新建地鐵線路近距離上跨既有線測量技術探討

隨著社會的發展，地鐵已成為大都市標志性建設項目之一。城市建設環境錯綜復雜，因地鐵建設的特殊性，不同線路必然存在立體交叉及換乘情況，本文結合實際案例，提出在測量作業層面把控新建地鐵近距離上跨既有線工程采取的技術手段及措施，確保新建線路順利上跨既有線。

1 工程概況

沈陽地鐵10號線中—松盾構區間線路出中醫藥大學站后沿崇山東路東行，上跨既有地鐵2號線崇—岐區間、側穿崇山路高架橋、東一環高架橋及多棟房屋、下穿北塔橋橋樁后到達松花江街站；右線全長1 234.533 m，左線全長1 221.747 m；標準單洞單線圓形斷面，盾構法施工，線間距12～15 m，覆土厚度5.92～17.80 m。

崇—岐區間為標準單洞單線馬蹄形斷面，采用礦山法施工，復合式襯砌；既有2號線區間標準段二襯厚度350 mm，初支250 mm，人防段二襯500 mm，初支300 mm。

中—松區間左線線路出站后以27‰坡度上坡，掘進約23 m開始上跨2號線，通過設計斷面變化調整段，再以22‰坡度下坡，左線區間隧道盾構機刀盤外邊緣與既有2號線右線初期支護結構凈距約116 mm，與既有2號線左線初期支護結構凈距約580 mm。見圖1。

圖1 中—松盾構區間左線上跨既有2號線位置

2 測量重難點分析

針對可能出現的問題逐項分析，提前制定相關解決方案，施工中易出現的問題即第三方測量重點把控問題，主要有以下幾點：

1）如何提高地下測量控制網精度，確保提供給盾構機掘進的測量基準準確無誤尤其關鍵；

2）既有2號線結構距離中醫藥大學站左線始發端僅有23 m左右，可供盾構掘進姿態調整段過短，應嚴格控制盾構機始發姿態，保證始發架、反力架、導軌、盾構機按照設計與施工方案中的要求準確就位；

3）區間上跨段距離2號線人防段最近距離116 mm，盾構掘進過程中的自動導向姿態和人工姿態的校核結果與管片姿態偏差的測量成果必須及時反饋施工工程部與盾構機司機，為盾構機掘進中始終保持抬頭趨勢掘進的要求提供數據支持。

3 第三方測量采取的把控措施

施工過程中，主要從控制測量、入洞鋼環中心復核、盾構掘進設計線成果復核、盾構機姿態控制、管片姿態測量等幾個方面進行技術把控與分析，確保了施工區間順利上跨既有線。

3.1 提高地下始發測量基準精度

盾構正式始發前增加一次聯系測量工作，提高地下始發測量基準精度。平面始發控制測量采用兩井定向[1]，起算點位均為交樁GPS控制點，經邊角檢核，點位穩定，然后經兩近井點構成附和導線，通過近井點測得鋼絲坐標；地下采用無定向導線形式進行復核平差計算，得到始發邊成果數據。線路走向為：G省高校—G綠洲賓館—JJD1—JJD2—G蘭亭賓館—G綠洲賓館。見圖2。

圖2 始發邊測量檢測

采用懸掛鋼尺的方法[2]進行高程聯系測量復核檢測，起算點采用2個交樁精密水準控制點，經復核起算點點位穩定。外業開展嚴格按照軌道交通二等水準要求進行施測，內業數據平差計算加入溫度及尺長改正數。

3.2 入洞鋼環中心檢測

對盾構鋼環圓周進行檢測，以始發邊控制測量成果為起算依據，測量洞門鋼環圓周三維坐標成果，擬合圓心[3]成果偏差滿足盾構鋼環安裝要求。見表1。

表1 洞門鋼環擬合中線成果偏差

3.3 盾構掘進設計線成果復核

從區間設計起點里程至上跨既有2號線位置設計坡度變化較大，設計斷面變化復雜，盾構機掘進的設計線計算正確是本項目的重點工作。

3.3.1 設計斷面變化情況

K9+752.305～K9+803.000設計斷面道床高740 mm,K9+803.000～K9+842.000設計斷面道床高由740 mm過渡到900 mm；K9+842.000～K10+134.000設計斷面道床高900 mm；K10+134.000～K10+154.000道床設計高由900 mm過渡到840 mm；K10+154.000～終點設計斷面道床高840 mm。設計斷面較多，盾構施工設計中線高程計算的依據為設計軌面高，須根據設計斷面變化情況進行相調整，盾構施工設計中線標高=設計軌面高－道床厚度+2.7 m。

經復核，設計線計算準確，與復核成果偏差均＜3 mm。

3.3.2 始發位置設計線調整與驗算

盾構機始發位置在車站與區間豎曲線變坡點附近，車站位置設計坡度為2‰，進洞后設計坡度為27‰，盾構機所在位置設計坡度為12.4‰，確定合理的盾構機始發姿態坡度為盾構機順利始發的關鍵，始發姿態[4]調整確定影響因素如下：

1）始發位置位于豎曲線變坡點上；

2）盾構機進入加固區，姿態調整難度大；

3）進洞后短距離內盾構機坡度由12.4‰變化至27‰，姿態控制難度大。

區間起點里程為K9+752.305，區間起點里程位置盾構施工中線設計標高為33.649 m，加固區長度6 m，盾構機在加固區位置姿態無法調整，盾構機完全脫機加固區距離約為16 m，對應里程為K9+768.305，此時盾首標高約為33.847 m，此里程設計標高為33.947 m，盾首偏差約為100 mm。豎曲線結束里程為K9+776.985，之后設計坡度為27‰上坡，距既有2號線結構邊緣里程為K9+779.801（設計標高為34.239 m），11.5 m內盾構機姿態坡度由12‰調整為24‰，絕對標高差變化值為0.292 m，考慮地質條件等因素，施工難度及風險均較大，可能出現盾構機姿態調整不到設計坡度，與既有2號線結構發生沖突。為保障盾構機進洞后，順利上跨既有2號線，終確定本次盾構始發設計坡度調整為27‰進洞，始發架按照27‰坡度放樣。

3.4 盾構機姿態控制

3.4.1 盾構機姿態測量

主要測得盾構機實際軸線位置與設計軸線位置偏差情況，通過測得盾首、盾尾三維坐標與設計中線對應位置坐標進行對比，計算偏差參數。盾構機姿態測量方法有多種：水平標尺法、擬合圓心法、懸掛鋼絲側邊法、標志點法等。見表2。

表2 盾構機姿態測量方法特點比較

根據表2，擬采用懸掛鋼絲側邊法、標志點法和水平標尺法[5]。擬合圓心法受限于盾構機外邊緣變形和測量條件差并且耗時長、精度較低不建議采用。

1）懸掛鋼絲側邊法。外業測量前，先將盾構機所有鉸接復位歸零；然后在盾構機外殼切口及盾尾位兩側位置分別懸掛鋼絲，鋼絲下面系重物并置于油桶中，通過測量貼在鋼絲上的反射片坐標直接得到盾構機外邊緣的平面坐標；取測得的坐標平均值間接計算盾構機切口及盾尾軸線中心坐標的方法來得到中軸線平面坐標。高程測量直接采用中間設站的光電測距三角高程測量方法，測得盾構機頂部切口及盾尾平面坐標對應位置的高程數據，通過盾構機設計尺寸及實測坐標反算得到的盾構機直徑比較分析取值后計算至盾構機中心位置的高程。見圖3。

圖3 懸掛鋼絲側邊法測量

2）分中標尺法。測量水平放置在盾尾內殼的鋁合金尺上貼片的三維坐標，用卷尺精確量出鋁合金尺的中心并在中點左右對稱標定L、R兩點；通過鋁合金尺與盾構切口、盾尾的距離關系來計算盾構機的盾首和盾尾三維坐標。該方法適合于盾構機初始定位和掘進過程中的姿態檢核工作。見圖4。

外業測量前，先將盾構機所有鉸接復位歸零；然后將標尺水平置于盾構機鉸接千斤頂面附近，標尺面與鉸接面平行等距并與盾殼內壁光滑接觸，測量標尺中線點F及L1、R1三維坐標；再將標尺水置于盾尾處，標尺兩端到盾尾距離相等，測出此時標尺中點B及L2、R2的三維坐標，注意確保L、R高程等值。根據F和B的高程及盾構機傳感器顯示數據反算出盾構機的坡度，根據F和B的坐標計算盾構機方位角，進而計算盾首、盾尾中心的三維坐標。

圖4 分中標尺法測量

3）標志點法。始發前在盾構機內部布設5個人工復核檢測盾構機姿態的徠卡反射片標志點，均勻分布在盾構機鉸接前部千斤頂附近圓周上。同時測得5個標志點的絕對坐標，使用演算工房內部自帶測量程序，輸入刀尖及盾尾中心部位計算得到的三維坐標成果，計算人工復核標志點相對于盾構機的獨立坐標系參數。

3.4.2 盾構機始發姿態測量成果

在檢測盾構機始發姿態時采用三種不同方法進行計算驗證，各種方法在實際案例中的偏差數據滿足相關限差要求。采用懸掛鋼絲側邊法成果作為最終成果。

因盾構吊裝導致始發架變形，實測盾構機坡度為33‰，較設計27‰的坡度偏差值較大，盾構始發段地質以砂礫為主，結合本地區相鄰標段盾構始發經驗，基本不存在盾構進洞后栽頭情況。經驗算，如按33‰坡度進洞，刀盤掘進距離12 m（約10環）位置，盾構姿態高程偏差將嚴重超限，盾首垂直偏差將達到150 mm，盾構機尾盾仍在加固區（加固長度6 m，盾構機全長9.98 m），姿態無法調整。盾尾脫離加固區范圍后，刀盤約在進洞16 m位置時方可進行盾構機姿態調整，但盾首姿態高程偏差計算值約為160 mm。距離既有2號線距離較近，坡度不好調整，始發姿態坡度存在一定問題，雖可安全上跨既有線，但管片姿態超限嚴重，建議對盾構機姿態進行調整。考慮既有2號線結構安全及盾構脫離加固區存在產生載頭風險等不穩定因素，決定按照既有盾構機坡度始發，在盾構機順利上跨既有2號線后采取相應調整措施。

3.4.3 盾構機掘進過程中姿態控制與復核

采用的三種姿態測量方法特點鮮明，但各有局限性。盾構機在掘進過程中盡量避免停機，盾構機掘進至18環位置時開始上跨既有2號線，考慮既有線運營安全問題，決定在既有線停運期間不停機直接上跨既有線，這使得人工復核盾構機姿態的時間比較緊張，需要測量人員在較短的時間內完成盾構機姿態人工復核測量工作。結合施工計劃情況，在始發姿態測量時使用懸掛鋼絲側邊法，采用水平標尺法進行檢核；盾構機進洞后，盾尾脫離加固區上跨既有線位置前使用標志點法復核導向系統穩定性；上跨既有線時盾構機不停機，使用水平標尺法測得相應位置的盾構機姿態檢核導向系統顯示姿態準確性；充分利用各種姿態測量方法的特點，在合適的時機，采用合適的方法測得盾構機姿態偏差。

人工復核盾構機姿態成果顯示，與導向系統顯示成果偏差均＜15 mm，導向系統穩定可靠。

3.5 管片姿態測量

盾構開始掘進至上跨既有2號線前，全程記錄盾構機導向系統每環管片掘進過程中的姿態偏差情況并對成環管片姿態逐環測量，分析成環管片姿態與盾構機掘進過程中導向系統顯示姿態偏差之間存在的差異規律，見表3。

表3 導向系統顯示高程偏差與人工實測管片姿態高程偏差對比 mm

從表3看出，成環管片高程姿態偏差與導向系統顯示偏差基本一致。1～7環位置為加固區，實測管片姿態與導向系統顯示姿態基本吻合，8環位置開始脫離加固區，受地質條件變化及施工注漿參數調整等因素影響，實測管片姿態比導向系統顯示盾構姿態偏差值在28～-23 mm內波動。

4 結論

盾構機導向系統顯示成果準確，導向系統能夠指導盾構機按照設計線路掘進且成環管片偏差與導向系統顯示偏差差值均在30 mm以內，上跨既有2號線以導向系統顯示偏差為主，人工復核管片姿態為輔指導盾構掘進。經實踐驗證，以上方法及規律成功指導盾構機順利上跨既有線。

從測量角度分析本項目仍存在不足之處，諸如始發姿態的控制方面，管片姿態的高程偏差超出設計相關要求，但安全為項目第一大任，雖犧牲了一定的質量，但可通過設計線路糾偏工作解決。