新建地鐵線路近距離上跨既有線測量技術(shù)探討

隨著社會的發(fā)展，地鐵已成為大都市標志性建設(shè)項目之一。城市建設(shè)環(huán)境錯綜復(fù)雜，因地鐵建設(shè)的特殊性，不同線路必然存在立體交叉及換乘情況，本文結(jié)合實際案例，提出在測量作業(yè)層面把控新建地鐵近距離上跨既有線工程采取的技術(shù)手段及措施，確保新建線路順利上跨既有線。

1 工程概況

沈陽地鐵10號線中—松盾構(gòu)區(qū)間線路出中醫(yī)藥大學站后沿崇山東路東行，上跨既有地鐵2號線崇—岐區(qū)間、側(cè)穿崇山路高架橋、東一環(huán)高架橋及多棟房屋、下穿北塔橋橋樁后到達松花江街站；右線全長1 234.533 m，左線全長1 221.747 m；標準單洞單線圓形斷面，盾構(gòu)法施工，線間距12～15 m，覆土厚度5.92～17.80 m。

崇—岐區(qū)間為標準單洞單線馬蹄形斷面，采用礦山法施工，復(fù)合式襯砌；既有2號線區(qū)間標準段二襯厚度350 mm，初支250 mm，人防段二襯500 mm，初支300 mm。

中—松區(qū)間左線線路出站后以27‰坡度上坡，掘進約23 m開始上跨2號線，通過設(shè)計斷面變化調(diào)整段，再以22‰坡度下坡，左線區(qū)間隧道盾構(gòu)機刀盤外邊緣與既有2號線右線初期支護結(jié)構(gòu)凈距約116 mm，與既有2號線左線初期支護結(jié)構(gòu)凈距約580 mm。見圖1。

圖1 中—松盾構(gòu)區(qū)間左線上跨既有2號線位置

2 測量重難點分析

針對可能出現(xiàn)的問題逐項分析，提前制定相關(guān)解決方案，施工中易出現(xiàn)的問題即第三方測量重點把控問題，主要有以下幾點：

1）如何提高地下測量控制網(wǎng)精度，確保提供給盾構(gòu)機掘進的測量基準準確無誤尤其關(guān)鍵；

2）既有2號線結(jié)構(gòu)距離中醫(yī)藥大學站左線始發(fā)端僅有23 m左右，可供盾構(gòu)掘進姿態(tài)調(diào)整段過短，應(yīng)嚴格控制盾構(gòu)機始發(fā)姿態(tài)，保證始發(fā)架、反力架、導(dǎo)軌、盾構(gòu)機按照設(shè)計與施工方案中的要求準確就位；

3）區(qū)間上跨段距離2號線人防段最近距離116 mm，盾構(gòu)掘進過程中的自動導(dǎo)向姿態(tài)和人工姿態(tài)的校核結(jié)果與管片姿態(tài)偏差的測量成果必須及時反饋施工工程部與盾構(gòu)機司機，為盾構(gòu)機掘進中始終保持抬頭趨勢掘進的要求提供數(shù)據(jù)支持。

3 第三方測量采取的把控措施

施工過程中，主要從控制測量、入洞鋼環(huán)中心復(fù)核、盾構(gòu)掘進設(shè)計線成果復(fù)核、盾構(gòu)機姿態(tài)控制、管片姿態(tài)測量等幾個方面進行技術(shù)把控與分析，確保了施工區(qū)間順利上跨既有線。

3.1 提高地下始發(fā)測量基準精度

盾構(gòu)正式始發(fā)前增加一次聯(lián)系測量工作，提高地下始發(fā)測量基準精度。平面始發(fā)控制測量采用兩井定向[1]，起算點位均為交樁GPS控制點，經(jīng)邊角檢核，點位穩(wěn)定，然后經(jīng)兩近井點構(gòu)成附和導(dǎo)線，通過近井點測得鋼絲坐標；地下采用無定向?qū)Ь€形式進行復(fù)核平差計算，得到始發(fā)邊成果數(shù)據(jù)。線路走向為：G省高校—G綠洲賓館—JJD1—JJD2—G蘭亭賓館—G綠洲賓館。見圖2。

圖2 始發(fā)邊測量檢測

采用懸掛鋼尺的方法[2]進行高程聯(lián)系測量復(fù)核檢測，起算點采用2個交樁精密水準控制點，經(jīng)復(fù)核起算點點位穩(wěn)定。外業(yè)開展嚴格按照軌道交通二等水準要求進行施測，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)平差計算加入溫度及尺長改正數(shù)。

3.2 入洞鋼環(huán)中心檢測

對盾構(gòu)鋼環(huán)圓周進行檢測，以始發(fā)邊控制測量成果為起算依據(jù)，測量洞門鋼環(huán)圓周三維坐標成果，擬合圓心[3]成果偏差滿足盾構(gòu)鋼環(huán)安裝要求。見表1。

表1 洞門鋼環(huán)擬合中線成果偏差

3.3 盾構(gòu)掘進設(shè)計線成果復(fù)核

從區(qū)間設(shè)計起點里程至上跨既有2號線位置設(shè)計坡度變化較大，設(shè)計斷面變化復(fù)雜，盾構(gòu)機掘進的設(shè)計線計算正確是本項目的重點工作。

3.3.1 設(shè)計斷面變化情況

K9+752.305～K9+803.000設(shè)計斷面道床高740 mm,K9+803.000～K9+842.000設(shè)計斷面道床高由740 mm過渡到900 mm；K9+842.000～K10+134.000設(shè)計斷面道床高900 mm；K10+134.000～K10+154.000道床設(shè)計高由900 mm過渡到840 mm；K10+154.000～終點設(shè)計斷面道床高840 mm。設(shè)計斷面較多，盾構(gòu)施工設(shè)計中線高程計算的依據(jù)為設(shè)計軌面高，須根據(jù)設(shè)計斷面變化情況進行相調(diào)整，盾構(gòu)施工設(shè)計中線標高=設(shè)計軌面高－道床厚度+2.7 m。

經(jīng)復(fù)核，設(shè)計線計算準確，與復(fù)核成果偏差均＜3 mm。

3.3.2 始發(fā)位置設(shè)計線調(diào)整與驗算

盾構(gòu)機始發(fā)位置在車站與區(qū)間豎曲線變坡點附近，車站位置設(shè)計坡度為2‰，進洞后設(shè)計坡度為27‰，盾構(gòu)機所在位置設(shè)計坡度為12.4‰，確定合理的盾構(gòu)機始發(fā)姿態(tài)坡度為盾構(gòu)機順利始發(fā)的關(guān)鍵，始發(fā)姿態(tài)[4]調(diào)整確定影響因素如下：

1）始發(fā)位置位于豎曲線變坡點上；

2）盾構(gòu)機進入加固區(qū)，姿態(tài)調(diào)整難度大；

3）進洞后短距離內(nèi)盾構(gòu)機坡度由12.4‰變化至27‰，姿態(tài)控制難度大。

區(qū)間起點里程為K9+752.305，區(qū)間起點里程位置盾構(gòu)施工中線設(shè)計標高為33.649 m，加固區(qū)長度6 m，盾構(gòu)機在加固區(qū)位置姿態(tài)無法調(diào)整，盾構(gòu)機完全脫機加固區(qū)距離約為16 m，對應(yīng)里程為K9+768.305，此時盾首標高約為33.847 m，此里程設(shè)計標高為33.947 m，盾首偏差約為100 mm。豎曲線結(jié)束里程為K9+776.985，之后設(shè)計坡度為27‰上坡，距既有2號線結(jié)構(gòu)邊緣里程為K9+779.801（設(shè)計標高為34.239 m），11.5 m內(nèi)盾構(gòu)機姿態(tài)坡度由12‰調(diào)整為24‰，絕對標高差變化值為0.292 m，考慮地質(zhì)條件等因素，施工難度及風險均較大，可能出現(xiàn)盾構(gòu)機姿態(tài)調(diào)整不到設(shè)計坡度，與既有2號線結(jié)構(gòu)發(fā)生沖突。為保障盾構(gòu)機進洞后，順利上跨既有2號線，終確定本次盾構(gòu)始發(fā)設(shè)計坡度調(diào)整為27‰進洞，始發(fā)架按照27‰坡度放樣。

3.4 盾構(gòu)機姿態(tài)控制

3.4.1 盾構(gòu)機姿態(tài)測量

主要測得盾構(gòu)機實際軸線位置與設(shè)計軸線位置偏差情況，通過測得盾首、盾尾三維坐標與設(shè)計中線對應(yīng)位置坐標進行對比，計算偏差參數(shù)。盾構(gòu)機姿態(tài)測量方法有多種：水平標尺法、擬合圓心法、懸掛鋼絲側(cè)邊法、標志點法等。見表2。

表2 盾構(gòu)機姿態(tài)測量方法特點比較

根據(jù)表2，擬采用懸掛鋼絲側(cè)邊法、標志點法和水平標尺法[5]。擬合圓心法受限于盾構(gòu)機外邊緣變形和測量條件差并且耗時長、精度較低不建議采用。

1）懸掛鋼絲側(cè)邊法。外業(yè)測量前，先將盾構(gòu)機所有鉸接復(fù)位歸零；然后在盾構(gòu)機外殼切口及盾尾位兩側(cè)位置分別懸掛鋼絲，鋼絲下面系重物并置于油桶中，通過測量貼在鋼絲上的反射片坐標直接得到盾構(gòu)機外邊緣的平面坐標；取測得的坐標平均值間接計算盾構(gòu)機切口及盾尾軸線中心坐標的方法來得到中軸線平面坐標。高程測量直接采用中間設(shè)站的光電測距三角高程測量方法，測得盾構(gòu)機頂部切口及盾尾平面坐標對應(yīng)位置的高程數(shù)據(jù)，通過盾構(gòu)機設(shè)計尺寸及實測坐標反算得到的盾構(gòu)機直徑比較分析取值后計算至盾構(gòu)機中心位置的高程。見圖3。

圖3 懸掛鋼絲側(cè)邊法測量

2）分中標尺法。測量水平放置在盾尾內(nèi)殼的鋁合金尺上貼片的三維坐標，用卷尺精確量出鋁合金尺的中心并在中點左右對稱標定L、R兩點；通過鋁合金尺與盾構(gòu)切口、盾尾的距離關(guān)系來計算盾構(gòu)機的盾首和盾尾三維坐標。該方法適合于盾構(gòu)機初始定位和掘進過程中的姿態(tài)檢核工作。見圖4。

外業(yè)測量前，先將盾構(gòu)機所有鉸接復(fù)位歸零；然后將標尺水平置于盾構(gòu)機鉸接千斤頂面附近，標尺面與鉸接面平行等距并與盾殼內(nèi)壁光滑接觸，測量標尺中線點F及L1、R1三維坐標；再將標尺水置于盾尾處，標尺兩端到盾尾距離相等，測出此時標尺中點B及L2、R2的三維坐標，注意確保L、R高程等值。根據(jù)F和B的高程及盾構(gòu)機傳感器顯示數(shù)據(jù)反算出盾構(gòu)機的坡度，根據(jù)F和B的坐標計算盾構(gòu)機方位角，進而計算盾首、盾尾中心的三維坐標。

圖4 分中標尺法測量

3）標志點法。始發(fā)前在盾構(gòu)機內(nèi)部布設(shè)5個人工復(fù)核檢測盾構(gòu)機姿態(tài)的徠卡反射片標志點，均勻分布在盾構(gòu)機鉸接前部千斤頂附近圓周上。同時測得5個標志點的絕對坐標，使用演算工房內(nèi)部自帶測量程序，輸入刀尖及盾尾中心部位計算得到的三維坐標成果，計算人工復(fù)核標志點相對于盾構(gòu)機的獨立坐標系參數(shù)。

3.4.2 盾構(gòu)機始發(fā)姿態(tài)測量成果

在檢測盾構(gòu)機始發(fā)姿態(tài)時采用三種不同方法進行計算驗證，各種方法在實際案例中的偏差數(shù)據(jù)滿足相關(guān)限差要求。采用懸掛鋼絲側(cè)邊法成果作為最終成果。

因盾構(gòu)吊裝導(dǎo)致始發(fā)架變形，實測盾構(gòu)機坡度為33‰，較設(shè)計27‰的坡度偏差值較大，盾構(gòu)始發(fā)段地質(zhì)以砂礫為主，結(jié)合本地區(qū)相鄰標段盾構(gòu)始發(fā)經(jīng)驗，基本不存在盾構(gòu)進洞后栽頭情況。經(jīng)驗算，如按33‰坡度進洞，刀盤掘進距離12 m（約10環(huán)）位置，盾構(gòu)姿態(tài)高程偏差將嚴重超限，盾首垂直偏差將達到150 mm，盾構(gòu)機尾盾仍在加固區(qū)（加固長度6 m，盾構(gòu)機全長9.98 m），姿態(tài)無法調(diào)整。盾尾脫離加固區(qū)范圍后，刀盤約在進洞16 m位置時方可進行盾構(gòu)機姿態(tài)調(diào)整，但盾首姿態(tài)高程偏差計算值約為160 mm。距離既有2號線距離較近，坡度不好調(diào)整，始發(fā)姿態(tài)坡度存在一定問題，雖可安全上跨既有線，但管片姿態(tài)超限嚴重，建議對盾構(gòu)機姿態(tài)進行調(diào)整。考慮既有2號線結(jié)構(gòu)安全及盾構(gòu)脫離加固區(qū)存在產(chǎn)生載頭風險等不穩(wěn)定因素，決定按照既有盾構(gòu)機坡度始發(fā)，在盾構(gòu)機順利上跨既有2號線后采取相應(yīng)調(diào)整措施。

3.4.3 盾構(gòu)機掘進過程中姿態(tài)控制與復(fù)核

采用的三種姿態(tài)測量方法特點鮮明，但各有局限性。盾構(gòu)機在掘進過程中盡量避免停機，盾構(gòu)機掘進至18環(huán)位置時開始上跨既有2號線，考慮既有線運營安全問題，決定在既有線停運期間不停機直接上跨既有線，這使得人工復(fù)核盾構(gòu)機姿態(tài)的時間比較緊張，需要測量人員在較短的時間內(nèi)完成盾構(gòu)機姿態(tài)人工復(fù)核測量工作。結(jié)合施工計劃情況，在始發(fā)姿態(tài)測量時使用懸掛鋼絲側(cè)邊法，采用水平標尺法進行檢核；盾構(gòu)機進洞后，盾尾脫離加固區(qū)上跨既有線位置前使用標志點法復(fù)核導(dǎo)向系統(tǒng)穩(wěn)定性；上跨既有線時盾構(gòu)機不停機，使用水平標尺法測得相應(yīng)位置的盾構(gòu)機姿態(tài)檢核導(dǎo)向系統(tǒng)顯示姿態(tài)準確性；充分利用各種姿態(tài)測量方法的特點，在合適的時機，采用合適的方法測得盾構(gòu)機姿態(tài)偏差。

人工復(fù)核盾構(gòu)機姿態(tài)成果顯示，與導(dǎo)向系統(tǒng)顯示成果偏差均＜15 mm，導(dǎo)向系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

3.5 管片姿態(tài)測量

盾構(gòu)開始掘進至上跨既有2號線前，全程記錄盾構(gòu)機導(dǎo)向系統(tǒng)每環(huán)管片掘進過程中的姿態(tài)偏差情況并對成環(huán)管片姿態(tài)逐環(huán)測量，分析成環(huán)管片姿態(tài)與盾構(gòu)機掘進過程中導(dǎo)向系統(tǒng)顯示姿態(tài)偏差之間存在的差異規(guī)律，見表3。

表3 導(dǎo)向系統(tǒng)顯示高程偏差與人工實測管片姿態(tài)高程偏差對比 mm

從表3看出，成環(huán)管片高程姿態(tài)偏差與導(dǎo)向系統(tǒng)顯示偏差基本一致。1～7環(huán)位置為加固區(qū)，實測管片姿態(tài)與導(dǎo)向系統(tǒng)顯示姿態(tài)基本吻合，8環(huán)位置開始脫離加固區(qū)，受地質(zhì)條件變化及施工注漿參數(shù)調(diào)整等因素影響，實測管片姿態(tài)比導(dǎo)向系統(tǒng)顯示盾構(gòu)姿態(tài)偏差值在28～-23 mm內(nèi)波動。

4 結(jié)論

盾構(gòu)機導(dǎo)向系統(tǒng)顯示成果準確，導(dǎo)向系統(tǒng)能夠指導(dǎo)盾構(gòu)機按照設(shè)計線路掘進且成環(huán)管片偏差與導(dǎo)向系統(tǒng)顯示偏差差值均在30 mm以內(nèi)，上跨既有2號線以導(dǎo)向系統(tǒng)顯示偏差為主，人工復(fù)核管片姿態(tài)為輔指導(dǎo)盾構(gòu)掘進。經(jīng)實踐驗證，以上方法及規(guī)律成功指導(dǎo)盾構(gòu)機順利上跨既有線。

從測量角度分析本項目仍存在不足之處，諸如始發(fā)姿態(tài)的控制方面，管片姿態(tài)的高程偏差超出設(shè)計相關(guān)要求，但安全為項目第一大任，雖犧牲了一定的質(zhì)量，但可通過設(shè)計線路糾偏工作解決。