地鐵盾構(gòu)隧道地下平面控制及精度分析

張慧慧

(遼寧省交通高等專科學(xué)校)

1 引 言

隨著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)隧道長(zhǎng)度不斷增加，地下導(dǎo)線、水準(zhǔn)控制點(diǎn)也要隨之逐個(gè)建立起來(lái)。地下控制點(diǎn)是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)量、隧道管片安裝測(cè)量及隧道中線測(cè)量的基礎(chǔ)，是指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)沿著設(shè)計(jì)線路掘進(jìn)從而達(dá)到貫通的目的。地下控制測(cè)量包括地下平面和高程控制測(cè)量。進(jìn)行地下控制測(cè)量時(shí)，應(yīng)利用直接從地面通過(guò)聯(lián)系測(cè)量傳遞到地下的近井點(diǎn)作為測(cè)量起算點(diǎn)。

2 地下導(dǎo)線平面控制及其精度

2.1 地下導(dǎo)線點(diǎn)的布設(shè)

由于盾構(gòu)法施工的隧道須鋪設(shè)臨時(shí)軌道供運(yùn)送管片、泥土等材料的電瓶車(chē)通過(guò)，且隧道底板時(shí)常被積水和淤泥淹沒(méi)，為了使測(cè)量工作即方便使用又不影響施工車(chē)輛進(jìn)出，隧道掘進(jìn)期間導(dǎo)線控制點(diǎn)宜布設(shè)在隧道側(cè)壁上，并采用設(shè)置強(qiáng)制對(duì)中裝置的觀測(cè)臺(tái)，控制點(diǎn)間視線距隧道壁應(yīng)大于0.5 m，且應(yīng)分別在隧道兩側(cè)布設(shè)以避免或減弱旁折光的影響。另外為了滿足盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測(cè)量的需要，還需在隧道結(jié)構(gòu)拱頂上布設(shè)類(lèi)似“吊籃”的設(shè)有強(qiáng)制歸心裝置的導(dǎo)線控制點(diǎn)。控制點(diǎn)的埋設(shè)位置應(yīng)盡量避開(kāi)比較強(qiáng)的光源、熱源、淋水等部位，測(cè)量人員可在隧道側(cè)壁或吊籃上觀測(cè)并與儀器臺(tái)完全分離，從而確保儀器的穩(wěn)定性。以上兩種形式的控制點(diǎn)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝比較麻煩，但觀測(cè)時(shí)不受施工影響，測(cè)量精度較高，在盾構(gòu)施工中得到廣泛應(yīng)用。其埋設(shè)情況如圖1 所示。

圖1 盾構(gòu)隧道地下導(dǎo)線點(diǎn)布設(shè)示意圖

盾構(gòu)掘進(jìn)期間導(dǎo)線控制點(diǎn)間距在直線段宜大于150 m，曲線段視曲線半徑大小在保證通視的條件下應(yīng)盡量長(zhǎng)，一般不應(yīng)短于60 m。

2.2 導(dǎo)線測(cè)量精度

因隧道內(nèi)空間狹小，使得洞內(nèi)控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)幾乎沒(méi)有選擇的余地，一般只能采用支導(dǎo)線形式進(jìn)行地下平面控制測(cè)量，分配給地下控制測(cè)量的橫向中誤差為±30 ～36 mm。若不顧及地下起算方位角αAM和地下已知控制點(diǎn)A 的點(diǎn)位誤差影響，根據(jù)支導(dǎo)線的計(jì)算方法可知，貫通點(diǎn)P 的橫向貫通誤差為

式中:S 為導(dǎo)線邊長(zhǎng);Ryi、Δxi的含義見(jiàn)圖2。

圖2 支導(dǎo)線布設(shè)圖

(1)角度測(cè)量對(duì)貫通誤差的影響

對(duì)于角度測(cè)量對(duì)橫向貫通誤差的影響，可知導(dǎo)線終點(diǎn)的橫向誤差

式中:L 為導(dǎo)線長(zhǎng);Δβ 為測(cè)角誤差;n 為導(dǎo)線的角度個(gè)數(shù)。

由(2)式可知在布設(shè)成近似等邊直伸的洞內(nèi)導(dǎo)線控制中，在測(cè)角中誤差與導(dǎo)線長(zhǎng)度一定時(shí)，角度測(cè)量對(duì)橫向貫通誤差的影響取決于導(dǎo)線角度的個(gè)數(shù)，故在實(shí)際布點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡量拉長(zhǎng)導(dǎo)線點(diǎn)間的距離。

(2)邊長(zhǎng)誤差對(duì)貫通誤差的影響

對(duì)于直伸導(dǎo)線，各導(dǎo)線點(diǎn)間的Δxi值很小，測(cè)邊誤差只是使導(dǎo)線點(diǎn)在導(dǎo)線長(zhǎng)度方向產(chǎn)生位移，即縱向誤差，Δxi而對(duì)橫向貫通誤差幾乎沒(méi)有影響。對(duì)于曲線隧道，測(cè)邊誤差不但影響縱向誤差，還影響其橫向誤差，越大影響就越大。為了討論方便，假定以隧道終端的切線為X 軸，則導(dǎo)線終點(diǎn)的Y坐標(biāo)誤差就是橫向誤差。如圖3 所示。

圖3 曲線隧道誤差分析圖

式中:y0為起始點(diǎn)橫坐標(biāo)，假定沒(méi)有誤差;Si、αi為第i 條邊的邊長(zhǎng)和方位角。

如果邊長(zhǎng)誤差為ΔS，則產(chǎn)生的坐標(biāo)誤差Δy=ΔS·sinαi。

按誤差傳播定律，則由于測(cè)邊誤差產(chǎn)生的導(dǎo)線終點(diǎn)的橫向誤差為

當(dāng)為等邊導(dǎo)線時(shí)，以sinαi=Δy/SS 代入，得到

公式(6)就是邊長(zhǎng)誤差對(duì)橫向誤差的影響，可以看到

①當(dāng)Δy 越大，影響就越大。直伸導(dǎo)線時(shí)Δy=0，則不受影響;

②如果半徑較大，曲線較短時(shí)，各邊的Δy 近似相等，這時(shí)

式中:q 為橫向?qū)挾?n 為導(dǎo)線邊數(shù);L 為導(dǎo)線縱向長(zhǎng)度。

這就是通常進(jìn)行估算的方法，邊長(zhǎng)誤差ΔS 對(duì)貫通誤差μ 的影響是與隧道橫向?qū)挾萹 和縱向長(zhǎng)度L 之比成正比。

2.3 長(zhǎng)大盾構(gòu)區(qū)間的導(dǎo)線布設(shè)形式

對(duì)于長(zhǎng)大盾構(gòu)區(qū)間，當(dāng)L=1 500 m 時(shí)，即使隧道全部為直線，導(dǎo)線平均長(zhǎng)度達(dá)到1 500 m，導(dǎo)線角度個(gè)數(shù)仍可達(dá)10個(gè)，若取△β=2.5″，代入式(2)可得△u =35.6 mm。此種情況下布設(shè)支導(dǎo)線很難將誤差控制在所分配限差之內(nèi)，且布設(shè)支導(dǎo)線所測(cè)得的導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)和方位角沒(méi)有檢核條件。為此，長(zhǎng)大盾構(gòu)區(qū)間一般將地下導(dǎo)線布設(shè)成主副導(dǎo)線或交叉式導(dǎo)線的形式。

即每設(shè)置一個(gè)新的導(dǎo)線點(diǎn)，均由兩條導(dǎo)線邊來(lái)測(cè)定，當(dāng)檢核無(wú)誤后，取其平均值作為新點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)。它不但能使測(cè)量數(shù)據(jù)有足夠可靠性，還可以提高導(dǎo)線的測(cè)量精度。

2.4 地下導(dǎo)線加測(cè)陀螺方位角測(cè)量

對(duì)于1 500 m 以上的長(zhǎng)大盾構(gòu)隧道，若布設(shè)成支導(dǎo)線形式，導(dǎo)線終點(diǎn)的橫向誤差勢(shì)必很大，且缺少檢核條件，很難保證將橫向貫通誤差控制在±50 mm 以內(nèi)，為了安全起見(jiàn)，必須采取有力措施控制導(dǎo)線終點(diǎn)的橫向誤差。《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》中規(guī)定貫通面一側(cè)的隧道長(zhǎng)度大于1 500 m 時(shí)，應(yīng)增加聯(lián)系測(cè)量次數(shù)或采用高精度的測(cè)量方法等，提高定向測(cè)量精度。當(dāng)前在長(zhǎng)大盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程中，地下平面控制測(cè)量除將地下導(dǎo)線布設(shè)成導(dǎo)線網(wǎng)的形式外，實(shí)踐證明在適當(dāng)?shù)奈恢眉訙y(cè)陀螺定向邊可有效地減小橫向誤差的積累，從而提高地下導(dǎo)線終點(diǎn)的橫向精度，有利于隧道的準(zhǔn)確貫通。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)地下導(dǎo)線布網(wǎng)方案及精度的分析，探討了角度測(cè)量、測(cè)邊誤差對(duì)橫向貫通誤差的影響，特別提出了針對(duì)長(zhǎng)大盾構(gòu)區(qū)間，除通過(guò)改善地面控制網(wǎng)的布設(shè)方案提高貫通誤差精度外，還可通過(guò)采用增加聯(lián)系測(cè)量次數(shù)、采用高精度的測(cè)量方法、加測(cè)陀螺定向邊等方法來(lái)確保隧道貫通精度。

［1］肖智勇等.地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)法施工中的測(cè)量技術(shù)［J］.暨南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，(3):331－336.

［2］劉三枝.地鐵隧道地下控制導(dǎo)線測(cè)量布設(shè)方案對(duì)比分析［J］.南京工業(yè)大學(xué)報(bào)，2006，(2):56－58.

［3］鄒勇.簡(jiǎn)析地鐵長(zhǎng)隧道控制測(cè)量［J］.隧道建設(shè)，2006，(增2):27－29.

［4］苑立峰等.長(zhǎng)距離隧道洞內(nèi)平面控制測(cè)量［J］.測(cè)繪工程，2010(5):8－10.

［5］徐順明.地鐵盾構(gòu)隧道施工測(cè)量方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008，(S1):318－320.

［6］徐順明.廣州地鐵盾構(gòu)施工控制測(cè)量措施［J］.城市勘測(cè)，2007，(1):75－77.

［7］尚小琦等.隧道工程控制測(cè)量主要方法與誤差分析［J］.測(cè)繪技術(shù)裝備，2008，(4):12－15.

［8］陸建華等.陀螺經(jīng)緯儀在隧道建設(shè)中的應(yīng)用［J］.測(cè)繪技術(shù)裝備，2009，(2):26－29.