廖振宇

(佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司， 廣東佛山 528000)

地下鐵道盾構(gòu)施工測(cè)量檢測(cè)方法探討

廖振宇

(佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司， 廣東佛山 528000)

結(jié)合廣佛城際軌道交通[菊樹—西塱]盾構(gòu)區(qū)間施工測(cè)量檢測(cè)的實(shí)踐，介紹兩井定向、陀螺定向和盾構(gòu)環(huán)姿態(tài)測(cè)量在地鐵盾構(gòu)法施工測(cè)量檢測(cè)中的應(yīng)用。

地下鐵道 測(cè)量檢測(cè) 兩井定向 陀螺定向 盾構(gòu)環(huán)姿態(tài)

1 工程概況

珠江三角洲城際快速軌道交通工程廣佛線[菊樹—西塱]盾構(gòu)施工區(qū)間， 左線設(shè)計(jì)里程ZDK18+424.368～ZDK20+340.068，全長(zhǎng)1908.007 m， 短鏈7.693 m；右線設(shè)計(jì)里程YDK18+423.206～YDK20+339.345，全長(zhǎng)1916.139 m。隧道埋深：-7.789m～-16.947 m。 沿線經(jīng)過(guò)珠江水產(chǎn)研究所、花地灣河和廣州地鐵一號(hào)線，其余部分區(qū)域較為空曠，建筑物較少。

本區(qū)間所處地形較平坦，地貌屬于海相沖積平原地貌特征，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)較為簡(jiǎn)單?；鶐r巖性主要為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、泥巖組成，夾含礫粉、細(xì)砂巖、礫巖；地下水類型主要有兩種：一種為賦存于第四系土層中的孔隙水；另一種是賦存于基巖風(fēng)化層及構(gòu)造破碎帶中的裂隙水。本區(qū)間適宜盾構(gòu)掘進(jìn)，隧道全線采用土壓平衡盾構(gòu)法施工，隧道開挖面直徑6.0 m，環(huán)片長(zhǎng)度1.5 m。

2 地面控制測(cè)量

3 施工測(cè)量檢測(cè)

3.1 兩井定向聯(lián)系測(cè)量

(1)平面聯(lián)系測(cè)量

兩井定向時(shí)，利用地面趨近導(dǎo)線測(cè)定兩吊錘線的平面坐標(biāo)值。在隧道中，將已布設(shè)的地下導(dǎo)線與豎井中的吊錘線連測(cè)，即可將地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)與方位傳遞到井下，經(jīng)計(jì)算求得井下導(dǎo)線各點(diǎn)的坐標(biāo)與導(dǎo)線邊的方位。

兩井定向外業(yè)工作包括：投點(diǎn)、地面與地下連接測(cè)量(如圖1所示)。

圖1 兩井定向聯(lián)系測(cè)量示意

兩井定向的內(nèi)業(yè)計(jì)算工作：

①根據(jù)地面連接測(cè)量的成果，按照導(dǎo)線的計(jì)算方法，計(jì)算出地面兩鋼絲A、B的平面坐標(biāo)(xA，yA)、(xB，yB)。

②計(jì)算兩鋼絲點(diǎn)A、B的連線在地面坐標(biāo)系統(tǒng)中的方位角αAB

(1)

④計(jì)算A、B連線在假定坐標(biāo)系中的方位角

(2)

⑤計(jì)算井下起始邊在地面坐標(biāo)系統(tǒng)中的方位角αAI

(3)

⑥根據(jù)A點(diǎn)的坐標(biāo)(xA，yA)和計(jì)算出的A1邊方位角αAI，計(jì)算出井下導(dǎo)線各點(diǎn)在地面坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)方位。

平面聯(lián)系測(cè)量外業(yè)注意事項(xiàng)：

①兩鋼絲間距離應(yīng)大于30 m，且越長(zhǎng)越好，減少投點(diǎn)誤差。

②宜采用φ0.3～φ0.5 mm直徑高強(qiáng)度鋼絲，懸掛10 kg重錘，并浸沒在阻尼液中。

③定向均應(yīng)獨(dú)立進(jìn)行3次，取3次的平均值作為定向成果。

④如果左右線同時(shí)做兩井定向且4根鋼絲能互相同視，可動(dòng)兩次鋼絲，相互連測(cè)，得出4組基線，取其平均值作為盾構(gòu)始發(fā)的基線。

(2)高程傳遞測(cè)量

通過(guò)豎井高程傳遞，將近井水準(zhǔn)點(diǎn)的高程，傳遞到井下高程測(cè)量起始點(diǎn)上。近井點(diǎn)的設(shè)置主要考慮點(diǎn)位穩(wěn)固和傳遞高程方便兩個(gè)因素。采用Ⅱ等水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)，通過(guò)精密水準(zhǔn)點(diǎn)引測(cè)至近井水準(zhǔn)點(diǎn)，水準(zhǔn)路線進(jìn)行往、返觀測(cè)。

圖2 鋼尺導(dǎo)入法傳遞高程

在地面搭建一懸掛鋼尺尺架，將鑒定過(guò)的鋼尺懸掛其上，下放到井下(如圖2所示)，A為地面水準(zhǔn)點(diǎn)，B為地下水準(zhǔn)點(diǎn)，將鋼尺懸掛于井上，使其自然下垂，鋼尺零點(diǎn)位于井下。在地面和井下分別安置水準(zhǔn)儀，在A、B所立水準(zhǔn)尺上取讀數(shù)a、b，然后在鋼尺上同時(shí)讀取讀數(shù)m、n，此外還需測(cè)定井上井下溫度t上、t下。

為防止出現(xiàn)粗差和提高觀測(cè)精度，儀器高變動(dòng)3次、鋼尺變動(dòng)兩次進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)定井上、井下水準(zhǔn)點(diǎn)高差的不符值(高差的不符值<±3 mm)。最終取3次觀測(cè)成果的平均值，從而得到高精度井下水準(zhǔn)點(diǎn)高程。根據(jù)下面公式可求得B點(diǎn)高程

(4)

式中，∑Δl為鋼尺改正數(shù)的總和，包括

溫度改正：Δlt=αl(t-t0)，α鋼尺的膨脹系數(shù)。

其中溫度改正用井上井下實(shí)測(cè)溫度的平均值， 式中，γ為鋼的單位體積重量，為7.8 g/cm3；E為鋼尺的彈性模量，一般取2×106kg/cm2，L為鋼尺懸掛點(diǎn)至地下掛錘球處的自由懸掛長(zhǎng)度；l為井上、井下水準(zhǔn)儀視線間的鋼尺長(zhǎng)度，即l=m-n。

3.2 陀螺經(jīng)緯儀定向

陀螺經(jīng)緯儀是陀螺儀和經(jīng)緯儀組合而成的定向儀器。運(yùn)用陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行隧道方位定向的常用方法主要有逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法和中天法。下面以逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法為例來(lái)說(shuō)明測(cè)定井下未知邊方位角的全過(guò)程。

在地面已知方位邊上采用2～4個(gè)測(cè)回測(cè)定儀器常數(shù)△前。

由于儀器本身?xiàng)l件和外部環(huán)境的影響，實(shí)際陀螺軸的平衡位置與測(cè)站真子午線的方位不重合，其夾角為陀螺經(jīng)緯儀的儀器常數(shù)，用△表示?！餍枰诘孛嬉阎轿贿吷蠝y(cè)定，關(guān)鍵是要測(cè)定已知邊的陀螺方位角TAB陀。測(cè)量TAB陀的步驟如下：

①在任意一點(diǎn)安置陀螺經(jīng)緯儀，嚴(yán)格對(duì)中整平，以盤左盤右兩個(gè)觀測(cè)值的均值作為已知方位邊的測(cè)前方位值M1。

②將經(jīng)緯儀的視準(zhǔn)軸對(duì)準(zhǔn)北方向，使其偏離陀螺子午線方向不大于60′。

③測(cè)量懸掛帶零位值(測(cè)前零位)，同時(shí)用秒表測(cè)定陀螺擺動(dòng)周期。

④啟動(dòng)陀螺馬達(dá)，緩慢下放靈敏部，使擺幅在1°～3°范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)水平微動(dòng)螺旋使光標(biāo)像與分劃板零刻度線隨時(shí)保持重合，達(dá)到逆轉(zhuǎn)點(diǎn)后，記下經(jīng)緯儀水平度盤讀數(shù)。連續(xù)記錄5個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的讀數(shù)，計(jì)算NT。

⑤進(jìn)行測(cè)后零位觀測(cè)。

⑥以盤左盤右兩個(gè)方向值測(cè)定已知邊的測(cè)后方位值M2。

⑦計(jì)算TAB陀。

于是可得

(5)

在井下定向邊上采用對(duì)向觀測(cè)、四測(cè)回測(cè)定陀螺方位角TAB陀。

返回地面后，及時(shí)在已知方位邊上測(cè)定儀器常數(shù)△后。

計(jì)算井下測(cè)邊的坐標(biāo)方位角αab

(6)

式中,γa為α點(diǎn)的子午線收斂角。

3.3 盾構(gòu)機(jī)環(huán)片姿態(tài)檢測(cè)

地鐵隧道工程施工過(guò)程中，為了及時(shí)檢測(cè)環(huán)片拼裝的橫向偏差和豎向偏差，確保隧道按設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確貫通，在隧道掘進(jìn)過(guò)程中，每隔一段時(shí)間用人工測(cè)量的方法對(duì)盾尾穩(wěn)定的環(huán)片進(jìn)行檢校，以檢核盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的正確性。

根據(jù)成型隧道內(nèi)徑制作一鋁合金標(biāo)尺，在鋁合金標(biāo)尺正中央位置做標(biāo)識(shí)，并在其側(cè)面貼上反射片，上部粘貼水平尺。測(cè)量時(shí)，將鋁合金標(biāo)尺水平放置在某一環(huán)片上，首先用水平尺把鋁合金標(biāo)尺精確整平，使用全站儀采用極坐標(biāo)法測(cè)量鋁合金標(biāo)尺的中心坐標(biāo)(X測(cè)，Y測(cè)，Z測(cè))，此時(shí)測(cè)出的Z測(cè)并不是環(huán)片中心的真實(shí)坐標(biāo)，需要根據(jù)環(huán)片的半徑和鋁合金標(biāo)尺的長(zhǎng)度計(jì)算真實(shí)的Z實(shí)坐標(biāo)

式中，R為環(huán)片半徑，L為鋁合金標(biāo)尺長(zhǎng)度。

使用計(jì)算機(jī)計(jì)算管片姿態(tài)時(shí)，將全站儀采集的外業(yè)數(shù)據(jù)，通過(guò)專業(yè)軟件傳輸下載并復(fù)制到EXCEL表格中，編輯成CAD可識(shí)別的三維坐標(biāo)，然后通過(guò)展點(diǎn)程序?qū)⒄砗玫娜S坐標(biāo)在隧道設(shè)計(jì)線路圖上畫出來(lái)，展點(diǎn)時(shí)一定要關(guān)閉對(duì)象捕捉命令。點(diǎn)位畫出來(lái)后，就可以通過(guò)CAD中的查詢命令直接測(cè)量管片的水平和垂直姿態(tài)。通過(guò)此種測(cè)量和計(jì)算方法，大大提高了環(huán)片檢測(cè)的準(zhǔn)確度。

4 數(shù)據(jù)處理與精度分析

4.1 豎井附近趨近導(dǎo)線測(cè)量

測(cè)量過(guò)程中，受儀器本身、外部環(huán)境和測(cè)量人員操作影響，不可避免地會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，因而需對(duì)每次聯(lián)系測(cè)量的成果進(jìn)行分析，以確保地鐵隧道施工的高精度性。以[菊樹-西塱]盾構(gòu)區(qū)間為例，精密導(dǎo)線控制點(diǎn)GF076、GFJ077、GFJ078、GFJ079形成附合導(dǎo)線；內(nèi)業(yè)經(jīng)嚴(yán)密平差后， 最大點(diǎn)位中誤差為±2.5 mm，最大點(diǎn)間中誤差為±1.8 mm，導(dǎo)線全長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/106 544，均滿足精密導(dǎo)線作業(yè)精度要求，為后續(xù)的聯(lián)系測(cè)量提供了高精度的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.2 兩井聯(lián)系測(cè)量

當(dāng)車站或區(qū)間豎井具備兩井定向條件時(shí)，應(yīng)采用兩井定向方法。菊樹站長(zhǎng)約200 m左右，且車站兩端都留有盾構(gòu)施工用的吊出井，因此在車站兩端左右線四個(gè)井口各投測(cè)一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，井上井下將投點(diǎn)用導(dǎo)線連接，構(gòu)成兩井定向圖形。施工期間在菊樹站前后進(jìn)行了五次兩井定向聯(lián)系測(cè)量?；€方位成果見表1。其中左線基線邊長(zhǎng)為80.960 4 m，方位角平均值為92°20＇29.96″，最大互差為5.3″；右線基線邊長(zhǎng)75.197 6 m，方位角平均值為92°25＇50.37″，最大互差為5.47″；高程最大標(biāo)準(zhǔn)偏差2.3 mm，最大互差為3.7 mm。

表1 聯(lián)系測(cè)量基線邊方位角

4.3 陀螺經(jīng)緯儀定向

本工程采用的陀螺經(jīng)緯儀是AGT-1高精度自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀，該陀螺經(jīng)緯儀一次定向標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5"，自動(dòng)尋北時(shí)間8 min，一測(cè)回需20 min。該儀器整個(gè)系統(tǒng)在掌上電腦的控制下，按中文菜單的指引，完成所有已知數(shù)據(jù)的輸入，測(cè)前測(cè)后自動(dòng)零位測(cè)量，自動(dòng)尋北、自動(dòng)檢核，測(cè)量誤差計(jì)算與數(shù)據(jù)處理，全部測(cè)量過(guò)程和測(cè)量結(jié)果自動(dòng)存儲(chǔ)、顯示。

在隧道掘進(jìn)至1 200 m時(shí)左、右線各進(jìn)行了一次陀螺定向。對(duì)比支導(dǎo)線測(cè)量的導(dǎo)線邊方位和陀螺經(jīng)緯儀定向的方位(見表2)可以看出，地下支導(dǎo)線的精度滿足盾構(gòu)掘進(jìn)要求。

表2 陀螺與導(dǎo)線測(cè)量方位角對(duì)比

4.4 盾構(gòu)環(huán)片姿態(tài)測(cè)量

在盾構(gòu)掘進(jìn)至150 m、450 m、1000 m和貫通前150 m，分別對(duì)盾構(gòu)機(jī)環(huán)片姿態(tài)進(jìn)行了檢測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)最大橫向偏差為-49 mm，最大縱向偏差為-35 mm。均滿足規(guī)范要求。由圖3和圖4可以看出，環(huán)片姿態(tài)誤差的分布規(guī)律均在限差±50 mm以內(nèi)，且均勻分布在0值附近。

圖3 盾構(gòu)線路中心坐標(biāo)實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值之差(橫向)

圖4 盾構(gòu)線路中心坐標(biāo)實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值之差(縱向)

在西塱站貫通后測(cè)得貫通平面誤差為：左線橫向貫通誤差為38.5 mm，縱向貫通誤差為1.0 mm，高程貫通誤差為1.9 mm；右線橫向貫通誤差為30.0 mm，縱向貫通誤差為28.6 mm，高程貫通誤差為6.4 mm，滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，珠江三角洲城際快速軌道交通廣佛線[菊樹—西塱]盾構(gòu)區(qū)間隧道施工測(cè)量檢測(cè)成果均滿足《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》(GB50308—2008)的要求，為該區(qū)間隧道的順利貫通提供了保障，為后續(xù)鋪軌和機(jī)電安裝工程的順利實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。廣佛線是國(guó)內(nèi)首條城際快速軌道交通項(xiàng)目，廣佛線的順利貫通為城際軌道交通的施工測(cè)量檢測(cè)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為日后城市軌道交通工程隧道施工測(cè)量乃至城際地下隧道測(cè)量檢測(cè)奠定了理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

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ExploretheUndergroundRailroadShieldConstructionMeasurementDetectionMethod

LIAO Zhen-yu

2014-04-30

廖振宇(1979—)，男，2003年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)巖土工程專業(yè)，工程師。

1672-7479(2014)04-0016-04

TB22

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