地铁隧道贯通测量

地铁隧道贯通测量林正庆上海地铁一号线纵贯市区，全长14.7km，是上海目前较大的市政施工项目之一。上海隧道一号线全线采用盾构机械施工，施工时要进行跟踪测量，即贯通测量。隧道贯通测量精度指标有多种，其中横向和竖向精度指标最为重要，是衡量隧道掘进的准确程度的标准。贯通测量指导盾构到达竖井预留门洞，要求准确贯通，因此贯通测量在盾构施工中起到很重要的作用。地铁隧道贯通测量的目的，是使盾构准确地沿着设计轴线开挖推进，并进入接收井的预留门洞。盾构机头中心与预留门洞中心的偏差值称为贯通误差。预留门洞的大小，应该是盾构内径、隧道内衬管径厚度、施工误差、测量误差这四个方面的总和。测量误差如能达到设计所要求的±5cm，就能达到贯通测量规定的要求。但一般情况下，建设单位为了保证质量起见，对测量精度提出更高的要求。上海地铁一号线平面首级控制为四等空中导线，一般点位设置在区间隧道附近较稳定的高大建筑物上，观测视线由空中传递，并采取强制归心测角测距。高程控制点为二等几何水准网进行联测，点位远离施工区，较稳定。地面坐标传递到进下隧道的方法，一般采用方向线法、投点法两种；高程控制传递至井下采用钢尺悬挂观测法进行。常熟路站至陕西南路站区间隧道工程，由于受施工现场条件的限制，采用常规的地面坐标传递到井下的方向线法和投点法已不能保证精度，而采用经纬仪加光电测距仪直接进行传递，这是首次。1工程概况地铁一号线常熟路站至陕西南路站区间隧道工程全长742m，为上、下两平行隧道，位于淮海中路下面。该区间隧道采用逆向施工技术进行掘进，先埋设地下管线，在隧道轴线上预留门洞，再进行路面铺装，而后进入地下施工。两车站各预留施工沉井，井口边长仅8m，且偏离隧道轴线设置。沉井深15m，施工出土、进料都由井口通过。同时控制点受施工现场限制，控制点所在的建筑物在施工区沉井旁，建筑物沉降使控制点产生位移，由此给确保隧道贯通测量的精度带来很大难度。隧道贯通测量误差，是指纵、横向和竖向误差。纵向误差影响掘进长度，横向、竖向误差则影响贯通的准确性。2横向贯通测量横向贯通测量一般包括：地面控制测量；竖井联系测量；井下导线测量。如图1，Ⅳ424甲控制点设置在常熟路附近建筑物上，距井口170m。Ⅳ423在瑞金路比较稳定的建筑物上，距井口约180m。这两点是该地铁区段上、下行线隧道贯通测量的起始点。图1控制点分布图2.1误差源（1）Ⅳ424甲~Ⅳ423方向与隧道轴线近似平行，故起始边长度误差对横向贯通误差的影响可忽略不计。Ⅳ423设置在稳固的建筑物上，点位误差可不计。关键是Ⅳ424甲因施工现场条件限制，所在的建筑物旁是正在施工的车站出入口沉井，建筑物的沉降可能产生控制点位移，控制点复位后的坐标与初始坐标点位误差M1=±10mm。（2）传递至沉井口控制点的点位中误差mmSmmMs5.32)/(222式中ms=±12mm，mβ=±2.5″，S=180m（3）井下导线实际为一支导线，其终点横向点位中误差为：mmnsmm163/)5.1()/][(23式中mβ=±2.5″，[S]=742mm，n=8（4）进洞时的联系测量，常规方向线法、投点法在施工现场不宜采用，故采用经纬仪配测距仪，使用直接传递法进行进洞联系测量。建设单位要求测量贯通中误差为：M横=±25mm偏差值分配：mmMMMMM3.112/23222124横联系测量的允许测角中误差：2.3]/[sMMsa式中[S]=742m。井口的联系（图2）情况为图2井口联系测量●测角照准外面为长边，进洞为短边；●测站—1至0号点垂直大于30度；●测站—1至0号点传递距离方向大致垂直于隧道轴线，所产生距离误差对横向精度产生影响。这三种因素使贯通精度锐减。2.2针对误差来源采取的对策（1）各控制点均为强制归心的金属墩或砖砌标，井下导线点在隧道管片壁上双层吊篮内设置，一层为观测人员站，另一层为经纬仪设站，设站为强制归心，以消除对点误差。（2）为了监测Ⅳ424甲控制点稳定性，并可恢复原有坐标值，同时为保持与原地铁控制点系统的连贯性，在远离施工区较稳定的建筑物上设置Ⅲ504、Ⅳ425、Ⅳ431等三个控制点，与Ⅳ424甲点构成大地四边形边角控制网（图1），按《城市测量规范》三等控制测量精度规格要求进行施测。施测中采用WILDT2经纬仪测角9测回，用DI2002红外测距仪，标称精度（1mm+ppm·D）作对向测距。表1网的精度和Ⅳ424甲坐标变化日期测角中误差（″）最弱边相对中误差X（m）Y(m)93.2.1193.7.693.9.1694.2.171.121.131.540.721/36万1/28万1/20万1/38万27756.1981.2000.1983.211212978.3654.3848.3919.3776控制点监测安排在盾构机掘进之前、盾构机出洞之前的井下导线最后一次施测之前以及洞门中心坐标施测之前进行。每次复测对Ⅲ504、Ⅳ425、Ⅳ431所构成的三角形外业成果进行分析比较，其固定角不超过±1.8″2，测距相对精度不超过1/8万，则可用作严密的边角网平差推算Ⅳ424甲坐标。表1可见，Ⅳ424甲受建筑物沉降影响，不稳定。X值最大变化1.31cm，Y值最大变化2.65cm，超过设计规定要求，每复测一次后采用复测的新坐标。每次三角网复测，必须对网的另一端控制点Ⅳ423作定向联测，测角9测回，对向测距。由表2分析，X最大差值为0.76cm，Y最大差值为1.7cm。经分析Y变化与测距有关，对Ⅳ424甲~Ⅳ423两点方向角影响在规定范围之内，所以Ⅳ423点坐标全部采用初始观测成果。表2Ⅳ423坐标变化日期X（m）Y（m）93.2.1193.7.693.9.1694.2.1728268.1386.1441.1366.144214016.2564.2407.2520.2392（3）联系测量中，经测试，觇牌与测站相距18m，觇牌中心与仪器中心有2~3秒偏差。为此，专门加工一种特制觇牌，经检定证明，特制觇牌中心与仪器中心一致。另外，经纬仪基座圆水泡置平精度不能确保照准觇标垂直性，添置了附有长水泡的基座架头，使垂直精度得到保证。联系测量中，井口测站至井底测站的垂直角大于30°，经纬仪的旋转轴不垂直而产生的水平角误差，可采用长水泡读数，计算后进行角度改正。由于现场条件限制，操作不便，为此在现场进行模拟试验，结果证明，经过附件配置后的这架经纬仪垂直轴垂直关系符合要求，能满足地铁隧道贯通测量精度。联系测量中，长、短距离的目标照准之比约10：1，采用同一方向正倒镜观测法观测联系方向，以减少调焦误差对水平角观测的影响。联系测量中，测站-1至0#点的距离传递使用标称精度为（1mm+1ppm·D）红外测距仪，减少了因测距误差而引起横向误差增大。（4）井下导线点是固定在管片顶部双层吊篮按四等导线要求进行测量。优点是精度能保证，点位不受损坏，掘进施工互不干扰。控制点距离按平曲线半径和竖曲线的坡度而定，一般为100m左右。为确保精度，该支导线采用双导线或闭合复测法检查，新吊篮坐标引测，也可采用比较稳定的后两吊篮几次坐标平均值，作为起始坐标或起始方位。井下导线可隔站观测，增大导线边长，减少测站数，提高精度。隧道贯通横向误差，主要根据坐标值变化大小，针对各类误差来源，采取各种对策，取得成效。从上、下行线导线成果数据表分析，经几次重复施测，上行线同一点X坐标值最大误差为1.65cm，下行线同一点X坐标值最大误差为2.66cm，保证了贯通精度。为盾构机的正确推进提供了基础保证。3竖向贯通测量在每一地铁车站附近都设有地铁二等水准点，按二等精密水准测量要求，引测高程至沉井口临时点上。地面高程传递至井底，采用悬挂钢尺法（经鉴定后的钢尺）传递至井底两固定点上，隧道内高程点间距一般在100m以内，按三等水准要求施测。误差分析及闭合差分配：（1）地面两固定水准点间允许误差mmRM441（R按1km计算）（2）固定水准点分别引测高程至两井口临时点的允许误差mmRM4241（R按500m计算）（3）隧道内三等水准偶然中误差mmM33（R按1km计算）（4）建设单位要求竖向贯通测量误差mmM254（5）地面高程传递至井底高差中误差为mmMMMMM5.24232221245因高程传递两井分别进行，则单井高程传递为mmMM3.172/55由于采用悬挂钢尺法高程传递，其中误差不超过±3mm，所以竖向贯通测量精度容易达到。4盾构机控制量地铁隧道贯通精度包括三维控制测量以及盾构机施工三维控制测量。前者控制测量是基础，其精度直接影响贯通；后者控制测量是依据前者的三维控制坐标，指导控制盾构机按投计轴线掘进，保证隧道管片安装精度。两者相互依存，是贯通精度的保证。盾构机在推进过程中，测量人员首要任务是牢牢地掌握盾构机方向，让盾构机沿着设计里程、轴线、高程掘进，并正确进入接收井口的预留门洞。盾构机在推进过程中，应考虑因旋转对水平偏差的影响，使盾构中心轴线与理论轴线相互一致。盾构机每向前行经的距离全靠千斤顶伸出的行程量。对于直线段和曲线路径都要导出公式，改正盾构机切口和尾部对理论轴线行径的改正数，因此对盾构机控制测量必须采取以下方法和措施：在盾构机顶部中心轴线上，固定一水平前尺和水平后尺，并量取距离（图3），以控制盾构横向偏差。2.4721.5402.538切前后盾口尾图3盾构机顶部测尺布置盾构推进方向中心轴左方水平尺刻划为红色，右方刻划黑色注记。经纬仪拔角指向水平红色，读数为“+”，黑色读数为“—”。（2）在水平后尺中心固定一根水准尺，尺底指向盾构中心3.13m处引测中心高程。（3）在质构旁腔内悬挂1m长的垂球，指向刻划为1cm×1.74cm的坡度板。纵向刻划每隔1cm计算切口和盾尾高程；横向刻划1.74cm表示1度，计算盾构转角改正数。以上数据根据几何原理，导出下列计算公式：（1）平面部分转角改正后尺前尺sin2640sin2475α为转角，右转为负号，左转为正号。设计轴线与推进轴线不平行偏差计算：切口差：—1.605×读数差尾部差：2.648×读数差（2）高程部分令坡度为I，与设计值差为：⊿切口=i×4.012；⊿盾尾=i×2.538仰为“+”，俯为“—”。根据该推算公式，控制好盾构机切口和盾尾的平面和高程偏差，推进后每一环管片的偏差必将在精度范围之内。地铁常熟路站至陕西南路站区间隧道上行线于1993年9月底贯通，下行线于1994年4月中旬贯通。通过验收，其贯通精度是地铁1号线各区间隧道精度最好的，深受建设单位好评。实践证明，地面坐标点传递到井下采用直接传递法，简便高效，只要加强各项技术措施，精心作业，定能取得好的成效。同时为今后的地铁隧道贯通测量积累了经验。