梁婕，牛聯(lián)飛，張能

（1.中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京100160；2.中建八局第一建設(shè)有限公司,濟(jì)南 250000；3.中建三局集團(tuán)有限公司，武漢 430065）

1 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，我國在各大城市都開展了地鐵建設(shè)，盾構(gòu)法是地鐵區(qū)間隧道施工中經(jīng)常應(yīng)用的工法工藝，盾構(gòu)施工測量是保障地鐵隧道貫通的關(guān)鍵之一。為了滿足盾構(gòu)掘進(jìn)按設(shè)計要求貫通，必須研究每一步測量工作所引起的誤差，包括地面控制測量、豎井聯(lián)系測量、地下控制測量，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量、盾構(gòu)換站測量等幾個重要的階段。

2 盾構(gòu)測量的若干思考

2.1 地下平面控制測量起算依據(jù)的思考

在建立地下測量控制網(wǎng)前，先要進(jìn)行地面近井導(dǎo)線和水準(zhǔn)測量，然后通過豎井聯(lián)系測量，將地面控制點(diǎn)和高程傳遞到地下，從而保證地面和地下的控制網(wǎng)在統(tǒng)一的坐標(biāo)系內(nèi)。直接從地面通過聯(lián)系測量傳遞到地下的聯(lián)系測量成果應(yīng)作為地下平面和高程控制測量起算點(diǎn)[1]。

圖1 豎井聯(lián)系測量

由于地鐵測量精度要求高，極易出錯，各城市軌道交通建設(shè)管理公司都紛紛制定測量多級復(fù)核制度，關(guān)鍵的測量工序通常由施工單位項目部、后臺公司精測隊、業(yè)主第三方測量單位等層級進(jìn)行測量復(fù)核。而地下洞內(nèi)導(dǎo)線控制測量起算點(diǎn)坐標(biāo)先后經(jīng)過地面近井導(dǎo)線、聯(lián)系測量兩個步驟進(jìn)行傳遞推算得到，它的點(diǎn)位誤差也與地面近井導(dǎo)線、聯(lián)系測量的精度相關(guān)。

表1 地下導(dǎo)線控制點(diǎn)坐標(biāo)成果較差表

圖2 地下導(dǎo)線控制網(wǎng)線路示意圖

筆者在西南地區(qū)某市地鐵項目中，遇到過施工單位項目部和業(yè)主第三方測量單位因?yàn)榈叵驴刂茰y量起算點(diǎn)不同而導(dǎo)致洞內(nèi)導(dǎo)線控制點(diǎn)坐標(biāo)較差超限的情況，如表1所示，地下導(dǎo)線控制網(wǎng)線路示意圖如圖2所示。

從上表1及圖2可看出，施工單位項目部和第三方測量單位均采用QSZ01和QSZ03兩個控制點(diǎn)作為控制網(wǎng)起算依據(jù)，但施工單位項目部與第三方測量單位二者的起算坐標(biāo)略有差異，其中施工單位項目部QSZ01→QSZ03坐標(biāo)方位角為90°04′35.7″，而第三方測量單位的坐標(biāo)方位角為 90°04′30.1″，二者相差-5.6″，滿足地鐵測量規(guī)范±12″限差的要求。但由于起算控制點(diǎn)坐標(biāo)及坐標(biāo)方位角的少許偏差，導(dǎo)致最終洞內(nèi)最弱點(diǎn)QSZ500的點(diǎn)位中誤差為22mm，超過了業(yè)主測量管理文件要求的±20mm限差要求。

究其原因，起算控制點(diǎn)坐標(biāo)及坐標(biāo)方位角的少許偏差是因?yàn)槭┕挝豁椖坎亢偷谌綔y量各自采用的各自的地面近井導(dǎo)線、聯(lián)系測量坐標(biāo)成果計算得到。因此，筆者建議，施工單位項目部和第三方測量單位的地面近井導(dǎo)線、聯(lián)系測量成果較差符合相關(guān)規(guī)范要求的情況下，施工單位項目部應(yīng)取雙方的聯(lián)系測量成果（坐標(biāo)及坐標(biāo)方位角）平均值作為地下洞內(nèi)控制導(dǎo)線的起算依據(jù)，這樣既可減小雙方的地下導(dǎo)線控制點(diǎn)坐標(biāo)成果較差，同時還能保證貫通精度。

2.2 盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)測量方法的思考

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)姿態(tài)測量內(nèi)容包括盾構(gòu)機(jī)平面偏差、高程偏差、俯仰角、方位角、滾轉(zhuǎn)角及切口里程。始發(fā)前要對盾構(gòu)機(jī)的初始姿態(tài)進(jìn)行測量與復(fù)核，保證盾構(gòu)機(jī)所在位置的精確偏差，對導(dǎo)向系統(tǒng)的正確調(diào)試起關(guān)鍵性作用，對整個線路是否順利準(zhǔn)確貫通起決定性作用。然后用地下控制點(diǎn)坐標(biāo)成果測量盾構(gòu)機(jī)始發(fā)姿態(tài)。為保證精度可靠，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)姿態(tài)測量應(yīng)利用通過聯(lián)系測量傳遞到地下的控制點(diǎn)成果[2]。

目前盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)測量方法有兩種：幾何圓柱中分測量方法、參考點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。

圖3 幾何圓柱中分測量方法

如圖3所示，幾何圓柱中分測量方法是利用盾構(gòu)機(jī)盾體橫截面是圓的幾何特性，通過測量盾構(gòu)機(jī)左右兩側(cè)的反射片平面坐標(biāo)，取均值得到圓心的平面坐標(biāo)，測量盾體最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的高程，取均值得到圓心的高程。然后根據(jù)盾首圓心三維坐標(biāo)和盾尾圓心三維坐標(biāo)便可推算出盾構(gòu)機(jī)平面偏差、高程偏差、俯仰角、方位角、及切口里程，滾轉(zhuǎn)角根據(jù)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部的傾斜儀獲取。

圖4 參考點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法

如圖4所示，參考點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法的原理是：首先在盾構(gòu)機(jī)建造完畢出廠前，在工廠坐標(biāo)系下，在盾構(gòu)機(jī)盾體上布設(shè)若干參考點(diǎn)，并測得這些參考點(diǎn)的工廠三維坐標(biāo)，然后推算出盾首和盾尾的圓心三維坐標(biāo)。待盾構(gòu)機(jī)運(yùn)輸至工地盾構(gòu)始發(fā)井內(nèi)組裝調(diào)試完畢后，測量這些參考點(diǎn)在施工坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，然后利用兩套坐標(biāo)系的公共點(diǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換原理，換算出盾首和盾尾在施工坐標(biāo)系下的圓心三維坐標(biāo)及其他姿態(tài)參數(shù)。

筆者在西南地區(qū)某市地鐵項目中遇到過某臺盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時，測量員采用參考點(diǎn)測量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法人工測得盾構(gòu)機(jī)始發(fā)姿態(tài)，并與盾構(gòu)測量導(dǎo)向系統(tǒng)的姿態(tài)進(jìn)行比對合格，但未采用幾何圓柱中分測量方法進(jìn)行復(fù)核比對，未及時發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)盾尾失圓，最后導(dǎo)致管片拼裝完后難以脫出盾尾，或脫出盾尾的管片破損嚴(yán)重。

因此，筆者建議，如果是無參考點(diǎn)的舊盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)，在測量盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)前，只能采用幾何圓柱中分測量法測量，同時還起到對盾體的橢圓度進(jìn)行檢核的作用。如果是有參考點(diǎn)的新盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)，則最好應(yīng)采用參考點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法求得盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是不受盾體外殼變形的影響。當(dāng)然，為避免盾體變形導(dǎo)致的上述質(zhì)量事故，還應(yīng)采用幾何圓柱中分測量法對盾體橢圓度進(jìn)行檢核，同時對兩種方法獲得的盾構(gòu)初始姿態(tài)進(jìn)行比對，差別不大時，方可輸入盾構(gòu)測量導(dǎo)向系統(tǒng)，并與導(dǎo)向系統(tǒng)傳感器自動獲取的初始姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行比對和修正，若偏差超限，則還需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步分析和判別重測。

2.3 盾構(gòu)換站測量的思考

導(dǎo)向系統(tǒng)在換站的示意圖見下圖5所示：

圖5 搬站測量示意圖

由于城市軌道交通測量規(guī)范未明確規(guī)定每次換站時吊籃坐標(biāo)與地下控制導(dǎo)線的傳遞測量頻次，現(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)中存在“隔一傳一”和“逢移必傳”的情況?！案粢粋饕弧笔侵该扛粢淮螕Q站，導(dǎo)向系統(tǒng)的設(shè)站吊籃與后視點(diǎn)，通過重新測量從地下控制導(dǎo)線獲得坐標(biāo)參數(shù)；“逢移必傳”是指每次換站，設(shè)站吊籃與后視點(diǎn)均應(yīng)通過重新測量從地下控制導(dǎo)線獲得坐標(biāo)參數(shù)。由于每次換站時，盾構(gòu)機(jī)必須停機(jī)，換站前后導(dǎo)向系統(tǒng)顯示的盾構(gòu)姿態(tài)會發(fā)生跳變，這種現(xiàn)象我們稱為“換站斷差”，原因是換站前后導(dǎo)向系統(tǒng)的設(shè)站和后視點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)生變化，坐標(biāo)更新后的導(dǎo)向系統(tǒng)測量結(jié)果也會更新。

為了保障換站精度和可靠性，筆者建議在盾構(gòu)掘進(jìn)隧道直線段上，地質(zhì)良好、管片較為穩(wěn)定的情況下，“隔一傳一”和“逢移必傳”二者均可，但在曲線段上，或地質(zhì)較差、管片仍處于浮動狀態(tài)的情況下，則應(yīng)選擇“逢移必傳”的方法進(jìn)行換站測量。

3 結(jié)論

本文結(jié)合工程實(shí)際案例分析了地鐵盾構(gòu)測量中，地下控制測量起算依據(jù)、盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)測量方法、盾構(gòu)換站測量的不同對地鐵盾構(gòu)施工的影響，并提出了一些處理意見，對其他地鐵盾構(gòu)測量項目提供了一些參考，具有一定的指導(dǎo)意義。