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        國內(nèi)長距離跨江隧道一次性掘進(jìn)貫通測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究

        2012-02-08 09:31:48姚文強(qiáng)
        城市勘測(cè) 2012年3期
        關(guān)鍵詞:洞門原水方位角

        姚文強(qiáng)

        (上海市測(cè)繪院,上海 200129)

        1 引言

        為滿足城市發(fā)展的需要,越來越多的長距離隧道被列入規(guī)劃。長距離隧道由于其工程工期長、距離長,隧道貫通測(cè)量精度很難保證,因此在長距離隧道貫通測(cè)量中必須十分注重各項(xiàng)指標(biāo)的控制,并采用新技術(shù)進(jìn)行貫通測(cè)量成果的驗(yàn)證,以保障隧道的精確貫通。

        圖1 長江隧道工程和青草沙原水過江管軸線位置示意圖

        上海長江隧道和青草沙原水過江管隧道均位于上海市浦東新區(qū),是連接上海浦東和長興島的隧道項(xiàng)目:上海長江隧道工程是上?!靼哺咚俟返囊徊糠?,隧道盾構(gòu)段 7.47 km,上、下行兩條隧道采用兩臺(tái)Φ15430盾構(gòu)機(jī)單向一次性掘進(jìn),是目前世界上直徑最大的隧道項(xiàng)目,項(xiàng)目建成后將極大地帶動(dòng)上海以及長興島和崇明島經(jīng)濟(jì)的發(fā)展;青草沙原水過江管隧道是將上海青草沙水庫優(yōu)質(zhì)原水送往上海陸域地區(qū)的主動(dòng)脈工程,工程在長江兩岸建設(shè) 30 m×30 m,深 35.3 m的工作豎井,隧道采用兩臺(tái)Φ5840盾構(gòu)機(jī),從浦東側(cè)豎井井下向長興島方向單向一次性掘進(jìn),盾構(gòu)段長度 7.29 km。隧道工程建成后,上海市80%的飲用水都將改為青草沙優(yōu)質(zhì)原水,大大提升居民用水水質(zhì)。

        2 影響長距離隧道貫通測(cè)量的主要因素

        長距離隧道貫通精度主要受到地面控制網(wǎng)引起的誤差m1、聯(lián)系測(cè)量引起的誤差m2、導(dǎo)線測(cè)量引起的誤差m3、貫通處洞門中心測(cè)量引起的誤差m4以及隧道施工因素影響。在制定貫通精度指標(biāo)時(shí),一般預(yù)留貫通允許誤差的一半給施工影響。因此實(shí)際針對(duì)貫通允許的測(cè)量誤差制訂方案時(shí)只需考慮前4項(xiàng)誤差影響。

        其中地面控制網(wǎng)測(cè)量采用國家二等平面控制網(wǎng)布設(shè),相鄰GPS點(diǎn)邊長精度達(dá)到 1/100 000經(jīng)過分析其對(duì)隧道貫通誤差影響m1應(yīng)當(dāng)小于±1 cm:

        聯(lián)系測(cè)量是將地面控制網(wǎng)的方位和坐標(biāo)傳遞到井下的過程,由其傳遞的起始方位角精度直接影響貫通導(dǎo)線精度,根據(jù)公式:

        其中:mα為起始方位角精度;S為隧道長度。

        在長距離隧道中(以隧道長度 7.5 km為例),若吊鋼絲聯(lián)系三角形法進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量精度mα=±3″,聯(lián)系測(cè)量對(duì)于貫通誤差的影響m2達(dá)到了±11 cm。

        地下導(dǎo)線測(cè)量過程中,地下導(dǎo)線按照GB/T15314-94《精密工程測(cè)量規(guī)范》二級(jí)測(cè)角、三級(jí)測(cè)邊控制技術(shù)要求施測(cè)。為有效控制觀測(cè)精度,除按照上述規(guī)范進(jìn)行施測(cè)外,針對(duì)狹長導(dǎo)線控制點(diǎn),將觀測(cè)總測(cè)回以奇數(shù)測(cè)回和偶數(shù)測(cè)回分別觀測(cè)導(dǎo)線前進(jìn)方向的左角和右角,左、右角之和應(yīng)等于360°,其誤差值不應(yīng)大于2倍的測(cè)角中誤差,根據(jù)公式:

        其中:μ為測(cè)邊單位權(quán)中誤差;n為導(dǎo)線邊數(shù);S為地下支導(dǎo)線長度。

        采用 TC2003、TCA2003 全站儀,取 μ=±2 mm;mβ=±0.7″;S取 7.5 km;取 n=15 則貫通導(dǎo)線測(cè)量對(duì)貫通誤差的影響m3為±60.2 mm。

        洞門中心坐標(biāo)測(cè)量是大型隧道的一個(gè)難點(diǎn),以長江隧道項(xiàng)目Φ16000大型洞門為例,直徑太大,測(cè)量難度較大,同時(shí)大型洞門在制作安裝過程存在一定的變形,中心坐標(biāo)更加難以確定。按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行估計(jì),中心坐標(biāo)精度m4可以達(dá)到±2 cm。

        將以上4項(xiàng)誤差項(xiàng)綜合考慮,貫通誤差應(yīng)當(dāng)在±12.7 cm。

        以上4項(xiàng)影響誤差估算都是在理想情況下,實(shí)際操作過程中由于聯(lián)系測(cè)量時(shí)受到外界影響誤差較大、導(dǎo)線非等邊直伸導(dǎo)線等因素,實(shí)際貫通誤差會(huì)更大。由于在長江隧道和青草沙原水過江管隧道項(xiàng)目中允許的測(cè)量偏差均為 15 cm。因此采用常規(guī)測(cè)量方法很難保證滿足精度要求。

        3 提高精度的關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)用

        3.1 大深度豎井聯(lián)系測(cè)量技術(shù)

        在青草沙原水過江管隧道中,涉及尺寸為 30 m×30 m,深 35.3 m的工作豎井,這樣大尺寸的豎井聯(lián)系測(cè)量的實(shí)施以及精度情況在規(guī)范上沒有參考,因此在該項(xiàng)目中筆者采用傳統(tǒng)吊鋼絲聯(lián)系三角形法(圖2)和目前世界上精度最高的投點(diǎn)儀WILD ZL(圖3)配合特制棱鏡采用聯(lián)系三角形法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并通過高精度陀螺經(jīng)緯儀驗(yàn)證測(cè)量精度。通過多次測(cè)量,發(fā)現(xiàn)采用特制鋼絲和加固鋼絲支架后吊鋼絲聯(lián)系三角形法數(shù)據(jù)穩(wěn)定,定向值互差較小,方位角均值與投點(diǎn)儀聯(lián)系三角形法多次測(cè)量結(jié)果、陀螺經(jīng)緯儀成果較差較小,如表1所示。

        圖2 吊鋼絲法聯(lián)系三角形測(cè)量示意圖

        圖3 WILD ZL投點(diǎn)儀和特制棱鏡

        青草沙隧道東線隧道定向數(shù)據(jù)表 表1

        通過多種方法驗(yàn)證和大量數(shù)據(jù)分析得出,本次聯(lián)系測(cè)量地下起始邊方位角精度接近±2″。

        3.2 大型洞門精確測(cè)量技術(shù)

        隧道貫通處洞門中心坐標(biāo)是隧道貫通時(shí)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的目標(biāo),其精度直接關(guān)系到貫通質(zhì)量,以長江隧道Φ16000大型洞門為例(圖4),成型圓環(huán)由弧形預(yù)制鋼片拼裝而成,外側(cè)由加厚的混凝土井壁作為支撐,環(huán)內(nèi)留有一層薄混凝土井壁,等貫通時(shí)盾構(gòu)機(jī)從圓環(huán)中破壁并入洞。常規(guī)測(cè)量方法無法準(zhǔn)確的測(cè)量洞門中心三維坐標(biāo)以及洞門的變形情況。

        因此在測(cè)量過程中假設(shè)圓形鋼環(huán)變形為橢圓,利用全站儀的免棱鏡功能實(shí)測(cè)洞門圓環(huán)的內(nèi)側(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。先用各點(diǎn)坐標(biāo)擬合出洞門所在的平面,將各點(diǎn)三維坐標(biāo)投影到洞門平面上,利用平面坐標(biāo)擬合出橢圓參數(shù)和中心坐標(biāo),再返算成標(biāo)準(zhǔn)的空間三維坐標(biāo)。

        平面橢圓可以表示為:

        長江隧道東線洞門擬合成果表 表2

        3.3 高精度陀螺經(jīng)緯儀技術(shù)

        在長距離跨江隧道中,由于地下導(dǎo)線均采用支導(dǎo)線方式,起始方位角精度對(duì)貫通測(cè)量精度的影響極大,尤其在青草沙原水過江管項(xiàng)目中,地下貫通導(dǎo)線起始方位角主要采用吊鋼絲聯(lián)系三角形測(cè)量法,其方位傳遞精度有限,且本項(xiàng)目工作井尺寸和深度均較大,吊鋼絲聯(lián)系測(cè)量精度受到風(fēng)力、光照、震動(dòng)等因素的影響。為保證地下貫通導(dǎo)線精度,筆者選用目前國內(nèi)精度最高的陀螺經(jīng)緯儀GYROMAT-2000(圖5)進(jìn)行吊鋼絲聯(lián)系三角形定向成果檢驗(yàn)和地下導(dǎo)線方位角測(cè)量。由于陀螺儀測(cè)定的方位角不受貫通導(dǎo)線測(cè)量精度的影響,能有效避免導(dǎo)線測(cè)角誤差的累積,因此對(duì)地下貫通導(dǎo)線測(cè)定陀螺方位角可以有效提高導(dǎo)線精度。GYROMAT-2000型高精度自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀標(biāo)稱的最高尋北精度為±3.2″,實(shí)際方位角定向精度受到目標(biāo)瞄準(zhǔn)精度(GYROMAT-2000型采用Leica T1800型電子經(jīng)緯儀,測(cè)角精度為±1″),由于陀螺方位角屬于大地坐標(biāo)系,而工程采用的是上海城市坐標(biāo)系統(tǒng),故在實(shí)際運(yùn)用時(shí)需要測(cè)定儀器常數(shù)和計(jì)算子午收斂角,將大地坐標(biāo)系中的陀螺方位角轉(zhuǎn)換為城市坐標(biāo)系中的坐標(biāo)方位角。

        以青草沙長江原水過江管工程地下貫通導(dǎo)線為例,導(dǎo)線計(jì)算過程中將實(shí)測(cè)距離進(jìn)行投影面改正并歸化至 0 m高程面。在導(dǎo)線第13條邊上加測(cè)陀螺方位角。按下式定權(quán)后進(jìn)行平差。

        圖5 GYROMAT-2000型陀螺經(jīng)緯儀

        mαA為起始邊定向角精度;mαB為陀螺方位角精度;mβ為導(dǎo)線測(cè)角精度。

        經(jīng)過嚴(yán)密平差,計(jì)算出導(dǎo)線最前點(diǎn)O2坐標(biāo),并在后期通過垂直頂升管將地面控制網(wǎng)坐標(biāo)傳遞至地下后測(cè)量O2坐標(biāo)進(jìn)行比較,如表3所示。

        青草沙原水過江管地下貫通導(dǎo)線平差結(jié)果與地面控制網(wǎng)結(jié)果比較表 表3

        將成果偏差歸化到軸線方向顯示,地下貫通導(dǎo)線端點(diǎn)橫向偏差為+79 mm,縱向偏差為+9 mm。通過在青草沙原水過江管項(xiàng)目中采用高精度陀螺經(jīng)緯儀對(duì)地下貫通導(dǎo)線進(jìn)行檢測(cè),有效地保證了地下貫通導(dǎo)線的精度,保障了隧道的精確貫通。

        在長江隧道項(xiàng)目中,采用高精度陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行地下貫通導(dǎo)線方位角測(cè)量并加入地下貫通導(dǎo)線平差,同樣對(duì)地下貫通導(dǎo)線起到了很好的糾偏效果,保證了長江隧道項(xiàng)目的精確貫通。

        4 結(jié)論

        通過在長距離隧道一次性掘進(jìn)貫通測(cè)量中綜合運(yùn)用大深度聯(lián)系測(cè)量技術(shù)、洞門檢測(cè)技術(shù)以及高精度陀螺經(jīng)緯儀,嚴(yán)格按照規(guī)范和方案設(shè)計(jì)做好地面控制網(wǎng)測(cè)量和地下導(dǎo)線測(cè)量,可以有效提高地下貫通測(cè)量精度,通過筆者在上海長江隧道工程和青草沙原水過江管隧道工程對(duì)上述技術(shù)方法充分運(yùn)用,兩大項(xiàng)目地下貫通導(dǎo)線均獲得了較高的貫通精度,上海長江隧道工程于2008年9月雙線精確貫通、青草沙原水過江管隧道于2010年1月雙線線精確貫通,開創(chuàng)了國內(nèi)長距離跨江隧道單向一次性貫通測(cè)量的先例。

        [1]姚文強(qiáng)等.上海長江隧道工程貫通測(cè)量方案[R].上海市測(cè)繪院,2006.

        [2] 姚文強(qiáng)等.長江原水過江管工程測(cè)量方案[R].上海市測(cè)繪院,2008.

        [3]GB 50308-2008.地下鐵道、輕軌交通工程測(cè)量規(guī)范[S].

        [4]GB/T 15314-94.精密工程測(cè)量規(guī)范[S].

        [5] 孔祥元,梅是義.控制測(cè)量學(xué)(上冊(cè))[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2002.

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