盾構(gòu)法長(zhǎng)大地鐵區(qū)間隧道的橫向貫通誤差預(yù)計(jì)

房德鑫

(中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 101300)

1 前言

為了滿足人民日益增長(zhǎng)的出行需求，緩解常規(guī)公共交通的壓力，各大城市的地鐵建設(shè)全面開(kāi)展。隨著地鐵線路里程增加，列車(chē)時(shí)速不斷提高，在建地鐵的隧道長(zhǎng)度從最初的800 m增加到1 km，再到2，3 km；洞徑從5.5 m到7.7 m，甚至超過(guò)10 m。長(zhǎng)大的地鐵區(qū)間隧道給施工測(cè)量帶來(lái)的挑戰(zhàn)也在成倍增長(zhǎng)。目前施工控制測(cè)量仍采用常規(guī)的測(cè)量方法，由于測(cè)量誤差的積累，區(qū)間隧道的施工測(cè)量會(huì)產(chǎn)生一定的貫通誤差。主要測(cè)量誤差包括橫向貫通誤差、豎向貫通誤差、里程貫通誤差。實(shí)際施工測(cè)量中，豎向貫通誤差和里程貫通誤差比較容易控制，且對(duì)成型隧道質(zhì)量影響不大，但橫向貫通誤差的影響因素較多，測(cè)量控制手段有限，是施工測(cè)量中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

為保證隧道順利貫通，工程測(cè)量前會(huì)依據(jù)本工程擬采用的測(cè)量?jī)x器、測(cè)量技術(shù)和方法等內(nèi)容對(duì)貫通誤差進(jìn)行預(yù)計(jì)，以判斷應(yīng)用此測(cè)量方案進(jìn)行隧道施工后的貫通誤差值是否滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范要求。本文針對(duì)橫向貫通誤差預(yù)計(jì)進(jìn)行相關(guān)討論。

2 橫向貫通誤差的預(yù)計(jì)

橫向貫通誤差主要來(lái)源于以下5個(gè)工序：地上平面控制測(cè)量的誤差、始發(fā)井平面聯(lián)系測(cè)量的誤差、地下平面控制測(cè)量的誤差、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)定位測(cè)量的誤差、到達(dá)井平面聯(lián)系測(cè)量的誤差。考慮各項(xiàng)誤差影響都是相互獨(dú)立的，則總的橫向貫通中誤差公式可表達(dá)為：

(1)

式中：M為橫向貫通中誤差；M1為地上平面控制測(cè)量引起的橫向貫通中誤差；M2為始發(fā)井平面聯(lián)系測(cè)量引起的橫向貫通中誤差；M3為地下平面控制測(cè)量引起的橫向貫通中誤差；M4為盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)定位測(cè)量引起的橫向貫通中誤差；M5為到達(dá)井平面聯(lián)系測(cè)量引起的橫向貫通中誤差。

2.1 M1地上平面控制測(cè)量引起的橫向貫通中誤差計(jì)算

此項(xiàng)誤差主要來(lái)源于地面近井點(diǎn)的測(cè)量誤差，已知地面首級(jí)平面控制點(diǎn)大多沿線路兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布設(shè)，從已知控制點(diǎn)測(cè)設(shè)到近井點(diǎn)大多僅需測(cè)設(shè)1～2站，故此項(xiàng)誤差按支導(dǎo)線形式進(jìn)行估算，則中誤差公式可表達(dá)為：

(2)

式中：mβ為導(dǎo)線的測(cè)角中誤差；L為支導(dǎo)線長(zhǎng)度，以m計(jì)；n為導(dǎo)線測(cè)站數(shù)。

一般到達(dá)井采用與始發(fā)井相同的地上平面控制網(wǎng)測(cè)量方法，且相互獨(dú)立完成測(cè)量，則實(shí)際地上平面控制測(cè)量引起的橫向貫通中誤差應(yīng)為：

(3)

2.2 M2始發(fā)井平面聯(lián)系測(cè)量引起的橫向貫通中誤差計(jì)算

平面聯(lián)系測(cè)量常采用兩井定向方法，投點(diǎn)誤差和定向誤差共同引起橫向貫通誤差，考慮二者的影響相互獨(dú)立，則中誤差公式可表達(dá)為：

M22=M投2+M定2

(4)

城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范中規(guī)定兩井定向投點(diǎn)中誤差應(yīng)小于±2 mm，假設(shè)投點(diǎn)誤差全部傳遞給橫向貫通中誤差，即M投=±2 mm。

M定對(duì)橫向貫通誤差的影響為：

(5)

式中：m為一次定向中誤差,L為隧道長(zhǎng)度，以m計(jì)。

因隧道貫通前會(huì)在始發(fā)井對(duì)同一定向邊獨(dú)立進(jìn)行n次聯(lián)系測(cè)量，則聯(lián)系測(cè)量引起的橫向貫通中誤差可表達(dá)為：

(6)

2.3 M3地下平面控制測(cè)量引起的橫向貫通中誤差計(jì)算

長(zhǎng)大地鐵隧道內(nèi)觀測(cè)條件相對(duì)較好，導(dǎo)線點(diǎn)布設(shè)近似等邊直伸形，且在長(zhǎng)大區(qū)間隧道測(cè)量時(shí)，會(huì)每隔800 m加測(cè)一次陀螺定向邊，故按等邊直伸方向附合導(dǎo)線進(jìn)行橫向貫通中誤差計(jì)算，公式如下：

(7)

式中：mβ為導(dǎo)線的測(cè)角中誤差；L為隧道長(zhǎng)度，以m計(jì)；n為導(dǎo)線測(cè)站數(shù)。

2.4 M4盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)定位測(cè)量引起的橫向貫通中誤差計(jì)算

城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范中規(guī)定姿態(tài)定位測(cè)量中誤差應(yīng)小于±3 mm，假設(shè)定位中誤差全部傳遞給橫向貫通中誤差，即M4=±3 mm。

2.5 M5為到達(dá)井平面聯(lián)系測(cè)量引起的橫向貫通中誤差計(jì)算

此項(xiàng)誤差的計(jì)算方法與M2計(jì)算基本一致，只是計(jì)算M定時(shí)，L應(yīng)代入基線邊至貫通面的長(zhǎng)度，而非隧道長(zhǎng)度，并且到達(dá)基線邊一般測(cè)量次數(shù)為2次，公式此處不再贅述。

3 工程實(shí)例計(jì)算

某市地鐵*號(hào)線風(fēng)井～南站區(qū)間隧道右線長(zhǎng)度2 487 m，線路設(shè)平曲線3個(gè)，最小曲線半徑1 300 m，最大縱坡4‰。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機(jī)直徑8.86 m，預(yù)制環(huán)型管片內(nèi)徑7.7 m，外徑8.5 m，環(huán)寬1.6 m。

本區(qū)間單向掘進(jìn)超2 000 m，隧道內(nèi)徑達(dá)到7.7 m，是典型的長(zhǎng)大地鐵區(qū)間隧道，橫向貫通誤差的預(yù)計(jì)尤其重要，通過(guò)科學(xué)合理的測(cè)量技術(shù)和方法控制橫向貫通誤差大小滿足規(guī)范要求，是保證成型隧道質(zhì)量的關(guān)鍵，依據(jù)上述公式對(duì)各項(xiàng)貫通誤差來(lái)源分別計(jì)算。

3.1 M1地上平面控制測(cè)量引起的橫向貫通中誤差

本項(xiàng)目采用兩井定向方法進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量，則同一井位的地上近井點(diǎn)為2個(gè)，已知地面首級(jí)平面控制點(diǎn)距離始發(fā)和到達(dá)井口均約300 m，向近井點(diǎn)傳遞僅需測(cè)設(shè)2站。測(cè)量采用的儀器為徠卡TS60，測(cè)角精度0.5″，外業(yè)測(cè)設(shè)4測(cè)回，考慮到環(huán)境等因素影響，測(cè)角中誤差控制在2″是可行的。則

(8)

考慮始發(fā)井和到達(dá)井的地上平面控制測(cè)量總的中誤差，則

(9)

3.2 M2始發(fā)井平面聯(lián)系測(cè)量引起的橫向貫通中誤差

(10)

L取隧道長(zhǎng)度2 487 m,則

(11)

M投=±2 mm,則

(12)

本區(qū)間長(zhǎng)度2 487 m，預(yù)計(jì)掘進(jìn)至200 m時(shí)固定地下定向邊，之后每400 m進(jìn)行一次聯(lián)系測(cè)量，直到貫通前200 m進(jìn)行最后一次聯(lián)系測(cè)量，所以同一地下定向邊至少進(jìn)行6次聯(lián)系測(cè)量，則

(13)

3.3 M3地下平面控制測(cè)量引起的橫向貫通中誤差

本區(qū)間隧道管片內(nèi)徑達(dá)到7.7 m，洞內(nèi)照明和通風(fēng)條件良好，故洞內(nèi)控制點(diǎn)間距可控制在200～300 m左右。本區(qū)間長(zhǎng)度2 487 m，考慮盾構(gòu)機(jī)及后配套車(chē)架長(zhǎng)度約110 m和控制點(diǎn)穩(wěn)定性要求，洞內(nèi)單導(dǎo)線的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)約為10個(gè)，導(dǎo)線點(diǎn)布設(shè)近似等邊直伸形。測(cè)量?jī)x器采用徠卡TS60，測(cè)角中誤差仍取2″，則

(14)

3.4 M4盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)定位測(cè)量引起的橫向貫通中誤差

城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范中規(guī)定姿態(tài)定位測(cè)量中誤差應(yīng)小于±3 mm，假設(shè)定位中誤差全部傳遞給橫向貫通中誤差，即M4=±3 mm。

3.5 M5到達(dá)井平面聯(lián)系測(cè)量引起的橫向貫通中誤差

本區(qū)間到達(dá)井采用與始發(fā)井相同的測(cè)量方法，定向邊至貫通面的距離約為20 m，則

(15)

M投=±2 mm,則

(16)

到達(dá)井聯(lián)系測(cè)量施測(cè)2次，則

(17)

3.6 M總的橫向貫通中誤差

=±30.8 mm

(18)

城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范中規(guī)定地下隧道和車(chē)站結(jié)構(gòu)橫向貫通中誤差應(yīng)小于±50 mm，通過(guò)以上方法計(jì)算的結(jié)果為±30.8 mm,滿足規(guī)范要求。

為了保證橫向貫通誤差嚴(yán)格可控，本區(qū)間隧道在實(shí)際施工測(cè)量中又采取了一系列的措施：

(1)地面近井點(diǎn)納入到首級(jí)平面控制網(wǎng)中，導(dǎo)線采用附合導(dǎo)線形式測(cè)設(shè)，進(jìn)行嚴(yán)密平差，提高測(cè)量精度；

(2)與同一始發(fā)井的對(duì)向隧道使用相同的地下定向邊，兩條隧道各自節(jié)點(diǎn)均獨(dú)立對(duì)地下定向邊進(jìn)行測(cè)量，使定向邊的測(cè)量次數(shù)翻倍，提高了精度；(3)隧道內(nèi)導(dǎo)線采用主、副雙導(dǎo)線形式，兩條導(dǎo)線即可獨(dú)立測(cè)量，又可形成交叉導(dǎo)線網(wǎng)，進(jìn)行平差。

本區(qū)間隧道已于2019年11月5日順利貫通，經(jīng)實(shí)測(cè)橫向貫通誤差為+56.5 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的橫向貫通誤差限差±100 mm。有效地驗(yàn)證了上述計(jì)算方法的合理性和適用性。

4 結(jié)論

通過(guò)工程實(shí)例計(jì)算，在實(shí)際施工中對(duì)盾構(gòu)法長(zhǎng)大地鐵區(qū)間隧道的橫向貫通誤差控制應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：

(1)始發(fā)井平面聯(lián)系測(cè)量引起的橫向貫通中誤差對(duì)總的橫向貫通中誤差影響很大，在施工測(cè)量中應(yīng)盡量提高兩井定向的測(cè)量精度，如加大兩鋼絲間距；使用有效的阻尼液和錐形重錘提高重錘的穩(wěn)定性。

(2)應(yīng)盡量加長(zhǎng)地下定向邊的邊長(zhǎng)，長(zhǎng)邊對(duì)于長(zhǎng)大區(qū)間隧道的貫通誤差控制有著極其重要的作用。

(3)地下定向邊應(yīng)不少于2條，且可相互檢核，便于驗(yàn)證點(diǎn)位的穩(wěn)定性。

(4)地下隧道內(nèi)加測(cè)陀螺定向邊可有效檢核地下導(dǎo)線測(cè)量成果，并對(duì)成果進(jìn)行修正，但陀螺儀的一次定向精度受操作人員熟練程度、環(huán)境等因素影響較大，施測(cè)時(shí)要特別注意。

(5)地下隧道內(nèi)導(dǎo)線若布設(shè)成主、副雙導(dǎo)線形式，每隔3～4個(gè)控制點(diǎn)將主、副導(dǎo)線進(jìn)行聯(lián)測(cè)形成導(dǎo)線環(huán)，導(dǎo)線環(huán)經(jīng)平差以后對(duì)提高導(dǎo)線終點(diǎn)的橫向點(diǎn)位精度比較有利。

(6)地下隧道內(nèi)導(dǎo)線宜布設(shè)成交叉導(dǎo)線網(wǎng)，每延伸一個(gè)點(diǎn)交叉一次，每個(gè)測(cè)站可以測(cè)量4個(gè)方向值、4個(gè)距離值。每個(gè)點(diǎn)的檢核條件增加，平差成果更加可靠，并且對(duì)日常檢查相鄰點(diǎn)位的穩(wěn)定性更有利。