盾构施工人工测量与自动测量技术探讨

盾构施工人工测量与自动测量技术探讨

王强1毛俊涛2

1浙江省大成建设集团有限公司310012；2杭州市地铁集团有限责任公司运营分公司310014

摘要：随着城市建设的飞速发展，我国在各大城市都开展了地铁建设，为了满足盾构掘进按设计要求贯通（贯通误差必须小于±50mm），必须研究每一步测量工作所带来的误差，包括地面控制测量，竖井联系测量，地下导线测量，盾构机姿态定位测量4个阶段。

关键词：盾构施工；人工测量；自动测量技术

盾构法具有施工速度快、机械化程度高、人员配备少、不影响地面交通等优点，所以在地铁区间施工中得到广泛应用。盾构施工测量是盾构施工中最重要的环节之一。

1工程概况

上海市轨道交通12号线顾戴路站～东兰路站区间：区间出顾戴路站端头井后下穿顾戴路北侧规划公园，自顾戴路折向万源路，然后沿万源路下向北进行，下穿万源路地块后，线路左、右线分离，分别从东西侧绕僻万源路桥桩基，下穿漕河泾港。过东兰路后进入东兰路站。本段区间较长，里程范围为SK+411.527～SK5+080.520，长度为1668.993。上行线有5段曲线，曲线半径依次为370m、1200m、650m、1000m、1000m。线路纵断面最小坡度2‰，最大坡度25‰。隧道覆土最小为10.0m，最大为22.2m。本区间为双线单圆盾构区间，在最低点设置旁通道（兼排水泵站）1座。

2盾构掘进测量

2.1人工测量

（1）盾构测量标志的安装及测定测量标志由前靶、后靶、横向坡度、纵向坡度组成，具体实物为前后测量徕卡反射贴片和坡度板（纵向和横向坡度都可测），进行安装时，先测量出盾构的轴线，并把贴片和坡度板固定在盾构中心线上，前标后标应具有足够的长度，前靶距切口越近越好。测量出前靶、后靶到盾构中心线的距离以及前靶到切口的距离、后靶到盾尾距离，以确定前后靶与切口盾尾坐标归算的几何关系。为确保整个施工期间不被破坏，设置保护记号，此项工作应有原始记录和校核记录，以免盾构标志数据中存在系统误差。初次测量时，用仪器照准前、后占牌各测量一个测回，再根据坡度板的数值确定盾构的初始姿态，方便盾构始发及时纠正。（2）人工测量的相关计算确定好前后靶与切口盾尾坐标归算的几何关系后，编制相关计算器程序，人工测量主要测设前标水平角，后标水平角，前标垂直角，后标垂直角，坡度和转角。人工测量仪器为经纬仪和坡度板。测设完相关数据后进行计算。①盾构计算：坡度W和转角U在坡度板上直接读出；设W=2.546m为前标至盾构中心轴线的距离，Z=2.391为后标至盾构中心轴线的距离；G、H为经纬仪所在测站X、Y坐标，L为测站到后标方位角，Ｒ为经纬仪棱镜高程；I=1.2×T－x：I为经纬仪所在测站到前标的平距，T为当前环号，根据所测当前环号，反算得x，x是测站到第一环的距离。每次转站都要更新。N=1.2×T－y：N为经纬仪所在测站到后标的平距，原理同上；K=测站里程+I+5.308：K为切口里程，5.308是前标到切口的距离。测站的里程，是从第一个测站开始累加起来，每次加上新测站到上一测站的平距；E=X－arcsin（（sinU×Z）&pide;N）+L－180：X为后标水平角，E为修正过的测站到后标的水平方位角；F=Y－arcsin（（sinU×W）&pide;I）+L－180：Y为前标水平角，F为修正过的测站到前标的水平角；A=G+I×cosF：B=H+I×sinF：C=G+N×cosE：D=H+N×sinE；"QKZ"=Ｒ+I×cosQ+（1－cosU）×W－W+5.3082"DWZ"=Ｒ+I×cosQ+（1－cosU）×W－W－3.8252Q为前标垂直角；POL（C－A，D－B）：E=J+180"QKX"=A+5.308×cosE"QKY"=B+5.308×cosE"DWX"=C+1.326×cosE"DWY"=D+1.326×cosE得出三维坐标与设计轴线比较即可得出偏差。②管片姿态测量管片姿态=盾构轴线上管片拼装位置的偏离值计算+管片偏离盾构轴线计算的叠加。A、B、C、D分别为管片拼装完成后上右下左与盾壳之间间隙；E、O为切口平偏和高偏，G、Q为盾尾平偏和高偏；K=测站里程+I+5.308－6.73；K为管片里程，6.73为切口至当前环拼装好的管片的距离；"SPZJ"=5550－A－C；为水平直径"CZZJ"=5550－B－D；为垂直直径"GPC"=（L－S）&pide;L×G+S&pide;L×E+（C－A）&pide;2000"GGC"=S&pide;L×O+（L－S）&pide;L×Q+（B－D）&pide;2000L为盾构长度，S为管片前端至盾尾的距离。

2.2自动测量

为了做到对盾构机姿态的实时控制，盾构机掘进中采用盾构姿态自动监测系统。该系统是盾构机自动导向测量系统，采用ＲOBOTEC隧道导向系统，具有国际先进水平，适用于隧道工程施工控制的自动测量系统。采用该系统能够确保实时、准确地控制隧道掘进，保证贯通的精度。（1）自动测量导向系统本自动测量系统安装了3个棱镜，前靶一个，后靶两个（只用一个，一个备用），安装测定与人工测量相同。在盾构始发前，对整条隧道每一米的三维坐标计算出来，输入自动测量系统，方便实测数据与其对比计算偏差。（2）自动测量盾构姿态计算原理盾构机作为一个近似的圆柱体，在开挖掘进过程中我们不能直接测量其刀盘及盾尾的中心坐标，只能用间接法来推算出中心的坐标。A点是盾构机刀盘中心，E点是盾构机盾尾断面中心点，即AE连线为盾构机的中心轴线，布置三个自动棱镜B、C、D。由A、B、C、D、四点构成一个四面体，在盾构始发前测量出B、C、D三个角点的三维坐标（xi，yi，zi）和刀盘盾尾中心的三维坐标，建立几何关系。根据三个点的三维坐标（xi，yi，zi）分别计算出LAB，LAC，LAD，LBC，LBD，LCD，四面体中的6条边长，作为以后计算的初始值，在盾构机掘进过程中Li是不变的常量，通过对B、C、D三点的三维坐标测量来计算出A点的三维坐标。同理，B、C、D、E四点也构成一个四面体，相应地求得E点的三维坐标。由A、E两点的三维坐标就能计算出盾构机刀盘中心的水平偏航，垂直偏航，由B、C、D三点的三维坐标就能确定盾构机的仰俯角和滚动角，从而达到检测盾构机姿态的目的。

3两套测量控制技术的比较

两套测量系统、相互校核，不断修正，主要相互验证测量数据计算的准确性和测量仪器的误差。通过比较两者最大相差在2厘米左右，在规定的容许范围之内。依据自动测量系统提供的数据进行推进，管片脱出盾尾后对管环进行复测，可发现偏差基本都在5cm之内，所以本工程大部分数据依据自动测量系统，节省大量劳动力。

4总结

上海市轨道交通12号线顾戴路站～东兰路站区间区间长度为1668.993m，是一般隧道的2倍左右，且曲线多、部分曲线急且长，导致导线边数多且部分导线长度较短，而这些导线又不能闭合，直接导致盾构贯通误差的增大。在半径为350m的小曲线推进时，由于隧道曲率大，前方可视距离短，导致自动与人工测量移站频繁。在本工程中，在Ｒ=350m的圆曲线隧道上，平均要20环（24m）换站一次。每次换站完成后，进行一次测量复核，调整自动与人工测量的相关数据。由于测量距离短，测量站安装在尚未完全稳定的管片上，所以每次换站完成后，高程数据总有一定的变化。为了保证测量数据的准确性，每天进行一次复核，及时调整相关数据。这些因素给本区间的盾构推进导向测量工作增加了很大的难度，为了本区间盾构的顺利推进和准确进洞贯通，就必须制订周密的导向测量方案，并且在导向测量技术应用中采取合理有效的措施。

5结论

把计算得出的盾构机姿态与自动导向系统在计算机屏幕上显示的姿态作比较，根据实践经验，只要两者的差值不大于10mm，就可以认为自动导向系统是正确的。在某地铁六号线某盾构标段已推进的300多米隧道中，曾多次采用棱镜法检核盾构机姿态，两者的偏差值较差均不大于10mm，证明了该方法在检核自动导向系统的正确性是可靠有效的。

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