類矩形盾構(gòu)隧道施工測(cè)控技術(shù)研究

姜雷雷,胡尚衡,徐教煌

(1. 浙江華展工程研究設(shè)計(jì)院有限公司,浙江 寧波 315000; 2. 寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司,浙江 寧波 315012)

隨著城市的不斷發(fā)展,城市軌道交通作為主要公共交通工具,線路大多數(shù)遍布城市主要區(qū)域,地下空間的合理利用必將成為城市發(fā)展的趨勢(shì)。現(xiàn)階段采用的施工形式以圓形盾構(gòu)隧道為主,普通圓形盾構(gòu)若按雙峒雙線布置,橫向空間占用較大,很可能侵入周邊建筑基礎(chǔ),不僅在施工階段帶來社會(huì)影響,運(yùn)營(yíng)階段也存在振動(dòng)噪聲污染的隱患。若按單峒雙線設(shè)置,大直徑盾構(gòu)將造成車站加深,給后續(xù)線網(wǎng)建設(shè)帶來困難;若采用引進(jìn)的雙圓盾構(gòu),沉降控制方面尚需付出更大努力。因此,需尋求一種新技術(shù),以減小隧道占用地下空間的范圍和降低周邊環(huán)境影響,類矩形盾構(gòu)施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。為此量身定做的類矩形盾構(gòu)可節(jié)約27%(相比雙峒雙線)～36%(相比單峒雙線)地下空間資源,且針對(duì)性強(qiáng)化了施工階段的沉降控制能力和運(yùn)營(yíng)階段的結(jié)構(gòu)自穩(wěn)性,有利于地下空間后續(xù)開發(fā)[1]。

類矩形隧道相較于其他斷面隧道,如雙線單圓隧道、大直徑圓隧道等,空間布置更加合理,空間利用率更高。類矩形隧道對(duì)周邊環(huán)境影響范圍更小,因此可以減小拆遷范圍,從而大幅降低建設(shè)成本,而且一次形成雙線隧道,合理安排下能夠節(jié)省工期。

類矩形隧道斷面為4個(gè)圓弧組成的圖形,其管片、盾構(gòu)機(jī)、盾構(gòu)鋼環(huán)均為4個(gè)圓弧組成的圖形,盾構(gòu)施工、姿態(tài)控制、行車限界都與圓形隧道不同,因此原有的測(cè)量方法也存在一些局限性。針對(duì)三維激光掃描技術(shù),國(guó)內(nèi)外學(xué)者均作了大量的研究[2-12],針對(duì)類矩形的特殊斷面,使用三維激光掃描儀進(jìn)行斷面測(cè)量,可以規(guī)避常規(guī)斷面測(cè)量的局限性。本文通過結(jié)合類矩形盾構(gòu)隧道的斷面特點(diǎn),總結(jié)適合類矩形盾構(gòu)隧道施工測(cè)量的一套方法,為類矩形盾構(gòu)隧道施工提供質(zhì)量保障。

1 與圓形盾構(gòu)隧道對(duì)比

傳統(tǒng)圓形盾構(gòu)洞門鋼環(huán)中心位置檢測(cè)方法是以聯(lián)系測(cè)量后的地下平面和高程控制點(diǎn)為基準(zhǔn),均勻采集數(shù)個(gè)鋼環(huán)上點(diǎn)的三維坐標(biāo),然后進(jìn)行擬合運(yùn)算解算出洞門中心。而類矩形盾構(gòu)鋼環(huán)與類矩形隧道類似(如圖1所示),為4個(gè)圓弧拼接而成的12.31 m×7.75 m的類矩形,無法采用普通方法測(cè)量與擬合。因此采用兩側(cè)掛鉛垂線的方法確定最邊緣點(diǎn)的三維坐標(biāo),然后求取兩坐標(biāo)平均值確定洞門鋼環(huán)的中心坐標(biāo)。

圖1 類矩形盾構(gòu)隧道斷面

由于類矩形盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)不再是原有的圓形結(jié)構(gòu),原有的確定隧道中心位置的方法不再適用,因此利用全站儀測(cè)量放置于立柱中部手孔位置的小棱鏡坐標(biāo)作為管片中心坐標(biāo),從而根據(jù)所得坐標(biāo)、立柱厚度、小棱鏡參數(shù)及隧道設(shè)計(jì)軸線計(jì)算出成型管片實(shí)際姿態(tài)偏差。后期還要測(cè)量管片的旋轉(zhuǎn)角,具體測(cè)量方法為:測(cè)量管片設(shè)計(jì)時(shí)與左右線同等高度的手孔標(biāo)高,利用標(biāo)高差除以手孔距離,從而計(jì)算出旋轉(zhuǎn)角度,旋轉(zhuǎn)度的限差一般為<0.6°。

由于類矩形隧道為特殊的隧道類型,一次性形成左右線兩條隧道,而左右線由于中間立柱的原因不能完全互相通視,因此對(duì)隧道內(nèi)控制網(wǎng)需要兩側(cè)分別布設(shè)。

不同于圓形可以均勻分散外力,類矩形對(duì)于垂直方向的應(yīng)力無法正常抵消,因此在管片中采用立柱分擔(dān)應(yīng)力,而盾構(gòu)機(jī)盾殼無法抵消這部分應(yīng)力,故而會(huì)出現(xiàn)盾尾變形的情況,因此需要對(duì)類矩形盾構(gòu)盾尾變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 類矩形隧道關(guān)鍵測(cè)控技術(shù)優(yōu)化

2.1 類矩形盾構(gòu)盾構(gòu)姿態(tài)及管片測(cè)量方法

類矩形盾構(gòu)盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)量采用基于測(cè)量機(jī)器人盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)采集系統(tǒng)[13],系統(tǒng)工作原理采用棱鏡加傳感器模式,如圖2所示。通過在類矩形隧道左右兩側(cè)各設(shè)置1個(gè)雙軸傳感器,相比傳統(tǒng)圓形盾構(gòu)隧道姿態(tài)測(cè)量不僅可以提高盾構(gòu)轉(zhuǎn)角測(cè)量精度和頻率,而且可同時(shí)獲取兩條線路各自的盾構(gòu)姿態(tài)。

圖2 類矩形隧道自動(dòng)測(cè)量原理

通過信息化管控技術(shù),開發(fā)平臺(tái)對(duì)應(yīng)的端口與界面,專門針對(duì)類矩形隧道特點(diǎn),實(shí)時(shí)監(jiān)控盾構(gòu)姿態(tài)信息,以雙隧道姿態(tài)實(shí)時(shí)顯示對(duì)歷史姿態(tài)信息的采集、存儲(chǔ),形成記錄并自動(dòng)形成變化曲線,各項(xiàng)數(shù)據(jù)可以隨時(shí)調(diào)閱,為后期分析提供依據(jù)。如圖3所示。

圖3 類矩形盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)歷史曲線

為指導(dǎo)類矩形盾構(gòu)推進(jìn),采用導(dǎo)向系統(tǒng)不間斷地對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),根據(jù)對(duì)應(yīng)環(huán)的盾構(gòu)姿態(tài)及測(cè)得的管片與盾構(gòu)的間隙變化,求出管片姿態(tài)。同時(shí)類矩形盾構(gòu)受到轉(zhuǎn)角影響時(shí),管片與盾尾間隙的關(guān)系不同于圓盾構(gòu),測(cè)定盾尾間隙的位置布置如圖4所示,同時(shí)測(cè)量8個(gè)點(diǎn)位。

圖4 盾尾間隙測(cè)量位置

由于類矩形盾構(gòu)斷面尺寸比圓形盾構(gòu)要大,行車限界與管片之間的距離相應(yīng)也有所擴(kuò)大。普通圓形隧道的限界富余量約為150 mm,而類矩形隧道富余量在240 mm以上,因此在保證行車限界的情況下,類矩形盾構(gòu)隧道偏差允許值也相應(yīng)的放寬。具體見表1—表2。

表1 隧道軸線平面位置和高程偏差允許值 mm

2.2 類矩形盾構(gòu)隧道控制網(wǎng)布設(shè)及測(cè)量限差優(yōu)化

推進(jìn)過程中選擇導(dǎo)向裝置所在一側(cè)布設(shè)平面及高程控制網(wǎng),其中,平面控制網(wǎng)為導(dǎo)線網(wǎng)形式,為盾構(gòu)推進(jìn)提供測(cè)量基準(zhǔn)。隧道貫通后,兩側(cè)布置控制點(diǎn),分別進(jìn)行貫通測(cè)量,為斷面測(cè)量及后期測(cè)量提供控制點(diǎn)。控制點(diǎn)布設(shè)位置如圖5所示。

圖5 類矩形隧道測(cè)量控制點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)城市軌道交通測(cè)量規(guī)范的要求,地鐵隧道貫通測(cè)量中誤差應(yīng)不高于平面50 mm、高程25 mm[14]。而對(duì)于類矩形盾構(gòu)隧道,由于斷面面積大,空間富余量高,因此對(duì)原有標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)放寬(見表3)。

表3 盾構(gòu)隧道貫通測(cè)量中誤差 mm

2.3 類矩形盾構(gòu)機(jī)盾尾變形監(jiān)測(cè)

由于類矩形盾構(gòu)盾尾形狀為橢圓,在盾構(gòu)直徑大、埋深較深,同時(shí)掘進(jìn)距離較長(zhǎng)的情況下,對(duì)于盾尾的穩(wěn)定需承受較大的考驗(yàn)。故而在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中必須對(duì)盾尾的變形情況跟蹤監(jiān)測(cè),在測(cè)量數(shù)據(jù)變化較小、盾尾形狀穩(wěn)定的情況下,每次測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)于技術(shù)部門備案。在測(cè)量數(shù)據(jù)顯示盾尾變形較大時(shí),及時(shí)通知技術(shù)部門一起上報(bào)項(xiàng)目總工程師解決。

盾構(gòu)機(jī)尾部的變形將直接影響盾尾的密封、管片的拼裝質(zhì)量甚至是整個(gè)隧道工程的安全,因此,非常有必要定期對(duì)盾尾變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)類矩形盾構(gòu)機(jī)特點(diǎn),在盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)時(shí)每20～30環(huán)監(jiān)測(cè)一次,在工程因各方面因素停工且盾構(gòu)機(jī)還位于隧道內(nèi)時(shí)每1周測(cè)量一次,根據(jù)類矩形盾構(gòu)機(jī)特點(diǎn)采用測(cè)量橫豎徑方法進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過對(duì)比每次橫豎徑數(shù)據(jù)變化情況得出類矩形盾構(gòu)機(jī)盾尾變形情況。橫徑測(cè)量原理為采用全站儀極坐標(biāo)法,通過采集左邊點(diǎn)、右邊點(diǎn)及中心的坐標(biāo)反算距離,豎徑測(cè)量原理采用幾何水準(zhǔn)法,測(cè)量頂部與底部的高差即為豎徑,測(cè)量示意如圖6和圖7所示。

圖6 橫徑測(cè)量

2.4 類矩形隧道斷面測(cè)量?jī)?yōu)化

針對(duì)類矩形的特殊斷面,使用三維激光掃描儀進(jìn)行斷面測(cè)量,可以規(guī)避常規(guī)斷面測(cè)量的局限性,由于類矩形隧道工作空間狹長(zhǎng),且左右線中間由立柱隔開,左右線無法通視,因此左右線獨(dú)立進(jìn)行三維激光掃描。

三維激光掃描每個(gè)測(cè)站掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是獨(dú)立的自由坐標(biāo)系統(tǒng),將每測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到施工控制坐標(biāo)系,這一過程稱為點(diǎn)云拼接,也是三維激光掃描數(shù)據(jù)處理和作業(yè)方式選擇的關(guān)鍵技術(shù)。點(diǎn)云拼接一般是采用公共點(diǎn)將不同測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)先整體拼接到同一自由坐標(biāo)系下,然后通過控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換到施工控制坐標(biāo)系下。對(duì)于隧道工程,由于隧道狹窄的特點(diǎn),每測(cè)站掃描的有效點(diǎn)云范圍有限,掃描一個(gè)完成的隧道需要的測(cè)站數(shù)較多,如通過公共點(diǎn)進(jìn)行搭接的點(diǎn)云拼接方式工作量較大,故本文采用的是點(diǎn)云絕對(duì)定位法[15]。

從測(cè)量原理上三維激光掃描儀可以看作是一臺(tái)高速動(dòng)態(tài)測(cè)角、無棱鏡測(cè)距的高性能全站儀。已知掃描儀中心坐標(biāo)和一個(gè)定向靶球坐標(biāo),即可將一測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)從獨(dú)立的自由坐標(biāo)系統(tǒng)定位到控制坐標(biāo)系,通過在掃描儀兩側(cè)各加裝一個(gè)測(cè)繪用標(biāo)準(zhǔn)圓棱鏡,兩個(gè)棱鏡的坐標(biāo)算數(shù)平均值即為掃描儀中心坐標(biāo);定向靶球內(nèi)部加裝一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)棱鏡,而定向靶球的球心與加裝的棱鏡中心一致,通過全站儀測(cè)出3個(gè)棱鏡在隧道控制坐標(biāo)下的坐標(biāo),即可計(jì)算出掃描儀中心坐標(biāo)和定向靶球坐標(biāo),將每測(cè)站掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到隧道控制坐標(biāo)系下后即可實(shí)現(xiàn)每測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的定位,這就是絕對(duì)定位法的點(diǎn)云拼接原理。

采集完成后利用Amberg Tunnel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)處理步驟如下:

(1)參數(shù)設(shè)置。輸入平曲線、豎曲線、橫坡等設(shè)計(jì)參數(shù)。

(2)點(diǎn)云降噪處理。通過設(shè)置與理論斷面固定距離、使用剪切線和剪切角過濾噪點(diǎn)數(shù)據(jù),一測(cè)站點(diǎn)云過濾前后效果如圖8所示。

圖8 點(diǎn)云過濾前后效果

(3)數(shù)據(jù)處理。設(shè)置點(diǎn)云采樣間隔為0.5 cm,點(diǎn)云數(shù)據(jù)與理論模型偏差彩色影像如圖9所示。

圖9 偏差值灰度影像

(4)斷面提取。可根據(jù)需求提取出任間隔里程(最小為1 cm間隔)或指定里程的斷面成果,成果偏差示意如圖10所示,斷面成果為全斷面數(shù)據(jù),可根據(jù)需求設(shè)站點(diǎn)云密度,并可以計(jì)算出中間立柱的垂直度。

圖10 類矩形斷面測(cè)量成果

(5)對(duì)提取的隧道斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于類矩形盾構(gòu)隧道的特殊性,施工過程中容易形成不同半徑搭接處管片的錯(cuò)縫,正常的人工測(cè)量難以識(shí)別,更無法精確地測(cè)量出錯(cuò)縫的具體位置及大小,本文試驗(yàn)通過同一斷面數(shù)據(jù)的突變?cè)瓌t準(zhǔn)確地分析錯(cuò)縫的位置與大小,實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)縫檢測(cè)的效果．

(6)隧道中心線的提取。由于該區(qū)間類矩形斷面為左右兩側(cè)為角度155°58′18″、內(nèi)半徑為2.75 m的圓弧,通過最小二乘擬合法擬合出圓弧的圓心,即為線路中心線坐標(biāo)。

由本次類矩形盾構(gòu)隧道檢測(cè)試驗(yàn)可得出,三維激光掃描不會(huì)因?yàn)閿嗝娴奶厥庑远鵁o法檢測(cè),且測(cè)量成果多樣化,完全滿足常規(guī)的隧道檢測(cè)需要。同時(shí)可根據(jù)斷面的特點(diǎn)提取關(guān)鍵部位的關(guān)鍵信息,達(dá)到傳統(tǒng)測(cè)量方法無法快速獲取的空間信息,且可直觀準(zhǔn)確地表達(dá)出相關(guān)測(cè)量成果的三維可視化。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合類矩形的斷面特點(diǎn),針對(duì)部分圓形盾構(gòu)隧道施工測(cè)量方法無法直接應(yīng)用于類矩形盾構(gòu)的問題,研究原有測(cè)量方法原理,結(jié)合類矩形盾構(gòu)隧道特點(diǎn)及其他新型測(cè)量手段,形成了整套的類矩形盾構(gòu)測(cè)量方法,同時(shí)對(duì)相應(yīng)的控制指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化,使其適應(yīng)度更高。信息化管控平臺(tái)也對(duì)類矩形盾構(gòu)進(jìn)行了針對(duì)性的開發(fā),實(shí)現(xiàn)了類矩形盾構(gòu)姿態(tài)、管片軸線等信息的可視化。針對(duì)類矩形的特殊斷面,將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在其斷面掃描中,解決了普通斷面掃描技術(shù)無法準(zhǔn)確提取單側(cè)隧道中心的問題,成功完成了類矩形斷面的測(cè)量提取工作。