矩形盾構測量技術的研究與探索

俞 靚

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

傳統(tǒng)的盾構隧道斷面為圓形，主要是圓形隧道斷面結構受力合理，但是其利用率低。而矩形隧道斷面結構相比圓形結構，具有充分利用斷面結構、能節(jié)約20%以上的有效使用面積和減少隧道結構施工深度等優(yōu)勢，因此矩形斷面結構在我國城市地下隧道建設中得到了越來越多的應用。

當前矩形隧道正朝著大截面、長距離、曲線的方向發(fā)展，而已有的矩形頂管在曲線施工、背土效應控制、對周邊環(huán)境的影響、長距離頂力控制、長距離軸線控制等方面的難度將越來越大甚至難以克服，故矩形盾構設備及建造技術的開發(fā)應運而生。

為此，我們通過“產學研合作”攻關，開發(fā)了適應城市地下矩形隧道建造的國內首臺大斷面矩形盾構機及襯砌、施工工藝和控制技術，以求為城市地下空間的開發(fā)探索“低碳環(huán)保型”的建造方法和設備，為服務城市建設及推動城市轉型發(fā)展作出貢獻。

1 矩形盾構簡介

矩形盾構機（圖1）寬10.10 m、高5.30 m、長9.05 m，主要由切口環(huán)、支承環(huán)和盾尾組成，采用Q345B鋼板焊接制成。在切口環(huán)上裝有切削刀盤、驅動、螺旋機等，在支承環(huán)上裝有推進油缸、電控系統(tǒng)、管路管線等，在盾尾安裝管片拼裝機及盾尾鋼絲刷。后配套臺車共有4節(jié)，包括駕駛室、注漿系統(tǒng)、盾尾油脂系統(tǒng)、集中潤滑系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等，總長28 m。

圖1 矩形盾構機外觀

2 盾構制作階段的測量問題

矩形盾構的實際形狀為由8段圓弧構成的不規(guī)則的類矩形。其中包括4個角的圓弧、上下圓弧及左右圓弧這3種類型。為了保證制作精度，在盾構機制作過程中，我們要對其外殼進行測量。

具體操作方式如下：

將矩形盾構外殼豎向放置于平坦的地面上，利用水準儀測量并將其表面高差控制在5 mm范圍之內，這時我們認為其表面處于同一水平面上。在盾構四周設置4個固定觀測點，建立相對坐標系，利用這4個點對盾構機上、中、下3個面進行測量（圖2）。所測的點須在盾構機外表面進行標注，做到4個角弧線段每5 cm設1個點，左右弧線段每7 cm設1個點，上下弧線段每10 cm設1個點。將所測得3個面的點分別進行曲線擬合，最終根據擬合情況，指導盾構機殼加工[1-2]。

圖2 矩形盾構尺寸測量俯視

3 施工準備階段中的測量問題

除了常規(guī)隧道施工中的問題之外，針對矩形盾構的特殊性，主要還需解決以下幾個問題[3-4]。

3.1 矩形盾構發(fā)射架

由于形狀特殊，矩形盾構的發(fā)射架不同于常規(guī)圓形盾構發(fā)射架。結合始發(fā)井的情況，要對發(fā)射架進行專門的調整。在實際操作中，我們事先在地板上澆筑2段間隔6 m、寬40 cm的混凝土梁，在梁上每隔20 cm埋設預埋鋼板。

同時，根據矩形盾構的形狀，2段梁需要形成一定的角度，這樣才能保證盾構機安放時的穩(wěn)定性。待梁凝固穩(wěn)定后，將2根φ14 cm的重軌焊接在預埋件上，鋼軌固定后，將矩形盾構機穩(wěn)固地安放在2根鋼軌上。在澆筑混凝土梁、安放鋼軌的過程中，測量人員必須反復測量混凝土梁及安放在上面的鋼軌的高程及平面位置，保證盾構機在放置穩(wěn)定時，其幾何中心位于設計軸線上。

3.2 限界型鋼的安裝

矩形盾構的特殊形狀使得其在發(fā)射架上向前推進時方向很難控制。常規(guī)圓形盾構只要將發(fā)射架加固穩(wěn)定，盾構機在發(fā)射架上的推進過程中就基本不會出現跑偏的現象。而矩形盾構由于底面較為平坦，若不采取措施，則在發(fā)射架上推進時極易出現跑偏現象，為此我們需要在矩形盾構的兩側安裝限界型鋼（圖3）。

安裝限界型鋼時，須注意保證型鋼與盾構機之間的最小距離保持在2 cm，推進時，通過觀察限界型鋼與盾構機之間的間隙，也可指導盾構機的推進。在實際操作中，限界型鋼發(fā)揮了較好的作用，跑偏現象得到了控制。

圖3 發(fā)射架推進階段限界安裝示意

3.3 導線點及吊籃的布置

矩形盾構截面較大，但為了減小管片拼裝后的變形量，因此在盾構機尾部設置了尺寸較大的管片保持器。保持器的存在使得隧道內測量視線空間變得十分有限。在矩形盾構正式推進前，應合理地布置固定導線點及安放盾構導向系統(tǒng)儀器的吊籃，最大限度地保證測量的通視。在實際操作中，我們將隧道的導線點及吊籃統(tǒng)一安放在隧道右側，在非小半徑轉彎的通常情況下，導線距離可達到200 m，1個吊籃使用距離可達到100 m。

3.4 盾構姿態(tài)自動測量系統(tǒng)的安裝

矩形盾構自動測量系統(tǒng)要求在盾構機內安裝3個目標棱鏡，應事先確定這3個棱鏡在盾構機中的相對坐標參數。這樣就可以通過全站儀對這3個棱鏡進行跟蹤測量以獲取這3個棱鏡的三維坐標，通過安裝在盾構機內的雙軸傳感器測得盾構機的傾斜和側滾角度，計算出盾構機上任一點的x、y、z坐標。然后根據已經預先輸入系統(tǒng)的DTA（線路軸線），就可以計算盾構機切口中心和盾尾中心與DTA的偏差值以及盾構機趨勢。

系統(tǒng)的硬件組成包括計算機1臺，Leica TCA 1200系列全站儀1臺，后視棱鏡1個，目標棱鏡3個，SAMS-A、B、C控制箱各1個和通信電纜1套。其中SAMS-A控制箱內裝有傾角傳感器，SAMS-B和SAMS-C箱為全站儀通信控制箱。

首先在盾構機內部選取3個視線較好且較為穩(wěn)定的位置，將3個目標棱鏡安裝到位。然后將裝有傾角傳感器的SAMS-A控制箱安裝于盾構機內部較為隱蔽且穩(wěn)固的位置，測出盾構機的初始旋轉角度及坡度，在連接于SAMS-A的電腦中把自動測量軟件內顯示的旋轉角度及坡度調整至實測值。在盾構機后方能清楚地觀測到盾構機內部3個目標棱鏡的位置架設初始測量支架，將全站儀及后視棱鏡穩(wěn)固地安裝于初始測量支架之上。連接好各部件之間的通信及電源電纜。

在矩形盾構施工的實際操作過程中，由于盾構機特有的形狀導致儀器在后方觀測時，無法同時觀測到左右兩邊。為了保證自動測量系統(tǒng)在向左、右轉彎時均能保證觀測效果，我們需要在盾構機左右兩側安裝2套目標棱鏡，并分別計算出這2套棱鏡與盾構機的相對關系。這樣，就能根據隧道設計軸線，合理地選擇、使用任意一套棱鏡，避免碰到轉彎時自動測量系統(tǒng)頻繁更換測站所帶來的測量誤差。

4 矩形盾構施工過程中的測量問題

在完成所有的準備工作后，盾構施工進入到正常推進階段。矩形盾構與常規(guī)圓形盾構相比主要有以下幾點問題。

4.1 管片的穩(wěn)定性問題

矩形盾構為了保證隧道可有效使用的截面積，整個斷面呈扁平狀。這使得管片上下表面與土體接觸面積大，管片極易發(fā)生變形。施工過程中，在使用管片形狀保持器的同時，對每環(huán)管片收斂情況的測量尤為重要。在實際操作中，必須在每一環(huán)管片拼裝完成的時候對其進行測量。具體測量方法為在管片的固定位置做好標記，計算出此位置的設計尺寸，利用全站儀或手持測距儀對標記點進行測量，將測得的數據與設計數據作比較，從而得出管片拼裝質量結果，以指導下一環(huán)管片的拼裝（圖4）。

圖4 管片橫縱徑測量

圖4中4條線即為所需測量的尺寸。在實際操作中，我們積累了大量的原始數據，針對每環(huán)管片不同的變形情況，及時制訂應對措施，很好地控制了管片的變形。

4.2 管片狀態(tài)測量

管片狀態(tài)測量包括管片的平面偏差和高程偏差測量以及管片的法面測量。

管片的平面偏差測量即是測量當班施工管片的左右偏差。先找出每環(huán)管片的平面中心點，利用全站儀測得管片平面中心點的坐標，將此數據與設計軸線相比較，得出的差值即為管片的左右偏差。上下偏差測量的方法是：放一水準尺于所測環(huán)的大里程的底部，根據通道內的高程控制點測出該環(huán)大里程的高程，通過與設計高程比較得出該環(huán)管片的上下偏差。通過測量此偏差，可以反映出管片的錯縫情況、管片在盾構機內和出盾構機尾后的變化情況以及管片最近2 d的偏差變化情況，以便于及時調整注漿、推進速度等施工參數。

4.3 沉降觀測問題

由于矩形盾構的斷面寬、面積大（本工程所用盾構斷面面積約50 m2），斷面上土壓力的分布亦不均勻，故對掘進過程中開挖面的穩(wěn)定造成較大影響，進而對周邊環(huán)境也會產生不利影響。

對于隧道內的沉降監(jiān)測，我們采用對固定觀測點進行沉降測量的方法，即利用水準儀對其進行沉降觀測。由于矩形盾構采用了鋼管片，其本身不易變形，故采用在管片特定手孔內做記號的方式，每次對同一位置進行沉降觀測，得出隧道沉降量。

對于地面沉降，我們在重點部位（高架、橋梁等）采用全自動沉降測量監(jiān)測的方式。將目標棱鏡底座牢固地安裝在所需觀測部位。

考慮到周邊環(huán)境，因此采用焊接固定觀測支架的方式將自動觀測全站儀固定于通視良好的位置，高為1.5 m左右。全站儀安置于支架中，采用電纜進行供電，備有外接儲電池可供電10 h，以保證斷電時儀器的正常使用。利用全站儀結合自動監(jiān)測程序，對重點部位地面沉降點進行沉降監(jiān)測。

在綠化帶地面布設監(jiān)測點時須挖開土層，把監(jiān)測定做的沉降標桿埋入深60 cm以下土中，標桿底部須用混凝土加固出15 cm×15 cm的底盤用作固定，然后回填泥土并讓沉降標桿高出地面綠化植物以方便儀器觀望監(jiān)測。再把監(jiān)測小棱鏡用螺絲緊固或電焊焊接固定（安裝過程要注意棱鏡面向方向）。

4.4 矩形盾構姿態(tài)測量

盾構機姿態(tài)測量是實時測量盾構機的現有狀態(tài)，及時指導盾構機糾偏。盾構姿態(tài)測量是通過全站儀對這2個棱鏡進行跟蹤測量，利用計算機中的自動測量計算程序，將盾構機實時的姿態(tài)與設計軸線相比較，得出具體的差值。

與此同時，必須每天對盾構姿態(tài)進行人工復核。方法與常規(guī)盾構一樣，這里就不做過多的敘述了。

5 矩形盾構施工結束階段的測量問題

為了保證隧道順利貫通，除去常規(guī)的導線測量等內容以外，我們還要注意以下幾點。

5.1 洞門測量

矩形盾構洞門形狀與常規(guī)隧道洞門相比較為復雜，洞門與盾構機之間間隙為15 cm，采用拼裝方式安裝到位。在測量洞門時，根據其安裝情況，在每一個單體塊上分別取點，取點原則類似于前面講到的盾構機制作階段，對盾構機外殼進行測量時的取點方式。利用全站儀對所取點的三維坐標進行測量，最后擬合成各段圓弧。由于實際的安裝誤差，故洞門往往有較明顯的誤差。這時需對測量結果進行分析，盡量避開間隙較小的位置，盡早制訂推進方案，使得盾構機進洞時四周縫隙盡可能地均勻，以保證順利進洞。

5.2 隧道軸線測量

矩形盾構管片橫徑較常規(guī)圓形管片更大，無法利用長尺居中的方法對管片中心坐標進行測量。在矩形盾構軸線測量中，我們采用在管片同一里程左右相對稱的位置做標記的方式，對管片平面坐標進行測量。高程仍舊采用常規(guī)水準儀測量，但在最后計算時必須結合管片橫縱徑測量數據，最終得出管片的三維坐標。

6 結語

隨著時代的發(fā)展，隧道盾構施工也在不斷地進步。相較于圓形盾構，矩形盾構掘出的矩形隧道大大地提高了隧道可使用面積，在今后的隧道施工中將會起到極大的作用。

作為服務于盾構施工的測量行業(yè)，也必須在其中不斷摸索，為今后各種技術革新提供強有力的支持。