機械頂管隧道施工測量技術

摘要：機械頂管施工是繼盾構施工之后而發展起來的一種地下管道施工方法，它具有不需要開挖地面層、不影響地面交通等諸多優點，然而頂管在施工過程中每節工具管都周期性的向前移動，管內不能布設長期穩定的測量控制點，對施工測量來說具有很大的難度。本文引用洛陽市洛南新區陽光電廠～彩云變電站220kv下穿關林大道頂管隧道，將前方交會技術應用于施工控制點的恢復，提出“相對空間點位法”的施工控制點恢復方案，成功解決了機械頂管隧道施工控制點的恢復和井內施工放樣成果的重復利用問題，降低了勞動強度，提高了測量工作效率。

關鍵詞：頂管隧道；前方交會；相對空間點位法；施工放樣；施工控制點

引言

機械頂管法施工技術是一種不開挖或者少開挖的管道施工技術，其原理是借助于主頂油缸及管道間、中繼間等推力，把工具管從工作井內穿過掘進層一直推進到預定貫通位置。頂管法施工不同于傳統的地下隧道工程，其主要特點為施工掘進過程中井下的工具管處于周期性運動狀態，每節工具管既不斷向前，又由于受力的不均勻存在上下和左右運動，因此不能在工具管內設置穩定控制點的方法進行施工測量，若每次施工放樣均從地面引測新的井下控制點，不僅占用時間長、影響工程進度，也存在測量工作量大、放樣檢核措施少等缺點。目前，崔國新[1]提出采用激光束的方法指導前進方向；舒亞明等[2]對長距離曲線頂管測量和控制進行了研究；鄭金淼[3]提出了自動導線測量系統的解決方案。本人通過洛陽市洛南新區橫穿關林大道的電力頂管隧道（長185m），將前方交會技術應用于井下控制點的恢復，提出“相對空間點位法”的施工控制點恢復方案，能解決頂管隧道施工過程中工具管周期性運動造成的施工控制點無法埋設問題，在此基礎上對機械頂管隧道施工測量技術進行了有益的探討。

1 相對空間點位法原理

相對空間點位法是基于機械頂管隧道周期性向前移動的特點，利用井下工具管內施工控制點（P）與工作井后壁上控制點P1、P2的固有關系，將前方交會技術應用于控制點恢復的一種方法。如圖1所示，P1，P2均為工作井后壁上已知點，P為工具管內施工控制點，α為測得的水平夾角，SPP1，SPP2為施工控制點P到已知點P1和P2的距離。

圖1 相對空間交會法原理示意圖

在施工過程中由于工具管不斷前移，導致控制點P無法穩定埋設，施工放樣時根據施工控制點P與P1點、P2點的關系，在一定高程面上實時對P點進行恢復，利用頂角α進行檢核以確保點位恢復的準確，可達到迅速設站放樣的目的。

2 工程案例

2.1工程簡介

洛陽市洛南新區陽光電廠～彩云變電站220千伏下穿關林大道頂管隧道，設計南北兩個工作井雙向掘進，工作井長寬均為7m×7m，井深約10.6m，頂管地下埋設約9.7m，工具管長2m，管直徑2.5m，地下隧道長184.775m，平面設計為直線掘進，高程設計為1%的縱坡，設計貫通位置位于隧道中部。

2.2地面控制測量

地面控制網由設計單位完成，施工方接樁后首先對控制點進行復測，確認點位穩定可靠后，結合工作井的位置進行加密測量，分別在距離1號和2號工作井4m～5m地質穩定、能長期保存控制點的地方加密近井點J1和J2，且盡量保證J1、J2相互通視，以減小地面控制測量誤差的影響，導線加密測量網型圖如下所示：

圖2 地面網導線加密示意圖

地面高程控制測量時，為起算基準的一致性，提高井下高程貫通測量精度，高程加密測量時起算點與未知點之間均進行往返測量，J1、J2高程值由T112、T113進行聯合平差得到。

2.3豎井聯系測量

平面網傳遞采用一井定向中的聯系三角形，工作井懸吊兩根直徑0.3mm鋼絲，在井上和井下分別粘貼反射片，井上和井下分別測定近井點與兩根鋼絲的距離和夾角，推算井下控制點X1、X2的平面坐標。

2.4 高程傳遞測量

高程傳遞采用懸吊鋼尺的方法，在檢查近井點的點位穩定可靠后，懸吊50m鋼尺，井上和井下同時安置水準儀，觀測鋼尺讀數，改變鋼尺懸吊高度1m～2m，第二次讀數，兩次高差在3mm之內取平均作為傳遞高差。為了增加可靠性，一般高程傳遞測量在頂管掘進5m和30m后各獨立進行一次。

2.5井下施工測量

井下施工測量，首先要根據豎井聯系測量的控制點X1和X2放樣出工作井后壁上的中線點Z0以及頂管掘進方向的中線點Z1、Z2、Z3，以Z0為中心點，距離Z0點左右各2m～5m左右的位置制作出P1和P2點，將全站儀分別架設到Z1、Z2、Z3等中線點，測量α1、SP1Z1、SP2Z1、SZ0Z1，ΔHZ0Z1，α2、SP1Z2、SP2Z2、SZ0Z2、ΔHZ0Z2，α3、SP1Z3、SP2Z3、SZ0Z3，ΔHZ0Z3等數據。如圖3中所示：

圖3 相對空間點位法作業示意圖

采用相對空間點位法進行施工放樣時，采用以下步驟：

（1）采用鋼尺丈量Z0到Z1的距離，首先找到里程位置；

（2）采用水準儀測量Z0至Z1的高差，確定出待交會點Z1點的高程位置；

（3）測量P1Z1和P2Z1的距離，觀測距離與原值較差2mm之內時在步驟2確定的高程面內交會出Z1點；

（4）重復以上3個步驟交會出Z2；

（5）在Z2架設儀器，后視Z0，檢核夾角α2和中線點Z1，確定穩定后進行施工放樣。

采用相對空間點位法進行施工放樣時，如果頂管隧道為直線，可直接采用撥角的方式指導施工前進方向，若為頂管隧道為曲線，可將采用坐標法放樣。

3 相對空間點位法的施工控制點埋設方案的科學性

相對空間點位法的本質是前方交會，根據交會的原理，當交會角（頂角）為90°時，交會點的精度最高，交會角一般應該在30°～150°之間，然而由于頂管隧道的線性特征，要控制頂角在30°～150°之間顯然不可能，因此施工過程中采用后方交會的方法進行施工放樣是不行的，然而通過一井聯系三角測量，先測量控制點（或中線點），再測量該點與工作井后壁上的三個基準點的關系，在一定的高程面通過固定的距離關系來恢復控制點是完全可行的。每次施工放樣時只需要在一定高程面測量三個距離，檢核一個夾角，即可快速確定出施工控制點的位置，大大縮短了施工測量工作時間，降低了測量強度，讓測量成果可重復利用，從而提高可靠性和作業效率。

4相對空間點位法檢核措施

在市政頂管施工中，絕大多數是跨越城市道路的，頂管距離一般在200m之內，因此在儀器精度滿足要求的前提下，井下控制點的穩定性檢核具有更重要的意義，每次施工放樣時首先要判別基準點Z0、P1、P2的相互距離關系，需要檢核頂角α1、α2、α3以及設站點與基準點Z0的關系等，若檢核出明顯粗差，應該停止施工放樣，采用聯系三角形從新從地面引測相對關系，以確保頂管隧道掘進的準確。

5 建議及探索

“相對空間點位法”的施工控制點恢復方案具有降低測量工作強度、縮短工作時間、提高工作效率和井內測量成果可重復利用等諸多優點，采用此方法應用于洛陽市洛南新區橫穿關林大道電力頂管隧道（長185m）取得了很好的效果，該隧道貫通測量值為：Δx為3.6cm，Δy為0.82cm，Δz為1.6cm，滿足規范限差要求。通過該工程案例得到以下結論和建議：

（1）采用“相對空間點位法”設站要注意檢核點位的穩定性，每次設站時均要對工作井后壁上的三個基準點和頂角α進行檢核。

（2）采用“相對空間點位法”設站尤其適應于直線頂管隧道，將施工控制點直接布設在隧道中線位置，每次放樣僅需要撥角即可完成。

（3）建議加強該領域的研究，將“相對空間點位法”施工控制點恢復技術應用于長距離的曲線頂管隧道施工中。

參考文獻：

[1] 崔國新.機械頂管施工測量方法[J].市政技術2006（1）

[2] 舒亞明[1]，周永紅[2].長距離曲線頂管測量和控制[J].浙江工業大學學報.2009（12）

[3] 鄭金淼.自動導線測量系統及其在頂管施工中的應用[J].測繪通報. 2001（1）