矩形盾構(gòu)測(cè)量技術(shù)的研究與探索

俞 靚

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

傳統(tǒng)的盾構(gòu)隧道斷面為圓形，主要是圓形隧道斷面結(jié)構(gòu)受力合理，但是其利用率低。而矩形隧道斷面結(jié)構(gòu)相比圓形結(jié)構(gòu)，具有充分利用斷面結(jié)構(gòu)、能節(jié)約20%以上的有效使用面積和減少隧道結(jié)構(gòu)施工深度等優(yōu)勢(shì)，因此矩形斷面結(jié)構(gòu)在我國(guó)城市地下隧道建設(shè)中得到了越來越多的應(yīng)用。

當(dāng)前矩形隧道正朝著大截面、長(zhǎng)距離、曲線的方向發(fā)展，而已有的矩形頂管在曲線施工、背土效應(yīng)控制、對(duì)周邊環(huán)境的影響、長(zhǎng)距離頂力控制、長(zhǎng)距離軸線控制等方面的難度將越來越大甚至難以克服，故矩形盾構(gòu)設(shè)備及建造技術(shù)的開發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。

為此，我們通過“產(chǎn)學(xué)研合作”攻關(guān)，開發(fā)了適應(yīng)城市地下矩形隧道建造的國(guó)內(nèi)首臺(tái)大斷面矩形盾構(gòu)機(jī)及襯砌、施工工藝和控制技術(shù)，以求為城市地下空間的開發(fā)探索“低碳環(huán)保型”的建造方法和設(shè)備，為服務(wù)城市建設(shè)及推動(dòng)城市轉(zhuǎn)型發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

1 矩形盾構(gòu)簡(jiǎn)介

矩形盾構(gòu)機(jī)（圖1）寬10.10 m、高5.30 m、長(zhǎng)9.05 m，主要由切口環(huán)、支承環(huán)和盾尾組成，采用Q345B鋼板焊接制成。在切口環(huán)上裝有切削刀盤、驅(qū)動(dòng)、螺旋機(jī)等，在支承環(huán)上裝有推進(jìn)油缸、電控系統(tǒng)、管路管線等，在盾尾安裝管片拼裝機(jī)及盾尾鋼絲刷。后配套臺(tái)車共有4節(jié)，包括駕駛室、注漿系統(tǒng)、盾尾油脂系統(tǒng)、集中潤(rùn)滑系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等，總長(zhǎng)28 m。

圖1 矩形盾構(gòu)機(jī)外觀

2 盾構(gòu)制作階段的測(cè)量問題

矩形盾構(gòu)的實(shí)際形狀為由8段圓弧構(gòu)成的不規(guī)則的類矩形。其中包括4個(gè)角的圓弧、上下圓弧及左右圓弧這3種類型。為了保證制作精度，在盾構(gòu)機(jī)制作過程中，我們要對(duì)其外殼進(jìn)行測(cè)量。

具體操作方式如下：

將矩形盾構(gòu)外殼豎向放置于平坦的地面上，利用水準(zhǔn)儀測(cè)量并將其表面高差控制在5 mm范圍之內(nèi)，這時(shí)我們認(rèn)為其表面處于同一水平面上。在盾構(gòu)四周設(shè)置4個(gè)固定觀測(cè)點(diǎn)，建立相對(duì)坐標(biāo)系，利用這4個(gè)點(diǎn)對(duì)盾構(gòu)機(jī)上、中、下3個(gè)面進(jìn)行測(cè)量（圖2）。所測(cè)的點(diǎn)須在盾構(gòu)機(jī)外表面進(jìn)行標(biāo)注，做到4個(gè)角弧線段每5 cm設(shè)1個(gè)點(diǎn)，左右弧線段每7 cm設(shè)1個(gè)點(diǎn)，上下弧線段每10 cm設(shè)1個(gè)點(diǎn)。將所測(cè)得3個(gè)面的點(diǎn)分別進(jìn)行曲線擬合，最終根據(jù)擬合情況，指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)殼加工[1-2]。

圖2 矩形盾構(gòu)尺寸測(cè)量俯視

3 施工準(zhǔn)備階段中的測(cè)量問題

除了常規(guī)隧道施工中的問題之外，針對(duì)矩形盾構(gòu)的特殊性，主要還需解決以下幾個(gè)問題[3-4]。

3.1 矩形盾構(gòu)發(fā)射架

由于形狀特殊，矩形盾構(gòu)的發(fā)射架不同于常規(guī)圓形盾構(gòu)發(fā)射架。結(jié)合始發(fā)井的情況，要對(duì)發(fā)射架進(jìn)行專門的調(diào)整。在實(shí)際操作中，我們事先在地板上澆筑2段間隔6 m、寬40 cm的混凝土梁，在梁上每隔20 cm埋設(shè)預(yù)埋鋼板。

同時(shí)，根據(jù)矩形盾構(gòu)的形狀，2段梁需要形成一定的角度，這樣才能保證盾構(gòu)機(jī)安放時(shí)的穩(wěn)定性。待梁凝固穩(wěn)定后，將2根φ14 cm的重軌焊接在預(yù)埋件上，鋼軌固定后，將矩形盾構(gòu)機(jī)穩(wěn)固地安放在2根鋼軌上。在澆筑混凝土梁、安放鋼軌的過程中，測(cè)量人員必須反復(fù)測(cè)量混凝土梁及安放在上面的鋼軌的高程及平面位置，保證盾構(gòu)機(jī)在放置穩(wěn)定時(shí)，其幾何中心位于設(shè)計(jì)軸線上。

3.2 限界型鋼的安裝

矩形盾構(gòu)的特殊形狀使得其在發(fā)射架上向前推進(jìn)時(shí)方向很難控制。常規(guī)圓形盾構(gòu)只要將發(fā)射架加固穩(wěn)定，盾構(gòu)機(jī)在發(fā)射架上的推進(jìn)過程中就基本不會(huì)出現(xiàn)跑偏的現(xiàn)象。而矩形盾構(gòu)由于底面較為平坦，若不采取措施，則在發(fā)射架上推進(jìn)時(shí)極易出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象，為此我們需要在矩形盾構(gòu)的兩側(cè)安裝限界型鋼（圖3）。

安裝限界型鋼時(shí)，須注意保證型鋼與盾構(gòu)機(jī)之間的最小距離保持在2 cm，推進(jìn)時(shí)，通過觀察限界型鋼與盾構(gòu)機(jī)之間的間隙，也可指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)。在實(shí)際操作中，限界型鋼發(fā)揮了較好的作用，跑偏現(xiàn)象得到了控制。

圖3 發(fā)射架推進(jìn)階段限界安裝示意

3.3 導(dǎo)線點(diǎn)及吊籃的布置

矩形盾構(gòu)截面較大，但為了減小管片拼裝后的變形量，因此在盾構(gòu)機(jī)尾部設(shè)置了尺寸較大的管片保持器。保持器的存在使得隧道內(nèi)測(cè)量視線空間變得十分有限。在矩形盾構(gòu)正式推進(jìn)前，應(yīng)合理地布置固定導(dǎo)線點(diǎn)及安放盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)儀器的吊籃，最大限度地保證測(cè)量的通視。在實(shí)際操作中，我們將隧道的導(dǎo)線點(diǎn)及吊籃統(tǒng)一安放在隧道右側(cè)，在非小半徑轉(zhuǎn)彎的通常情況下，導(dǎo)線距離可達(dá)到200 m，1個(gè)吊籃使用距離可達(dá)到100 m。

3.4 盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的安裝

矩形盾構(gòu)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)要求在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)安裝3個(gè)目標(biāo)棱鏡，應(yīng)事先確定這3個(gè)棱鏡在盾構(gòu)機(jī)中的相對(duì)坐標(biāo)參數(shù)。這樣就可以通過全站儀對(duì)這3個(gè)棱鏡進(jìn)行跟蹤測(cè)量以獲取這3個(gè)棱鏡的三維坐標(biāo)，通過安裝在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的雙軸傳感器測(cè)得盾構(gòu)機(jī)的傾斜和側(cè)滾角度，計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)上任一點(diǎn)的x、y、z坐標(biāo)。然后根據(jù)已經(jīng)預(yù)先輸入系統(tǒng)的DTA（線路軸線），就可以計(jì)算盾構(gòu)機(jī)切口中心和盾尾中心與DTA的偏差值以及盾構(gòu)機(jī)趨勢(shì)。

系統(tǒng)的硬件組成包括計(jì)算機(jī)1臺(tái)，Leica TCA 1200系列全站儀1臺(tái)，后視棱鏡1個(gè)，目標(biāo)棱鏡3個(gè)，SAMS-A、B、C控制箱各1個(gè)和通信電纜1套。其中SAMS-A控制箱內(nèi)裝有傾角傳感器，SAMS-B和SAMS-C箱為全站儀通信控制箱。

首先在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部選取3個(gè)視線較好且較為穩(wěn)定的位置，將3個(gè)目標(biāo)棱鏡安裝到位。然后將裝有傾角傳感器的SAMS-A控制箱安裝于盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部較為隱蔽且穩(wěn)固的位置，測(cè)出盾構(gòu)機(jī)的初始旋轉(zhuǎn)角度及坡度，在連接于SAMS-A的電腦中把自動(dòng)測(cè)量軟件內(nèi)顯示的旋轉(zhuǎn)角度及坡度調(diào)整至實(shí)測(cè)值。在盾構(gòu)機(jī)后方能清楚地觀測(cè)到盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部3個(gè)目標(biāo)棱鏡的位置架設(shè)初始測(cè)量支架，將全站儀及后視棱鏡穩(wěn)固地安裝于初始測(cè)量支架之上。連接好各部件之間的通信及電源電纜。

在矩形盾構(gòu)施工的實(shí)際操作過程中，由于盾構(gòu)機(jī)特有的形狀導(dǎo)致儀器在后方觀測(cè)時(shí)，無法同時(shí)觀測(cè)到左右兩邊。為了保證自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在向左、右轉(zhuǎn)彎時(shí)均能保證觀測(cè)效果，我們需要在盾構(gòu)機(jī)左右兩側(cè)安裝2套目標(biāo)棱鏡，并分別計(jì)算出這2套棱鏡與盾構(gòu)機(jī)的相對(duì)關(guān)系。這樣，就能根據(jù)隧道設(shè)計(jì)軸線，合理地選擇、使用任意一套棱鏡，避免碰到轉(zhuǎn)彎時(shí)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)頻繁更換測(cè)站所帶來的測(cè)量誤差。

4 矩形盾構(gòu)施工過程中的測(cè)量問題

在完成所有的準(zhǔn)備工作后，盾構(gòu)施工進(jìn)入到正常推進(jìn)階段。矩形盾構(gòu)與常規(guī)圓形盾構(gòu)相比主要有以下幾點(diǎn)問題。

4.1 管片的穩(wěn)定性問題

矩形盾構(gòu)為了保證隧道可有效使用的截面積，整個(gè)斷面呈扁平狀。這使得管片上下表面與土體接觸面積大，管片極易發(fā)生變形。施工過程中，在使用管片形狀保持器的同時(shí)，對(duì)每環(huán)管片收斂情況的測(cè)量尤為重要。在實(shí)際操作中，必須在每一環(huán)管片拼裝完成的時(shí)候?qū)ζ溥M(jìn)行測(cè)量。具體測(cè)量方法為在管片的固定位置做好標(biāo)記，計(jì)算出此位置的設(shè)計(jì)尺寸，利用全站儀或手持測(cè)距儀對(duì)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)得的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)作比較，從而得出管片拼裝質(zhì)量結(jié)果，以指導(dǎo)下一環(huán)管片的拼裝（圖4）。

圖4 管片橫縱徑測(cè)量

圖4中4條線即為所需測(cè)量的尺寸。在實(shí)際操作中，我們積累了大量的原始數(shù)據(jù)，針對(duì)每環(huán)管片不同的變形情況，及時(shí)制訂應(yīng)對(duì)措施，很好地控制了管片的變形。

4.2 管片狀態(tài)測(cè)量

管片狀態(tài)測(cè)量包括管片的平面偏差和高程偏差測(cè)量以及管片的法面測(cè)量。

管片的平面偏差測(cè)量即是測(cè)量當(dāng)班施工管片的左右偏差。先找出每環(huán)管片的平面中心點(diǎn)，利用全站儀測(cè)得管片平面中心點(diǎn)的坐標(biāo)，將此數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)軸線相比較，得出的差值即為管片的左右偏差。上下偏差測(cè)量的方法是：放一水準(zhǔn)尺于所測(cè)環(huán)的大里程的底部，根據(jù)通道內(nèi)的高程控制點(diǎn)測(cè)出該環(huán)大里程的高程，通過與設(shè)計(jì)高程比較得出該環(huán)管片的上下偏差。通過測(cè)量此偏差，可以反映出管片的錯(cuò)縫情況、管片在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)和出盾構(gòu)機(jī)尾后的變化情況以及管片最近2 d的偏差變化情況，以便于及時(shí)調(diào)整注漿、推進(jìn)速度等施工參數(shù)。

4.3 沉降觀測(cè)問題

由于矩形盾構(gòu)的斷面寬、面積大（本工程所用盾構(gòu)斷面面積約50 m2），斷面上土壓力的分布亦不均勻，故對(duì)掘進(jìn)過程中開挖面的穩(wěn)定造成較大影響，進(jìn)而對(duì)周邊環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生不利影響。

對(duì)于隧道內(nèi)的沉降監(jiān)測(cè)，我們采用對(duì)固定觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降測(cè)量的方法，即利用水準(zhǔn)儀對(duì)其進(jìn)行沉降觀測(cè)。由于矩形盾構(gòu)采用了鋼管片，其本身不易變形，故采用在管片特定手孔內(nèi)做記號(hào)的方式，每次對(duì)同一位置進(jìn)行沉降觀測(cè)，得出隧道沉降量。

對(duì)于地面沉降，我們?cè)谥攸c(diǎn)部位（高架、橋梁等）采用全自動(dòng)沉降測(cè)量監(jiān)測(cè)的方式。將目標(biāo)棱鏡底座牢固地安裝在所需觀測(cè)部位。

考慮到周邊環(huán)境，因此采用焊接固定觀測(cè)支架的方式將自動(dòng)觀測(cè)全站儀固定于通視良好的位置，高為1.5 m左右。全站儀安置于支架中，采用電纜進(jìn)行供電，備有外接儲(chǔ)電池可供電10 h，以保證斷電時(shí)儀器的正常使用。利用全站儀結(jié)合自動(dòng)監(jiān)測(cè)程序，對(duì)重點(diǎn)部位地面沉降點(diǎn)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。

在綠化帶地面布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)須挖開土層，把監(jiān)測(cè)定做的沉降標(biāo)桿埋入深60 cm以下土中，標(biāo)桿底部須用混凝土加固出15 cm×15 cm的底盤用作固定，然后回填泥土并讓沉降標(biāo)桿高出地面綠化植物以方便儀器觀望監(jiān)測(cè)。再把監(jiān)測(cè)小棱鏡用螺絲緊固或電焊焊接固定（安裝過程要注意棱鏡面向方向）。

4.4 矩形盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)量

盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測(cè)量是實(shí)時(shí)測(cè)量盾構(gòu)機(jī)的現(xiàn)有狀態(tài)，及時(shí)指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)糾偏。盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)量是通過全站儀對(duì)這2個(gè)棱鏡進(jìn)行跟蹤測(cè)量，利用計(jì)算機(jī)中的自動(dòng)測(cè)量計(jì)算程序，將盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)的姿態(tài)與設(shè)計(jì)軸線相比較，得出具體的差值。

與此同時(shí)，必須每天對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行人工復(fù)核。方法與常規(guī)盾構(gòu)一樣，這里就不做過多的敘述了。

5 矩形盾構(gòu)施工結(jié)束階段的測(cè)量問題

為了保證隧道順利貫通，除去常規(guī)的導(dǎo)線測(cè)量等內(nèi)容以外，我們還要注意以下幾點(diǎn)。

5.1 洞門測(cè)量

矩形盾構(gòu)洞門形狀與常規(guī)隧道洞門相比較為復(fù)雜，洞門與盾構(gòu)機(jī)之間間隙為15 cm，采用拼裝方式安裝到位。在測(cè)量洞門時(shí)，根據(jù)其安裝情況，在每一個(gè)單體塊上分別取點(diǎn)，取點(diǎn)原則類似于前面講到的盾構(gòu)機(jī)制作階段，對(duì)盾構(gòu)機(jī)外殼進(jìn)行測(cè)量時(shí)的取點(diǎn)方式。利用全站儀對(duì)所取點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，最后擬合成各段圓弧。由于實(shí)際的安裝誤差，故洞門往往有較明顯的誤差。這時(shí)需對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，盡量避開間隙較小的位置，盡早制訂推進(jìn)方案，使得盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞時(shí)四周縫隙盡可能地均勻，以保證順利進(jìn)洞。

5.2 隧道軸線測(cè)量

矩形盾構(gòu)管片橫徑較常規(guī)圓形管片更大，無法利用長(zhǎng)尺居中的方法對(duì)管片中心坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。在矩形盾構(gòu)軸線測(cè)量中，我們采用在管片同一里程左右相對(duì)稱的位置做標(biāo)記的方式，對(duì)管片平面坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。高程仍舊采用常規(guī)水準(zhǔn)儀測(cè)量，但在最后計(jì)算時(shí)必須結(jié)合管片橫縱徑測(cè)量數(shù)據(jù)，最終得出管片的三維坐標(biāo)。

6 結(jié)語

隨著時(shí)代的發(fā)展，隧道盾構(gòu)施工也在不斷地進(jìn)步。相較于圓形盾構(gòu)，矩形盾構(gòu)掘出的矩形隧道大大地提高了隧道可使用面積，在今后的隧道施工中將會(huì)起到極大的作用。

作為服務(wù)于盾構(gòu)施工的測(cè)量行業(yè)，也必須在其中不斷摸索，為今后各種技術(shù)革新提供強(qiáng)有力的支持。