長距離過海地鐵盾構隧道控制測量關鍵技術研究

徐秀川 劉運明 王 磊 郭 明 張 偉

(1. 北京城建勘測設計研究院有限責任公司, 北京 100101;2. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室, 湖北 武漢 430079;3. 北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院, 北京 100044)

0 引言

廈門市軌道交通2號線為廈門市東西骨架線,構建了廈門本島與海滄區快速跨海連接通道,是廈門地鐵第二條開通運營的線路,其中海滄大道站—東渡路站區間(以下簡稱“海東區間”)下穿廈門西海域,為國內首條地鐵盾構海底隧道[1],全長2 784 m,為全線控制性工程。隧道穿越地層地質情況復雜多變,有“地質博物館”之稱,是整條線路中施工難度最大、風險最高、對施工測量要求最高的施工區域。

海東區間為長距離過海盾構區間,布設精度高、穩定性好及實用性強的控制網至關重要。由于區間精密導線點無法布設,該區段平面控制網采用衛星定位測量方法進行布設,并根據實際需要進行網形優化設計,同時從外業選點、外業施測、內業數據處理等方面采取綜合技術措施提高全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)控制網的實用性及可靠性。同時,該區間下穿海域跨度大(超過2 km),必須采用跨河水準測量的方法,將精度等級滿足規范要求的本岸高程傳遞到對岸,統一兩岸過海隧道高程控制基準,實現隧道的順利貫通,本工程采用高精度全站儀基于電磁波測距三角高程法,并特制了觀測覘板,實現了高精度的跨海水準測量,為長距離過海隧道的順利貫通建立了穩定的高程基準。此外,對于長距離盾構隧道,為彌補常規支導線測量隨站數增多測角誤差累計的缺陷,采用陀螺定向的方式對地下方位進行多次復核校正,同時研制了基于手機的陀螺定向測量數據處理系統[2],大大提高測量定向效率;針對該區間地質情況異常復雜、盾構姿態控制困難的問題,采取了一系列盾構姿態控制措施,保證盾構機沿設計軸線掘進并最終順利接收。歷時1 113 d,本區間于2019年3月完成全線洞通。

本文對過海段GNSS控制網優化布設、跨海水準測量實施以及盾構施工控制測量等關鍵技術分別進行介紹。

1 GNSS控制網優化布設

地鐵工程施工前需首先建立指導工程施工的測量控制網,控制網的精度直接影響地鐵隧道的貫通和精度[3],控制網包括平面控制網與高程控制網。對于平面控制網,城市軌道交通線路控制網為二等網,采用衛星定位方法布設,三等網為線路加密控制網,采用精密導線形式布設。

對于海東區間,由于區間穿越大面積海域,不具備布設精密導線的條件,故本區間平面控制網采用衛星定位方式布設。本項目從控制網網形布設、點位選取、外業施測及內業數據處理等方面采取多種技術手段,建立了穩定可靠的過海段平面控制網。

1)將廈門市CORS站數據納入2號線GNSS控制網進行平差計算,提高平面控制網的整體精度。

CORS基準站數據作為GNSS控制網起算基準具有較高的實時性且覆蓋率高、觀測數據質量好,點位坐標數據穩定,且可以有效地減少測量外業工作量等優點[4]。廈門地鐵2號線首次將高精度CORS站數據納入GNSS控制網中。在2號線沿線均勻選取GB32、GB39、GB51、GB55、GB57、GB68共6個連續運行參考站,作為GNSS靜態控制網的起算數據,對GNSS網進行整體平差解算,提高了控制網的整體精度。

2)對過海段GNSS網形進行局部優化設計,提高其實用性及可靠性。

(1)控制網以同步三角形連接,用邊連式擴展成空間GNSS鎖網,保證了控制網的網形強度,同時全網包括多個非同步獨立邊構成的多邊形閉合環,具有良好的粗差檢測能力[5]。

(2)在始發豎井(車站基坑)周邊布設可以直接用于聯系測量的GNSS通視基線邊,為提高方位角精度,基線邊盡量拉長(約1 km)。

(3)考慮到跨海段實際情況,取消區間精密導線點,在線路附近的大兔嶼與火燒嶼上布設一對通視GNSS控制點,提高控制網網形強度及實用性。

3)多路徑誤差作為GNSS測量的主要誤差來源,無法通過改正模型或差分技術進行消除或減弱,因此,為減弱多路徑效應的影響,控制點在滿足通視的情況下,盡量選埋在遠離水域的位置,同時適當延長觀測時間也可以一定程度上減弱多路徑效應的影響[6]。

4)為減少儀器對中誤差,GNSS控制點均以強制對中形式埋設。

5)由于廈門地處低緯度地區,電離層閃爍頻發,影響衛星定位精度[7],外業觀測前,參考TEC電離層,了解廈門地區電離層活動規律,避開電離層活躍時段,合理制定外業靜態觀測計劃,減少電離層影響。此外,本項目實施過程中,建立了靜態數據后處理模型,該模型提出電離層高階影響建模修正方法,引入全球地磁場模型對二階和三階電離層影響進行建模,一定程度上減少了電離層對GNSS成果精度的影響[8]。

6)考慮到該區間長度較長(超過2 km),外業測量時,延長跨海段部分GNSS基線邊觀測時長,提高局部相對精度。

7)為提高解算精度,基線解算采用精密星歷,采用多基線解算模式進行解算。

8)為驗證控制網成果的可靠性,對2號線與既有1號線重合控制點坐標進行比較分析,結果如表1所示。

表1 重合控制點坐標比較表

通過對比分析,2號線與1號線重合GNSS控制點坐標較差較小,表明2號線與1號線GNSS控制網成果有較好的兼容性,成果可靠。

2 跨海水準測量

海東區間過海段長度超過2 km,超過常規高精度幾何水準測程。根據《城市軌道工程測量規范：GB/T 50308—2017》規定,水準路線跨越視線長度大于100 m時,應進行跨河水準測量。依據《國家一、二等水準測量規范：GB/T 12897》對跨河水準測量的相關規定,本項目采用同步對向觀測的電磁波測距三角高程法進行跨海水準測量[9],采用并特制了一種觀測覘牌,實現了海東區間兩岸高程的高精度傳遞,為區間的順利貫通提供了穩定的高程基準。電磁波測距三角高程法測量裝置示意圖如圖1所示。

圖1 電磁波測距三角高程法測量裝置示意圖

如圖1所示,A與B位于海域兩側,其中B為已知高程控制點,A為待測高程控制點,則根據電磁波測距三角高程測量原理可知：

(1)

式中,HB為已知點高程;h2可通過全站儀讀取;h3為標志線中心與待定點A的高差;α、β為豎直角;S1、S2分別為全站儀與已知點、待定點的水平距離,該方法無須測量全站儀儀器高。其中,由于全站儀與已知點距離近,h2、S1、β測量精度較高,提高h3、S2、α的精度是影響跨河水準測量的關鍵。為此,特制跨河水準測量裝置,如圖2所示。主要特點如下：

(1)為精確獲取豎直角α,特制電子覘牌,如圖2中12所示,其自身背景與標志線(圖2中A所示)的顏色和亮度可調節,標志線粗細大小也可根據視線長度調整,保證在跨海超遠測程的情況下,十字絲可以精準地瞄準標志線,獲取精確的豎直角α。如圖3所示。

圖2 特制跨河水準測量裝置

圖3 全站儀準確瞄準標志線

(2)為提高h3精度,中心軸桿上每10 cm設置一個卡扣,該卡扣可通過緊固螺栓與覘牌精準連接,該刻度讀數即為h3,與常規的通過米尺量取h3相比,便捷且精度高。

(3)為精確測量S2,在支撐架頂部設置棱鏡,同時支撐架下部設置有圓水準氣泡,確保支撐架在豎直狀態下,通過全站儀測量棱鏡精確獲取S2的數值。

表2 跨海水準精度統計

3 過海盾構施工控制測量

海東區間采用盾構法+礦山法組合施工方案,盾構單向掘進長度超過2.5 km,由于地下空間有限、施工環境差,長距離隧道貫通誤差難以保證[11],如何提高地下控制測量精度保證隧道的準確貫通是本工程測量的一大難點,另外,海東區間海底隧道工程穿越地層集軟土、硬巖、上軟下硬、上硬下軟、拱部砂層侵入、兩條斷裂帶等,堪稱“地質博物館”,復雜的地質條件導致盾構機姿態控制困難,需采用測量手段對盾構機姿態進行監控,保證盾構沿隧道設計軸線掘進[12]。本項目采取的盾構施工控制測量措施包括以下方面：

(1)根據具體測量條件,選擇合理的平面聯系測量方式。區間自海滄大道站始發,車站兩端豎井可懸吊鋼絲,鋼絲間距近200 m,采用兩井定向方法,同時為提高定向精度,地下起始基線邊應盡量拉長。盾構在東渡路站接收,由于接收端豎井口小,鋼絲間距不足5 m,且深度達40 m,不具備兩井定向及導線直接傳遞的條件,故接收端暗挖段采用一井定向方法進行測量控制。

(2)測量采用測量機器人自動采集數據,利用專業軟件進行嚴密平差,測量速度快,觀測數據質量高[13]。海東區間使用雙導線網形式進行洞內導線布設,如圖4所示。為減少對中誤差,洞內控制點均埋設強制對中形式。此外,借鑒并優化了鋪軌控制網CPIII測量系統的布點方案、觀測方法及數據處理,引入自由設站邊角交會法進行應用研究,如圖5所示。該方法圖形強度高,檢核條件多,與洞內雙導線網互相驗證,共同構成地下控制測量系統,保證了盾構隧道的準確貫通。

(3)海東區間單向掘進長度超過2 km,由于隧道內沒有可附合的已知點,洞內延伸控制測量屬于支導線范疇,隨著隧道掘進的延伸,距離和角度測量累積誤差逐步增大,為減少誤差累計,一方面隧道內盡量增加導線邊長減少測站數,另一方面,在隧道掘進超過1.2 km后,采用加測陀螺方位角的方法控制導線方位誤差的累計[14],保證盾構機沿軸線掘進并順利接收。

圖4 雙導線網示意圖

圖5 自由設站邊角交會導線網示意圖

針對在陀螺定向施測過程中不便使用紙筆記錄定向數據、判斷陀螺定向數據互差煩瑣復雜浪費時間人力、計算坐標方位角需要自行筆算等問題,根據陀螺定向過程設計開發了基于普通商用Android智能手機的陀螺定向測量數據處理系統,該系統有效避免了實際隧道工程測量中由于精度不滿足要求而需要反復測量的弊端,極大提升了測量工作效率,該系統在本項目中進行了成功應用,驗證了其有效性與準確性[2]。

(4)采用多種測量手段控制盾構隧道掘進軸線偏差,具體包括：①設計數據導入盾構機之前進行多級復核,確保相關參數準確無誤,需重點注意盾構線路中心與隧道中心的區別;②建立遠程監控系統,對盾構掘進相關參數進行監控;③每天采用人工測量方法對盾尾成型管片姿態進行測量,可使用全站儀+水平尺采用極坐標法獲取管片中心坐標及管片頂底高程,檢核隧道軸線偏差;④由于盾構機自動導向系統只能檢核自身系統精度,不能滿足絕對精度檢測,無法發現因系統錯誤導致的軸線實際偏差[15]，因此,需要定期(至少1次/月)采用人工測量方法對導向系統進行檢核,確保其準確可用性，主要方法是人工測量盾構機姿態參數與導向系統進行對比,具體包括平面偏差、高程偏差、俯仰角、方位角、滾動角、切口里程等參數。

4 結束語

作為國內首條過海地鐵盾構隧道,廈門地鐵2號線海東區間過海段超過2 km,本項目測量實施過程中,從平面控制網優化布設、跨河水準實施、地下施工測量控制等方面制定針對性的專項測量實施方案,建立了長距離跨海段地面控制基準,形成了一套完整的地下控制測量體系,保證了盾構隧道的準確貫通,為地鐵2號線的順利通車奠定了扎實的測量基礎。由于屬于國內首次,希望能為類似項目提供參考。