地下鐵道盾構施工測量檢測方法探討

廖振宇

(佛山市鐵路投資建設集團有限公司， 廣東佛山 528000)

地下鐵道盾構施工測量檢測方法探討

廖振宇

(佛山市鐵路投資建設集團有限公司， 廣東佛山 528000)

結合廣佛城際軌道交通[菊樹—西塱]盾構區間施工測量檢測的實踐，介紹兩井定向、陀螺定向和盾構環姿態測量在地鐵盾構法施工測量檢測中的應用。

地下鐵道 測量檢測 兩井定向 陀螺定向 盾構環姿態

1 工程概況

珠江三角洲城際快速軌道交通工程廣佛線[菊樹—西塱]盾構施工區間， 左線設計里程ZDK18+424.368～ZDK20+340.068，全長1908.007 m， 短鏈7.693 m；右線設計里程YDK18+423.206～YDK20+339.345，全長1916.139 m。隧道埋深：-7.789m～-16.947 m。 沿線經過珠江水產研究所、花地灣河和廣州地鐵一號線，其余部分區域較為空曠，建筑物較少。

本區間所處地形較平坦，地貌屬于海相沖積平原地貌特征，地質構造相對較為簡單。基巖巖性主要為紫紅色泥質粉砂巖、泥巖組成，夾含礫粉、細砂巖、礫巖；地下水類型主要有兩種：一種為賦存于第四系土層中的孔隙水；另一種是賦存于基巖風化層及構造破碎帶中的裂隙水。本區間適宜盾構掘進，隧道全線采用土壓平衡盾構法施工，隧道開挖面直徑6.0 m，環片長度1.5 m。

2 地面控制測量

3 施工測量檢測

3.1 兩井定向聯系測量

(1)平面聯系測量

兩井定向時，利用地面趨近導線測定兩吊錘線的平面坐標值。在隧道中，將已布設的地下導線與豎井中的吊錘線連測，即可將地面坐標系中的坐標與方位傳遞到井下，經計算求得井下導線各點的坐標與導線邊的方位。

兩井定向外業工作包括：投點、地面與地下連接測量(如圖1所示)。

圖1 兩井定向聯系測量示意

兩井定向的內業計算工作：

①根據地面連接測量的成果，按照導線的計算方法，計算出地面兩鋼絲A、B的平面坐標(xA，yA)、(xB，yB)。

②計算兩鋼絲點A、B的連線在地面坐標系統中的方位角αAB

(1)

④計算A、B連線在假定坐標系中的方位角

(2)

⑤計算井下起始邊在地面坐標系統中的方位角αAI

(3)

⑥根據A點的坐標(xA，yA)和計算出的A1邊方位角αAI，計算出井下導線各點在地面坐標系統中的坐標方位。

平面聯系測量外業注意事項：

①兩鋼絲間距離應大于30 m，且越長越好，減少投點誤差。

②宜采用φ0.3～φ0.5 mm直徑高強度鋼絲，懸掛10 kg重錘，并浸沒在阻尼液中。

③定向均應獨立進行3次，取3次的平均值作為定向成果。

④如果左右線同時做兩井定向且4根鋼絲能互相同視，可動兩次鋼絲，相互連測，得出4組基線，取其平均值作為盾構始發的基線。

(2)高程傳遞測量

通過豎井高程傳遞，將近井水準點的高程，傳遞到井下高程測量起始點上。近井點的設置主要考慮點位穩固和傳遞高程方便兩個因素。采用Ⅱ等水準測量技術，通過精密水準點引測至近井水準點，水準路線進行往、返觀測。

圖2 鋼尺導入法傳遞高程

在地面搭建一懸掛鋼尺尺架，將鑒定過的鋼尺懸掛其上，下放到井下(如圖2所示)，A為地面水準點，B為地下水準點，將鋼尺懸掛于井上，使其自然下垂，鋼尺零點位于井下。在地面和井下分別安置水準儀，在A、B所立水準尺上取讀數a、b，然后在鋼尺上同時讀取讀數m、n，此外還需測定井上井下溫度t上、t下。

為防止出現粗差和提高觀測精度，儀器高變動3次、鋼尺變動兩次進行觀測，測定井上、井下水準點高差的不符值(高差的不符值<±3 mm)。最終取3次觀測成果的平均值，從而得到高精度井下水準點高程。根據下面公式可求得B點高程

(4)

式中，∑Δl為鋼尺改正數的總和，包括

溫度改正：Δlt=αl(t-t0)，α鋼尺的膨脹系數。

其中溫度改正用井上井下實測溫度的平均值， 式中，γ為鋼的單位體積重量，為7.8 g/cm3；E為鋼尺的彈性模量，一般取2×106kg/cm2，L為鋼尺懸掛點至地下掛錘球處的自由懸掛長度；l為井上、井下水準儀視線間的鋼尺長度，即l=m-n。

3.2 陀螺經緯儀定向

陀螺經緯儀是陀螺儀和經緯儀組合而成的定向儀器。運用陀螺經緯儀進行隧道方位定向的常用方法主要有逆轉點法和中天法。下面以逆轉點法為例來說明測定井下未知邊方位角的全過程。

在地面已知方位邊上采用2～4個測回測定儀器常數△前。

由于儀器本身條件和外部環境的影響，實際陀螺軸的平衡位置與測站真子午線的方位不重合，其夾角為陀螺經緯儀的儀器常數，用△表示。△需要在地面已知方位邊上測定，關鍵是要測定已知邊的陀螺方位角TAB陀。測量TAB陀的步驟如下：

①在任意一點安置陀螺經緯儀，嚴格對中整平，以盤左盤右兩個觀測值的均值作為已知方位邊的測前方位值M1。

②將經緯儀的視準軸對準北方向，使其偏離陀螺子午線方向不大于60′。

③測量懸掛帶零位值(測前零位)，同時用秒表測定陀螺擺動周期。

④啟動陀螺馬達，緩慢下放靈敏部，使擺幅在1°～3°范圍內。調節水平微動螺旋使光標像與分劃板零刻度線隨時保持重合，達到逆轉點后，記下經緯儀水平度盤讀數。連續記錄5個逆轉點的讀數，計算NT。

⑤進行測后零位觀測。

⑥以盤左盤右兩個方向值測定已知邊的測后方位值M2。

⑦計算TAB陀。

于是可得

(5)

在井下定向邊上采用對向觀測、四測回測定陀螺方位角TAB陀。

返回地面后，及時在已知方位邊上測定儀器常數△后。

計算井下測邊的坐標方位角αab

(6)

式中,γa為α點的子午線收斂角。

3.3 盾構機環片姿態檢測

地鐵隧道工程施工過程中，為了及時檢測環片拼裝的橫向偏差和豎向偏差，確保隧道按設計要求準確貫通，在隧道掘進過程中，每隔一段時間用人工測量的方法對盾尾穩定的環片進行檢校，以檢核盾構機姿態的正確性。

根據成型隧道內徑制作一鋁合金標尺，在鋁合金標尺正中央位置做標識，并在其側面貼上反射片，上部粘貼水平尺。測量時，將鋁合金標尺水平放置在某一環片上，首先用水平尺把鋁合金標尺精確整平，使用全站儀采用極坐標法測量鋁合金標尺的中心坐標(X測，Y測，Z測)，此時測出的Z測并不是環片中心的真實坐標，需要根據環片的半徑和鋁合金標尺的長度計算真實的Z實坐標

式中，R為環片半徑，L為鋁合金標尺長度。

使用計算機計算管片姿態時，將全站儀采集的外業數據，通過專業軟件傳輸下載并復制到EXCEL表格中，編輯成CAD可識別的三維坐標，然后通過展點程序將整理好的三維坐標在隧道設計線路圖上畫出來，展點時一定要關閉對象捕捉命令。點位畫出來后，就可以通過CAD中的查詢命令直接測量管片的水平和垂直姿態。通過此種測量和計算方法，大大提高了環片檢測的準確度。

4 數據處理與精度分析

4.1 豎井附近趨近導線測量

測量過程中，受儀器本身、外部環境和測量人員操作影響，不可避免地會產生測量誤差，因而需對每次聯系測量的成果進行分析，以確保地鐵隧道施工的高精度性。以[菊樹-西塱]盾構區間為例，精密導線控制點GF076、GFJ077、GFJ078、GFJ079形成附合導線；內業經嚴密平差后， 最大點位中誤差為±2.5 mm，最大點間中誤差為±1.8 mm，導線全長相對中誤差為1/106 544，均滿足精密導線作業精度要求，為后續的聯系測量提供了高精度的數據基礎。

4.2 兩井聯系測量

當車站或區間豎井具備兩井定向條件時，應采用兩井定向方法。菊樹站長約200 m左右，且車站兩端都留有盾構施工用的吊出井，因此在車站兩端左右線四個井口各投測一個坐標點，井上井下將投點用導線連接，構成兩井定向圖形。施工期間在菊樹站前后進行了五次兩井定向聯系測量。基線方位成果見表1。其中左線基線邊長為80.960 4 m，方位角平均值為92°20＇29.96″，最大互差為5.3″；右線基線邊長75.197 6 m，方位角平均值為92°25＇50.37″，最大互差為5.47″；高程最大標準偏差2.3 mm，最大互差為3.7 mm。

表1 聯系測量基線邊方位角

4.3 陀螺經緯儀定向

本工程采用的陀螺經緯儀是AGT-1高精度自動陀螺經緯儀，該陀螺經緯儀一次定向標準偏差小于5"，自動尋北時間8 min，一測回需20 min。該儀器整個系統在掌上電腦的控制下，按中文菜單的指引，完成所有已知數據的輸入，測前測后自動零位測量，自動尋北、自動檢核，測量誤差計算與數據處理，全部測量過程和測量結果自動存儲、顯示。

在隧道掘進至1 200 m時左、右線各進行了一次陀螺定向。對比支導線測量的導線邊方位和陀螺經緯儀定向的方位(見表2)可以看出，地下支導線的精度滿足盾構掘進要求。

表2 陀螺與導線測量方位角對比

4.4 盾構環片姿態測量

在盾構掘進至150 m、450 m、1000 m和貫通前150 m，分別對盾構機環片姿態進行了檢測，通過數據處理和統計，發現最大橫向偏差為-49 mm，最大縱向偏差為-35 mm。均滿足規范要求。由圖3和圖4可以看出，環片姿態誤差的分布規律均在限差±50 mm以內，且均勻分布在0值附近。

圖3 盾構線路中心坐標實測值與設計值之差(橫向)

圖4 盾構線路中心坐標實測值與設計值之差(縱向)

在西塱站貫通后測得貫通平面誤差為：左線橫向貫通誤差為38.5 mm，縱向貫通誤差為1.0 mm，高程貫通誤差為1.9 mm；右線橫向貫通誤差為30.0 mm，縱向貫通誤差為28.6 mm，高程貫通誤差為6.4 mm，滿足規范和設計要求。

5 結束語

綜上所述，珠江三角洲城際快速軌道交通廣佛線[菊樹—西塱]盾構區間隧道施工測量檢測成果均滿足《城市軌道交通工程測量規范》(GB50308—2008)的要求，為該區間隧道的順利貫通提供了保障，為后續鋪軌和機電安裝工程的順利實施奠定了堅實的基礎。廣佛線是國內首條城際快速軌道交通項目，廣佛線的順利貫通為城際軌道交通的施工測量檢測積累了豐富的經驗，為日后城市軌道交通工程隧道施工測量乃至城際地下隧道測量檢測奠定了理論與實踐基礎。

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ExploretheUndergroundRailroadShieldConstructionMeasurementDetectionMethod

LIAO Zhen-yu

2014-04-30

廖振宇(1979—)，男，2003年畢業于中國地質大學(武漢)巖土工程專業，工程師。

1672-7479(2014)04-0016-04

TB22

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