地鐵盾構長大隧道測量施工技術研究

劉 宏

（中鐵十九局集團軌道交通工程公司 北京 101300）

1 工程概況

廣州市軌道交通22號線一分部五工區（祈福站－中間風井－廣州南站）盾構區間，采用盾構法進行施工。正線兩側各設置11條廢水聯絡通道，其中4＃廢水聯絡通道兩側兼設正線區間廢水通道和泵房。正線區間廢水通道分為兩段，第一段廢水通道為風井小里程車站始發段，祈福通道為車站小里程接收。區間左線隧道長4 040.184 m，右線隧道長4 046.421 m，隧道設計埋深11.3～26.9 m。正線左、右線分別設置2處隧道平行斜曲線，曲線兩側隧道半徑分別為4 000 m、1 800 m。左線路縱坡分別設計為3個隧道傾斜坡度，坡度分別設計為2‰、13‰、6.9‰；右線路縱坡也分別設計為3個坡度，分別為 2‰、13.7‰、6.9‰。

2 工程施工難點分析

目前，國內外地鐵盾構隧道施工傳統貫通測量距離大多在2 km以內，隧道正線平面曲線半徑通常情況下在300～3 000 m。廣州市軌道交通二十二號線一分部五工區（祈福站－中間風井－廣州南站）盾構區間，全線采用速度160 km/h等級市域列車，遠高于常規地鐵線路，在車輛參數、技術標準等方面均為全新設計。而在中間風井－祈福站盾構區間為單向4.04 km、半徑8.8 m斷面隧道，屬于長距離、大半徑地鐵盾構隧道施工。現有測量規范還沒有地鐵盾構隧道長度大于2 km、曲線半徑大于3 000 m相關的貫通誤差及技術規范說明，查閱相關資料也無可供參考的現有案例。

為保證盾構隧道能順利貫通，在此盾構隧道區間施工中，創新運用長大隧道打孔定向、陀螺儀定向以及地表深層監測輔助等地鐵隧道施工測量技術。在4.04 km長距離、4 000 m大曲線半徑隧道中實踐應用，達到較高施工測量精度，安全系數高，不但提高施工功效，節約成本、工期，而且確保盾構隧道如期順利貫通，減小了貫通誤差、提高了隧道測量精度。

3 技術構想及工藝流程

3.1 技術構想

（1）長大隧道打孔定向測量技術

廣州市軌道交通22號線一分部五工區中間風井－祈福站盾構區間，隧道長度為4.04 km，屬長大隧道。正線設置11條聯絡通道，其中從5＃聯絡通道處打孔垂入1根鋼絲，組成新的兩井定向進行導線聯測。5＃聯絡通道鉆孔位置距離始發井1 510.541 m，滿足距離小于2 km的要求；聯絡通道上方為興業大道，地面空曠，地質條件良好，可以進行打孔作業。

（2）陀螺儀定向測量施工技術

祈福站－中間風井－廣州南站盾構區間，每800 m需進行一次陀螺儀定向，共計16次。在施工過程中，對左、右線分別進行定向，控制導線測量方向的誤差積累，校正導線測量角粗差，實現長距離盾構隧道的定向。應用陀螺定向測量技術，就能確定最佳位置，并盡量降低貫通的誤差［1－3］。

（3）地表深層監測施工技術

中間風井－祈福站區間長距離下穿1 200 m密集建筑群和高壓燃氣管線期間，將地表監測點替換為深孔監測點來判斷地層延遲沉降。最深點打至地表以下8 m，完全進入盾構機掌子面上方的巖層中。地層沉降還沒有反映到地面和房屋時，已通過日常監測數據分析出來，從而采取對應的應急處理措施。通過對施工區域建筑物及管線布設情況進行分析，選擇合理位置進行監測點布設，布設至開挖面上部黏土層或全風化巖層，通過地質沉降的滯后性，可超前預測建筑物及管線的沉降情況，確保施工及地表建筑物安全。

3.2 施工工藝流程

工藝流程見圖1。

圖1 施工工藝流程

4 施工方案

4.1 長大隧道打孔定向測量技術

4.1.1 鉆孔施工

（1）選擇施工經驗豐富的施工隊伍，確保孔位的垂直度。

（2）根據打設點位的地理位置，提前進行圍擋封閉，合理先擇施工作業時間，避免擾民。

（3）材料準備充分，避免因為材料短缺導致不連續施工。

（4）根據優化后的方案進行準確放樣定位。

（5）根據地質條件情況進行鉆孔施工，并注漿封堵，見圖2。

圖2 聯絡通道成孔過程

4.1.2 地面控制點測量

通過布置加密導線，控制點在始發處兩端井位置布強制對中觀測墩點號分別為JJD1、JJD2，再在5號聯絡通道投點位置加密JD4。起算點檢核無誤后，以 JM2、JM3、XXIIJ082、XXIIJ083 為起算邊，經D2、JJD1、JJD2、JD3、JD4 組成附合導線［4］。角度觀測四測回，距離觀測兩測回。內業人員使用南方平差易軟件對數據進行平差分析計算，精度完全符合規范標準要求（見圖3）。

圖3 平面導線示意

4.1.3 洞內控制點測量

利用控制線和導線在出入洞中進行測量，分別在左、右線隧道布置控制導線和管網。在連接線路中線兩側平移一定高度的管底部兩側設置普通管的導線和點，在連接管道兩端拱頂的腰部兩側安裝帶有牽制中心的托架，對中托架兩端設置完全強制的普通導線的線和點，將其組合布置后形成數個相互交叉但沒有連接的完全閉合普通導線點和環，確保在不超過八條邊的情況下，導線點和環不能進行完全封閉。隧道內控制導線布置見圖4。

圖4 洞內控制導線布置

4.1.4 兩井定向測量

（1）測量方法

兩井定向法是在井上吊兩根鋼絲，分別為GS1、GS2；用地面近井點分別測取距離、角度計算坐標；分別在底板布設兩條基線邊，導線點JX、Y19、ZY3、ZY1組成無定向導線網進行嚴密平差并作為測量導線點。必要時在端頭井再增加一根鋼絲，作為兩條基線邊進行相互校核［5－7］。兩井定向聯系測量見圖5。

圖5 地下導線網布設

圖中GS1、GS2為兩端端頭井口吊下的鋼絲，ZY3、ZY1為復核基線邊，JX、Y19為控制基線邊。

（2）兩井定向控制

兩次獨立定向后進行三組最終測量數據互相校核，每組最終測量數據分別計算三次基線井閉合點的坐標，誤差需滿足定向測量規范的要求，最后計算取三次的基線井平均值作為該次的定向最終獨立測量成果［8］。對角度值觀測應盡量采用i級全站儀，觀測四測回，各測回間的觀測角度值相差應不超過±6″。

（3）鉆孔后兩井定向測量

中間點采用導線點閉合環聯測形成無定向導線，用地面近井點分別測取距離、角度計算坐標，無定向導線網進行嚴密平差作為測量導線基線點。兩井定向聯系測量見圖6。

圖6 定向聯系測量

4.2 陀螺儀懸帶零位觀測

懸帶零位指的是陀螺電機在不轉動時，由于懸掛帶和導流絲扭力雙重作用使扭力矩為零。開始和結束觀測都要進行零位觀測，對應前、后零位的觀測［9］。測定零位時，首先要把經緯儀整平和固定照準部，然后觀測目鏡，讀出3個連續讀數。

4.2.1 粗略定向

陀螺儀用羅盤可以達到粗定向目的；在未知邊的地方定向，而儀器自身又沒有粗定向羅盤，可以利用自身功能實現。

4.2.2 精密定向

精密定向采用逆轉點法［10］進行。重置儀器后用一個測回測出方向值使儀器對向北方；鎖住陀螺擺動控制系統，啟動陀螺運轉電機，在運轉達到一定轉速后即可進行粗略定向；制動陀螺并托起鎖緊，將望遠鏡對準大體北方位置，固定微動器螺旋在中間位置；打開陀螺燈，下放自動陀螺儀靈敏部，開始前懸零位觀測；零位觀測完畢后托起、鎖住靈敏部，開動陀螺電機，達到一定轉速后，緩慢下放陀螺靈敏部至半空，稍停后再全放下。

4.2.3 其他操作要點

（1）采用軌道交通獨有的對向觀測能夠大幅提高定向精度。

（2）合理確定陀螺邊長度、間隔與位置能夠提高貫通精度。

（3）避免由于計算錯誤、點位不清等引起的粗差。

4.3 地表深層監測施工技術

盾構法隧道施工過程中，地面監測點常規布設原則為每5 m設隧道中心線監測點、每10 m設一個小斷面（6個監測點）、每30 m設一個大斷面（14個測點）。監測點鋼筋布設深度為1.5 m，完全打進原狀土。通過監測點鋼筋的高程變化來判斷地面的沉降數據。

地層沉降測量，需要將部分傳統監測點替換為深層監測點，最深長度需要根據施工情況和區間巖層來確定，原則上需打至完全進入盾構機掌子面上方的全風化巖或者黏土層中，見圖7。

圖7 深層監測點孔內觀測管

深層監測點內的觀測管使用鍍鋅鋼管，代替傳統監測點內的鋼筋，然后將觀測管放入筒內，下放至打設好的監測孔內，見圖8。

圖8 鍍鋅鋼管施工工藝

根據建筑物及管線情況選擇點位，根據管線設計資料、物探資料，對風險較大的建筑物及管線進行分類列表。在下穿大面積建筑時，監測點位不設在主要街道上，應把建筑分割成若干個小建筑群區域；對于單獨建筑物監測點布設在建筑物前方1.5D洞徑距離位置［11－12］。

5 結束語

長大隧道打孔定向測量技術和陀螺儀定向測量施工技術，主要針對超過2 km的長距離隧道測量施工，大大提高了隧道貫通測量精度，對廣州市軌道交通22號線一分部五工區祈福站－中間風井－廣州南站盾構區間順利貫通起到了重要的作用。而地表深層監測技術為長距離盾構穿越城市敏感建筑物的精細化控制提供了新的測量手段。三項技術具有良好的推廣性及應用價值，對長大盾構隧道測量施工具有指導意義。