地鐵盾構隧道貫通測量誤差的控制與實施

劉鵬程，戴建清

(長沙市規劃勘測設計研究院，湖南 長沙 410007)

1 引 言

為解決城市低碳出行和實現可持續發展，我國現有30 多個城市正在進行城市軌道交通(地鐵)建設。地鐵建設現采用盾構法施工較多，為保證盾構機能沿隧道設計軸線運行并準確進入接收井，必須有較高的施工測量精度，而施工測量中的貫通測量精度控制尤為重要，如何提高貫通測量精度、減小貫通誤差、保證施工質量是地鐵盾構法施工測量中的關鍵。本文以某市地鐵1 號線一期工程鐵道學院站至涂家沖站盾構區間為例，如圖1 所示，討論地鐵隧道貫通測量精度的控制與實施。

圖1 某市軌道交通1 號線一期工程鐵道學院站至涂家沖站盾構區間示意圖

2 地鐵貫通測量誤差來源及分配

盾構法隧道施工中，地面控制測量、豎井聯系測量、地下控制測量和各細部放樣的誤差積累，將使工作面的施工中線不能理想銜接，產生的錯開現象稱為貫通誤差。貫通誤差在線路法線方向上投影長度稱為橫向貫通誤差，在線路中線方向上的投影長度為縱向貫通誤差，在高程方向上的投影長度稱為高程貫通誤差。縱向貫通誤差主要影響隧道中線的長度與工程質量無關，高程貫通誤差按目前的水準測量技術，很容易滿足。

實踐證明貫通測量的精度關鍵在于滿足橫向貫通精度，而橫向貫通誤差的主要來源于地上、地下控制網測量和堅井聯系測量，按GB 50308－2008《城市軌道交通工程測量規范》要求，暗、明挖隧道和高架結構橫向貫通測量中誤差為 ±50 mm;根據誤差理論和國內外地鐵貫通測量經驗，橫向貫通誤差的合理配賦為地面控制測量中誤差應在 ±25 mm之內，聯系測量中誤差應在 ±20 mm 以內，地下控制測量中誤差應在±30 mm以內。

同時由于地面控制測量和堅井聯系測量一般可布設成附合導線，且導線長度較短，采取一定的測量方法均很容易滿足精度要求，而地下導線測量受隧道形狀和空間條件限制均只能布設成支導線、閉合導線和狹長的多環導線，且一般邊長比較短，根據某市地鐵1、2號線工程的具體實施情況，平均邊長一般約為150 m左右，精度受到極大的影響。因此，應根據橫向貫通精度影響值進行地下平面控制測量設計、控制與實施。

3 橫向貫通精度影響值的估算及控制

當隧道較短(L ＜1 500 m)時，可采用單導線法進行橫向貫通誤差的估算，其計算公式如下:

式中，myβ、myl分別表示測角，測邊誤差所引起的橫向貫通誤差

mβ為導線的測角中誤差，取設計值;

當隧道較長(L ＞1 500 m)時，應采用嚴密平差法進行估算，其方法一般采用坐標差權函數法。同時長距離的大型隧道貫通工程，由于受測角誤差累積的影響，往往難以保證貫通允許偏差的要求，地下控制網的布設應布設成多邊形導線鎖或菱形導線鎖，且應在多邊形導線鎖或菱形導線鎖上加測一些高精度的陀螺定向邊的方法來提高測量精度。

4 貫通測量的實施

4.1 工程概況

某市地鐵1 號線一期工程鐵道學院站至涂家沖站盾構區間右線長約1.8 km，如圖1 所示，盾構機從鐵道學院站單頭向涂家沖站推進，當盾構機推進1 600 m左右時，施工單位為保證貫通精度，委托我院對該區間的地下控制網進行測量，經研究分析，決定采用菱形導線鎖加測陀螺定向邊的方法進行測量。

4.2 洞內橫向貫通誤差估算

洞內控制點的布設應合理，盡量拉長最短邊的長度，且保證相鄰邊的短邊不宜小于長邊的1/3。由于受隧道場地的限制，經實地踏勘，平均邊長按135 m布設控制點，布設如圖2 所示;采用單導線法與嚴密平差法分別進行橫向貫通中誤差估算。

單導線法:根據本隧道軸線，將布設的導線點位投影至開挖面的垂直距離和投影長度如表1 所示:

圖2 地下控制網布設圖

單導線法貫通中誤差估算 表1

單導線法橫向貫通中誤差估算按式(1)計算:

嚴密平差法:采用菱形導線鎖的方案，通過平差程序計算橫向貫通中誤差(計算過程本文不再詳述)，mq=±0．028≤±0．030。

從表1 可知，由于所布設的導線邊基本上與隧道軸線平行，導線邊對貫通誤差影響很小，幾乎可忽略不計，影響最大的為測角、導線長度和導線點的數量。雖然單導線法估算橫向貫通中誤差大于允許誤差，但菱形導線鎖方案估算橫向貫通中誤差小于允許誤差，滿足橫向貫通精度要求，因此此地下控制網布設方案可行，為了進一步提高貫通精度、提高測量結果的可靠性，決定在導線的頂端加測Y17－Y19、Y17－Y18 兩條陀螺定向邊。

4.3 實施情況

地下控制網測量以聯系測量后的近井點TDXY02、TDXY04 作為起算點，外業采用徠卡TS30 精密全站儀按三等導線測量要求進行觀測，點位直接利用隧道施工方布設的強制對中標石，沿隧道左右兩壁布設成菱形導線鎖，每測站對附近能觀測的點位均進行邊角測量，點間平均邊長約為131 m，最長邊長為230 m，最短邊約43 m;同時在菱形導線鎖的頂端采用德國GYROMAT－3000 全自動精密陀螺經緯儀(定向精度為±3.2'，測角精度為±1')加測Y17－Y19、Y17－Y18 兩條陀螺定向邊，地下控制網測量示意如圖2 所示。

平差計算按未加測陀螺定向邊和加測陀螺定向邊分別進行計算，其平差精度統計如表2 所示，以加測陀螺定向邊的成果為最終測量成果提供給施工方進行施工，隧道貫通后，對貫通實際橫向誤差進行了測定，橫向偏差僅為0.021 m，小于限差0.10 m，滿足規范要求。

地下平面控制測量平差結果 表2

為求證貫通測量控制點成果的實際精度，隧道貫通后對貫通導線點進行了聯測，由于大部分點位遭到了破壞，只剩Y19(最弱點)、Y20、Y22 三點，通過區間兩端聯系測量已知點聯測后，其比較結果如表3 所示:

未加測定向邊、加測定向邊與貫通后聯測結果比較表 表3

由于本次的隧道軸線為南北走向，對橫向貫通誤差影響最大為y 誤差，從上表可知，加測定向邊的結果與貫通后聯測結果相差甚小，△y 最大為5.1 mm，最小為0.8 mm，未加測定向邊的結果與貫通后聯測結果相差稍大，最大△y 為24.5 mm，最小為17.5 mm，因此本次測量方案未加測陀螺定向邊和加測陀螺定向邊的測量結果均滿足貫通測量的精度要求，與施測前橫向貫通精度影響值的估算相一致。

5 結 論

(1)對于長距離的地鐵貫通隧道(L ＞1.5 km)時，可采用菱形導線鎖的導線網形式進行布設，測角精度為±1.8'，儀器采用0.5'全自動測量儀，所有能觀測的點全部觀測邊和角，同時在菱形導線鎖的適當位置加測陀螺定向邊，其測量成果滿足貫通測量精度要求;對于小于1.5 km的地鐵貫通隧道，在其他測量條件一致的情況下，可不加測陀螺定向邊，其測量成果可滿足貫通測量精度要求。

(2)加測陀螺定向邊的位置應根據測站數和距離進行分配，盡量選在短邊、轉折邊過后的直線段等導線網最弱邊的位置上，其測量成果精度可提高1 倍左右。

(3)在地鐵隧道場地允許的條件下，應盡量拉長導線邊長、減少測站數、合理布設點位，提高貫通測量精度。

(4)采用嚴密平差程序估算橫向貫通中誤差比單導線法精度提高50% 以上。

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