地鐵盾構(gòu)隧道貫通測量誤差的控制與實施

劉鵬程，戴建清

(長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，湖南 長沙 410007)

1 引 言

為解決城市低碳出行和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，我國現(xiàn)有30 多個城市正在進(jìn)行城市軌道交通(地鐵)建設(shè)。地鐵建設(shè)現(xiàn)采用盾構(gòu)法施工較多，為保證盾構(gòu)機能沿隧道設(shè)計軸線運行并準(zhǔn)確進(jìn)入接收井，必須有較高的施工測量精度，而施工測量中的貫通測量精度控制尤為重要，如何提高貫通測量精度、減小貫通誤差、保證施工質(zhì)量是地鐵盾構(gòu)法施工測量中的關(guān)鍵。本文以某市地鐵1 號線一期工程鐵道學(xué)院站至涂家沖站盾構(gòu)區(qū)間為例，如圖1 所示，討論地鐵隧道貫通測量精度的控制與實施。

圖1 某市軌道交通1 號線一期工程鐵道學(xué)院站至涂家沖站盾構(gòu)區(qū)間示意圖

2 地鐵貫通測量誤差來源及分配

盾構(gòu)法隧道施工中，地面控制測量、豎井聯(lián)系測量、地下控制測量和各細(xì)部放樣的誤差積累，將使工作面的施工中線不能理想銜接，產(chǎn)生的錯開現(xiàn)象稱為貫通誤差。貫通誤差在線路法線方向上投影長度稱為橫向貫通誤差，在線路中線方向上的投影長度為縱向貫通誤差，在高程方向上的投影長度稱為高程貫通誤差。縱向貫通誤差主要影響隧道中線的長度與工程質(zhì)量無關(guān)，高程貫通誤差按目前的水準(zhǔn)測量技術(shù)，很容易滿足。

實踐證明貫通測量的精度關(guān)鍵在于滿足橫向貫通精度，而橫向貫通誤差的主要來源于地上、地下控制網(wǎng)測量和堅井聯(lián)系測量，按GB 50308－2008《城市軌道交通工程測量規(guī)范》要求，暗、明挖隧道和高架結(jié)構(gòu)橫向貫通測量中誤差為 ±50 mm;根據(jù)誤差理論和國內(nèi)外地鐵貫通測量經(jīng)驗，橫向貫通誤差的合理配賦為地面控制測量中誤差應(yīng)在 ±25 mm之內(nèi)，聯(lián)系測量中誤差應(yīng)在 ±20 mm 以內(nèi)，地下控制測量中誤差應(yīng)在±30 mm以內(nèi)。

同時由于地面控制測量和堅井聯(lián)系測量一般可布設(shè)成附合導(dǎo)線，且導(dǎo)線長度較短，采取一定的測量方法均很容易滿足精度要求，而地下導(dǎo)線測量受隧道形狀和空間條件限制均只能布設(shè)成支導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線和狹長的多環(huán)導(dǎo)線，且一般邊長比較短，根據(jù)某市地鐵1、2號線工程的具體實施情況，平均邊長一般約為150 m左右，精度受到極大的影響。因此，應(yīng)根據(jù)橫向貫通精度影響值進(jìn)行地下平面控制測量設(shè)計、控制與實施。

3 橫向貫通精度影響值的估算及控制

當(dāng)隧道較短(L ＜1 500 m)時，可采用單導(dǎo)線法進(jìn)行橫向貫通誤差的估算，其計算公式如下:

式中，myβ、myl分別表示測角，測邊誤差所引起的橫向貫通誤差

mβ為導(dǎo)線的測角中誤差，取設(shè)計值;

當(dāng)隧道較長(L ＞1 500 m)時，應(yīng)采用嚴(yán)密平差法進(jìn)行估算，其方法一般采用坐標(biāo)差權(quán)函數(shù)法。同時長距離的大型隧道貫通工程，由于受測角誤差累積的影響，往往難以保證貫通允許偏差的要求，地下控制網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)布設(shè)成多邊形導(dǎo)線鎖或菱形導(dǎo)線鎖，且應(yīng)在多邊形導(dǎo)線鎖或菱形導(dǎo)線鎖上加測一些高精度的陀螺定向邊的方法來提高測量精度。

4 貫通測量的實施

4.1 工程概況

某市地鐵1 號線一期工程鐵道學(xué)院站至涂家沖站盾構(gòu)區(qū)間右線長約1.8 km，如圖1 所示，盾構(gòu)機從鐵道學(xué)院站單頭向涂家沖站推進(jìn)，當(dāng)盾構(gòu)機推進(jìn)1 600 m左右時，施工單位為保證貫通精度，委托我院對該區(qū)間的地下控制網(wǎng)進(jìn)行測量，經(jīng)研究分析，決定采用菱形導(dǎo)線鎖加測陀螺定向邊的方法進(jìn)行測量。

4.2 洞內(nèi)橫向貫通誤差估算

洞內(nèi)控制點的布設(shè)應(yīng)合理，盡量拉長最短邊的長度，且保證相鄰邊的短邊不宜小于長邊的1/3。由于受隧道場地的限制，經(jīng)實地踏勘，平均邊長按135 m布設(shè)控制點，布設(shè)如圖2 所示;采用單導(dǎo)線法與嚴(yán)密平差法分別進(jìn)行橫向貫通中誤差估算。

單導(dǎo)線法:根據(jù)本隧道軸線，將布設(shè)的導(dǎo)線點位投影至開挖面的垂直距離和投影長度如表1 所示:

圖2 地下控制網(wǎng)布設(shè)圖

單導(dǎo)線法貫通中誤差估算 表1

單導(dǎo)線法橫向貫通中誤差估算按式(1)計算:

嚴(yán)密平差法:采用菱形導(dǎo)線鎖的方案，通過平差程序計算橫向貫通中誤差(計算過程本文不再詳述)，mq=±0．028≤±0．030。

從表1 可知，由于所布設(shè)的導(dǎo)線邊基本上與隧道軸線平行，導(dǎo)線邊對貫通誤差影響很小，幾乎可忽略不計，影響最大的為測角、導(dǎo)線長度和導(dǎo)線點的數(shù)量。雖然單導(dǎo)線法估算橫向貫通中誤差大于允許誤差，但菱形導(dǎo)線鎖方案估算橫向貫通中誤差小于允許誤差，滿足橫向貫通精度要求，因此此地下控制網(wǎng)布設(shè)方案可行，為了進(jìn)一步提高貫通精度、提高測量結(jié)果的可靠性，決定在導(dǎo)線的頂端加測Y17－Y19、Y17－Y18 兩條陀螺定向邊。

4.3 實施情況

地下控制網(wǎng)測量以聯(lián)系測量后的近井點TDXY02、TDXY04 作為起算點，外業(yè)采用徠卡TS30 精密全站儀按三等導(dǎo)線測量要求進(jìn)行觀測，點位直接利用隧道施工方布設(shè)的強制對中標(biāo)石，沿隧道左右兩壁布設(shè)成菱形導(dǎo)線鎖，每測站對附近能觀測的點位均進(jìn)行邊角測量，點間平均邊長約為131 m，最長邊長為230 m，最短邊約43 m;同時在菱形導(dǎo)線鎖的頂端采用德國GYROMAT－3000 全自動精密陀螺經(jīng)緯儀(定向精度為±3.2'，測角精度為±1')加測Y17－Y19、Y17－Y18 兩條陀螺定向邊，地下控制網(wǎng)測量示意如圖2 所示。

平差計算按未加測陀螺定向邊和加測陀螺定向邊分別進(jìn)行計算，其平差精度統(tǒng)計如表2 所示，以加測陀螺定向邊的成果為最終測量成果提供給施工方進(jìn)行施工，隧道貫通后，對貫通實際橫向誤差進(jìn)行了測定，橫向偏差僅為0.021 m，小于限差0.10 m，滿足規(guī)范要求。

地下平面控制測量平差結(jié)果 表2

為求證貫通測量控制點成果的實際精度，隧道貫通后對貫通導(dǎo)線點進(jìn)行了聯(lián)測，由于大部分點位遭到了破壞，只剩Y19(最弱點)、Y20、Y22 三點，通過區(qū)間兩端聯(lián)系測量已知點聯(lián)測后，其比較結(jié)果如表3 所示:

未加測定向邊、加測定向邊與貫通后聯(lián)測結(jié)果比較表 表3

由于本次的隧道軸線為南北走向，對橫向貫通誤差影響最大為y 誤差，從上表可知，加測定向邊的結(jié)果與貫通后聯(lián)測結(jié)果相差甚小，△y 最大為5.1 mm，最小為0.8 mm，未加測定向邊的結(jié)果與貫通后聯(lián)測結(jié)果相差稍大，最大△y 為24.5 mm，最小為17.5 mm，因此本次測量方案未加測陀螺定向邊和加測陀螺定向邊的測量結(jié)果均滿足貫通測量的精度要求，與施測前橫向貫通精度影響值的估算相一致。

5 結(jié) 論

(1)對于長距離的地鐵貫通隧道(L ＞1.5 km)時，可采用菱形導(dǎo)線鎖的導(dǎo)線網(wǎng)形式進(jìn)行布設(shè)，測角精度為±1.8'，儀器采用0.5'全自動測量儀，所有能觀測的點全部觀測邊和角，同時在菱形導(dǎo)線鎖的適當(dāng)位置加測陀螺定向邊，其測量成果滿足貫通測量精度要求;對于小于1.5 km的地鐵貫通隧道，在其他測量條件一致的情況下，可不加測陀螺定向邊，其測量成果可滿足貫通測量精度要求。

(2)加測陀螺定向邊的位置應(yīng)根據(jù)測站數(shù)和距離進(jìn)行分配，盡量選在短邊、轉(zhuǎn)折邊過后的直線段等導(dǎo)線網(wǎng)最弱邊的位置上，其測量成果精度可提高1 倍左右。

(3)在地鐵隧道場地允許的條件下，應(yīng)盡量拉長導(dǎo)線邊長、減少測站數(shù)、合理布設(shè)點位，提高貫通測量精度。

(4)采用嚴(yán)密平差程序估算橫向貫通中誤差比單導(dǎo)線法精度提高50% 以上。

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