直接影響終點的橫向平移量，其對導線點位置的影響為一常數，其對貫通誤差的影響較小，在此不做探討。而起始方位角的誤差ma會使地下導線旋轉一小角度，從而產生由起始方位誤差引起的貫通誤差［4］

式中：L為導線終點到起算點的直線距離，L越長對ma要求越高，當＝±20 mm，L＝1 000 m時，可求得起始方位角中誤差ma＝4″，取2倍中誤差作為允許誤差，則聯系測量傳遞方位角的精度應控制在8″以內。對于普遍存在的1 km以上的盾構區間將有更高的精度要求，因此，分配給豎井平面聯系測量的中誤差應以不小于20 mm為宜。

2.4 地下導線測量中誤差

“城軌規范”中規定隧道內控制點間平均邊長宜為150 m，其中曲線隧道控制點間距不應小于60 m，導線測角中誤差為±2.5″。

因地下導線對橫向貫通測量誤差的影響主要由角度測量誤差引起，為討論方便，假設洞內導線布設為近似等邊直伸的形狀［5］，如圖1所示。

圖1 直伸導線圖

AM是地下起算邊，P2、P3、…、Pn＋1為洞內導線點，β1、β2、β3、…、βn是等精度觀測的轉折角，S是導線各邊的邊長，按支導線觀測來分析橫向貫通誤差。當第1個轉折角β1有誤差dβ1（假設其他轉折角沒有誤差），將使導線終點Pn＋1產生的橫向位移為

則Pn＋1點的橫向中誤差為

上式為按等邊支導線計算隧道橫向誤差公式。設隧道全長為L，則L＝s×n，將mu替換為，即地下導線測量中誤差

當L＝1 200 m時，n＝1 200／150＝8，將mβ＝±2.5″代入式（5），可求得＝26 mm，考慮到地下導線的測量條件、不確定因素多等狀況，在分配測量誤差時地下導線控制測量中誤差應不低于30 mm。

綜上所述，對于1 km左右的盾構隧道區間，宜采用如下分配方案：

由此可見，只要各階段控制測量工作均能滿足“城軌規范”的各項指標要求，保證約1 km的盾構隧道貫通誤差精度滿足要求是不難實現的。

3 長大盾構區間橫向貫通誤差的優化配賦

對于長大盾構隧道而言，上述誤差分配原則顯然不能滿足橫向貫通精度要求。以1 500 m長區間隧道為例，將L＝1 500 m，n＝1 500／150＝10，mβ＝±2.5″代入式（5），求得＝35.6 mm；若仍取±20 mm，將L＝1 500 m代入式（4）可得mα＝2.8″，如此高的聯系測量精度在實際操作中是很難保證的。因此，在不削減聯系測量分配限值±20 mm的前提下為保證貫通精度必須采取優化的誤差分配方案以盡量提高地下導線測量的限差分配值。

由式（1）可知，在保持不變的條件下，為了增加的值，只能通過降低或削弱地面控制測量階段、的誤差分配值來實現。

因GPS點位的布設是針對整個地鐵線路的，存在的不確定因素較多，故其最弱點中誤差仍保持±12 mm不變。根據盾構區間的施工特點，區間段的點位基本不用于指導施工，只用于保持導線的連貫性及滿足點位檢核與維護的需要，沒必要沿線路布設或與地鐵線路通視。因此，在前期布設地面控制網時只需在盾構始發井、接收井處布設可俯視井口的GPS控制點或精密導線控制點，無需或盡可能少的使用近井點以弱化趨近導線測量過程，從而使近井點測量誤差將不作為一個獨立誤差影響項。由式（3）可知，為降低精密導線點最弱點中誤差（MT）ij，只需減少附合導線的邊數，即每段附合導線只布設3～4個精密導線點。將n＝4或n＝5代入可求得MT取值范圍11.3～12.6之間，從而把地面控制測量（包括地面近井點測量）中誤差的影響降低至±15 mm以內。各階段重新分配后的誤差值如表3所示。

表3 優化配賦后盾構隧道貫通中誤差分配表 mm

4 結束語

針對長大盾構區間，除通過改善地面控制網的布設方案提高貫通誤差精度外，還可通過采用雙聯系三角形定向法、鉛垂儀與陀螺經緯儀聯合定向法布設交叉導線，盡量拉長導線間距以減少測角數，加測陀螺邊，采用強制對中裝置等高精度的測量儀器和方法來確保隧道貫通精度。

［1］秦長利.城市軌道交通工程測量［M］.北京：中國建筑工業出版社，2008.

［2］高俊強，嚴偉標.工程監測技術及其應用［M］.北京：國防工業出版社，2005.

［3］中華人民共和國建設部.GB50308－2008城市軌道交通工程測量規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2008.

［4］高俊強，潘慶林.地鐵隧道貫通的誤差來源及不同階段誤差限差分配［J］.南京工業大學學報，2004，26（6）：33－35.

［5］謝宇尚.隧道橫向貫通誤差精度影響分析［J］.測繪信息與工程，2008，33（4）：20－21.

The plane control measurement error－limit distribution with each phase of subway tunnel construction by shielding method

MO Zhong－sheng1，WANG Pei－xian2
（1.Shenyang Subway Group Co.Ltd.，Shenyang 110011，China；2.Liaoning University of Engineering and Technology，Fuxin 123000，China）

Based on the relevant technical requirements ofUrban Rail Traffic Engineering Measurement Specifications，the text analyzed the main source of horizontal through error and the reasonable distribution of plane control measurement error－limit with each phase theoretically.And in the light of the characteristics of subway tunnel construction by shielding method，discusses the layout principle of plane control points and the optimization match of limits about long shield interval.

shielding method；subway tunnel；root mean square error；through error

P258

A

1006－7949（2012）04－0086－03

2011－06－13

莫中生（1981－），男，工程師.

[責任編輯:劉文霞］