新建地鐵線路近距離上跨既有線測(cè)量技術(shù)探討

隨著社會(huì)的發(fā)展，地鐵已成為大都市標(biāo)志性建設(shè)項(xiàng)目之一。城市建設(shè)環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，因地鐵建設(shè)的特殊性，不同線路必然存在立體交叉及換乘情況，本文結(jié)合實(shí)際案例，提出在測(cè)量作業(yè)層面把控新建地鐵近距離上跨既有線工程采取的技術(shù)手段及措施，確保新建線路順利上跨既有線。

1 工程概況

沈陽(yáng)地鐵10號(hào)線中—松盾構(gòu)區(qū)間線路出中醫(yī)藥大學(xué)站后沿崇山東路東行，上跨既有地鐵2號(hào)線崇—岐區(qū)間、側(cè)穿崇山路高架橋、東一環(huán)高架橋及多棟房屋、下穿北塔橋橋樁后到達(dá)松花江街站；右線全長(zhǎng)1 234.533 m，左線全長(zhǎng)1 221.747 m；標(biāo)準(zhǔn)單洞單線圓形斷面，盾構(gòu)法施工，線間距12～15 m，覆土厚度5.92～17.80 m。

崇—岐區(qū)間為標(biāo)準(zhǔn)單洞單線馬蹄形斷面，采用礦山法施工，復(fù)合式襯砌；既有2號(hào)線區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)段二襯厚度350 mm，初支250 mm，人防段二襯500 mm，初支300 mm。

中—松區(qū)間左線線路出站后以27‰坡度上坡，掘進(jìn)約23 m開(kāi)始上跨2號(hào)線，通過(guò)設(shè)計(jì)斷面變化調(diào)整段，再以22‰坡度下坡，左線區(qū)間隧道盾構(gòu)機(jī)刀盤外邊緣與既有2號(hào)線右線初期支護(hù)結(jié)構(gòu)凈距約116 mm，與既有2號(hào)線左線初期支護(hù)結(jié)構(gòu)凈距約580 mm。見(jiàn)圖1。

圖1 中—松盾構(gòu)區(qū)間左線上跨既有2號(hào)線位置

2 測(cè)量重難點(diǎn)分析

針對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題逐項(xiàng)分析，提前制定相關(guān)解決方案，施工中易出現(xiàn)的問(wèn)題即第三方測(cè)量重點(diǎn)把控問(wèn)題，主要有以下幾點(diǎn)：

1）如何提高地下測(cè)量控制網(wǎng)精度，確保提供給盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的測(cè)量基準(zhǔn)準(zhǔn)確無(wú)誤尤其關(guān)鍵；

2）既有2號(hào)線結(jié)構(gòu)距離中醫(yī)藥大學(xué)站左線始發(fā)端僅有23 m左右，可供盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)調(diào)整段過(guò)短，應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)始發(fā)姿態(tài)，保證始發(fā)架、反力架、導(dǎo)軌、盾構(gòu)機(jī)按照設(shè)計(jì)與施工方案中的要求準(zhǔn)確就位；

3）區(qū)間上跨段距離2號(hào)線人防段最近距離116 mm，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的自動(dòng)導(dǎo)向姿態(tài)和人工姿態(tài)的校核結(jié)果與管片姿態(tài)偏差的測(cè)量成果必須及時(shí)反饋施工工程部與盾構(gòu)機(jī)司機(jī)，為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中始終保持抬頭趨勢(shì)掘進(jìn)的要求提供數(shù)據(jù)支持。

3 第三方測(cè)量采取的把控措施

施工過(guò)程中，主要從控制測(cè)量、入洞鋼環(huán)中心復(fù)核、盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)計(jì)線成果復(fù)核、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制、管片姿態(tài)測(cè)量等幾個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)把控與分析，確保了施工區(qū)間順利上跨既有線。

3.1 提高地下始發(fā)測(cè)量基準(zhǔn)精度

盾構(gòu)正式始發(fā)前增加一次聯(lián)系測(cè)量工作，提高地下始發(fā)測(cè)量基準(zhǔn)精度。平面始發(fā)控制測(cè)量采用兩井定向[1]，起算點(diǎn)位均為交樁GPS控制點(diǎn)，經(jīng)邊角檢核，點(diǎn)位穩(wěn)定，然后經(jīng)兩近井點(diǎn)構(gòu)成附和導(dǎo)線，通過(guò)近井點(diǎn)測(cè)得鋼絲坐標(biāo)；地下采用無(wú)定向?qū)Ь€形式進(jìn)行復(fù)核平差計(jì)算，得到始發(fā)邊成果數(shù)據(jù)。線路走向?yàn)椋篏省高?！狦綠洲賓館—JJD1—JJD2—G蘭亭賓館—G綠洲賓館。見(jiàn)圖2。

圖2 始發(fā)邊測(cè)量檢測(cè)

采用懸掛鋼尺的方法[2]進(jìn)行高程聯(lián)系測(cè)量復(fù)核檢測(cè)，起算點(diǎn)采用2個(gè)交樁精密水準(zhǔn)控制點(diǎn)，經(jīng)復(fù)核起算點(diǎn)點(diǎn)位穩(wěn)定。外業(yè)開(kāi)展嚴(yán)格按照軌道交通二等水準(zhǔn)要求進(jìn)行施測(cè)，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)平差計(jì)算加入溫度及尺長(zhǎng)改正數(shù)。

3.2 入洞鋼環(huán)中心檢測(cè)

對(duì)盾構(gòu)鋼環(huán)圓周進(jìn)行檢測(cè)，以始發(fā)邊控制測(cè)量成果為起算依據(jù)，測(cè)量洞門鋼環(huán)圓周三維坐標(biāo)成果，擬合圓心[3]成果偏差滿足盾構(gòu)鋼環(huán)安裝要求。見(jiàn)表1。

表1 洞門鋼環(huán)擬合中線成果偏差

3.3 盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)計(jì)線成果復(fù)核

從區(qū)間設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程至上跨既有2號(hào)線位置設(shè)計(jì)坡度變化較大，設(shè)計(jì)斷面變化復(fù)雜，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的設(shè)計(jì)線計(jì)算正確是本項(xiàng)目的重點(diǎn)工作。

3.3.1 設(shè)計(jì)斷面變化情況

K9+752.305～K9+803.000設(shè)計(jì)斷面道床高740 mm,K9+803.000～K9+842.000設(shè)計(jì)斷面道床高由740 mm過(guò)渡到900 mm；K9+842.000～K10+134.000設(shè)計(jì)斷面道床高900 mm；K10+134.000～K10+154.000道床設(shè)計(jì)高由900 mm過(guò)渡到840 mm；K10+154.000～終點(diǎn)設(shè)計(jì)斷面道床高840 mm。設(shè)計(jì)斷面較多，盾構(gòu)施工設(shè)計(jì)中線高程計(jì)算的依據(jù)為設(shè)計(jì)軌面高，須根據(jù)設(shè)計(jì)斷面變化情況進(jìn)行相調(diào)整，盾構(gòu)施工設(shè)計(jì)中線標(biāo)高=設(shè)計(jì)軌面高－道床厚度+2.7 m。

經(jīng)復(fù)核，設(shè)計(jì)線計(jì)算準(zhǔn)確，與復(fù)核成果偏差均＜3 mm。

3.3.2 始發(fā)位置設(shè)計(jì)線調(diào)整與驗(yàn)算

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)位置在車站與區(qū)間豎曲線變坡點(diǎn)附近，車站位置設(shè)計(jì)坡度為2‰，進(jìn)洞后設(shè)計(jì)坡度為27‰，盾構(gòu)機(jī)所在位置設(shè)計(jì)坡度為12.4‰，確定合理的盾構(gòu)機(jī)始發(fā)姿態(tài)坡度為盾構(gòu)機(jī)順利始發(fā)的關(guān)鍵，始發(fā)姿態(tài)[4]調(diào)整確定影響因素如下：

1）始發(fā)位置位于豎曲線變坡點(diǎn)上；

2）盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入加固區(qū)，姿態(tài)調(diào)整難度大；

3）進(jìn)洞后短距離內(nèi)盾構(gòu)機(jī)坡度由12.4‰變化至27‰，姿態(tài)控制難度大。

區(qū)間起點(diǎn)里程為K9+752.305，區(qū)間起點(diǎn)里程位置盾構(gòu)施工中線設(shè)計(jì)標(biāo)高為33.649 m，加固區(qū)長(zhǎng)度6 m，盾構(gòu)機(jī)在加固區(qū)位置姿態(tài)無(wú)法調(diào)整，盾構(gòu)機(jī)完全脫機(jī)加固區(qū)距離約為16 m，對(duì)應(yīng)里程為K9+768.305，此時(shí)盾首標(biāo)高約為33.847 m，此里程設(shè)計(jì)標(biāo)高為33.947 m，盾首偏差約為100 mm。豎曲線結(jié)束里程為K9+776.985，之后設(shè)計(jì)坡度為27‰上坡，距既有2號(hào)線結(jié)構(gòu)邊緣里程為K9+779.801（設(shè)計(jì)標(biāo)高為34.239 m），11.5 m內(nèi)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)坡度由12‰調(diào)整為24‰，絕對(duì)標(biāo)高差變化值為0.292 m，考慮地質(zhì)條件等因素，施工難度及風(fēng)險(xiǎn)均較大，可能出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整不到設(shè)計(jì)坡度，與既有2號(hào)線結(jié)構(gòu)發(fā)生沖突。為保障盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞后，順利上跨既有2號(hào)線，終確定本次盾構(gòu)始發(fā)設(shè)計(jì)坡度調(diào)整為27‰進(jìn)洞，始發(fā)架按照27‰坡度放樣。

3.4 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制

3.4.1 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測(cè)量

主要測(cè)得盾構(gòu)機(jī)實(shí)際軸線位置與設(shè)計(jì)軸線位置偏差情況，通過(guò)測(cè)得盾首、盾尾三維坐標(biāo)與設(shè)計(jì)中線對(duì)應(yīng)位置坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算偏差參數(shù)。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測(cè)量方法有多種：水平標(biāo)尺法、擬合圓心法、懸掛鋼絲側(cè)邊法、標(biāo)志點(diǎn)法等。見(jiàn)表2。

表2 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測(cè)量方法特點(diǎn)比較

根據(jù)表2，擬采用懸掛鋼絲側(cè)邊法、標(biāo)志點(diǎn)法和水平標(biāo)尺法[5]。擬合圓心法受限于盾構(gòu)機(jī)外邊緣變形和測(cè)量條件差并且耗時(shí)長(zhǎng)、精度較低不建議采用。

1）懸掛鋼絲側(cè)邊法。外業(yè)測(cè)量前，先將盾構(gòu)機(jī)所有鉸接復(fù)位歸零；然后在盾構(gòu)機(jī)外殼切口及盾尾位兩側(cè)位置分別懸掛鋼絲，鋼絲下面系重物并置于油桶中，通過(guò)測(cè)量貼在鋼絲上的反射片坐標(biāo)直接得到盾構(gòu)機(jī)外邊緣的平面坐標(biāo)；取測(cè)得的坐標(biāo)平均值間接計(jì)算盾構(gòu)機(jī)切口及盾尾軸線中心坐標(biāo)的方法來(lái)得到中軸線平面坐標(biāo)。高程測(cè)量直接采用中間設(shè)站的光電測(cè)距三角高程測(cè)量方法，測(cè)得盾構(gòu)機(jī)頂部切口及盾尾平面坐標(biāo)對(duì)應(yīng)位置的高程數(shù)據(jù)，通過(guò)盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)尺寸及實(shí)測(cè)坐標(biāo)反算得到的盾構(gòu)機(jī)直徑比較分析取值后計(jì)算至盾構(gòu)機(jī)中心位置的高程。見(jiàn)圖3。

圖3 懸掛鋼絲側(cè)邊法測(cè)量

2）分中標(biāo)尺法。測(cè)量水平放置在盾尾內(nèi)殼的鋁合金尺上貼片的三維坐標(biāo)，用卷尺精確量出鋁合金尺的中心并在中點(diǎn)左右對(duì)稱標(biāo)定L、R兩點(diǎn)；通過(guò)鋁合金尺與盾構(gòu)切口、盾尾的距離關(guān)系來(lái)計(jì)算盾構(gòu)機(jī)的盾首和盾尾三維坐標(biāo)。該方法適合于盾構(gòu)機(jī)初始定位和掘進(jìn)過(guò)程中的姿態(tài)檢核工作。見(jiàn)圖4。

外業(yè)測(cè)量前，先將盾構(gòu)機(jī)所有鉸接復(fù)位歸零；然后將標(biāo)尺水平置于盾構(gòu)機(jī)鉸接千斤頂面附近，標(biāo)尺面與鉸接面平行等距并與盾殼內(nèi)壁光滑接觸，測(cè)量標(biāo)尺中線點(diǎn)F及L1、R1三維坐標(biāo)；再將標(biāo)尺水置于盾尾處，標(biāo)尺兩端到盾尾距離相等，測(cè)出此時(shí)標(biāo)尺中點(diǎn)B及L2、R2的三維坐標(biāo)，注意確保L、R高程等值。根據(jù)F和B的高程及盾構(gòu)機(jī)傳感器顯示數(shù)據(jù)反算出盾構(gòu)機(jī)的坡度，根據(jù)F和B的坐標(biāo)計(jì)算盾構(gòu)機(jī)方位角，進(jìn)而計(jì)算盾首、盾尾中心的三維坐標(biāo)。

圖4 分中標(biāo)尺法測(cè)量

3）標(biāo)志點(diǎn)法。始發(fā)前在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部布設(shè)5個(gè)人工復(fù)核檢測(cè)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的徠卡反射片標(biāo)志點(diǎn)，均勻分布在盾構(gòu)機(jī)鉸接前部千斤頂附近圓周上。同時(shí)測(cè)得5個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)，使用演算工房?jī)?nèi)部自帶測(cè)量程序，輸入刀尖及盾尾中心部位計(jì)算得到的三維坐標(biāo)成果，計(jì)算人工復(fù)核標(biāo)志點(diǎn)相對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的獨(dú)立坐標(biāo)系參數(shù)。

3.4.2 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)姿態(tài)測(cè)量成果

在檢測(cè)盾構(gòu)機(jī)始發(fā)姿態(tài)時(shí)采用三種不同方法進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，各種方法在實(shí)際案例中的偏差數(shù)據(jù)滿足相關(guān)限差要求。采用懸掛鋼絲側(cè)邊法成果作為最終成果。

因盾構(gòu)吊裝導(dǎo)致始發(fā)架變形，實(shí)測(cè)盾構(gòu)機(jī)坡度為33‰，較設(shè)計(jì)27‰的坡度偏差值較大，盾構(gòu)始發(fā)段地質(zhì)以砂礫為主，結(jié)合本地區(qū)相鄰標(biāo)段盾構(gòu)始發(fā)經(jīng)驗(yàn)，基本不存在盾構(gòu)進(jìn)洞后栽頭情況。經(jīng)驗(yàn)算，如按33‰坡度進(jìn)洞，刀盤掘進(jìn)距離12 m（約10環(huán)）位置，盾構(gòu)姿態(tài)高程偏差將嚴(yán)重超限，盾首垂直偏差將達(dá)到150 mm，盾構(gòu)機(jī)尾盾仍在加固區(qū)（加固長(zhǎng)度6 m，盾構(gòu)機(jī)全長(zhǎng)9.98 m），姿態(tài)無(wú)法調(diào)整。盾尾脫離加固區(qū)范圍后，刀盤約在進(jìn)洞16 m位置時(shí)方可進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整，但盾首姿態(tài)高程偏差計(jì)算值約為160 mm。距離既有2號(hào)線距離較近，坡度不好調(diào)整，始發(fā)姿態(tài)坡度存在一定問(wèn)題，雖可安全上跨既有線，但管片姿態(tài)超限嚴(yán)重，建議對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。考慮既有2號(hào)線結(jié)構(gòu)安全及盾構(gòu)脫離加固區(qū)存在產(chǎn)生載頭風(fēng)險(xiǎn)等不穩(wěn)定因素，決定按照既有盾構(gòu)機(jī)坡度始發(fā)，在盾構(gòu)機(jī)順利上跨既有2號(hào)線后采取相應(yīng)調(diào)整措施。

3.4.3 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中姿態(tài)控制與復(fù)核

采用的三種姿態(tài)測(cè)量方法特點(diǎn)鮮明，但各有局限性。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中盡量避免停機(jī)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至18環(huán)位置時(shí)開(kāi)始上跨既有2號(hào)線，考慮既有線運(yùn)營(yíng)安全問(wèn)題，決定在既有線停運(yùn)期間不停機(jī)直接上跨既有線，這使得人工復(fù)核盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的時(shí)間比較緊張，需要測(cè)量人員在較短的時(shí)間內(nèi)完成盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)人工復(fù)核測(cè)量工作。結(jié)合施工計(jì)劃情況，在始發(fā)姿態(tài)測(cè)量時(shí)使用懸掛鋼絲側(cè)邊法，采用水平標(biāo)尺法進(jìn)行檢核；盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞后，盾尾脫離加固區(qū)上跨既有線位置前使用標(biāo)志點(diǎn)法復(fù)核導(dǎo)向系統(tǒng)穩(wěn)定性；上跨既有線時(shí)盾構(gòu)機(jī)不停機(jī)，使用水平標(biāo)尺法測(cè)得相應(yīng)位置的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)檢核導(dǎo)向系統(tǒng)顯示姿態(tài)準(zhǔn)確性；充分利用各種姿態(tài)測(cè)量方法的特點(diǎn)，在合適的時(shí)機(jī)，采用合適的方法測(cè)得盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)偏差。

人工復(fù)核盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)成果顯示，與導(dǎo)向系統(tǒng)顯示成果偏差均＜15 mm，導(dǎo)向系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

3.5 管片姿態(tài)測(cè)量

盾構(gòu)開(kāi)始掘進(jìn)至上跨既有2號(hào)線前，全程記錄盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)每環(huán)管片掘進(jìn)過(guò)程中的姿態(tài)偏差情況并對(duì)成環(huán)管片姿態(tài)逐環(huán)測(cè)量，分析成環(huán)管片姿態(tài)與盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中導(dǎo)向系統(tǒng)顯示姿態(tài)偏差之間存在的差異規(guī)律，見(jiàn)表3。

表3 導(dǎo)向系統(tǒng)顯示高程偏差與人工實(shí)測(cè)管片姿態(tài)高程偏差對(duì)比 mm

從表3看出，成環(huán)管片高程姿態(tài)偏差與導(dǎo)向系統(tǒng)顯示偏差基本一致。1～7環(huán)位置為加固區(qū)，實(shí)測(cè)管片姿態(tài)與導(dǎo)向系統(tǒng)顯示姿態(tài)基本吻合，8環(huán)位置開(kāi)始脫離加固區(qū)，受地質(zhì)條件變化及施工注漿參數(shù)調(diào)整等因素影響，實(shí)測(cè)管片姿態(tài)比導(dǎo)向系統(tǒng)顯示盾構(gòu)姿態(tài)偏差值在28～-23 mm內(nèi)波動(dòng)。

4 結(jié)論

盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)顯示成果準(zhǔn)確，導(dǎo)向系統(tǒng)能夠指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)按照設(shè)計(jì)線路掘進(jìn)且成環(huán)管片偏差與導(dǎo)向系統(tǒng)顯示偏差差值均在30 mm以內(nèi)，上跨既有2號(hào)線以導(dǎo)向系統(tǒng)顯示偏差為主，人工復(fù)核管片姿態(tài)為輔指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，以上方法及規(guī)律成功指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)順利上跨既有線。

從測(cè)量角度分析本項(xiàng)目仍存在不足之處，諸如始發(fā)姿態(tài)的控制方面，管片姿態(tài)的高程偏差超出設(shè)計(jì)相關(guān)要求，但安全為項(xiàng)目第一大任，雖犧牲了一定的質(zhì)量，但可通過(guò)設(shè)計(jì)線路糾偏工作解決。