錢美剛

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200433)

0 引言

如何控制隧道軸線偏差達(dá)到高精度的要求，應(yīng)從和測量相關(guān)的各個(gè)方面去全面的考慮，從每個(gè)環(huán)節(jié)上給予測量誤差的最大削弱。本文將以上海硬X射線自由電子激光裝置工程為背景，詳細(xì)闡述通過相關(guān)測量技術(shù)手段對盾構(gòu)施工過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)加以控制，使成型隧道軸線偏差達(dá)到有效控制，并滿足軸線偏差高精度的設(shè)計(jì)要求。

1 工程概況及難點(diǎn)

1.1 工程概況

硬X射線自由電子激光裝置項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)張江園區(qū)內(nèi)，項(xiàng)目主要由長約3.2 km的地下隧道、5個(gè)豎井及豎井附近的地面設(shè)施組成。地下隧道分為加速器段、波蕩器段、光束線段和超長光束線段。

其中1號工作井～2號工作井區(qū)間隧道為加速器段，區(qū)間隧道采用1臺直徑7.2 m盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。本區(qū)間隧道長度1 430 m，為所有區(qū)間隧道長度最長、測量控制難度最大的區(qū)間，如圖1所示。本文將以此區(qū)間為例，詳細(xì)闡述高精度控制隧道軸線偏差從方案設(shè)計(jì)到實(shí)踐取得的成果的全過程。

1.2 軸線偏差控制要求

本工程建造的地下隧道其使用功能為科學(xué)試驗(yàn)用，非常規(guī)地鐵隧道，因而對成型隧道的準(zhǔn)直度要求很高，設(shè)計(jì)成型隧道軸線偏差如下：隧道橫向偏差不大于±25 mm；隧道豎向偏差不大于±25 mm。

1.3 測量控制難點(diǎn)

1)井位埋深較深，1號始發(fā)工作井及2號接收工作井埋深近40 m，井上井下定向測量難度較大，且1號始發(fā)工作井井下定向基線邊長短。

2)區(qū)間隧道長度相對較長，地下控制測量難度較大。

3)區(qū)間隧道施工過程中，成型管片脫出盾尾過程中及脫出盾尾后的橫向位移量、豎向位移量及豎向縱徑變形量的大小直接對最終成型管片軸線偏差產(chǎn)生直接影響。

2 測量方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐

2.1 定向測量

2.1.1 定向測量方案設(shè)計(jì)

定向測量在施工控制測量中，占有十分重要的地位，其精度對隧道軸線偏差及最終的貫通精度起著最為直接的影響。定向測量一般可采用一井定向、兩井定向、導(dǎo)線直傳測量、陀螺全站儀和鉛錘儀組合定向等方法進(jìn)行[1]。充分結(jié)合本區(qū)間隧道工程現(xiàn)場施工條件及現(xiàn)有測繪裝備，采用兩井定向方式進(jìn)行定向測量。

Mβ=±(3.27×1 430 000/206 265)=±22.7 mm

(1)

通過上述估算，在不考慮其他測量誤差的前提下，也較難以達(dá)到軸線偏差不大于±25 mm的要求。故對兩井定向方案進(jìn)行優(yōu)化，采用雙兩井定向方案進(jìn)行定向測量，并將定向測量次數(shù)由6次增加到8次。

兩井定向是通過兩個(gè)豎井內(nèi)各懸掛一根鋼絲，通過測量鋼絲與地下定向點(diǎn)的相對位置關(guān)系，通過無定向?qū)Ь€方式處理數(shù)據(jù)，獲取地下定向點(diǎn)的坐標(biāo)及方位。雙兩井定向是在原兩井定向的基礎(chǔ)上，在兩個(gè)豎井內(nèi)各增加一根鋼絲，使單次地下定向點(diǎn)成果由1組變?yōu)?組，4組地下定向點(diǎn)成果在方位角相互較差不大于8″的前提下取均值作為單次定向測量成果，如圖2所示。

Mβ=±(1.41×1 430 000/206 265)=±9.8 mm

(2)

由上可見，采用雙兩井定向測量引起的橫向誤差較小，如按上述方案嚴(yán)格執(zhí)行且在其他測量環(huán)節(jié)中對測量誤差加以控制，能夠滿足軸線偏差不大于±25 mm的要求。

2.1.2 定向測量實(shí)施及應(yīng)用成果

定向測量井上井下采用2臺LEICA TS60型全站儀同步進(jìn)行觀測，采用全圓觀測法四測回測角、四測回測距的方式進(jìn)行。觀測結(jié)束后，現(xiàn)場進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，確保外業(yè)觀測數(shù)據(jù)滿足相關(guān)規(guī)范要求。井下定向點(diǎn)數(shù)據(jù)處理按無定向?qū)Ь€方式進(jìn)行。

本項(xiàng)目1號工作井～2號工作井區(qū)間隧道實(shí)施過程中，按設(shè)計(jì)方案共進(jìn)行了8次定向測量，成果數(shù)據(jù)較多，故本文以第8次測量成果加以展示(見表1)。

表1 定向測量成果

從表1可知，第8次定向測量成果良好，各組測量成果點(diǎn)位坐標(biāo)及方位角相差均較小，滿足要求。

2.2 地下控制測量

2.2.1 地下控制測量方案設(shè)計(jì)

地下控制測量是以定向測量成果為起算數(shù)據(jù)，將坐標(biāo)及方位、高程引測至隧道內(nèi)。作為成型隧道軸線檢測及隧道施工的依據(jù)，其難點(diǎn)是在于如何有效控制誤差的累計(jì)，所以必須逐一減弱每一延伸站的測量誤差，確保每一個(gè)點(diǎn)位的精度使最前端點(diǎn)位滿足精度要求。地下控制測量一般可采用支導(dǎo)線、雙導(dǎo)線方式進(jìn)行。支導(dǎo)線一般適用于距離較短的隧道，可采用多次觀測的方式達(dá)到提高支導(dǎo)線精度的目的；雙導(dǎo)線一般適用于較長的隧道，其導(dǎo)線分別布設(shè)隧道兩側(cè)，測量時(shí)從一側(cè)進(jìn)，另一側(cè)出，網(wǎng)形上形成閉合導(dǎo)線形式，由于雙導(dǎo)線有了檢核條件，因而其精度優(yōu)于支導(dǎo)線。但在雙導(dǎo)線中，隧道貫通前其最弱點(diǎn)始終位于隧道最前端。因本項(xiàng)目對軸線偏差要求很高，而處于隧道最前端最弱點(diǎn)的精度將對盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)產(chǎn)生最直接的影響。為有效提高地下控制測量的精度本項(xiàng)目實(shí)施過程中采用了多閉合導(dǎo)線組方案進(jìn)行地下控制測量。

多閉合導(dǎo)線組是在隧道內(nèi)布設(shè)多個(gè)閉合圖形(見圖3)，每個(gè)閉合圖形由4個(gè)點(diǎn)位構(gòu)成，閉合圖形與閉合圖形之間采用2個(gè)公共點(diǎn)及1條公共邊進(jìn)行連接，2個(gè)公共點(diǎn)中其中1個(gè)點(diǎn)為相鄰閉合圖形的起算點(diǎn)，另1個(gè)公共點(diǎn)和公共邊構(gòu)成兩組相鄰圖形間的檢核條件。公共點(diǎn)采用坐標(biāo)分量較差檢核，公共邊采用方位角較差檢核。

隨著隧道不斷的延伸，多閉合導(dǎo)線組在地下控制測量中，是將測量誤差在每一延伸站中消弱，減少誤差累計(jì)，從而達(dá)到提高地下控制測量精度的目的。

2.2.2 地下控制測量實(shí)施與應(yīng)用成果

多閉合導(dǎo)線組每組導(dǎo)線測量時(shí)采用1臺LEICA TS60型全站儀按閉合導(dǎo)線形式施測，采用方向觀測法，四測回進(jìn)行左、右角觀測，左、右角之和與360°之差不大于±4″，邊長往返觀測各兩測回。每組圖形觀測結(jié)束后，現(xiàn)場進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理，確保外業(yè)觀測數(shù)據(jù)滿足相關(guān)規(guī)范要求。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用閉合導(dǎo)線按嚴(yán)密平差方式進(jìn)行。地下控制測量流程圖見圖4。

當(dāng)相鄰閉合圖形均完成內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理后，應(yīng)同步對相鄰閉合圖形間的公共點(diǎn)坐標(biāo)分量較差Δd，公共邊方位角較差fβ進(jìn)行計(jì)算，確保相鄰圖形間的精度，如式(3),式(4)所示。

(3)

fβ=β′-β

(4)

本項(xiàng)目1號工作井～2號工作井區(qū)間隧道實(shí)施過程中，隧道內(nèi)共布設(shè)了6組閉合圖形，并進(jìn)行了多次觀測，成果數(shù)據(jù)穩(wěn)定。在每組閉合圖形均滿足相關(guān)規(guī)范要求的同時(shí)，相鄰閉合圖形間的公共點(diǎn)坐標(biāo)分量較差Δd，公共邊方位角較差fβ均較小。公共點(diǎn)與公共邊較差見圖5。

如圖5所示，相鄰閉合圖形間的公共點(diǎn)及公共邊，在不同組閉合圖形中通過數(shù)據(jù)處理后，其公共點(diǎn)坐標(biāo)分量較差Δd及公共邊方位角較差fβ均較小，有效的削弱了誤差的累計(jì)，從而達(dá)到提供地下控制測量精度的目的。

2.3 盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)成型管片監(jiān)測

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，其盾尾內(nèi)部管片處于非完全穩(wěn)定狀態(tài)，其受掘進(jìn)時(shí)所處線性、盾構(gòu)機(jī)頂力、外側(cè)土壓力及所處土層等多個(gè)因素影響。要確保成型隧道軸線達(dá)到理想狀態(tài)，在成型管片未達(dá)到穩(wěn)定前必須對其加以監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，從而達(dá)到最終隧道軸線滿足高精度設(shè)計(jì)要求的目的。

2.3.1 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，成型管片在脫出盾尾時(shí)及脫出盾尾后方一段距離后即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因而施工過程中此段為監(jiān)測重點(diǎn)區(qū)域。監(jiān)測項(xiàng)目包括成型管片拱底、拱頂豎向位移監(jiān)測、縱向收斂變形監(jiān)測、成型管片橫向位移監(jiān)測。

監(jiān)測方案擬定應(yīng)充分結(jié)合作業(yè)現(xiàn)場條件，使方案具備可實(shí)施性。本工程實(shí)施過程中監(jiān)測方法及點(diǎn)位布設(shè)擬定如下：拱底豎向位移監(jiān)測采用水準(zhǔn)方式進(jìn)行，點(diǎn)位布設(shè)與管底中心部位，點(diǎn)位為圓頭道釘；拱頂豎向位移監(jiān)測、縱向收斂變形監(jiān)測、成型管片橫向位移監(jiān)測三個(gè)測項(xiàng)整合為一，采用極坐標(biāo)法結(jié)合三角高程方式進(jìn)行，點(diǎn)位布設(shè)于拱頂中心位置，點(diǎn)位采用定制“T”型螺絲，“T”型螺絲安裝于管片預(yù)埋凹槽內(nèi)，螺絲下端安裝反射棱鏡。點(diǎn)位埋設(shè)時(shí)應(yīng)注意使拱頂拱底點(diǎn)位盡可能的處于同一斷面內(nèi),以提高成果精度，如圖6所示。

監(jiān)測頻率應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)計(jì)劃及實(shí)時(shí)工況進(jìn)行擬定和調(diào)整，本工程實(shí)施過程中擬定監(jiān)測頻率為1環(huán)/次，并根據(jù)監(jiān)測成果實(shí)時(shí)進(jìn)行合理調(diào)整，直至成型管片達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后停測，停測要求目標(biāo)值如表2所示。

表2 停測要求目標(biāo)值

2.3.2 監(jiān)測實(shí)施與應(yīng)用成果

本項(xiàng)目1號工作井～2號工作井區(qū)間隧道實(shí)施過程中，上述監(jiān)測項(xiàng)目全程進(jìn)行跟進(jìn)。

拱底豎向位移監(jiān)測采用索佳SDL1X型數(shù)字水準(zhǔn)儀按二等水準(zhǔn)要求進(jìn)行觀測，以傳遞至隧道內(nèi)穩(wěn)定的水準(zhǔn)點(diǎn)位作為起算點(diǎn)位，完成觀測后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并及時(shí)提交成果。

拱頂豎向位移監(jiān)測、縱向收斂變形監(jiān)測、成型管片橫向位移監(jiān)測采用LEICA TS15型全站儀按極坐標(biāo)法加三角高程形式同步完成數(shù)據(jù)的采集，測量時(shí)采用盤左、盤右進(jìn)行觀測，獲取拱頂監(jiān)測點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。其獲取的平面坐標(biāo)用于管片橫向位移成果的計(jì)算；高程用于拱頂豎向位移成果的計(jì)算；拱頂高程值與拱底高程值共同用于縱向收斂變形成果的計(jì)算。拱頂高程參與縱向收斂變形成果計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮反射棱鏡中心至拱底管片弧面的高度常數(shù)。

盾構(gòu)掘進(jìn)中某環(huán)監(jiān)測成果見圖7。

由圖7可知，此環(huán)在成型管片脫出盾尾及脫出盾尾后方一定區(qū)域范圍內(nèi)，其拱底豎向位移量較小，但拱頂豎向位移量、橫向位移量及縱向收斂變形量變化明顯。這些變形量將對成型隧道的軸線產(chǎn)生最為直接的影響。

盾構(gòu)掘進(jìn)中，通過對成型管片脫出盾尾及脫出盾尾后方一定區(qū)域范圍進(jìn)行監(jiān)測，通過監(jiān)測成果，調(diào)整施工參數(shù)及時(shí)對其進(jìn)行干涉，是保證成型隧道軸線達(dá)到高精度要求的重要技術(shù)措施之一。

2.4 高程控制測量

高程控制測量主要包括：地面高程測量、高程傳遞測量、地下高程控制測量。隨著測繪裝備精度不斷的提升，按相關(guān)規(guī)范要求執(zhí)行即可較容易達(dá)到相關(guān)精度的要求，故本文不做重點(diǎn)闡述。

在本項(xiàng)目實(shí)施過程中，上述測量內(nèi)容均采用傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量方式獲取待測點(diǎn)高程。在高程傳遞測量中，為檢驗(yàn)傳遞至地下高程點(diǎn)位的穩(wěn)定性及可靠性，還采用了雙儀器不量儀高同步三角高程法進(jìn)行了高程傳遞測量，如圖8,表3所示。

表3 高程傳遞測量不同方法成果比對表

3 貫通測量成果及隧道軸線偏差情況

3.1 貫通測量成果

隧道貫通后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行貫通測量，本項(xiàng)目1號工作井～2號工作井區(qū)間隧道順利貫通后，通過2號工作井采用雙兩井定向法進(jìn)行定向測量，并進(jìn)行2次獨(dú)立定向測量，平差成果用于貫通測量。在隧道貫通面附近布設(shè)一點(diǎn)，分別從1號工作井、2號工作井內(nèi)的定向測量點(diǎn)位分別測量該點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并將其歸算至設(shè)計(jì)軸線上，獲取隧道貫通后的橫向貫通測量誤差、高程貫通誤差及方位貫通誤差。貫通測量成果見表4。

表4 貫通測量成果

如表4所示，貫通測量成果良好，其中橫向貫通誤差和高程貫通誤差能夠滿足軸線偏差高精度的要求。

3.2 隧道軸線偏差情況

隧道貫通后，利用隧道兩端定向測量點(diǎn)位作為起算數(shù)據(jù)，在隧道內(nèi)布設(shè)一條地下附合導(dǎo)線。數(shù)據(jù)經(jīng)嚴(yán)密平差后，隧道內(nèi)加密點(diǎn)位用于隧道軸線偏差測量的起算數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目1號工作井～2號工作井區(qū)間隧道軸線平面偏差、高程偏差、成型隧道準(zhǔn)直度均能夠滿足設(shè)計(jì)高精度要求，因成果數(shù)據(jù)量較大，故本文不做詳細(xì)展示。

4 結(jié)語

在上海硬X射線自由電子激光裝置項(xiàng)目實(shí)施過程中，從可能引起軸線偏差不達(dá)標(biāo)的各個(gè)影響因素著手，針對各個(gè)測量環(huán)節(jié)進(jìn)行針對性的測量方案設(shè)計(jì)，實(shí)施過程中把控各個(gè)測量環(huán)節(jié)，使各個(gè)測量環(huán)節(jié)間有效銜接，從而保證了隧道軸線偏差滿足高精度的要求，同時(shí)也為今后類似工程的實(shí)施提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。