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1、1 盾构施工测量技术的研究 目录 关键词：误差 联系测量 控制网 导向系统.1 1、盾构隧道施工测量误差来源及分配.1 2、盾构隧道施工地面控制测量的研究与应用.3 3、地下控制测量.6 4、盾构姿态测量.8 5、管片环姿态测量.12 6、结束语.13 摘要：根据地铁施工隧道贯通的要求，并结合广州地铁三号线客大盾构区间施工的具体情况，本文介绍了盾构掘进时的测量方法及措施，特别是对制定测量方案、误差来源分析、地面控制测量、竖井联系测量、盾构隧道内施工测量控制网布设形式、控制点埋设位置、控制点样式及埋设形式、盾构机本身导向系统的使用功能，工作原理及应用进行了阐述；结合盾构机特点研究一套对盾构机自动
2、导向系统测量的准确性进行复核测量，以及对盾构机和管片进行定时姿态测量的方法。关键词：误差 联系测量 控制网 导向系统 地铁盾构法施工的首要任务之一是保证隧道精确贯通，因此在地下铁道工程测量精度设计中，合理地规定隧道贯通误差及其允许值，是地下铁道测量的一项重要研究任务。而贯通误差主要受地面控制网及地下控制网的影响，下面就在现场施工中遇到的实际情况围绕地面控制及地下控制及先进的测量方法、设备来谈谈影响隧道贯通误差的因素。1、盾构隧道施工测量误差来源及分配 1.1、盾构隧道施工测量的误差来源 结合盾构施工的特点，地铁隧道贯通测量误差主要来自于以下几个方面：a.地面控制测量；b.竖井联系测量；c.激光
3、站吊篮测量；d.地下延伸导线测量；e.盾构姿态测量。2 f.系统误差。1.2、隧道贯通误差限值控制及各阶段对测量误差分配 本工程的允许横向误差不超过50mm，高程允许误差不超过50mm，故其相应的中误差为25mm。1.2.1 平面测量的误差分配 横向贯通误差来源主要由地面控制导线测量误差、近井点联系测量误差，地下延伸导线测量及盾构机本身姿态的定位测量误差等影响因素。其他因素影响较小可以忽略不计。假设各项误差相互独立，则有：mQ2=mq12+mq22+mq32+mq42 式中：mq1：地面控制测量横向中误差；mq2：盾构施工竖井联系测量中误差；mq3：地下导线测量中误差；mq4：盾构姿态的定位测
4、量中误差；mQ：隧道平面贯通的横向中误差。考虑到本工程的实际情况，以及所用测量方法和已建地铁测量工作的实际经验，各种误差对横向贯通精度的影响，采用不等精度分配原则，取值如下：mq1=n mq2=3n mq3=3n mq4=2n 代入式中得：mQ=(mq12+mq22+mq32+mq42)1/2=4.8n 根据设计要求，本工程允许横向贯通误差为50mm，则其中误差 mQ=25mm。n=25/4.8=5.2mm 从而可以求得每道工序的测量中误差：mq1=5.2mm mq2=15.6mm mq3=15.6mm mq4=10.4mm 1.2.2 高程测量误差分配 高程测量的误差计算公式为：mH2=mh
5、12+mh22+mh32+mh42 式中：mh1：地面高程控制测量中误差；mh2：竖井传递高程的测量中误差；mh3：盾构机姿态高程测量中误差；mh4：由盾构进洞处到隧道贯通处地下水准测量中误差；mH：区间隧道高程贯通测量中误差。根据地铁测量的经验，高程测量误差采用不等精度分配取值如下：mh1=14mm mh2=10mm mh3=10mm mh4=14mm 3 代入式中得 mH=24.3mm25mm 按上述分配，进行平面和高程控制测量，我们只要把握每一环节的误差范围，都能满足本工程区间隧道的贯通测量的精度要求。2、盾构隧道施工地面控制测量的研究与应用 地面控制测量包括平面控制网测量和高程控制网测
6、量。2.1、地面平面控制网的布置 盾构机从大塘北端头施工竖井出发在中间风井第一次贯通，再从中间风井出发最终在客村调头断面处贯通，盾构隧道掘进示意图如图 1。我们根据业主给的二号线的 GPS 导线点和一级导线控制网，分别在始发井、中间风井和客村竖井近 YDK7+130.408 894.958m898.592mZDK7+130.408YDK8+059YDK8+029YDK8+668.41507.975m(1537.975m)大塘站1508.958m(1538.958m)始发30mZDK8+025.366ZDK8+055.36630m通过通过始发到达到达中间风井及矿山法隧道614mZDK8+668.
7、4609.383m说明：1、括号内的数字含矿山法隧道段长度；2、盾构隧道全长：3016.933m；含矿山法隧道区间全长3076.933m。3、施工竖井为平面尺寸246m，深有30m，中间有三道中隔墙，中隔墙深20m。客村折返段施工竖井台车调头主机调头到达解体吊出下井安装始发图 1 盾构隧道掘进示意图 井位置设置我们需要往井下传递的导线点，在始发竖井、中间风井和客村竖井附近各布设 4 个近井导线点，其中两个点作为坐标起算和起始方向，另两个点作检核方向。盾构施工导线平面控制网，起算于地铁 2 号线首级 GPS 控制网和一级导线控制网，采用规范规定的四等技术要求进行观测。为了提高整条线的贯通精度，我
8、们把大塘站、中间风井、客村站三个近井点的坐标统一纳入到地面坐标系中统一进行平差。2.2、地面高程控制网的布设研究 为了方便地下盾构隧道施工及地面的变形监测，在线路沿线布设一条二等加4 密水准线路，采取往返等距二等水准的施测方法观测，往返闭合差不大于 8L1/2，（L 为单程水准线路长度，以千米计）。2.3、地面控制测量实施 根据现场情况，在客村大塘之间利用地铁二号线的 GPS 和一级精密导线网复测然后再延伸到每个竖井近井点，其布设形式如下图 2：423GPS22图 2SJ13T4T6T3T1T5T2第出入口第出入口1、虚线为地下导线，实线为地面导线2、T2、T3、T4、T5为车站底第一层上的导
9、线点，S1、S2、S3、S4为车站底第二层上的导线点SJ12 图 2 大塘站地面控制网布设示意图 2.4、竖井联系测量研究 竖井联系测量是隧道贯通中的一个重要环节，它主要是将地表的平面及高程，通过钢丝法传至地下导线点及水准点，使洞内、外形成统一的空间坐标系统，以便确定隧道中线的空间位置。根据地面及地下的情况，我们刚开始采用导线法把地面坐标传递到地下，结果用导线法测量出来的成果比联系测量的成果要差，主要原因是受地形的限制，在布设导线时转点偏多从而降低了精度。最终采用竖井联系测量的方法传递坐标。竖井联系测量的内容包括：a.投点：将井口点位投影至井底，以便传算坐标和方位；b.定向：将井上定向边的方位
10、角按同一坐标系统传递井下的定向边，以便推算井下导线的起始坐标和方位。c.导高：将井上水准点的高程按同一高程系统传递到井下。2.4.1 竖井定向方法 根据地下铁道测量的精度等级要求和现有测量仪器的情况，我们在实际工作中利用现有的仪器和现有的条件制定了我们的测量方法，经过分析我们的线路长度只有 1.2 公里，用传统的联系测量方法就能满足我们的精度要求。2.4.2 竖井联系测量的要求 a.在进行联系测量前，须制定测量方案，根据地面控制测量，建立近井点平面控制和高程控制，在井底车场稳固的地面埋设不小于三个永久导线点和水准5 点，也可用永久导线点作为水准点。b.联系测量在同阶段、同时期应至少独立进行两次
11、，在互差不超过限差时，取加权或算术平均值。其精度应符合规范要求。c.每次联系测量前，应对近井平面控制点和水准点进行检测，在证实点位没有移动的情况下，才能进行联系测量。d.联系测量方案应根据仪器设备、技术水平及工程情况选定。其基本原则是在满足测量精度的条件下，最大限度的提高工效，优先选用新技术。凡井深大于40m 时，应根据横向及高程贯通精度要求进行竖井联系测量技术设计。2.4.3 竖井联系测量坐标和方位角传递选用的方法：a.坐标和方位角传递选用下列方法：当井筒不太深（100m 以内），井筒直径较大时，可采用联系三角形测量法：当开挖面距竖井中心小于 50m，可采用串线法（方向线法），超过 50m
12、以上，以光学投点配合陀螺仪定向方法为主；当两井间已贯通，可采用两井定向法。b.高程的传递方法有：井深在 40m 以内，可以采用钢丝导入法或长钢尺导入法；超过 40m，宜采用光电测距法。2.4.4 联系测量图形强度要求：井上井下联系三角形应满足下列要求：a.两悬吊钢丝间距不应小于 5m。b.定向角应小于 3 c.a/c 及 a/cd 的比值应小于 1.5 倍。d.用 J2 级仪器在地面、地下按全圆测回法均观测4 测回。2.4.5 竖井定向精度分析：经过竖井用联系三角形法将方向角传递到地下去时，地下导线起始方位角的误差，可用下式表示：M0=(M0)S2+(M0)2+(M0)P2 其中：(M0)S为
13、边长测量所引起的计算角度的误差(M0)为角度观测误差的影响(M0)P为用吊锤投点误差的影响 地面与地下联系三角形的形状相似，则(M0)S=如果 ms=0.8mm，=3，a=4.5m，b/a=1.5m，则：(M0)S=4.6(M0)2=2222baatgms2221212ababmm6 在实际工作中可以认为地下方向观测的误差约等于地面上方观测误差的一倍半,即 m1=1.5m，若再取b/a=1.5，则(m0)2=23.25m2（1+1.5+2.25）=30.9m2(m0)=5.5m 如地面测角中误差规定为 4，于是方向中误差为m=3 故得(m0)=16.5 当竖井深为 80m，吊锤线的距离为 5m
14、 时，其投点误差引起的方向误差大约为(m0)p=8 则地下导线起始方向角的误差为：mo=202020)()()(psmmm =22285.166.4=19 在进行竖井定向时，都要移动吊锤线，使方向的传递经过不同的三组联系三角形，进行的定向称为一次定向。三组联系三角形定向平均值的中误差为11319。经过理论探讨和实践证实：客大区间的线路较短，用联系测量的方法传递方位和高程可满足我盾构施工精度的需要，是一种较好的竖井定向方法，不仅提高了定向精度和定向的可靠程度，而且大大减少了定向时由于误操作造成的返工，提高了工作效率。3、地下控制测量 联系测量完成之后，我们得到经传递到地下起始边和高程，然后就是怎
15、样布设施工测量控制导线，以指导盾构机掘进。3.1、布设地下导线的要求 3.1.1 地下导线随着盾构推进而不断延长，导线点也随着盾构掘进而向前进行布设。根据我们施工无数次的测量复测发现盾构施工隧道的特殊性，地下施工控制导线精度将主要受到隧道里的折光的影响和不稳定的隧道管片环影响。3.1.2 为了消除和减弱折光差对横向贯通误差的影响，我们将施工测量控制导线点埋设在隧道两侧并且交叉向前延伸达到消除或减弱折光差影响的目的。（见图 3、图 4）7 55DT132432中间风井86768S图5 图 3 地下导线控制点平面布置示意图 图 4 托盘控制点布置图 3.1.3 施工测量控制导线点位的稳定，直接影响
16、到后续测量工作的精度。由于隧道的结构是由管片环组成，点位只能建立在管片环上，只要管片环不动点位就相对稳定，我们通过对现场测量控制点多次复测发现，盾构机前参考点后 100m的管片环基本趋于稳定，所以施工测量控制导线点选在盾构机前参考点 100m 后的管片环上是可靠的。3.1.4经过我们对施工控制导线长期的测量发现在埋设和测量时应注意以下几个方面：a、导线点一定要埋设在稳固、标志完好的地点。b、直线段施工控制导线点的平均边长 180m 左右，特殊情况下，不应短于100m，曲线段施工控制导线点的平均边长150m 左右，并要交叉分布。c、施工控制导线测量宜采用 II 级全站仪施测，左、右角各测两测回，
17、左右角平均值之和与 360较差应小于 4，边长往返观测各两测回，往返观测平均值较差应小于 7mm。d、施工控制导线最远点点位横向中误差应控制在25mm 之内。每次延伸导线之前，应对已有的洞内导线前三个点进行检测。如有变动应选择另外稳定的洞内导线点进行洞内延伸导线测量。e、洞内施工控制导线应在盾构掘进 300-400m 重复测量一次，每次测量的方8 向角应小于 7，在取重合点两次角值的平均值作为本次的测量结果。3.2、洞内单导线的估算 因我标段盾构的线路较短采用单导线，盾构法施工洞内的测量空间较大，顾我们布设成等边直伸导线，我们都知道横向误差是制约盾构隧道贯通的主要因素，按等边直伸形导线估算，其
18、最远点横向误差可用下式计算。2135.1nLmMaq 式中：ma：测角中误差 L：支导线长度；N：支导线边数。根据上式，按边长平均150m，测角中误差为 2.5计算，我们计算出地下控制导线任意一点的横向误差。下表给出了不同长度和边数的导线最远点横向误差。（见下图5）图 5 横向贯通误差与导线长度关系图 从上图 5 可以看出，当地下控制采用单一支导线形式，在一定的支导线长度和边数下，其精度很难大幅度提高。但是，由于我们工程贯通距离短，且中间还设有中间风井，所以我们的测量方案很容易满足工程要求。从表中我们不难看到隧道超过 2 千米精度很难有所保证，所以地下导线应布设成导线网、线形锁等形式，还可以适
19、当加测陀螺方位角来提高定向边的精度，对于城市地铁盾构法施工的隧道来说，现在的设计在 500-1000 米之间都设有中间风井，我们可以在中间风井贯通后再做两井定向，无形中又大大提高了我们的测量精度，以上可以作为在各种情况下今后盾构施工测量的依据。4、盾构姿态测量 4.1、盾构施工自动导向测量 4.1.1 自动导向系统的作用与优势 客大盾构项目采用德国 VMT 公司生产的 SLS-T 自动导向系统进行控制，该系统是目前世界上在地铁盾构法施工领域最为先进的隧道掘进机自动导向系统。加强了施工过程中的管理水平和提高工程自动化控制程度，减轻了人工测量的劳动导线长度与横向误差对照9.817.225.935.
20、646.357.9020406080600(4条)900（6条）1200（8条）1500（10条）1800（12条）2100（14条）导线长度m（边数）横向误差(mm)9 强度，提高盾构施工的速度，其主要目的就是为了确定各相关点的坐标，通过系统在盾构机操作室的电脑上显示前后参考点的水平和垂直偏离值、里程。使用该系统可以满足盾构法施工测量的需要。SLS-T 目前作为国际最先进的盾构测量导向系统之一，同人工逐环测量导向系统及陀螺加机械装置等方法相比较，主要有以下优点：a.可以显示盾构机的行进曲线（相对 DTA）；实时显示盾构机的位置坐标和相对偏差；实时显示盾构机的俯仰和旋转姿态，可实现远程控制。b
21、.测量复核的频率低。c.工作量相对小,施工过程中的导向测量需要人员少。d.施工控制方便，精度高。e.结合导向功能，实现在管片的拼装和管片环测量方面的应用。4.1.2 自动导向系统的组成及各部件的功能 SLS-T 自动掘进导向系统主要由以下部件组成：a:激光全站仪 测量角度及距离（图 5）。图 5 隧道顶部激光站位置安装布置图 b:电子激光接收靶 接收激光全站仪的激光，通过其可测出盾构机的俯仰和旋转姿态（图 6）。图 6 电子激光接收靶 10 c:后视棱镜 为导向系统提供后视点（图 7）。图 7 后视棱镜 d:黄盒子 给激光全站仪提供电源，同时也实现 PC 机和激光全站仪之间的通信。e:电脑（图
22、 8）图 8 电脑显示器 f:网卡 g:电缆卷盘 此外要实现该系统的功能，相关联的部件和软件还有：盾构机掘进系统的PLC，要实现一些附加功能的部件如自动测量盾尾间隙的部件、要实现管片环收敛等量测的部件等，隧道掘进软件等。整个系统的组成情况及各个部件之间的相互关联如图 9 所示：11 图 9 系统相互关联图 4.1.3 自动导向系统的工作原理 SLS-T 导向系统通过人工提供相关坐标，由激光全站仪实时测量盾构机姿态，实现控制盾构掘进姿态的目的。工作原理主要包括人工提供初始坐标和导向系统的建立、盾构施工中的导向作业及数据的处理这几个方面。4.1.3.1 初始坐标的取得和导向系统的建立 将地面控制点
23、通过联系测量引至始发竖井内，并以此作为洞内控制测量的依据，也是盾构机自动导向测量的依据。导向测量系统激光全站仪及后视点的初始坐标都是通过人工测量在竖井内控制点的基础上测得的，并输入到计算机中，作为下步施工中盾构机位置及姿态控制的基础，盾构掘进过程中导向测量通过吊篮上的强制对中点传递坐标，并通过洞内导线点对吊篮坐标进行复核，减少误差，确保精度。安放激光全站仪和后视棱镜的吊篮设置在已安装的管片上，安装吊篮时可利用水平尺使其基本保持水平，并安置牢固。受电缆线及线路曲线的制约，激光全站仪往往需靠前一些，根据长期以来对客大区间管片上浮偏移的统计，激光站可安放在 25 环以后比较稳定的管片上，确需再靠前安
24、放在尚未稳定的管片上，要特别注意导向系统方位检查的情况，一旦超限，要立即检查原因或进行激光站复测。4.1.3.2 盾构掘进中的导向测量 盾构机掘进过程中，安装在盾构机上的电子激光接收靶（ELS 靶）不断向前移动，安装在盾构机后方已完成的隧道顶部的激光全站仪发出的激光光束自动跟踪并射在 ELS 靶上。激光全站仪的坐标由人工给定并提前输入电脑，系统可根据激光入射点在光靶上的位置、角度和距离推算出盾构机前后参考点与线路中线的偏移值，由光靶内内置的倾斜仪可测出盾构机的转角和俯仰角，从而得出盾构机的姿态参数。以图文的形式在操作控制室内显示出来，以指导盾构机的掘进施工。受导向系统电缆长度的影响，需每隔 5
25、0 米左右对激光站及后视靶的位置进行人ELS接收靶黄盒子激光全站仪控制盒电脑调制解调器电缆线12 工前移一次。4.1.3.3 对盾构机自动导向系统调试 为了控制盾构机自动导向系统的精度，确保隧道的准确贯通，需定期利用洞内的控制导线，来校核和调整激光全站仪的坐标及人工测定盾构机的位置与SLS-T 自动导向系统显示的盾构机的位置是否一致，而对盾构机自动导向系统进行调试。调试工作主要是确保测量控制点稳定、可靠，避免因吊篮控制点位移或导向系统本身的误差引起偏差。4.2、盾构机人工测量的计算原理和方法 准确测定盾构机姿态是确保隧道贯通的重要环节。虽然盾构机所配备的测量自动导向系统是很先进的，但是，由于制
26、约导向装置本身精度的主客观因素很多，导向装置提供的数据往往其它原因精度不高、数据不可靠。为了使 SLS-T 系统测出的盾构机姿态精准、可靠，我们必须依靠人工测量方法对盾构机导向系统进行检核，对盾构机姿态进行检核测量。盾构机的主体和盾尾之间是由铰接连在一起，所以主体和盾尾不一定在同一状态，要想测出盾构机姿态所利用的空间很少。由于这些客观条件的制约，要利用人工测出盾构机的姿态有一定的难度，人工测量盾构机姿态是利用对盾构机盾尾的一些固定点位的测设,通过人工计算，得出盾构机相关的姿态参数，但计算比较繁琐。可以借助于 AutoCAD 工程绘图软件进行坐标转换，使计算过程简单明了。盾构机制造时，在盾尾视线
27、较好的位置选择了许多测量点，并精确测得以前参考点为原点的各点的三维坐标做为独立坐标。通过人工测量，可测得其中任意三点在大地坐标系中的三维坐标。利用 AutoCAD 的坐标转化功能将这三点及盾构机前后参考点的独立坐标转换为掘进中的大地坐标。各参数的计算也借助AutoCAD 软件，这样便可得到盾构机的各种参数。通过以上计算，便可得出盾构机的姿态，与 SLS-T 导向系统进行比较，我们确保每周人工测量一次盾构机姿态,其计算结果与 SLS-T 导向系统所测的结果一致。实践证明我们所采取的方法和措施是方便可行的。5、管片环姿态测量 管片环姿态测量主要是测定管片环安装位置是否符合设计要求。自动导向系统的管
28、片环测量一般和盾构机姿态测量同时进行，其所测的管片环状态为管片环背后未注浆前的瞬间状态，随着注浆压力和围岩应力对管片环的作用，管片环的空间位置将发生微小的变化，需要人工进行13 测量复核。方法是利用全站仪和辅助工具测定管片环上或与管片环相关的一些特征点，从而通过几何计算确定管片环安装位置的正确性，衬砌管片环测量内容包括：环中心偏差、环的椭圆度、环的高程和坡度、环两侧纵向超前量以及环的横向旋转等，其中环中心偏差是管片环姿态最主要的控制参数，其限差根据相关规范要求确定。图 10 横尺法管片环姿态测量 通过在客大盾构区间左右线的测量实践，我们认为横尺法（如图 10）测量管片环姿态方便快捷。即在横尺上找到一个与管片中心有一相对关系的点，利用全站仪测定其坐标，根据该点与环中心的相对关系，推算出环中心的坐标，再与设计坐标相比，即可得出环中心偏差值。6、结束语 通过以上叙述，可以看到在盾构施工测量中影响贯通精度的因素是多方面的，只有我们优化测量方案，利用先进的测量仪器，把握住每一个环节，严格规范每一步操作程序，就能满足施工的要求，特别是在 VMT 导向系统新技术的应用上，操作简便，大大地减轻了测量人员的工作量，不仅能快速、准确地获得测量数据，而且还可以根据测量数据及时指导我们施工。