袁兆奎

(武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司勘測設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430023)

地鐵工程圓形隧道斷面測量的一種新方法

袁兆奎*

(武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司勘測設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430023)

提出了地鐵工程圓形隧道斷面測量的一種新方法。本文論述了地鐵工程圓形隧道斷面常規(guī)方法的測量過程，然后詳細(xì)論述了采用新方法進(jìn)行斷面測量的過程，并推導(dǎo)了相關(guān)計(jì)算公式。最后以武漢市軌道交通四號線二期工程永安堂站～孟家鋪站右線盾構(gòu)區(qū)間為例，對兩種方法求得的斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，表明在一般情況下采用新方法能滿足規(guī)范要求。

地鐵工程；圓形隧道；斷面測量；盾構(gòu)機(jī)

1 引 言

隨著城市交通快速發(fā)展，國內(nèi)越來越多的城市開始建設(shè)地鐵工程。地鐵線路一般分為車站、區(qū)間、出入場線和停車場。車站施工一般采用明挖法或者蓋挖法；區(qū)間施工有高架段、地下段和明挖框架段；出入場線和停車場施工工法較為傳統(tǒng)。其中，區(qū)間地下段一般采用盾構(gòu)法施工，常見為圓形隧道結(jié)構(gòu)。

在車站、區(qū)間及出入長線完工后，因結(jié)構(gòu)施工誤差、后期沉降變形等諸多因素影響，現(xiàn)場實(shí)際平、縱斷面與施工圖相比必定存在差別。為避免貿(mào)然施工造成返工及對以后運(yùn)營造成諸多問題，有必要在鋪軌前對實(shí)際施工的行車區(qū)域進(jìn)行斷面測量，以便根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)最適合的軌道平、縱斷面，保證工程的合理性。

在斷面測量工作中，圓形隧道最為常見。本文對常規(guī)測量方法進(jìn)行分析，指出其不足之處，然后提出一種新方法，在保證精度的情況下，能提高作業(yè)效率。

2 斷面測量方法

2.1 斷面測量要求

以武漢市軌道交通四號線二期工程為例，對于圓形隧道，斷面測量的具體要求為：

(1)設(shè)計(jì)線路中心線處的頂點(diǎn)、底點(diǎn)；

(2)位于軌頂設(shè)計(jì)高程以上 3 490 mm的左橫距及其高程、右橫距及其高程，測點(diǎn)編號分別為左上、右上；

(3)位于圓心(在設(shè)計(jì)線路中心線上)的左橫距及其高程、右橫距及其高程，測點(diǎn)編號分別為左中1、右中1；

(4)分別位于軌頂設(shè)計(jì)高程以上 850 mm、0 mm(即軌頂高程處)的左橫距及其高程、右橫距及其高程，測點(diǎn)編號分別為左中2、右中2、左下、右下。

頂點(diǎn)、底點(diǎn)指測量出該點(diǎn)的高程值。

軌頂設(shè)計(jì)高程與里程相關(guān)，經(jīng)由相關(guān)公式計(jì)算出來。

左橫距(右橫距)指該點(diǎn)與線路中心線的平距。

上述斷面測量特征點(diǎn)在圓形隧道中的分布，如圖1所示：

圖1 圓形隧道斷面測量特征點(diǎn)分布圖

無特殊要求時(shí)，斷面測量實(shí)施時(shí)僅針對管片的小里程端或者大里程端，也即相臨管片接合處。

2.2 常規(guī)測量方法

按照直線段每隔6 m、曲線段(含曲線以外的 20 m直線)每隔 5 m測量一個(gè)斷面的要求，內(nèi)業(yè)工作為計(jì)算出待測斷面中心對應(yīng)在線路中心線上的坐標(biāo)；計(jì)算出該斷面處的軌頂設(shè)計(jì)高程，并據(jù)此推算出左、右兩側(cè)共8個(gè)特征點(diǎn)的高程值。

外業(yè)工作為先在隧道內(nèi)放樣出待測斷面中心的準(zhǔn)確位置，在該點(diǎn)架設(shè)全站儀；然后進(jìn)行高程放樣，將左、右兩側(cè)共8個(gè)特征點(diǎn)在管片中的位置找出?？紤]到隧道為圓形結(jié)構(gòu)，左(右)上、左(右)中1等4點(diǎn)若使用水準(zhǔn)尺進(jìn)行高程放樣較為困難，實(shí)際工作中可以使用全站儀放樣。

當(dāng)8個(gè)特征點(diǎn)放樣好后，即可用全站儀直接測得該點(diǎn)與架站點(diǎn)的平距，即其與線路中心線的偏距。

該方法為直接依照斷面測量要求，將線路中心線、斷面測量特征點(diǎn)在環(huán)片上放樣出來，并進(jìn)行偏距測量，可完整、真實(shí)反映現(xiàn)場情況，但它存在如下不足之處：

(1)對現(xiàn)場測量條件要求高。隧道內(nèi)的泥土須清洗干凈，否則線路中心線很難放樣出來，更難以架站測量。若遇到出土、檢修車輛行走，須重新架站測量。

(2)工作量較大。內(nèi)業(yè)須計(jì)算出待測里程出的線路中心線點(diǎn)坐標(biāo)，軌頂設(shè)計(jì)高程，各待測特征點(diǎn)的高程；外業(yè)須在每一個(gè)待測斷面處架設(shè)全站儀，8個(gè)特征點(diǎn)必須逐一測量，不能遺漏。

(3)作業(yè)人員多。在外業(yè)工作中，一般分兩個(gè)班組，一組進(jìn)行高程放樣及頂高、底高測量，另一組進(jìn)行偏距測量、數(shù)據(jù)記錄。

不難看出，雖然常規(guī)測量方法為嚴(yán)格按照斷面測量的要求進(jìn)行，但其受外在因素影響較大，作業(yè)強(qiáng)度較大，工作效率較低，因此有必要加以改進(jìn)。

2.3 新的測量方法

新的測量方法是在實(shí)踐工作中，針對常規(guī)測量的不足之處提出來的。其外業(yè)工作主要為正、倒尺測量管片底點(diǎn)、頂點(diǎn)的高程以及用水平尺測量管片中心平面坐標(biāo)，其余工作均通過軟件完成。

下面以武漢市軌道交通四號線二期工程玉龍路站～永安堂站左線盾構(gòu)區(qū)間為例，具體論述該方法實(shí)施過程。

(1)根據(jù)管片的設(shè)計(jì)中心坐標(biāo)、設(shè)計(jì)里程以及實(shí)測中心坐標(biāo)，求出實(shí)測管片相對隧道中心線的平面偏差、里程偏差。以圖2為例。

圖2 設(shè)計(jì)隧道中心線與實(shí)測管片中心

如圖2所示，首先可根據(jù)525環(huán)和528環(huán)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)計(jì)算出設(shè)計(jì)方位角α0：

(1)

其中，ATAN2(x，y)是Excel軟件中用來計(jì)算原點(diǎn)至點(diǎn)(x，y)方位角的函數(shù)。

同理，可根據(jù)525環(huán)的實(shí)測中心坐標(biāo)和設(shè)計(jì)坐標(biāo)計(jì)算出實(shí)測方位角α′：

(2)

二者的差值，即為方位角差：

△α=α0-α′

(3)

另，可根據(jù)525環(huán)的實(shí)測中心坐標(biāo)和設(shè)計(jì)坐標(biāo)計(jì)算出平面距離S：

(4)

據(jù)此，可計(jì)算出525環(huán)管片的實(shí)測中心與隧道中心線的橫向偏差△d：

△d=S×sin(△α)

(5)

以及里程偏差△M：

△M=S×cos(△α)

(6)

為便于數(shù)據(jù)分析，可規(guī)定以里程增大方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，橫向偏差△d為負(fù)值表示實(shí)測管片中心向左偏移，為正值表示向右偏移；里程偏差△M為負(fù)值表示實(shí)測管片中心里程小于設(shè)計(jì)里程，為正值表示實(shí)測管片中心里程大于設(shè)計(jì)里程。

(2)求出斷面處的實(shí)測里程，高程偏差以及與線路中心線的橫向偏差。

斷面處的實(shí)測里程為里程偏差△M加上設(shè)計(jì)里程即可：

M=M0+△M

(7)

高程偏差為設(shè)計(jì)高程與實(shí)測高程之差：

△H=H0-(H底點(diǎn)+H頂點(diǎn))/2

(8)

由于實(shí)測管片與設(shè)計(jì)值存在里程差，上式中的設(shè)計(jì)高程應(yīng)為實(shí)測里程處對應(yīng)的管片中心設(shè)計(jì)高程值。

前文(1)中已求出實(shí)測管片相對隧道中心線的平面偏差，現(xiàn)可直接利用隧道中心線相對線路中心線的偏移量d求出實(shí)測管片相對線路中心線的平面偏差：

△D=△d+d

(9)

d值在直線段為零，在緩和曲線段逐漸變大或變小，在圓曲線段為固定值；具體數(shù)值可以在曲線半徑、盾構(gòu)隧道中心線偏移量及隧道超高值關(guān)系表等設(shè)計(jì)文件中根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算求得。

上述物理量正負(fù)號代表的意義與前文相同。

(3)計(jì)算出8個(gè)特征點(diǎn)對應(yīng)的左、右偏距。

如圖3所示，在AutoCAD內(nèi)先繪出設(shè)計(jì)管片，其中心坐標(biāo)為(0，0)，半徑為管片內(nèi)徑(本工程為 2.7 m)；再繪出實(shí)測管片，其中心坐標(biāo)為(△D，△H)，半徑與設(shè)計(jì)管片相同。

圖3 斷面偏距推算示意圖

以左上點(diǎn)為例，根據(jù)勾股定理，其左橫距可由下式計(jì)算：

(10)

右上點(diǎn)的右橫距為：

(11)

同理，可逐個(gè)推算出其他6個(gè)斷面測量點(diǎn)的左、右橫距。

2.4 計(jì)算時(shí)需注意事項(xiàng)

在實(shí)際應(yīng)用中，有幾點(diǎn)值得注意：

(1)根據(jù)本文所論述的方法，可模擬計(jì)算出斷面處的里程、平面偏差、高程偏差以及8個(gè)斷面測點(diǎn)的左、右橫距，所有數(shù)據(jù)均可在Excel中編寫公式計(jì)算得出，便于使用。

(2)設(shè)計(jì)方位角α0一般以前后間隔4環(huán)計(jì)算求得，但在曲率半徑較小處，可縮小為3環(huán)。為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，可將實(shí)測管片中心坐標(biāo)展點(diǎn)到設(shè)計(jì)圖上，通過量取管片實(shí)測中心與隧道中心線的橫向偏差值與計(jì)算值△d之間的互差，若互差在 5 mm以內(nèi)可認(rèn)為差別不大。

3 實(shí)際案例對比分析

以武漢市軌道交通四號線二期工程永安堂站～孟家鋪站右線盾構(gòu)區(qū)間為例，由于盾構(gòu)推進(jìn)過程中操作不當(dāng)，導(dǎo)致該處管片中心與設(shè)計(jì)值相差較大，且有平面位置與高程與設(shè)計(jì)值對比超過 100 mm限差的情形，因此需及時(shí)獲取斷面數(shù)據(jù)，作為設(shè)計(jì)人員調(diào)線、調(diào)坡的依據(jù)，指導(dǎo)后期施工。

從里程右DK3+332.56起，至右DK3+374.65處止，共29環(huán)管片，對其中21環(huán)管片采用常規(guī)方法進(jìn)行測量，并將其成果與新方法進(jìn)行比較，即比較兩種測量方法下8個(gè)特征點(diǎn)的橫距互差如表1所示：

常規(guī)方法與新方法求得的橫距互差比較 表1

從上表中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水平偏差與垂直偏差均 ≤±100 mm時(shí)，兩種方法得出的各特征點(diǎn)橫距互差均不大，如4環(huán)、5環(huán)、18環(huán)、20環(huán)，最大互差為 32 mm，能滿足使用要求(≤±50 mm)。

根據(jù)《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》GB50446-2008中的規(guī)定，對于施工中的地鐵隧道，9.4.4條指出，要求隧道軸線平面位置和高程偏離設(shè)計(jì)值均 ≤±50 mm。對于成型隧道，17.0.4條規(guī)定，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為隧道軸線平面位置與高程偏離設(shè)計(jì)值均 ≤±100 mm。

一般來說，在施工過程中，若無重大質(zhì)量問題，較少出現(xiàn)隧道軸線平面位置與高程偏離設(shè)計(jì)值均超過 100 mm的情形，因此可在大部分情況下用本方法代替常規(guī)測量方法。

4 結(jié) 論

基于在城市地鐵工程測量中的工作經(jīng)驗(yàn)，作者提出了一種圓形隧道內(nèi)斷面測量的新方法；在隧道軸線平面位置與高程偏離設(shè)計(jì)值小于 100 mm時(shí)，該方法能替代常規(guī)測量方法，提高工作效率。

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ANewMethodforMeasuringCrossSectionofCircularTunnelinSubwayEngineering

Yuan Zhaokui

(The Survey and Design Institute of Wuhan Municipal Engineering Design & Research Institute Co.，Ltd，Wuhan 430023，China)

This paper provides a new solution of measuring the cross section of subway circular tunnel. The article first discusses the measurement process of the conventional method，then introduces the method of how to fit the cross-section survey in detail，and the relevant calculation formula. Finally taking the shield tunneling section of Yongantang station to Mengjiapu station in the second phase of Wuhan Metro Line 4 as an example，the cross section data obtained by the two methods are compared，generally using the new method measurement can meet the standard requirements.

subway engineering；circular tunnel；cross section measurement；shield machine

1672-8262(2017)06-131-04

P258

B

2017—01—06

袁兆奎(1984—)，男，碩士，工程師，注冊測繪師，主要從事地鐵測量監(jiān)理及第三方監(jiān)測、基坑監(jiān)測以及基礎(chǔ)測繪等工作。