盾構法長大地鐵區間隧道的橫向貫通誤差預計

房德鑫

(中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300)

1 前言

為了滿足人民日益增長的出行需求，緩解常規公共交通的壓力，各大城市的地鐵建設全面開展。隨著地鐵線路里程增加，列車時速不斷提高，在建地鐵的隧道長度從最初的800 m增加到1 km，再到2，3 km；洞徑從5.5 m到7.7 m，甚至超過10 m。長大的地鐵區間隧道給施工測量帶來的挑戰也在成倍增長。目前施工控制測量仍采用常規的測量方法，由于測量誤差的積累，區間隧道的施工測量會產生一定的貫通誤差。主要測量誤差包括橫向貫通誤差、豎向貫通誤差、里程貫通誤差。實際施工測量中，豎向貫通誤差和里程貫通誤差比較容易控制，且對成型隧道質量影響不大，但橫向貫通誤差的影響因素較多，測量控制手段有限，是施工測量中的重點和難點。

為保證隧道順利貫通，工程測量前會依據本工程擬采用的測量儀器、測量技術和方法等內容對貫通誤差進行預計，以判斷應用此測量方案進行隧道施工后的貫通誤差值是否滿足國家相關規范要求。本文針對橫向貫通誤差預計進行相關討論。

2 橫向貫通誤差的預計

橫向貫通誤差主要來源于以下5個工序：地上平面控制測量的誤差、始發井平面聯系測量的誤差、地下平面控制測量的誤差、盾構機姿態定位測量的誤差、到達井平面聯系測量的誤差。考慮各項誤差影響都是相互獨立的，則總的橫向貫通中誤差公式可表達為：

(1)

式中：M為橫向貫通中誤差；M1為地上平面控制測量引起的橫向貫通中誤差；M2為始發井平面聯系測量引起的橫向貫通中誤差；M3為地下平面控制測量引起的橫向貫通中誤差；M4為盾構機姿態定位測量引起的橫向貫通中誤差；M5為到達井平面聯系測量引起的橫向貫通中誤差。

2.1 M1地上平面控制測量引起的橫向貫通中誤差計算

此項誤差主要來源于地面近井點的測量誤差，已知地面首級平面控制點大多沿線路兩側對稱布設，從已知控制點測設到近井點大多僅需測設1～2站，故此項誤差按支導線形式進行估算，則中誤差公式可表達為：

(2)

式中：mβ為導線的測角中誤差；L為支導線長度，以m計；n為導線測站數。

一般到達井采用與始發井相同的地上平面控制網測量方法，且相互獨立完成測量，則實際地上平面控制測量引起的橫向貫通中誤差應為：

(3)

2.2 M2始發井平面聯系測量引起的橫向貫通中誤差計算

平面聯系測量常采用兩井定向方法，投點誤差和定向誤差共同引起橫向貫通誤差，考慮二者的影響相互獨立，則中誤差公式可表達為：

M22=M投2+M定2

(4)

城市軌道交通工程測量規范中規定兩井定向投點中誤差應小于±2 mm，假設投點誤差全部傳遞給橫向貫通中誤差，即M投=±2 mm。

M定對橫向貫通誤差的影響為：

(5)

式中：m為一次定向中誤差,L為隧道長度，以m計。

因隧道貫通前會在始發井對同一定向邊獨立進行n次聯系測量，則聯系測量引起的橫向貫通中誤差可表達為：

(6)

2.3 M3地下平面控制測量引起的橫向貫通中誤差計算

長大地鐵隧道內觀測條件相對較好，導線點布設近似等邊直伸形，且在長大區間隧道測量時，會每隔800 m加測一次陀螺定向邊，故按等邊直伸方向附合導線進行橫向貫通中誤差計算，公式如下：

(7)

式中：mβ為導線的測角中誤差；L為隧道長度，以m計；n為導線測站數。

2.4 M4盾構機姿態定位測量引起的橫向貫通中誤差計算

城市軌道交通工程測量規范中規定姿態定位測量中誤差應小于±3 mm，假設定位中誤差全部傳遞給橫向貫通中誤差，即M4=±3 mm。

2.5 M5為到達井平面聯系測量引起的橫向貫通中誤差計算

此項誤差的計算方法與M2計算基本一致，只是計算M定時，L應代入基線邊至貫通面的長度，而非隧道長度，并且到達基線邊一般測量次數為2次，公式此處不再贅述。

3 工程實例計算

某市地鐵*號線風井～南站區間隧道右線長度2 487 m，線路設平曲線3個，最小曲線半徑1 300 m，最大縱坡4‰。區間采用盾構法施工，盾構機直徑8.86 m，預制環型管片內徑7.7 m，外徑8.5 m，環寬1.6 m。

本區間單向掘進超2 000 m，隧道內徑達到7.7 m，是典型的長大地鐵區間隧道，橫向貫通誤差的預計尤其重要，通過科學合理的測量技術和方法控制橫向貫通誤差大小滿足規范要求，是保證成型隧道質量的關鍵，依據上述公式對各項貫通誤差來源分別計算。

3.1 M1地上平面控制測量引起的橫向貫通中誤差

本項目采用兩井定向方法進行聯系測量，則同一井位的地上近井點為2個，已知地面首級平面控制點距離始發和到達井口均約300 m，向近井點傳遞僅需測設2站。測量采用的儀器為徠卡TS60，測角精度0.5″，外業測設4測回，考慮到環境等因素影響，測角中誤差控制在2″是可行的。則

(8)

考慮始發井和到達井的地上平面控制測量總的中誤差，則

(9)

3.2 M2始發井平面聯系測量引起的橫向貫通中誤差

(10)

L取隧道長度2 487 m,則

(11)

M投=±2 mm,則

(12)

本區間長度2 487 m，預計掘進至200 m時固定地下定向邊，之后每400 m進行一次聯系測量，直到貫通前200 m進行最后一次聯系測量，所以同一地下定向邊至少進行6次聯系測量，則

(13)

3.3 M3地下平面控制測量引起的橫向貫通中誤差

本區間隧道管片內徑達到7.7 m，洞內照明和通風條件良好，故洞內控制點間距可控制在200～300 m左右。本區間長度2 487 m，考慮盾構機及后配套車架長度約110 m和控制點穩定性要求，洞內單導線的控制點個數約為10個，導線點布設近似等邊直伸形。測量儀器采用徠卡TS60，測角中誤差仍取2″，則

(14)

3.4 M4盾構機姿態定位測量引起的橫向貫通中誤差

城市軌道交通工程測量規范中規定姿態定位測量中誤差應小于±3 mm，假設定位中誤差全部傳遞給橫向貫通中誤差，即M4=±3 mm。

3.5 M5到達井平面聯系測量引起的橫向貫通中誤差

本區間到達井采用與始發井相同的測量方法，定向邊至貫通面的距離約為20 m，則

(15)

M投=±2 mm,則

(16)

到達井聯系測量施測2次，則

(17)

3.6 M總的橫向貫通中誤差

=±30.8 mm

(18)

城市軌道交通工程測量規范中規定地下隧道和車站結構橫向貫通中誤差應小于±50 mm，通過以上方法計算的結果為±30.8 mm,滿足規范要求。

為了保證橫向貫通誤差嚴格可控，本區間隧道在實際施工測量中又采取了一系列的措施：

(1)地面近井點納入到首級平面控制網中，導線采用附合導線形式測設，進行嚴密平差，提高測量精度；

(2)與同一始發井的對向隧道使用相同的地下定向邊，兩條隧道各自節點均獨立對地下定向邊進行測量，使定向邊的測量次數翻倍，提高了精度；(3)隧道內導線采用主、副雙導線形式，兩條導線即可獨立測量，又可形成交叉導線網，進行平差。

本區間隧道已于2019年11月5日順利貫通，經實測橫向貫通誤差為+56.5 mm，遠小于規范要求的橫向貫通誤差限差±100 mm。有效地驗證了上述計算方法的合理性和適用性。

4 結論

通過工程實例計算，在實際施工中對盾構法長大地鐵區間隧道的橫向貫通誤差控制應特別注意以下幾點：

(1)始發井平面聯系測量引起的橫向貫通中誤差對總的橫向貫通中誤差影響很大，在施工測量中應盡量提高兩井定向的測量精度，如加大兩鋼絲間距；使用有效的阻尼液和錐形重錘提高重錘的穩定性。

(2)應盡量加長地下定向邊的邊長，長邊對于長大區間隧道的貫通誤差控制有著極其重要的作用。

(3)地下定向邊應不少于2條，且可相互檢核，便于驗證點位的穩定性。

(4)地下隧道內加測陀螺定向邊可有效檢核地下導線測量成果，并對成果進行修正，但陀螺儀的一次定向精度受操作人員熟練程度、環境等因素影響較大，施測時要特別注意。

(5)地下隧道內導線若布設成主、副雙導線形式，每隔3～4個控制點將主、副導線進行聯測形成導線環，導線環經平差以后對提高導線終點的橫向點位精度比較有利。

(6)地下隧道內導線宜布設成交叉導線網，每延伸一個點交叉一次，每個測站可以測量4個方向值、4個距離值。每個點的檢核條件增加，平差成果更加可靠，并且對日常檢查相鄰點位的穩定性更有利。