盾構隧道貫通接收前的控制測量復核

劉文璣

（中交四航局第一工程有限公司，廣州 510310）

1 引言

廈門地鐵2 號線項目，首級控制點為GPS 點，相鄰的已知控制點之間，網內精度合格，滿足規范要求，但是作為精密導線起始邊，仍存在較大真實值的偏差。東孚車輛段出入段線區間起點位于馬鑾灣片區，原地面多為魚塘、河涌等軟基回填地貌，且處于綜合施工區域，片區周圍的首級控制點、近井測量控制點出現被破壞的情況較多，導致洞門施工和盾構區間施工控制基線不一致，嚴重影響洞內控制測量起始邊的引測和控制測量一貫性，使貫通精度存在不確定性。所以，如何通過測量控制復測工作，減小洞內導線與地面導線的偏差，降低接收端施工控制測量與盾構施工測量基線不一致及其他誤差的影響，保證盾構機順利接收，符合貫通限差要求，是本文討論的目的。

2 盾構隧道施工貫通誤差來源及限差

結合盾構施工的特點，貫通誤差主要受地面控制測量、聯系測量、隧道內控制測量（洞內控制導線測量、導向系統吊籃測站、后視誤差和盾構姿態測量誤差）3 項測量誤差影響。在現有高精度儀器和成熟工法應用中，高程貫通測量精度比較容易達到目的。橫向貫通精度受影響因素較多，以地鐵橫向貫通誤差為例，在上述各環節橫向貫通中，誤差的一般分配原則分別為±25 mm、±25 mm、±35 mm，總橫向貫通中誤差為±50 mm[1]。也有工程根據各個環節中誤差控制的實際情況按1∶1∶2 的比例分配，無論怎樣分配，總的貫通誤差控制應滿足GB 50446—2017《盾構法隧道施工及驗收規范》的限差要求，具體如表1 所示。

表1 隧道貫通測量限差

3 地面控制測量復核

地面控制測量誤差主要來源于儀器誤差、人為觀測誤差及環境影響誤差。進入接收準備階段，地面控制測量復核，采用了符合導線測量與閉合導線測量兩種方式進行比較。

符合導線測量復核線路，由始發井側地面導線點向區間終點側首級控制網已知點引測，將接收端的近井控制點當作未知點進行平差計算。

1）觀測后，對比已知點坐標值反算的理論距離，與實際全站儀觀測距離對比，起始邊（J2-106）距離對比差值為0.005 m，結束邊距離對比差值為（109～110）0.016 m；經平差計算，在各項觀測數據滿足規范要求時，網內最小未知點點位中誤差0.015 m，最大未知點點位中誤差0.019 m。

2）考慮控制網已知點為首級網的GPS 控制點，而盾構接收時，洞內導線控制測量、洞門鋼環觀測及接收托架定位均采用全站儀，按精密導線等級引測控制基線，兩者之間觀測形式和平差方式不一樣。因此，對全站儀觀測邊長作了高斯投影改正，以修正不同投影面下的測量成果誤差。出入場線區間坐標系統采用92 廈門城市坐標系統，投影軸子午線為118°30′。經高斯投影修正后，符合導線平差精度如下：累計坐標值閉合差fx=-0.029 m，fy=0.037 m，點位累積誤差fd=0.048 m，相對誤差K=1/90 876。從平差結果對比分析，經高斯投影長改正后，相對閉合差精度有較大提升，但點位距離累積偏差值僅相差0.002 m?？梢姶朔椒ú⒉荒苡行Ы鉀Q點位累積誤差過大的問題（fd=0.048 m），從而提高貫通精度。

盾構接收井及洞門為明挖法施工段，指導施工的原近井測量控制點，在后續施工中均被破壞或遮擋，無法使用。本次接收洞門鋼環復核的控制點使用閉合導線觀測方式引測至接收井附近的加密控制點（CD3、CD2、CD1），保證地面控制測量的坐標系一致。接收端洞門鋼環復核時，沿鋼環邊緣均勻分布測點，采集數據后進行擬合圓計算，得出擬合圓心坐標及高程，再投影到設計線路上，定出符合貫通限差要求和接收割線與接收托架定位軸線，指導盾構機出洞姿態調整。

閉合導線觀測線路，由始發井端地面導線點（IIGDG106、J2、DM2）為始，引測至接收井附近加密控制點（CD3-CD2-CD1）后，返測回起算邊，經平差計算，各項精度指標滿足精密導線測量要求。采用閉合導線方式平差計算，最小未知點點位中誤差0.005 m，最大未知點點位中誤差0.010 m，點位累積誤差fd=0.017 m。以中誤差和累積誤差為精度指標分析，在控制網首級點被破壞，近井點不能沿用的情況下，采用閉合導線網形觀測平差得出近井控制點坐標值，更具備指導洞門鋼環觀測和接收托架放樣的效用。

4 聯系測量復核

地面近井點測量，基點采用始發井端地面導線點（IIGDG106、J2、DM2），進行單三角平差校核后，再觀測懸掛的鋼絲投點，保證了地面與隧道內控制測量起始坐標系一致性，可有效提高貫通精度。井下導線起始邊聯系測量，通過盾構始發井和后配套場地預留出渣孔，采用兩井定向[2]，以無定向導線形式觀測平差。兩井定向是地鐵隧道工程定向測量常用的定向方法，具有外業測量簡單、占用施工場地時間短的優點，現場觀測工作不易受施工影響而導致觀測中斷或鋼絲出現擺動，導致觀測成果誤差超限。兩井定向可以發揮場地的最大優勢，最大化增加兩根投點吊錘線的距離，因此減小了投點誤差引起的方向誤差，有利于提高地下控制網起算方向的精度。導線計算結果：起始邊長度87.125 m，fx=-0.001 m，fy=0.001 m，fd=0.001 m，與上一次起算邊測量方位角差為3″，符合精度要求。根據現行國家標準GB/T 50308—2017《城市軌道交通工程測量規范》規定，并結合各地盾構隧道的測量經驗，當各次聯系測量定向的地下起始邊方位角較差小于12″時，可有效保證隧道的貫通[3]。

5 隧道內控制測量復核

5.1 盾構機姿態、吊籃坐標高程復核

盾構機自動導向系統優點主要是實時測出盾構掘進的姿態，從而指導盾構司機控制盾構掘進。但施工中存在各種干擾和震動，一旦出現硬件故障（傳感器失準），或被撞擊、強烈震動及機體變形導致測量激光靶偏離始發時設定的TBM 坐標和起始參考角度，就會出現錯誤導向。而且這類錯誤具有一定的隱蔽性，只有通過人工進行盾構零位特征點測量計算、連續管片姿態復核對比才能確認。

為了控制盾構機自動導向系統的精度，確保隧道的準確貫通，需定期利用洞內的控制導線校核和調整全站儀吊籃強制對中的坐標，以及人工測定盾構機的位置與導向系統顯示的盾構機的位置是否一致。

盾構人工復核姿態采用人工棱鏡法，測定盾構機內設定始發零位的特征（參考點）。只要測出特征點中的任意3 個點的實際三維坐標，即可計算出盾構機的姿態。因為對于以盾構機軸線為坐標系的局部坐標來說，無論盾構機如何旋轉和傾斜，這些參考點與盾構機的盾首中心和盾尾中心的相對位置和空間距離是不會變的，它們始終保持一定的值，這些值可以從它的局部坐標計算出來。

借助力信導向軟件RMS-office 計算工具，將在同一測量條件下采集的特征點三維坐標、盾構機鉸接油缸安裝角度及鉸接伸長量進行TBM 坐標換算。雖然原理上特征點在盾體上分布得越均勻，越能精確反映盾構機姿態，但對于特征點相對空間位置誤差任意一項大于2 mm 的數據，都不應用于計算，此類誤差過大的特征點會使TBM 坐標系解算產生錯誤擬合值，導致盾構機姿態與實際情況不符。

出入場左線在掘進至距貫通剩余50 環時（1.2 m/ 環），利用已復核過的洞內導線控制點，再次進行了盾構機姿態、吊籃坐標高程校核工作，同時，通過對比盾構機導向系統實時姿態和人工復核姿態，兩者最大誤差小于10 mm，成果可用。

5.2 洞內導線控制測量復核

盾構法施工中，橫向誤差是制約盾構隧道貫通的主要因素，按等邊直伸形導線估算，單導線其最遠點橫向誤差Mg可用式（1）計算：

式中，ma為測角中誤差；ρ 為常量，rad（1 rad=206 265″）；L 為支導線長度；n 為支導線邊數。

根據式（1），按邊長平均150 m，測角中誤差為2.5″計算，計算出地下控制導線任意一點的橫向誤差。不同支導線長度和支導線邊數與橫向誤差對照圖如圖1 所示。

圖1 支導線長度和支導線邊數與橫向誤差對照圖

出入場左線盾構區間隧道長度約849 m，導線控制邊7條，理論橫向貫通誤差應在±17.2～±25.9 mm。經貫通測量復核后，得到的橫向貫通誤差為-18.8 mm。由此可見，出入場左線盾構區間隧道采用的單導線控制點延伸至接收前最后一站，滿足貫通精度控制要求。

6 結語

東孚車輛段出入段線區間左線盾構機出洞接收過程中，刀盤到達洞門鋼環位置時，與接收洞門鋼環距離間隙均勻；導向系統顯示與盾構機實際姿態，與預設的接收托架軸線重合度高。由此得出以下推論。

1）盾構區間施工過程中，應盡量保證控制測量起算邊和近井點的穩定。在首級控制網導線點、接收端近井點無法避免被破壞的情況時，采用閉合導線形式，重新測設加密接收端近井控制點，閉合至始發井地面控制測量和聯系測量地面起算邊，在觀測成果各項誤差值小于規范限差的前提下，可以保證盾構機的順利接收。

2）保持地面控制測量起算邊與聯系測量地面起算邊的一致性，有利于進行聯系測量成果精度校核和提高橫向貫通精度。

3）洞內導線測量，受觀測環境影響極大，出現極限邊長（最小邊長要求）的情況較多，除了采用測量中誤差作為檢驗標準外，在距離較長的盾構區間（＞1 500 m），還應按規范要求采用其他檢測方法進行復核，如陀螺儀定邊測量復核、增加豎井（孔）投點、兩井定向等。東孚車輛段出入段線盾構區間長度較短，所以未做重點分析。

4）在盾構區間施工中，聯系測量和盾構機姿態人工復核，是貫通接收工作的復核重點。聯系測量也是貫通誤差的主要來源，在后續的盾構施工中，如何根據現場施工條件，采取適用的控制測量傳遞方式，提高聯系測量精度，仍需在工作中繼續研究分析。