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1、盾构施工测量技术1摘要：l 通过对盾构施工测量技术的研究，并结合客大盾构的具体情况，制定合理的测量方案，使地面控制测量和竖井联系测量达到最佳效果；初步选定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；结合盾构施工的特点，研究和分析盾构机本身导向系统的使用功能，工作原理及应用；结合盾构机特点研究一套对盾构机自动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。2一、盾构隧道施工测量误差来源及分配二、盾构隧道施工地面控制测量的研究 与应用 三、地下控制测量 四、洞内单导线的估算五、盾构姿态测量 目 录3一、盾构隧道施工测量误差来源及分配l为保证贯
2、通测量有足够精度，我测量组针对盾构施工测量的特点进行误差分析，为以后的测量工作在精度控制上有所保证和提高。l1、盾构隧道施工测量的误差来源l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：la.地面控制测量；4一、盾构隧道施工测量误差来源及分配lb.竖井联系测量；lc.激光站吊篮测量；ld.地下延伸导线测量；le.盾构姿态测量。l2、隧道贯通误差限值控制及各阶段对测量误差分配l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。5（1）平面测量的误差分配l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
3、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：lmQ2=mq12+mq22+mq32+mq42l式中：mq1：地面控制测量横向中误差；l mq2：盾构施工竖井联系测量中误差；l mq3：地下导线测量中误差；l mq4：盾构姿态的定位测量中误差；l mQ：隧道平面贯通的横向中误差。6（1）平面测量的误差分配l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：lmq1=n mq2=3n mq3=3n mq4=2nl代入式中得：lmQ=(mq12+mq22+mq32+m
4、q42)1/2=4.8nl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。ln=25/4.8=5.2mml从而可以求得每道工序的测量中误差：lmq1=5.2mm mq2=15.6mm mq3=15.6mm mq4=10.4mm7（2）高程测量误差分配l高程测量的误差计算公式为：lmH2=mh12+mh22+mh32+mh42l式中：mh1：地面高程控制测量中误差；l mh2：竖井传递高程的测量中误差；l mh3：盾构机姿态高程测量中误差；l mh4：由盾构进洞处到隧道贯通处地下水准测量中误差；l mH：区间隧道高程贯通测量中误差。l根据地铁测量的经验，高程测量误差采用
5、不等精度分配取值如下：lmh1=14mm mh2=10mm mh3=10mm mh4=14mml代入式中得mH=24.3mm25mm8总结:l按上述分配，进行平面和高程控制测量，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。9二、盾构隧道施工地面控制测量的研究与应用平面控制网测量高程控制网测量地面控制测量101、地面平面控制网的布置l盾构机从大塘北端头施工竖井出发在中间风井第一次小的贯通，在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，在我们分别在始发井、中间风井和客村竖井近井位置设置我们需要往
6、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。l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。11盾构隧道掘进示意图122、地面高程控制网的布设l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）。133、地面控制测量实施l根据现场情况，利用业主交给的GPS点和一级精密导线网经复测后，再延伸到每个竖井近井点。l延伸的近井导线点
7、必须要满足下一道测量工序的需要，选点的位置必须要保证在现场不被破坏和扰动。l下图为地铁三号线大塘站地面控制网布设形式：14图1 大塘站地面控制网布设示意图 图1 大塘站地面控制网布设示意图154、竖井联系测量l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，通过井筒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。因此，竖井联系测量的内容包括：la.投点：将井口点位投影至井底，以便传算坐标和方位；lb.定向：将井上定向边的方位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；lc.导高：将井上水准点的高程按同一高程系统传
8、递到井下。16（1）竖井定向方法l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。17（2）竖井联系测量的要求la.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点，也可用永久导线点作为水准点。lb.联系测量在同阶段、同时期应至少独立进行两次，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。lc.每次联系测量前，应对近井平面控制点和水准点进行检测，
9、在证实点位没有移动的情况下，才能进行联系测量。ld.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。183）竖井联系测量坐标和方位角传递选用的方法：l（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。193）竖井联系测量坐标和方位角传 递选用的方法：lb
10、.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。20（4）联系测量步骤如下:l在竖井中悬挂两根吊锤线B、A，称为投点，吊锤重量和吊锤丝的直径随井深的不同而不同（例如在井深为100m时，吊锤重60kg，钢丝直径为0.7mm），为了使吊锤很快静止下来，一般将其放入盛有油类液体的容器中。等待钢丝静止下来后，在井上井下钢丝上贴反射棱镜片。21（4）联系测量步骤如下:l在近井控制点C设置全站仪，后视另一控制点D，观测水平角DCB和DCA，即图中和，并用全站仪测量三角形的边长a、b和c。在地下架仪器于地下近井点C，类似观测和，并测量a、b和c。其中B和
11、A分别为B、A的投影点，D为另一导线点。三角形ABC和三角形ABC称为联系三角形。l井上井下联系三角形应满足下列要求：22（4）联系测量步骤如下:la.两悬吊钢丝间距不应小于5m。lb.定向角应小于3lc.a/c及a/cd的比值应小于1.5倍。ld.用J2级仪器在地面、地下按全圆测回法均观测4测回。23（5）竖井定向精度分析：l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：lM0=(M0)S2+(M0)2+(M0)P2)1/2l其中：(M0)S为边长测量所引起的计算角度的误差l(M0)为角度观测误差的影响24（5）竖井定向精度分析：l(M0)P为用吊锤投
12、点误差的影响l地面与地下联系三角形的形状相似，则l(M0)S=l如果ms=0.8mm，=3，a=4.5m，b/a=1.5m，则：l(M0)S=4.625（5）竖井定向精度分析：l(M0)2=l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l(m0)2=23.25m2（1+1.5+2.25）=30.9m2l(m0)=5.5ml如地面测角中误差规定为4，于是方向中误差为m=326（5）竖井定向精度分析：l故得(m0)=16.5l当竖井深为80m，吊锤线的距离为5m时，其投点误差引起的方向误差大约为(m0)p=8l则地下导线起始方向角
13、的误差为：lmo=l =l =19l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11”。27 小总结：l经过理论探讨和实践证实：地铁区间线路较短，而且中间有设置中间风井，用联系测量的方法传递方位和高程可满足我盾构施工贯通精度的需要，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。28 三、地下控制测量l1、联系测量完成之后，我们得到经传递到地下起始边和高程，然后就是怎样布设施工测量控制导线，以指导盾构机掘进。l2、地下导线随着盾构推进而不
14、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。29 三、地下控制测量l3、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。图3 托盘控制点布置图30三、地下控制测量l5、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：la、导线点一定要埋设在稳固、标志完好的地点。lb、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
15、长150m左右，并要交叉分布。31三、地下控制测量lc、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，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。ld、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。le、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。32四、洞内单导线的估算l盾构法施z工洞内的测量空间较大，顾我们布设成等边直伸导线，我
16、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，其最远点横向误差可用下式计算。l式中：ma：测角中误差 L：支导线长度；N：支导线边数。33四、洞内单导线的估算 l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。（见右图）34四、洞内单导线的估算l从上图可以看出，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，由于盾构隧道工程贯通距离短，且中间还设有中间风井，所以很容易满足工程贯通精度要求。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
17、地下导线应布设成导线网、线形锁等形式，还可以适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。35五、盾构姿态测量l1、盾构施工自动导向测量l（1）自动导向系统的作用与优势36五、盾构姿态测量l盾构施工之前首先要将测量控制点从地面引到井下地板上,检查好洞门的位置,调试好盾构机始发托架,确保盾构机始发前定位的准确性。盾构机掘进过程中的姿态控制是盾构法施工中控制隧道精度的关键，也是盾构施工操作水平的主要反映。
18、因此，测量人员需要实时为盾构机操作手提供盾构机偏离隧道设计中线的数值及盾构机自身的仰俯、旋转和偏航情况，作为纠编的依据，以确保运动中的盾构机始终被控制在理想的偏差范围之内。37五、盾构姿态测量l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。lSLS-T目前作为
19、国际最先进的盾构测量导向系统，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：38五、盾构姿态测量la.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。lb.测量复核的频率低。lc.工作量相对小,施工过程中的导向测量需要人员少。ld.施工控制方便，精度高。le.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。39五、盾构姿态测量l（2）自动导向系统的组成及各部件的功能l SLS-T自动掘进导向系统主要由以下部件组成：la:激光全站仪l测量角度及距离。图4 隧道顶部激光站位置安装布置图 40五、
20、盾构姿态测量lb:电子激光接收靶l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5 电子激光接收靶41五、盾构姿态测量lc:后视棱镜l为导向系统提供后视点。图6 后视棱镜42五、盾构姿态测量l d:黄盒子l 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。le:电脑图7 电脑显示器43五、盾构姿态测量lf:网卡lg:电缆卷盘l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。44五、盾构姿态测量l 整个系统的组成情况及各个部件之间的相互关联如图所示
21、：图图8 8 系统相互关联图系统相互关联图45（3）自动导向系统的工作原理lSLS-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。46（3）自动导向系统的工作原理 l初始坐标的取得和导向系统的建立l将地面控制点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
22、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。47（3）自动导向系统的工作原理 l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。48（3）自动导向系统的工作原理 l盾构掘进中的导向测量l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
23、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50米左右对激光站及后视靶的位置进行人工前移一次。49（3）自动导向系统的工作原理 l对盾构机自动导向系统调试l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，来较核和调整激光
24、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。502、盾构机的人工复核测量l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。512、盾构机的人工复核测量l（1）人工复核的计算原理和
25、方法l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。522、盾构机的人工复核测量l盾构机制造时，在盾尾视线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初始坐标。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提供的ALGIN命令将这
26、三点及盾构机前后参考点的出厂初始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，方法如下（客大盾构区间采用的盾构机前后参考点的设计距离为3.9303m）：532、盾构机的人工复核测量la.前后参考点与隧道中心线的水平、垂直偏离值可直接从转换过来的前后参考点实测坐标向设计隧道中心线做垂线，list命令分别显示出两段垂线的属性，X和Z方向的值就是偏离中心线的水平和垂直数值。lb.实测里程就是前参考点向隧道设计中心线所做垂足处的里程。lc.偏航角=（前参考点的水平偏移值-后参考点的水平偏移值）/3.9303m。ld.机体旋转角=（所测的三点中任意两点实测高程之差-该两点设计高程之差
27、）/该两点的三维距离le.仰俯角=（前参考点的实测高程-后参考点的实测高程）/3.9303m.l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。542、盾构机的人工复核测量l（2）人工测量盾构机姿态的具体操作l根据“开拓一号”盾构机的构造，在管片拼装机侧面的爬梯顶部安设一个固定点，作为测量的转点。盾构机的人工姿态测量必须在盾构机停止的状态下进行。测量人员利用激光站和后视靶所提供的坐标，测出转点的三维坐标，再将转点与激光站作为初始边，测出在转点处观测视线
28、较好的三个测点，记录其三维坐标，作为内业计算的依据。55（2 2）人工测量盾构机姿态的具体操作）人工测量盾构机姿态的具体操作l根据“开拓一号”盾构机的构造，在管片拼装机侧面的爬梯顶部安设一个固定点，作为测量的转点。盾构机的人工姿态测量必须在盾构机停止的状态下进行。测量人员利用激光站和后视靶所提供的坐标，测出转点的三维坐标，再将转点与激光站作为初始边，测出在转点处观测视线较好的三个测点，记录其三维坐标，作为内业计算的依据。56 3、管片环姿态测量l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
29、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变化，需要人工进行复核测量，为掘进过程中管片上浮提供依据。客大盾构区间每拼装5环，就逐环测量一次，确认已稳定的管片环可不进行重复测量。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，广州地铁测量规范规定，环中心偏差应控制在5cm以内。57 3、管片环姿态测量图9 横尺法管片环姿态测量58 3、管片环姿态测量l通过在客大盾构
30、区间左右线的测量实践，我们认为横尺法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。59 六、结束语l盾构施工测量工作，是盾构机的眼睛，是盾构施工测量工作，是盾构机的眼睛，是否能让一条隧道精确的贯通，是测量的关否能让一条隧道精确的贯通，是测量的关键，希望在座从事地下工程测量工作的各键，希望在座从事地下工程测量工作的各位同仁，在施工过程中严格把关，共同努位同仁，在施工过程中严格把关，共同努力，提高我国地下工程测量的整体技术水力，提高我国地下工程测量的整体技术水平。平。60