地鐵工程圓形隧道斷面測量的一種新方法

袁兆奎

(武漢市政工程設計研究院有限責任公司勘測設計院，湖北 武漢 430023)

地鐵工程圓形隧道斷面測量的一種新方法

袁兆奎*

(武漢市政工程設計研究院有限責任公司勘測設計院，湖北 武漢 430023)

提出了地鐵工程圓形隧道斷面測量的一種新方法。本文論述了地鐵工程圓形隧道斷面常規方法的測量過程，然后詳細論述了采用新方法進行斷面測量的過程，并推導了相關計算公式。最后以武漢市軌道交通四號線二期工程永安堂站～孟家鋪站右線盾構區間為例，對兩種方法求得的斷面數據進行對比，表明在一般情況下采用新方法能滿足規范要求。

地鐵工程；圓形隧道；斷面測量；盾構機

1 引 言

隨著城市交通快速發展，國內越來越多的城市開始建設地鐵工程。地鐵線路一般分為車站、區間、出入場線和停車場。車站施工一般采用明挖法或者蓋挖法；區間施工有高架段、地下段和明挖框架段；出入場線和停車場施工工法較為傳統。其中，區間地下段一般采用盾構法施工，常見為圓形隧道結構。

在車站、區間及出入長線完工后，因結構施工誤差、后期沉降變形等諸多因素影響，現場實際平、縱斷面與施工圖相比必定存在差別。為避免貿然施工造成返工及對以后運營造成諸多問題，有必要在鋪軌前對實際施工的行車區域進行斷面測量，以便根據實際情況設計最適合的軌道平、縱斷面，保證工程的合理性。

在斷面測量工作中，圓形隧道最為常見。本文對常規測量方法進行分析，指出其不足之處，然后提出一種新方法，在保證精度的情況下，能提高作業效率。

2 斷面測量方法

2.1 斷面測量要求

以武漢市軌道交通四號線二期工程為例，對于圓形隧道，斷面測量的具體要求為：

(1)設計線路中心線處的頂點、底點；

(2)位于軌頂設計高程以上 3 490 mm的左橫距及其高程、右橫距及其高程，測點編號分別為左上、右上；

(3)位于圓心(在設計線路中心線上)的左橫距及其高程、右橫距及其高程，測點編號分別為左中1、右中1；

(4)分別位于軌頂設計高程以上 850 mm、0 mm(即軌頂高程處)的左橫距及其高程、右橫距及其高程，測點編號分別為左中2、右中2、左下、右下。

頂點、底點指測量出該點的高程值。

軌頂設計高程與里程相關，經由相關公式計算出來。

左橫距(右橫距)指該點與線路中心線的平距。

上述斷面測量特征點在圓形隧道中的分布，如圖1所示：

圖1 圓形隧道斷面測量特征點分布圖

無特殊要求時，斷面測量實施時僅針對管片的小里程端或者大里程端，也即相臨管片接合處。

2.2 常規測量方法

按照直線段每隔6 m、曲線段(含曲線以外的 20 m直線)每隔 5 m測量一個斷面的要求，內業工作為計算出待測斷面中心對應在線路中心線上的坐標；計算出該斷面處的軌頂設計高程，并據此推算出左、右兩側共8個特征點的高程值。

外業工作為先在隧道內放樣出待測斷面中心的準確位置，在該點架設全站儀；然后進行高程放樣，將左、右兩側共8個特征點在管片中的位置找出。考慮到隧道為圓形結構，左(右)上、左(右)中1等4點若使用水準尺進行高程放樣較為困難，實際工作中可以使用全站儀放樣。

當8個特征點放樣好后，即可用全站儀直接測得該點與架站點的平距，即其與線路中心線的偏距。

該方法為直接依照斷面測量要求，將線路中心線、斷面測量特征點在環片上放樣出來，并進行偏距測量，可完整、真實反映現場情況，但它存在如下不足之處：

(1)對現場測量條件要求高。隧道內的泥土須清洗干凈，否則線路中心線很難放樣出來，更難以架站測量。若遇到出土、檢修車輛行走，須重新架站測量。

(2)工作量較大。內業須計算出待測里程出的線路中心線點坐標，軌頂設計高程，各待測特征點的高程；外業須在每一個待測斷面處架設全站儀，8個特征點必須逐一測量，不能遺漏。

(3)作業人員多。在外業工作中，一般分兩個班組，一組進行高程放樣及頂高、底高測量，另一組進行偏距測量、數據記錄。

不難看出，雖然常規測量方法為嚴格按照斷面測量的要求進行，但其受外在因素影響較大，作業強度較大，工作效率較低，因此有必要加以改進。

2.3 新的測量方法

新的測量方法是在實踐工作中，針對常規測量的不足之處提出來的。其外業工作主要為正、倒尺測量管片底點、頂點的高程以及用水平尺測量管片中心平面坐標，其余工作均通過軟件完成。

下面以武漢市軌道交通四號線二期工程玉龍路站～永安堂站左線盾構區間為例，具體論述該方法實施過程。

(1)根據管片的設計中心坐標、設計里程以及實測中心坐標，求出實測管片相對隧道中心線的平面偏差、里程偏差。以圖2為例。

圖2 設計隧道中心線與實測管片中心

如圖2所示，首先可根據525環和528環的設計坐標計算出設計方位角α0：

(1)

其中，ATAN2(x，y)是Excel軟件中用來計算原點至點(x，y)方位角的函數。

同理，可根據525環的實測中心坐標和設計坐標計算出實測方位角α′：

(2)

二者的差值，即為方位角差：

△α=α0-α′

(3)

另，可根據525環的實測中心坐標和設計坐標計算出平面距離S：

(4)

據此，可計算出525環管片的實測中心與隧道中心線的橫向偏差△d：

△d=S×sin(△α)

(5)

以及里程偏差△M：

△M=S×cos(△α)

(6)

為便于數據分析，可規定以里程增大方向為基準，橫向偏差△d為負值表示實測管片中心向左偏移，為正值表示向右偏移；里程偏差△M為負值表示實測管片中心里程小于設計里程，為正值表示實測管片中心里程大于設計里程。

(2)求出斷面處的實測里程，高程偏差以及與線路中心線的橫向偏差。

斷面處的實測里程為里程偏差△M加上設計里程即可：

M=M0+△M

(7)

高程偏差為設計高程與實測高程之差：

△H=H0-(H底點+H頂點)/2

(8)

由于實測管片與設計值存在里程差，上式中的設計高程應為實測里程處對應的管片中心設計高程值。

前文(1)中已求出實測管片相對隧道中心線的平面偏差，現可直接利用隧道中心線相對線路中心線的偏移量d求出實測管片相對線路中心線的平面偏差：

△D=△d+d

(9)

d值在直線段為零，在緩和曲線段逐漸變大或變小，在圓曲線段為固定值；具體數值可以在曲線半徑、盾構隧道中心線偏移量及隧道超高值關系表等設計文件中根據相關公式計算求得。

上述物理量正負號代表的意義與前文相同。

(3)計算出8個特征點對應的左、右偏距。

如圖3所示，在AutoCAD內先繪出設計管片，其中心坐標為(0，0)，半徑為管片內徑(本工程為 2.7 m)；再繪出實測管片，其中心坐標為(△D，△H)，半徑與設計管片相同。

圖3 斷面偏距推算示意圖

以左上點為例，根據勾股定理，其左橫距可由下式計算：

(10)

右上點的右橫距為：

(11)

同理，可逐個推算出其他6個斷面測量點的左、右橫距。

2.4 計算時需注意事項

在實際應用中，有幾點值得注意：

(1)根據本文所論述的方法，可模擬計算出斷面處的里程、平面偏差、高程偏差以及8個斷面測點的左、右橫距，所有數據均可在Excel中編寫公式計算得出，便于使用。

(2)設計方位角α0一般以前后間隔4環計算求得，但在曲率半徑較小處，可縮小為3環。為驗證計算結果的準確性，可將實測管片中心坐標展點到設計圖上，通過量取管片實測中心與隧道中心線的橫向偏差值與計算值△d之間的互差，若互差在 5 mm以內可認為差別不大。

3 實際案例對比分析

以武漢市軌道交通四號線二期工程永安堂站～孟家鋪站右線盾構區間為例，由于盾構推進過程中操作不當，導致該處管片中心與設計值相差較大，且有平面位置與高程與設計值對比超過 100 mm限差的情形，因此需及時獲取斷面數據，作為設計人員調線、調坡的依據，指導后期施工。

從里程右DK3+332.56起，至右DK3+374.65處止，共29環管片，對其中21環管片采用常規方法進行測量，并將其成果與新方法進行比較，即比較兩種測量方法下8個特征點的橫距互差如表1所示：

常規方法與新方法求得的橫距互差比較 表1

從上表中可以發現，當水平偏差與垂直偏差均 ≤±100 mm時，兩種方法得出的各特征點橫距互差均不大，如4環、5環、18環、20環，最大互差為 32 mm，能滿足使用要求(≤±50 mm)。

根據《盾構法隧道施工與驗收規范》GB50446-2008中的規定，對于施工中的地鐵隧道，9.4.4條指出，要求隧道軸線平面位置和高程偏離設計值均 ≤±50 mm。對于成型隧道，17.0.4條規定，驗收標準為隧道軸線平面位置與高程偏離設計值均 ≤±100 mm。

一般來說，在施工過程中，若無重大質量問題，較少出現隧道軸線平面位置與高程偏離設計值均超過 100 mm的情形，因此可在大部分情況下用本方法代替常規測量方法。

4 結 論

基于在城市地鐵工程測量中的工作經驗，作者提出了一種圓形隧道內斷面測量的新方法；在隧道軸線平面位置與高程偏離設計值小于 100 mm時，該方法能替代常規測量方法，提高工作效率。

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ANewMethodforMeasuringCrossSectionofCircularTunnelinSubwayEngineering

Yuan Zhaokui

(The Survey and Design Institute of Wuhan Municipal Engineering Design & Research Institute Co.，Ltd，Wuhan 430023，China)

This paper provides a new solution of measuring the cross section of subway circular tunnel. The article first discusses the measurement process of the conventional method，then introduces the method of how to fit the cross-section survey in detail，and the relevant calculation formula. Finally taking the shield tunneling section of Yongantang station to Mengjiapu station in the second phase of Wuhan Metro Line 4 as an example，the cross section data obtained by the two methods are compared，generally using the new method measurement can meet the standard requirements.

subway engineering；circular tunnel；cross section measurement；shield machine

1672-8262(2017)06-131-04

P258

B

2017—01—06

袁兆奎(1984—)，男，碩士，工程師，注冊測繪師，主要從事地鐵測量監理及第三方監測、基坑監測以及基礎測繪等工作。