地鐵盾構測量的若干思考

梁婕，牛聯飛，張能

（1.中國建筑土木建設有限公司，北京100160；2.中建八局第一建設有限公司,濟南 250000；3.中建三局集團有限公司，武漢 430065）

1 引言

隨著城市建設的快速發展，我國在各大城市都開展了地鐵建設，盾構法是地鐵區間隧道施工中經常應用的工法工藝，盾構施工測量是保障地鐵隧道貫通的關鍵之一。為了滿足盾構掘進按設計要求貫通，必須研究每一步測量工作所引起的誤差，包括地面控制測量、豎井聯系測量、地下控制測量，盾構機姿態測量、盾構換站測量等幾個重要的階段。

2 盾構測量的若干思考

2.1 地下平面控制測量起算依據的思考

在建立地下測量控制網前，先要進行地面近井導線和水準測量，然后通過豎井聯系測量，將地面控制點和高程傳遞到地下，從而保證地面和地下的控制網在統一的坐標系內。直接從地面通過聯系測量傳遞到地下的聯系測量成果應作為地下平面和高程控制測量起算點[1]。

圖1 豎井聯系測量

由于地鐵測量精度要求高，極易出錯，各城市軌道交通建設管理公司都紛紛制定測量多級復核制度，關鍵的測量工序通常由施工單位項目部、后臺公司精測隊、業主第三方測量單位等層級進行測量復核。而地下洞內導線控制測量起算點坐標先后經過地面近井導線、聯系測量兩個步驟進行傳遞推算得到，它的點位誤差也與地面近井導線、聯系測量的精度相關。

表1 地下導線控制點坐標成果較差表

圖2 地下導線控制網線路示意圖

筆者在西南地區某市地鐵項目中，遇到過施工單位項目部和業主第三方測量單位因為地下控制測量起算點不同而導致洞內導線控制點坐標較差超限的情況，如表1所示，地下導線控制網線路示意圖如圖2所示。

從上表1及圖2可看出，施工單位項目部和第三方測量單位均采用QSZ01和QSZ03兩個控制點作為控制網起算依據，但施工單位項目部與第三方測量單位二者的起算坐標略有差異，其中施工單位項目部QSZ01→QSZ03坐標方位角為90°04′35.7″，而第三方測量單位的坐標方位角為 90°04′30.1″，二者相差-5.6″，滿足地鐵測量規范±12″限差的要求。但由于起算控制點坐標及坐標方位角的少許偏差，導致最終洞內最弱點QSZ500的點位中誤差為22mm，超過了業主測量管理文件要求的±20mm限差要求。

究其原因，起算控制點坐標及坐標方位角的少許偏差是因為施工單位項目部和第三方測量各自采用的各自的地面近井導線、聯系測量坐標成果計算得到。因此，筆者建議，施工單位項目部和第三方測量單位的地面近井導線、聯系測量成果較差符合相關規范要求的情況下，施工單位項目部應取雙方的聯系測量成果（坐標及坐標方位角）平均值作為地下洞內控制導線的起算依據，這樣既可減小雙方的地下導線控制點坐標成果較差，同時還能保證貫通精度。

2.2 盾構始發姿態測量方法的思考

盾構機始發姿態測量內容包括盾構機平面偏差、高程偏差、俯仰角、方位角、滾轉角及切口里程。始發前要對盾構機的初始姿態進行測量與復核，保證盾構機所在位置的精確偏差，對導向系統的正確調試起關鍵性作用，對整個線路是否順利準確貫通起決定性作用。然后用地下控制點坐標成果測量盾構機始發姿態。為保證精度可靠，盾構機始發姿態測量應利用通過聯系測量傳遞到地下的控制點成果[2]。

目前盾構始發姿態測量方法有兩種：幾何圓柱中分測量方法、參考點坐標轉換方法。

圖3 幾何圓柱中分測量方法

如圖3所示，幾何圓柱中分測量方法是利用盾構機盾體橫截面是圓的幾何特性，通過測量盾構機左右兩側的反射片平面坐標，取均值得到圓心的平面坐標，測量盾體最高點和最低點的高程，取均值得到圓心的高程。然后根據盾首圓心三維坐標和盾尾圓心三維坐標便可推算出盾構機平面偏差、高程偏差、俯仰角、方位角、及切口里程，滾轉角根據盾構機內部的傾斜儀獲取。

圖4 參考點坐標轉換方法

如圖4所示，參考點坐標轉換方法的原理是：首先在盾構機建造完畢出廠前，在工廠坐標系下，在盾構機盾體上布設若干參考點，并測得這些參考點的工廠三維坐標，然后推算出盾首和盾尾的圓心三維坐標。待盾構機運輸至工地盾構始發井內組裝調試完畢后，測量這些參考點在施工坐標系下的三維坐標，然后利用兩套坐標系的公共點坐標系轉換原理，換算出盾首和盾尾在施工坐標系下的圓心三維坐標及其他姿態參數。

筆者在西南地區某市地鐵項目中遇到過某臺盾構機始發時，測量員采用參考點測量坐標轉換方法人工測得盾構機始發姿態，并與盾構測量導向系統的姿態進行比對合格，但未采用幾何圓柱中分測量方法進行復核比對，未及時發現盾構機盾尾失圓，最后導致管片拼裝完后難以脫出盾尾，或脫出盾尾的管片破損嚴重。

因此，筆者建議，如果是無參考點的舊盾構機導向系統，在測量盾構始發姿態前，只能采用幾何圓柱中分測量法測量，同時還起到對盾體的橢圓度進行檢核的作用。如果是有參考點的新盾構機導向系統，則最好應采用參考點坐標轉換方法求得盾構始發姿態，該方法的優點是不受盾體外殼變形的影響。當然，為避免盾體變形導致的上述質量事故，還應采用幾何圓柱中分測量法對盾體橢圓度進行檢核，同時對兩種方法獲得的盾構初始姿態進行比對，差別不大時，方可輸入盾構測量導向系統，并與導向系統傳感器自動獲取的初始姿態參數進行比對和修正，若偏差超限，則還需根據實際情況進一步分析和判別重測。

2.3 盾構換站測量的思考

導向系統在換站的示意圖見下圖5所示：

圖5 搬站測量示意圖

由于城市軌道交通測量規范未明確規定每次換站時吊籃坐標與地下控制導線的傳遞測量頻次，現在實際生產中存在“隔一傳一”和“逢移必傳”的情況。“隔一傳一”是指每隔一次換站，導向系統的設站吊籃與后視點，通過重新測量從地下控制導線獲得坐標參數；“逢移必傳”是指每次換站，設站吊籃與后視點均應通過重新測量從地下控制導線獲得坐標參數。由于每次換站時，盾構機必須停機，換站前后導向系統顯示的盾構姿態會發生跳變，這種現象我們稱為“換站斷差”，原因是換站前后導向系統的設站和后視點坐標發生變化，坐標更新后的導向系統測量結果也會更新。

為了保障換站精度和可靠性，筆者建議在盾構掘進隧道直線段上，地質良好、管片較為穩定的情況下，“隔一傳一”和“逢移必傳”二者均可，但在曲線段上，或地質較差、管片仍處于浮動狀態的情況下，則應選擇“逢移必傳”的方法進行換站測量。

3 結論

本文結合工程實際案例分析了地鐵盾構測量中，地下控制測量起算依據、盾構始發姿態測量方法、盾構換站測量的不同對地鐵盾構施工的影響，并提出了一些處理意見，對其他地鐵盾構測量項目提供了一些參考，具有一定的指導意義。