地鐵長隧道一井定向方法的改進研究

孫士通，王永鋒，楊彬

(杭州市勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310012)

1 引 言

隧道精準貫通是地鐵施工的關鍵。目前國內常用聯系測量方法有一井定向、兩井定向及陀螺全站儀+鉛垂儀組合定向的方法。關于提高貫通精度方面的研究，國內學者大都集中在如何提高洞內支導線傳導精度，例如采用洞內雙導線，洞內支導線加測陀螺邊，洞內導線傳導以自由設站的方式傳導等，但鮮少提及如何提高盾構隧道始發邊方位角的精準性和穩定性。保持始發邊方位角的精準性和穩定性才是確保整個隧道貫通精度的關鍵。為此，本文基于一井定向和自由設站邊角交會的原理，提出一井定向井下聯系測量控制點采用任意設站布點方式的優化方法，結合杭州地鐵14號線進行工程實例驗證和精度分析，證明改進方法的可行性。

2 改進方法的基本思想

改進方法的基本思想是采用一井定向和自由設站相結合的方式。目的是確保地鐵長隧道一井定向地下始發邊方位角精度和穩定性，節約時間和經濟成本，并確保地下始發邊的穩定性和重復可利用性。通過懸吊2根鋼絲，分別測設2根鋼絲坐標及方位角，井下采用自由設站的布點方式，在車站側墻、立柱等穩定、不受施工干擾的位置布設3對帶有預埋件的控制點，在2根鋼絲一端自由架設全站儀，通過2根鋼絲的坐標和方位角，分別測設出3對控制點的坐標。最后采用多點后方交會的方法，向洞內傳遞支導線。如圖1、圖2所示。

圖1 一井定向改進后網形示意圖

圖2 任意設站導線洞內傳遞網形示意圖

2.1 一井定向傳遞坐標和方位角

井上采用常規一井定向的方式布網，可根據現場施工情況，懸吊2根或3根鋼絲。為表現本方法的普適性，本文采用懸吊2根鋼絲的方法。通過井上2個已知點A和B，測設出2根鋼絲O1和O2的坐標及方位角。

2.2 自由設站法確定井下3對強制對中點坐標

以井下懸吊鋼絲的端頭井位置為中心，在車站側墻，車站站臺層立柱，隧道壁等適宜位置，成對埋設3對CPⅢ預埋件。如圖1所示。井下所布設的3對預埋件，位置高度應適中，避免施工遮擋和破壞，要長久保留，并可最后移交給鋪軌單位做CPⅢ控制網搭接等。在隧道端頭井適宜位置點M架設全站儀，并將帶有連接桿的棱鏡插到預先埋設的CPⅢ預埋件中。按一井定向的井下測量方法和要求，分別測設鋼絲O1、O2和待測點Q1～Q6的距離及角度。通過計算，獲取Q1～Q6的坐標。需要說明的是，測站M點選擇應恰當，距離鋼絲及墻上控制點距離適中，不應太長或太短，保證與3對強制對中點都通視。

2.3 隧道內坐標傳遞

在地鐵隧道端頭井附近選擇P點，測站P點選擇應盡可能和隧道內第一個控制點N(布設強制對中點)通視且距離足夠長，以保證方位精度。若現場條件可以，可將P點做成強制對中點，即可避免采用三聯腳架的方法?？刂泣c間視線距隧道壁或設施應大于 0.5 m，以避免旁折光影響，如圖2所示。P點架設全站儀，通過觀測Q1～Q6及N點的距離及角度，獲取N點的坐標，然后向洞內依次進行導線傳遞。當隧道大于 1 500 m時，再結合陀螺儀對隧道內最后的導線邊進行方位角檢核或糾正，確保貫通精度。

后續往洞內傳遞的聯系測量，即可每次以井下Q1～Q6點為起算點。每次使用前，注意檢核內部6個點的穩定性，注意定期復測。

3 工程實例驗證

以杭州地鐵16號線某區間為例。區間全長 1 334 m，內含3個曲線，曲線半徑最小為 350 m。采用常規一井定向方法做盾構推進基準，新方法作為實驗數據?，F通過實例分析，驗證一井定向井下聯系測量控制點采用任意設站布點方式的優越性。

3.1 改進方法測設的地下始發邊方位角穩定性分析

采用常規一井定向方法，作為第三方測量單位，井上、井下共進行聯系測量5次，因第1次聯系測量場地有限，后續始發邊改變。遂采用第2次至第5次聯系測量始發邊做對比分析。方位角歷次觀測數據如表1所示：

常規一井定向方法與新方法地下始發邊方位角歷次觀測數據匯總 表1

結合施工單位沉降變形分析數據(圖3)及3對控制點穩定性分析數據，可得出該區間車站沉降變形對地下控制點的影響較小，可忽略。故可知常規一井定向方法始發邊方位角的不一致是由歷次聯系測量的測量誤差引起。對比常規方法歷次方位角差值最大為8.6″，估算 800 m推進距離坐標誤差約為 33.4 mm。改進方法歷次方位角最大差值為1.4″，估算 800 m推進距離坐標誤差約為 5.4 mm。

圖3 施工單位對始發邊地下控制點沉降變形觀測匯總圖

綜上所述，采用改進方法比常規一井定向方法更能保證始發邊方位角的穩定性，對保證隧道貫通精度起到決定性作用。

3.2 改進方法測設的洞內尾部控制點貫通前、后的坐標較差分析

表2給出了改進方法和常規方法貫通前、后最后一次聯系測量測設的隧道尾部點成果表。由表2可知，采用常規一井定向方法，由于始發端隧道洞口在曲線上，導致始發邊較短。區間共測設導線12站。貫通后，Z11點相比貫通后成果X坐標較差-54.4 mm，Y坐標較差-24.8 mm。采用一井定向井下聯系測量控制點采用任意設站布點方式，自由設站點架設到隧道內35環，共測設導線10站，比常規一井定向方法節省2站。定向邊距離為 130 m，相對于常規方法，受場地影響，導線邊距離 82 m。貫通后，由表2可知，Z11點相比貫通后成果X坐標較差-21.7 mm，Y坐標較差-11.1 mm。

兩種方法貫通前后最后一次聯系測量測設的隧道尾部點成果表 表2

3.3 改進方法貫通后測設的附和導線網精度對比分析

表3給出改進方法和常規方法貫通后附和導線網精度統計對比表。由表3可知，改進方法較常規方法在附和導線網整體精度上具有較高精度和較強優越性，完全滿足《城市軌道交通測量規范》精度要求。

兩種方法貫通后附和導線網精度統計對比表 表3

綜合表2、表3可知，采用改進方法，測設的洞內導線點坐標更接近貫通后坐標，貫通后的附和導線精度更高。表明采用改進方法測設的地下始發邊方位角具有較高的精準度，測設點坐標更接近真值，精度更可靠。

4 結 論

隧道精準貫通是地鐵施工的關鍵。通過實例驗證及精度分析，可得出以下結論：①改進方法地下段采用自由設站布點方式，消除了測設井下隧道起始邊的對中誤差，減少了施工對始發邊控制點的影響，保證了起始邊方位角的穩定性及精準度，確保了地鐵長隧道貫通精度。②因井下3對點布設在二襯后的車站側墻，車站站臺層立柱，隧道壁等位置，點位穩定，不受施工干擾，可大大降低平面聯系測量次數，只需內部6個控制點相互檢核即可，無須頻繁進行井上、井下聯系測量，可極大提高效率。該方法不僅對地鐵長隧道一井定向具有以上優點，其針對常規一井定向，兩井定向及陀螺全站儀和鉛垂儀(鋼絲)組合法，同樣具有明顯優勢。