地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)法施工中的測量技術(shù)

賈 哲

（中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，江蘇 無錫 214000）

1 盾構(gòu)隧道測量概述

地下工程勘察是指地下工程建筑施工、運(yùn)行所需要的勘察工作，包括地下工程測量設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行各階段的勘察工作。地下工程測量的任務(wù)是保證線性工程在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)正確連接，地面工程按設(shè)計(jì)要求完成。在盾構(gòu)隧道施工中，需要進(jìn)行的測量工作主要包括以下幾點(diǎn)：（1）地面控制測量。在地面建立平面、高程控制網(wǎng)；（2）接觸式測量。將地面坐標(biāo)、方位角、高程轉(zhuǎn)移到地面，建立統(tǒng)一的地面-地下坐標(biāo)系統(tǒng)；（3）地下控制測量。包括地下平面和高程控制。

2 檢測保證工作的內(nèi)容及精確度要求。

根據(jù)地鐵施工測量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，編制測量方案，并配備整套精密測量儀器（徠卡TS15或TS16）、陀螺儀和精密水準(zhǔn)儀（天寶DINI03）。精密測量的版本如下。

2.1 控制地面測量

以江蘇市二等三角測量為基礎(chǔ)，建立GPS點(diǎn)，測定精密導(dǎo)線。9個(gè)地面控制點(diǎn)其中2個(gè)是全球定位系統(tǒng)點(diǎn)。要求GPS點(diǎn)的中值誤差不超過4mm，最弱邊的相對(duì)中值誤差不超過118萬。三等精密導(dǎo)線的平均邊長為350m，測角中誤差要求≤±2.5。全長相對(duì)閉合差小1/35000；測距相對(duì)中誤差小于1/80000；在相鄰點(diǎn)的相對(duì)點(diǎn)上誤差≤±8mm。地面水平按照國家二級(jí)水準(zhǔn)控制。

2.2 接觸式測量

為了測量平面連接，采用多功能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)全站儀（徠卡全站儀TS15）測量，并采用掛鋼絲獨(dú)立進(jìn)行六測回，每測回的2C較差要小于9″。高程聯(lián)系測量采用3次重復(fù)測量差值一般控制在2mm以下。鋼板樁埋設(shè)銅芯，在井點(diǎn)附近埋設(shè)，要求牢固的埋設(shè)。

2.3 測量洞內(nèi)導(dǎo)線

洞內(nèi)導(dǎo)線分為兩個(gè)階段：基礎(chǔ)導(dǎo)線（120m邊長）和施工導(dǎo)線（曲線一般不小于60m，直線一般不小于100m）。測角誤差≤±3″，在隧道兩側(cè)交替布置導(dǎo)線點(diǎn)，以減少彎曲對(duì)水平角度的影響。當(dāng)隧道挖至1000m時(shí)，使用陀螺儀對(duì)隧道內(nèi)控制點(diǎn)進(jìn)行方位角測量，驗(yàn)核導(dǎo)線測的方位角。地下控制標(biāo)高根據(jù)相關(guān)要求進(jìn)行操作。

2.4 測量貫通

根據(jù)規(guī)范《城市軌道交通工程測量規(guī)范》（GB/T 50308—2017）規(guī)定，橫向貫通誤差不超過50mm。垂直貫通誤差不得大于25mm。據(jù)測算，測量工程設(shè)計(jì)完全滿足侵徹精度要求。

3 施工工藝

盾構(gòu)機(jī)的盾構(gòu)法從大的方向來說主要分為三部分：盾構(gòu)法（進(jìn)洞階段）；盾構(gòu)試掘進(jìn)和正式掘進(jìn)階段；盾構(gòu)接收（出洞）階段。

3.1 盾構(gòu)法（進(jìn)洞）階段

盾構(gòu)掘進(jìn)初始階段是控制盾構(gòu)掘進(jìn)的第一步。在準(zhǔn)備工作之前和之后的初始階段進(jìn)入隧道，盾構(gòu)機(jī)施工主管應(yīng)監(jiān)督承包商充分準(zhǔn)備技術(shù)、人員、材料和設(shè)備，并檢查是否具備進(jìn)入隧道的條件，采用盾構(gòu)機(jī)施工，以確保順利進(jìn)行盾構(gòu)施工的安全性和可靠性。

（1）加固盾構(gòu)隧道土體。為了保證盾構(gòu)施工的安全，更好地保護(hù)附近的地下管線和構(gòu)筑物，在盾構(gòu)掘進(jìn)前加固入口區(qū)域的土體。加固土體的方法有很多(水泥攪拌樁的加固、高壓旋噴樁的加固等)。然而，無論采用哪種加固方法，加固的效果一直是現(xiàn)場施工的重點(diǎn)。在加固效果滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，盾構(gòu)機(jī)可以進(jìn)入隧道。

（2）設(shè)置盾構(gòu)始發(fā)基座。盾構(gòu)施工開始前，盾構(gòu)機(jī)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)軸線放在起始底座上。所有準(zhǔn)備工作完成后，沿設(shè)計(jì)軸線向地下掘進(jìn)施工。盾構(gòu)起始底座的定位精度直接影響盾構(gòu)在盾構(gòu)掘進(jìn)前的起始姿態(tài)。

（3）后盾支撐系統(tǒng)安裝。護(hù)盾的驅(qū)動(dòng)力由千斤頂提供，當(dāng)護(hù)盾啟動(dòng)時(shí)，千斤頂頂力作用于后援支撐系統(tǒng)。一般情況下，支承支架中的支撐體系由反力架、延伸環(huán)、負(fù)環(huán)等組成。在調(diào)整過程中，要注意支護(hù)系統(tǒng)是否滿足技術(shù)要求，即支護(hù)系統(tǒng)是否有足夠的硬度和強(qiáng)度，以保證在頂升力的作用下不變形。

3.2 盾構(gòu)試掘進(jìn)和正式掘進(jìn)階段

（1）初期掘進(jìn)的參數(shù)控制管理。初期掘進(jìn)為盾構(gòu)施工中技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)之一，不可操之過急，要穩(wěn)扎穩(wěn)打。土倉壓力設(shè)定以靜止土壓力為基準(zhǔn)，結(jié)合地面監(jiān)測情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，由于杭州地層軟弱，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，采取地面沉降2mm建立土壓。靜止土壓力以邱山大街站南端頭（始發(fā)端頭）為例計(jì)算如表1所示。靜止土壓力 P=17.5×0.54×3.3+18.9×0.559×1.9+18.7×0.384×5.1+18.6×0.462×3.1=114.5kPa=1.15bar。由于始發(fā)端頭加固土層較硬、自立性良好，同時(shí)考慮地面監(jiān)測情況，掘進(jìn)土壓設(shè)定為1.1～1.2bar。

（2）盾構(gòu)法正式掘進(jìn)階段。該標(biāo)段選用土壓力平衡式盾構(gòu)，該盾構(gòu)有敞開式、半開式和土壓力平衡式三種掘進(jìn)方式，每種掘進(jìn)方式都有不同的特點(diǎn)和適用條件。①土壓力控制。在采用土壓力平衡模式掘進(jìn)時(shí)，土壓力的設(shè)置是施工的關(guān)鍵，包括推進(jìn)力、推進(jìn)速度和開挖量之間的相互關(guān)系，對(duì)盾構(gòu)施工軸線和地層沉降起主導(dǎo)作用。根據(jù)松弛高度計(jì)算土壓力的理論值。在施工期間，土壓力的設(shè)置值，推進(jìn)速度，推進(jìn)力和注漿量進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整通過壓力表測量在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候安排銑頭和密封的箱子，結(jié)合地質(zhì)的反饋分析，埋藏深度和地面監(jiān)測測量信息，確保地面變形控制在指定范圍內(nèi)。②出土量控制。密封倉內(nèi)的土壓力由螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速和開挖門的開度控制，即以出土量控制。理論出土量：盾構(gòu)機(jī)的開挖斷面為32.96m2，每環(huán)的理論出土量為32.96×1.2=39.55m3；據(jù)前期實(shí)際量測結(jié)果，所出土松散系數(shù)為1.15，故每環(huán)出土量控制在45.5m3左右。采用土壓力平衡方式掘進(jìn)時(shí)，實(shí)際開挖量控制在理論開挖量的98%～100%，以保持一定的土壓力，保證盾構(gòu)前方土體的穩(wěn)定性。

表1 始發(fā)地層概況表

3.3 盾構(gòu)法出洞階段

盾構(gòu)掘進(jìn)的準(zhǔn)備工作完成后，為了減少前方鑿除洞門后，防止洞門出現(xiàn)涌水涌沙，盾構(gòu)掘進(jìn)應(yīng)從原基導(dǎo)軌開始。監(jiān)督這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)應(yīng)進(jìn)行旁觀者監(jiān)督，并重點(diǎn)做好以下工作：①盾構(gòu)在擋土墻表面切下鋼筋后，盾構(gòu)迅速靠向開口前方的土體。②在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，觀察隧道入口處是否有滲漏，督促承包商及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏。③檢查倉庫土壓力設(shè)置是否正確，觀察倉庫是否有混凝土砌塊，并督促承包商及時(shí)拆除。④裝配零環(huán)正環(huán)前，檢查最后一環(huán)負(fù)環(huán)段的裝配位置。

4 隧道掘進(jìn)自動(dòng)激光導(dǎo)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

4.1 ELS（電子激光系統(tǒng)）

電子激光系統(tǒng)安裝在一個(gè)由硬鋁制成的屏蔽罩上，用于測量入射激光束的X和Y坐標(biāo)。平行于瞄準(zhǔn)盒前板的是隱藏屏幕。當(dāng)激光束照射到屏幕上時(shí)，通過屏幕的光線會(huì)變少。屏幕后面有感光電子設(shè)備，用于測量入射激光的強(qiáng)度。在最大強(qiáng)度下，記錄屏幕的角度位置，這個(gè)角度位置與激光在信標(biāo)中的入射角(偏轉(zhuǎn)角)密切相關(guān)。ELS信號(hào)由一個(gè)傾斜儀標(biāo)記，傾斜儀可以提供掘進(jìn)機(jī)的橫傾角和俯仰角。通過感光板確定激光入射點(diǎn)，即激光相對(duì)于ELS不透明信標(biāo)中心的X、Y坐標(biāo)。從ELS信號(hào)到全站儀的距離測量采用全站儀的EDM功能?？蓽y量的最大偏轉(zhuǎn)角為±5°；最大傾斜（配平）角為±15°；最大滾轉(zhuǎn)角為±40°。

4.2 MODEM（調(diào)制解調(diào)器）

調(diào)制解調(diào)器的目的是通過普通電話線遠(yuǎn)程控制或檢查工作。此外，還可以在辦公室的屏幕上顯示隧道鉆孔機(jī)的位置。

4.3 PLC（程序邏輯控制器）

盾構(gòu)機(jī)的千斤頂伸長量等數(shù)據(jù)控制計(jì)算機(jī)輸出。這種控制稱為程序控制器，獨(dú)立于單刀雙擲系統(tǒng)，由盾構(gòu)機(jī)制造商提供。

5 裝置貫通測量

5.1 中腰線的標(biāo)定

為了提高掘進(jìn)速度，控制掘進(jìn)精度，可以使用激光指示器來指示掘進(jìn)的方向。尤其是機(jī)械化挖掘設(shè)備，固定在隧道掘進(jìn)機(jī)的某個(gè)位置，在機(jī)器上有一個(gè)完美的光電接收目標(biāo)。當(dāng)機(jī)器前進(jìn)時(shí)，如果定向裝置的激光束偏離方向，光電目標(biāo)自動(dòng)接收定向的偏離方向和偏離值，并向機(jī)器提供自動(dòng)控制信息。

5.2 貫通后實(shí)際偏差的測定

（1）貫通時(shí)豎直面內(nèi)偏差的測定。①使用水平測量或小鋼尺直接測量通過接合面兩側(cè)的腰線的高度差，其大小由垂直面的實(shí)際偏差來決定。②水準(zhǔn)或全站儀的三角水平測量是指測量隧道兩端已知的高程控制點(diǎn)（水準(zhǔn)點(diǎn)或全站儀導(dǎo)線點(diǎn)），其中高程合攏差主要反映高程測量的精度。

（2）調(diào)整中腰線。①為了不把中心線作為隧道挖掘方向的依據(jù)，指定交點(diǎn)兩側(cè)中心線的連接方向。②連接腰線兩側(cè)，根據(jù)實(shí)際偏差和距離計(jì)算隧道傾角。當(dāng)極限坡度大于6%時(shí)，可調(diào)整實(shí)際坡度，延長腰線；當(dāng)邊界小于6%，不需再調(diào)整中腰線。

5.3 測量竣工

隧道工程竣工后，進(jìn)行竣工勘測，檢查隧道是否符合設(shè)計(jì)要求，并提供隧道工程和運(yùn)營管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。隧道完成的測量主要包括間隙斷面測量、中線基礎(chǔ)樁及永久水準(zhǔn)點(diǎn)的確定、縱橫斷面的測繪。

6 結(jié)束語

盾構(gòu)法施工是一項(xiàng)非常復(fù)雜和嚴(yán)格的施工活動(dòng)，文章對(duì)其主要施工技術(shù)和測量技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了探討總結(jié)和交流。在實(shí)際施工中應(yīng)針對(duì)每個(gè)具體環(huán)節(jié)和步驟提前做出詳細(xì)的施工方案規(guī)劃，并對(duì)物資、材料、工具和設(shè)備的準(zhǔn)備、操作人員進(jìn)行詳細(xì)、明確的交底，并在施工過程中進(jìn)行嚴(yán)格的檢測和檢查，以促進(jìn)施工過程的順利進(jìn)行。