盾構法地鐵隧道施工測量誤差控制技術措施和方法

徐秀川，段雙全，張偉

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

1 引 言

盾構是盾構掘進機的簡稱，是在可以移動的鋼結構外殼保護下進行開挖、支護、襯砌等多種作業一體化的施工機械。盾構法施工掘進速度快，且對周圍環境的影響小，不影響地面交通與航運，施工中不受季節、風雨等氣候條件制約，可以實現在多種復雜地質條件下施工，在松軟含水地層中修建埋深較大的長隧道往往具有技術和經濟方面的優越性。基于以上優勢，盾構法隧道施工目前被廣泛應用于地鐵建設中。

然而，盾構隧道也有其局限性，不同于礦山法暗挖、明挖或高架施工，盾構隧道是單向掘進，一方面，起始方位角誤差造成的隧道橫向偏差將隨著隧道掘進長度的增加而同比例增長，另一方面，隨著隧道內施工控制導線的延伸，測角誤差將逐步累積，測角累積誤差帶來的隧道橫向偏差增長比起始方位角誤差帶來的偏差更加顯著，由于盾構隧道一次成形，如果發生方向偏差將導致不可逆的后果，無法像礦山法一樣通過刷補修正，輕者引起調線調坡，導致隧道使用標準降低，重則拆除重建，這樣不僅引起巨大的工程損失和工期延誤，而且由于結構完整性遭到破壞，為運營期間結構變形埋下了隱患，因此，控制隧道橫向偏差是盾構施工測量的關鍵。本文從聯系測量方法分析比較、地下控制測量注意事項、盾構掘進軸線偏差控制等方面，對地鐵盾構隧道測量控制措施進行了總結概括，希望對類似工程提供有益的參考。

2 地鐵盾構隧道施工測量誤差分配

盾構法隧道工程施工是由一側豎井出發，掘進至另一側豎井，這就必然會在線路的縱、橫、豎三個方向出現貫通誤差，其中橫向貫通誤差對工程質量影響最大，控制的難度也最大，是隧道控制測量的重點工作。從地面及地下控制測量的設計到進洞測量的各項工作，都必須緊緊圍繞如何保證貫通精度，特別是橫向貫通精度。

盾構隧道橫向貫通誤差來源主要由地面控制測量誤差、聯系測量誤差、地下控制測量誤差、盾構姿態定位測量誤差組成。為保證地鐵盾構隧道順利貫通，需對各橫向誤差項進行誤差分配計算，根據誤差傳播定律，則有：

(1)

式中，mQ：隧道橫向貫通中誤差；mq1：地面平面控制測量橫向中誤差；mq2：聯系測量中誤差；mq3：地下控制測量中誤差；mq4：盾構姿態定位測量中誤差。

根據測量方法及以往地鐵測量工作的實際經驗，對于平面控制測量，地面上的測量條件較洞內要好，則地面控制測量的精度要求可高于聯系測量和地下控制測量的精度要求，各種誤差對橫向貫通精度的影響，可采用不等精度分配原則，取值如下：

mq1=n，mq2=3n，mq3=3n，mq4=2n

代入式(1)，得：

根據《城市軌道交通工程測量規范》GB/T 50308-2017，總平面貫通測量中誤差=±50 mm[1]。有：

計算得：n=±10.4 mm

從而求得：地面平面控制測量橫向中誤差mq1=±10.4 mm；聯系測量中誤差mq2= ±31.2 mm；地下控制測量中誤差mq3= ±31.2 mm；盾構姿態定位測量中誤差mq4=±20.8 mm。

3 地面控制測量誤差控制措施

城市軌道交通線路控制網分兩級布設[1]，一級為線路控制網，采用衛星定位測量方法，二級為線路加密控制網，即精密導線網。為提高地面控制測量精度，控制測量誤差，可采取以下措施：

(1)作為起算控制點的衛星定位控制點，宜采用強制對中標志，減少儀器對中誤差。

(2)衛星定位控制網必須由獨立基線構成若干異步環以構成檢核條件，提高網的可靠性。

(3)精密導線應布設成附合導線、閉合導線或結點導線網形式。

(4)附合導線的邊數宜少于12條，相鄰邊的短邊與長邊比例不宜小于 1∶2，最短邊長不宜小于 100 m，以控制測角誤差。

(5)位于盾構區間的控制點使用較少，可適當加大控制點間距，減少控制點個數，提高導線精度[2]。

(6)相鄰導線點間以及導線點與其相連的衛星定位控制點之間的垂直角不應大于30°，視線離障礙物的距離不應小于 1.5 m，以減少旁遮光影響。

(7)當前后視邊長觀測需要調焦時，宜采用同一方向正倒鏡同時觀測法，一個測回中不同方向可不考慮2C較差要求。

(8)應根據要求對邊長進行改正，包括氣象改正，儀器加、乘常數改正，高程歸化和投影改化改正。

4 聯系測量誤差控制措施

聯系測量是城市軌道交通隧道控制測量的關鍵環節，是實現地下隧道工程貫通控制的關鍵和核心[3]。平面聯系測量是將地面的平面坐標系統傳遞到地下，使地上、地下坐標系統相一致的測量工作。平面聯系測量包括一井定向、兩井定向、導線直接傳遞測量、投點定向測量、陀螺儀定向等。聯系測量前，應收集豎井設計資料及豎井控制測量成果，根據豎井幾何形狀及通過豎井向兩側開挖正洞的長度，對豎井聯系測量方案進行優化設計，方案比選時，應以滿足精度要求、經濟、高效安全為主要指標。下面以石家莊市地鐵2號線一期工程施工07標藍天圣木站-運河橋站盾構法區間為例說明聯系測量技術措施。該盾構法區間長度約 1 300 m，盾構自運河橋站始發，由于場地所限，運河橋站分段開挖，前期車站豎井口較小(兩井定向鋼絲間距最長約 35 m、一井定向鋼絲間距約 11 m)，為保證測量質量，選用不同聯系測量方法分析測量效果。

在施工中，第三方測量單位、施工單位及施工總承包單位分別使用兩井定向、一井定向、導線直接傳遞測量三種方式進行聯系測量，指導盾構始發及掘進，除洞口附近控制點外，均使用相同的洞內控制點。隧道掘進至約 800 m時，采用陀螺定向方法對靠近掘進面的控制邊進行方位測量，通過比較不同聯系測量方法測量的同一控制點(LYY7)的坐標值及同一邊(LYY6-LYY7)的方位角，對各種聯系測量結果進行對比分析。結果如表1、表2所示。

方位角對比表 表1

控制點成果對比表 表2

由表1可知：對于同一條控制邊(LYY6-LYY7)，三家單位測量采用一井定向、導線直接傳遞測量測得的方位角基本一致，且與陀螺定向方法確定的坐標方位角吻合，且各家單位測量的結果集中性比較高，穩定性較好。而通過兩井定向測量的方位角，坐標方位角相差較大(最大較差18″)，離散性高，穩定性較差。

由表2可知：三家單位一井定向、導線直接傳遞測量的LYY7點坐標基本一致(較差 10 mm內)，而兩井定向測量的LYY7點坐標較差較大，穩定性差(最大較差△Y=44 mm)，根據《城市軌道交通工程測量規范》GB/T 50308-2017規定，重合點重復測量坐標分量較差應小于30×d/D(mm)，其中d為控制導線長度，此處d=800 m，D為貫通距離，此處D=1 300 m，計算解得坐標分量較差限差=30×800/1300=18.5 mm，因此，兩井定向測量的LYY7(距始發豎井約 800 m)Y坐標分量較差=30 mm>此處限差 18.5 mm，成果超限。究其原因，對于兩井定向(圖1)，鋼絲間距是影響兩井定向方向誤差的主要因素，鋼絲間距越大，點位(投點)誤差引起的方向誤差越小，反之，較短的鋼絲間距可能引起比較大的方向誤差，導致測量精度的降低。根據理論計算及實際經驗總結，采用兩井定向進行聯系測量時，鋼絲間距宜不小于 60 m，本案例，鋼絲間距 35 m，兩井定向精度不可靠。

圖1 兩井定向示意圖

根據以上工程實例得出：對于地鐵盾構隧道，應針對不同的測量條件，選擇合理的聯系測量方法。一般情況下，兩井定向的精度較高，且占用井筒時間較少，因此條件允許時(通常鋼絲間距大于 60 m)應優先選擇兩井定向，對于地鐵盾構工程，兩井定向適用的情形有：分數段開挖的區間隧道，其中一段已貫通，可在貫通隧道進行；盾構法區間端頭的車站，一端設盾構吊入井，另一端設出土井，可在車站內進行。

一井定向(聯系三角形定向)可實現單豎井定向(鋼絲間距宜不小于 5 m)，嚴格遵守聯系三角形測量要求[1]，可獲得比較可靠的定向精度，所以應用比較普遍。但操作相對煩瑣，容易受風力、機械振動等外力因素影響，作業時間長且容易出錯，不可指導過長的隧道掘進。

導線直接傳遞定向工作量較小、測量效率高，且精確度有保證，適用于井口大、深度淺等目標的測量[4]，但要注意克服俯仰角較大(宜不大于30°)的影響。此外，地下近井點測量時，應注意減少洞內外溫差、空氣對向流動對定向結果的影響。

《城市軌道交通工程測量規范》GB/T 50308-2017規定[1]，隧道單向貫通距離大于 1 500 m時，應在隧道每掘進 1 000處，通過鉆孔投測坐標點或加測陀螺方位角等方法提高控制網精度。考慮到盾構隧道區間投點困難，應采用陀螺儀定向方法對地下方位角進行檢核。陀螺定向較導線測量相比，不會隨著距離的增大而累計誤差，適用于長距離掘進隧道。陀螺經緯儀作業時，必須注意避開振動、極端溫度和強電磁場的影響。

5 地下控制測量誤差控制措施

地下導線為支導線，指導盾構掘進方向，對精度要求很高，可通過以下措施提高地下控制測量精度：

(1)盾構隧道掘進過程中，基于使用方便、利于保護、穩定可靠原則，建議控制點布設在管片結構側壁上，埋設強制歸心儀器觀測裝置，如圖2所示。

圖2 側壁強制歸心儀器觀測裝置

(2)為避免旁折光測角精度的影響，應保證視線距隧道壁不小于 0.5 m。

(3)為減小對中誤差，在單向貫通距離較長的盾構隧道內建議采用三聯腳架法進行觀測。

(4)隧道內由于施工導致粉塵、煙霧較多時，可采取鼓風機等手段，提高隧道內測量條件。

(5)為保證隧道準確貫通，隧道貫通前(距貫通面約 100 m處)應重點做好以下工作：①覆蓋始發端與接收端的地面控制網復測；②聯系測量及地下控制點測量；③盾構接收鋼環安裝復核，保證掘進面與接收端相對關系的穩定性。如圖3所示。

圖3 盾構隧道貫通前測量示意圖

(6)單向掘進長度大于1 km的盾構隧道，建議在洞內布設雙導線，形成多邊形閉合環，每個閉合環一般由4～6條邊構成。

(7)施工控制導線隨隧道掘進而延伸，地下導線盡量按等邊直伸布設，直線段平均邊長 150 m，曲線段邊長不宜小于60m，且盡量埋設在曲線要素點上[5]。

6 盾構隧道掘進軸線偏差測量控制措施

對于長隧道及曲線隧道施工來講，確保盾構機能正確地沿著設計軸線進行推進和貫通是最關鍵的問題[6]。盾構掘進過程中要嚴格控制隧道中心與設計中線的偏差量，通常，盾構掘進隧道軸線平面及高程允許偏差為 ±50 mm，超過 ±50 mm應啟動預警機制，超過 ±100 mm應停工并制定專項掘進方案。為保證盾構隧道的準確掘進，主要通過盾構機導向系統、人工測量盾構機姿態及人工測量成型管片姿態三方面進行控制，具體包括以下測量措施：

(1)盾構始發前，始發架及反力架安裝需穩定，且安裝位置符合設計要求。盾構機始發容易出現栽頭現象，可結合地質及施工條件適當抬高盾構始發基座。根據經驗，盾構始發基座安放時頭部可高于原設計軸線坡度2‰的傾角向上進行安放，盾構機前端中心高于隧道中心 20 mm左右。

(2)應對盾構隧道設計中心等設計值及盾構機參數進行多級復核，確保準確無誤，尤其注意曲線段隧道中心線與設計線路中心線的區別。

(3)盾構掘進過程中，嚴格控制盾構掘進軸線偏差，確定軸線偏差控制值，建立預警機制。

(4)采用盾構自動導向系統，該系統能夠實時地提供盾構軸線與隧道設計軸線的偏差[7]，同時建立遠程測量監控系統，實時監測盾構機主機前進的姿態數據。

(5)為保證管片拼裝姿態，應采用人工測量的方法及時對拼裝后的管片進行測量檢核，并定期對盾構機導向系統及其顯示的盾構機姿態數據進行人工檢核校正，并將人工復核結果定期上傳測量監督平臺。

(6)出現隧道軸線偏差過大需要進行軸線糾偏時，應制定專業糾偏方案，做到勤測勤糾，每次糾偏量盡量小，避免錯臺過大。糾偏過程中，每環管片在脫出盾尾后及時人工復測，確保盾構機導向系統數據真實可靠。

7 結 語

盾構法隧道施工具有效率高、成本低、安全可靠等優勢，廣泛應用于地鐵建設中，但其單向掘進，一次成型，結果不可逆，對測量控制要求較高。在平面控制測量、聯系測量、地下控制測量等各個環節對測量誤差進行控制，通過盾構導向系統、人工復核盾構姿態及成型管片姿態等措施嚴格控制隧道掘進中的軸線偏差[8]，保證盾構隧道按設計位置敷設，是城市軌道交通工程測量的主要目標。本文結合多年現場經驗，對盾構隧道施工控制測量控制措施進行了總結，希望對類似工程提供有益的參考。