崔 曉 許 鋒 孫明峰 楊定強

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300308)

近年來，隨著城市化進程的快速發(fā)展，地鐵建設(shè)難度越來越大。特別是在老城區(qū)，地鐵施工易受場地及周邊環(huán)境的多重約束。為縮短工期，常選擇在盾構(gòu)井內(nèi)進行盾構(gòu)機始發(fā)。此時，需將地面控制點坐標(biāo)和方位角通過盾構(gòu)井傳遞至井下[1]。為提高測量精度和工作效率，國內(nèi)眾多學(xué)者對聯(lián)系測量方法進行研究。吳世明等通過工程實例對聯(lián)系三角形的最優(yōu)形狀和數(shù)據(jù)解算取位進行探討[2]；戴小松等以大東湖深隧工程為依托，通過采用激光投點和傳統(tǒng)吊鋼絲相結(jié)合的辦法，提高聯(lián)系測量精度[3]；許鋒等以某隧道為研究對象，采用多點后方交會法進行井上和井下坐標(biāo)的傳遞工作[4]；紀(jì)萬坤等以天津地鐵某盾構(gòu)區(qū)間為依托，根據(jù)現(xiàn)場具體情況，先后運用了導(dǎo)線直傳法、雙三角形法、兩井定向法、鉆孔投點定向法等進行測量，保證了測量精度和貫通效果[5]。綜上所述，地鐵工程聯(lián)系測量方法眾多，在實際工作中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件選擇最合適的方法。其中，兩井定向法聯(lián)系測量靈活性高、操作性強、測量誤差小，被廣泛應(yīng)用于地鐵隧道聯(lián)系測量工作中[6-7]。

地鐵測量規(guī)范中，規(guī)定測量基線邊長一般應(yīng)大于120 m[8]，在空間受限條件下，部分城市地鐵測量管理辦法中，規(guī)定測量基線邊長一般應(yīng)大于60 m，而盾構(gòu)井長僅為40 m左右，遠小于規(guī)范要求。因此，在盾構(gòu)井等受限空間內(nèi)，如何有效開展聯(lián)系測量工作、提高測量精度、減小坐標(biāo)傳遞誤差，更好指導(dǎo)隧道施工，成為了地鐵測量關(guān)注的焦點與難點。

依托廣州市軌道交通14號線支線工程知識城站—識城南站盾構(gòu)區(qū)間測量項目，在復(fù)雜小空間盾構(gòu)井內(nèi)通過對兩井定向聯(lián)系測量方案進行優(yōu)化和設(shè)計，并采取一系列誤差控制措施，減小誤差，提高測量精度，以期達到更好的指導(dǎo)隧道施工、提升隧道貫通質(zhì)量的目的。

1 工程概況

廣州市軌道交通14號線支線工程知識城站—知識城南站區(qū)間總長約2 353 m，采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間中部設(shè)置有盾構(gòu)井。其中，知識城站—盾構(gòu)井區(qū)間長約1 193 m，盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間長約1 120 m；盾構(gòu)井長40 m，端頭井寬21.1 m。根據(jù)施工計劃，盾構(gòu)機首先從盾構(gòu)井往知識城南站方向掘進，在知識城南站接收后，進行拆卸并運至盾構(gòu)井，再重新進行組裝，然后二次始發(fā)掘進至知識城站。知識城站—知識城南站盾構(gòu)區(qū)間施工順序見圖1。

圖1 知識城站—知識城南站盾構(gòu)區(qū)間施工順序

2 方案設(shè)計

以知識城站—知識城南站區(qū)間左線為例，為確保隧道掘進和高效貫通，區(qū)間采用兩井定向法聯(lián)系測量方案進行坐標(biāo)、方位角傳遞工作。

2.1 盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間

在受限空間內(nèi)，盾構(gòu)始發(fā)階段先采用兩井定向法確定兩條短基線邊；當(dāng)盾構(gòu)掘進150 m后，重新布設(shè)控制點，增長基線邊，采用兩井定向確定兩條穩(wěn)定的長基線邊指導(dǎo)現(xiàn)場施工[9]。

2.2 知識城站—盾構(gòu)井區(qū)間

盾構(gòu)始發(fā)階段，在盾構(gòu)井和盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間隧道內(nèi)，利用原控制點或布設(shè)新控制點確定兩條長基線邊；當(dāng)盾構(gòu)掘進150 m后，根據(jù)現(xiàn)場情況，利用原控制點或布設(shè)新控制點采用兩井定向法確定兩條穩(wěn)定的長基線指導(dǎo)隧道掘進。

3 方案實施

3.1 測量準(zhǔn)備

(1)根據(jù)現(xiàn)場條件，在盾構(gòu)井周邊合理位置設(shè)置近井點，近井點宜采用強制對中裝置；近井導(dǎo)線邊數(shù)不宜超過5條，近井導(dǎo)線邊長宜大于50 m。平面控制點作為起算點前應(yīng)先進行穩(wěn)定性檢核，邊長及角度檢核均無誤后方可使用[10]。

(2)根據(jù)盾構(gòu)井空間情況，在盾構(gòu)井內(nèi)懸掛2根φ0.3 mm鋼絲，鋼絲下部掛有10 kg左右鉛錘。2根鋼絲連線應(yīng)與基線邊方向保持一致，鋼絲間距應(yīng)盡量拉大，其下方應(yīng)張貼數(shù)張不同方向的反射貼片，便與現(xiàn)場距離和角度觀測。

(3)根據(jù)聯(lián)系測量工作特點，安排兩組測量人員和2臺高精度Leica TS60全站儀及配套設(shè)施同時進行井上和井下測量工作，施測前應(yīng)對儀器設(shè)備進行檢查，以確保測量期間儀器性能穩(wěn)定可靠。

3.2 盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間

(1)盾構(gòu)始發(fā)階段

地面導(dǎo)線以邊Z039～Z040、Z042～Z043為起算邊，經(jīng)過DG1、JJD1、JJD2、Z041構(gòu)成附合導(dǎo)線。采用左右角法進行角度和距離測量，內(nèi)業(yè)采用“科傻”平差軟件處理觀測數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場條件，在井下布設(shè)ZDG1、ZDG2、YDG2三個點控制點，形成主輔兩條始發(fā)基線邊，井下形成相互檢核條件。盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間始發(fā)聯(lián)系測量見圖2。

圖2 盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間始發(fā)聯(lián)系測量網(wǎng)

在地面JJD1、JJD2和井下ZDG1、ZDG2、YDG2設(shè)站，分別后視DG1、Z041和ZDG2、YDG2、ZDG1觀測兩根鋼絲(GS1、GS2)，得到第1組距離和角度觀測數(shù)據(jù)，移動2根鋼絲，重復(fù)上述步驟，得到第2、第3組距離和角度觀測數(shù)據(jù)。輸入控制點坐標(biāo)，利用平差軟件對3組觀測數(shù)據(jù)進行精密平差，得到兩條基線邊ZDG1-ZDG2、ZDG1-YDG2成果。

根據(jù)規(guī)范要求，地下控制點坐標(biāo)互差應(yīng)滿足不大于±16 mm、基線邊方位角互差不大于±12″、邊長互差不大于±8 mm。依次比較3組基線成果，結(jié)果顯示，X坐標(biāo)差值最大為-1.9 mm、Y坐標(biāo)差值最大為-1.0 mm(控制點YDG2第1組與第2組差值)，基線邊方位角較差最大為6.3″(基線ZDG1-YDG2第1組與第2組差值)，邊長較差最大為-0.6 mm(基線邊ZDG1-ZDG2第2組與第3組差值)。差值滿足規(guī)范要求，取3組成果平均值作為最終成果。盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間始發(fā)聯(lián)系測量成果見表1。

表1 盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間始發(fā)聯(lián)系測量基線成果

(2)盾構(gòu)掘進至150～200 m

隨著盾構(gòu)機的不斷掘進，盾構(gòu)井及隧道洞內(nèi)可操作空間不斷增加。在穩(wěn)定位置重新布設(shè)新的控制點ZD1、ZD60、ZD65，形成2條新的測量基線邊ZD1～ZD60、ZD1～ZD65，從而實現(xiàn)短基線變長基線，以長基線控制盾構(gòu)掘進方向的目的。盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間150～200 m聯(lián)系測量網(wǎng)見圖3。

圖3 盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間150～200m聯(lián)系測量網(wǎng)

在地面和井下控制點同時設(shè)站觀測2根鋼絲，得到第1組基線成果，重復(fù)上述步驟，得到第2、第3組基線成果。依次比較3組基線成果，結(jié)果顯示，X坐標(biāo)差值最大為6.5 mm、Y坐標(biāo)差值最大為1.7 mm(控制點ZD60第1組與第2組差值)，基線邊方位角較差最大為-11.32″(基線ZD1-ZD60第1組與第2組差值)，邊長較差最大為0.3 mm(基線邊ZD1-ZD65第2組與第3組差值)。差值滿足規(guī)范要求，取3組成果均值作為最終成果。盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間150～200 m聯(lián)系測量成果如表2。

表2 盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間150～200 m聯(lián)系測量成果

盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間掘進150～200 m后，地下形成穩(wěn)定的測量基線邊ZD1-ZD60、ZD1-ZD65，下一階段聯(lián)系測量工作按上述測量方案同步實施。

(3)洞內(nèi)導(dǎo)線測量

根據(jù)隧道掘進情況及時布設(shè)洞內(nèi)控制點，洞內(nèi)控制網(wǎng)形采用導(dǎo)線結(jié)點網(wǎng)的形式，結(jié)點網(wǎng)間角度個數(shù)不超過8個。洞內(nèi)導(dǎo)線點只有2個觀測方向時，采用左右角法進行測量，導(dǎo)線點有3個觀測方向時，采用方向觀測法進行測量[11]。洞內(nèi)導(dǎo)線平差計算以ZD1、ZD60、ZD65為起算點。盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間洞內(nèi)導(dǎo)線測量示意見圖4。

圖4 盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間洞內(nèi)導(dǎo)線測量示意

3.3 知識城站—盾構(gòu)井區(qū)間

(1)盾構(gòu)始發(fā)階段

盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間貫通后，盾構(gòu)機拆卸運至盾構(gòu)井進行二次始發(fā)，結(jié)合現(xiàn)場條件，在盾構(gòu)井及成型隧道洞內(nèi)利用原控制點或布設(shè)新控制點確定兩條長基線指導(dǎo)施工。

(2)盾構(gòu)掘進至150～200 m

當(dāng)盾構(gòu)掘進150 m后，利用盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間原有控制點ZD1、ZD65和新布設(shè)控制點ZD32，形成兩條長基線邊ZD1～ZD32、ZD1～ZD65指導(dǎo)現(xiàn)場施工。知識城站—盾構(gòu)井區(qū)間150～200 m聯(lián)系測量網(wǎng)見圖5。

圖5 知識城站—盾構(gòu)井區(qū)間150～200 m聯(lián)系測量網(wǎng)

依次比較3組基線成果，結(jié)果顯示，X坐標(biāo)差值最大為-0.5 mm、Y坐標(biāo)差值最大為0.9 mm(控制點ZD1第1組與第2組差值)，基線邊方位角較差最大為-0.8″(基線ZD1～ZD65第1組與第2組差值)，邊長較差最大為0.2 mm(基線邊ZD1～ZD32第1組與第2組差值)。差值滿足規(guī)范要求，取3組成果均值作為最終成果。知識城站—盾構(gòu)井區(qū)間150～200 m聯(lián)系測量成果如表3。

表3 知識城站—盾構(gòu)井區(qū)間150～200 m聯(lián)系測量成果

隧道掘進至150～200 m后，地下形成穩(wěn)定的基線邊ZD1～ZD32、ZD1～ZD65，后續(xù)聯(lián)系測量工作根據(jù)施工進度按上述測量方案同步實施。

(3)洞內(nèi)導(dǎo)線測量

洞內(nèi)控制網(wǎng)采用導(dǎo)線結(jié)點網(wǎng)的形式進行布設(shè)并根據(jù)隧道掘進情況不斷延伸。洞內(nèi)導(dǎo)線平差計算以ZD1、ZD32、ZD65為起算點。

3.4 誤差控制措施

(1)鋼絲的懸吊應(yīng)采用焊接好的固定支架，避開震源、吊裝作業(yè)區(qū)域；鋼絲在懸吊過程中應(yīng)避免碰壁、打結(jié)；鉛錘需全部沒入濃度適中的阻尼液中，以利于鋼絲的復(fù)位[12]。短邊直接影響測角精度和方位角傳遞，故鋼絲距近井點的距離不宜過短。

(2)鋼絲觀測宜在無風(fēng)狀態(tài)下采用2個作業(yè)組井上、井下同時進行。測前應(yīng)檢查鋼絲的穩(wěn)定狀態(tài)，保證鋼絲的垂直度良好，鋼絲觀測過程中應(yīng)采用長邊作為定向邊觀測鋼絲的方向值，測距過程中應(yīng)注意更改棱鏡、反射貼片的常數(shù)，確保測距準(zhǔn)確。

(3)地下控制網(wǎng)采用導(dǎo)線結(jié)點網(wǎng)形式布設(shè)，由于對控制網(wǎng)中所有邊長、角度進行了測量，增加了圖形條件和多余檢核條件，剔除了粗差，可有效提高測量精度。采用雙基線和導(dǎo)線網(wǎng)形式增加復(fù)核點，可使隧道在各施工階段中，有更多的邊長、角度、坐標(biāo)檢核條件，以避免測量事故發(fā)生。

(4)隧道現(xiàn)場環(huán)境極其惡劣，同時導(dǎo)線邊長普遍較短，儀器的對中誤差和目標(biāo)偏心誤差對測角影響較大，強制對中裝置可有效減少全站儀、棱鏡的對中誤差，提高測量精度，因此地下控制點布設(shè)成強制對中裝置[13]。導(dǎo)線點應(yīng)確保穩(wěn)定并不被破壞，外業(yè)觀測時測量數(shù)據(jù)可進行現(xiàn)場對比，避免粗差出現(xiàn)。導(dǎo)線測量時，還應(yīng)密切注意氣壓、溫度、濕度等因素對距離的影響。

(5)導(dǎo)線邊長應(yīng)盡量增長，減少洞內(nèi)控制點數(shù)量[14]；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時，應(yīng)將所測的三組鋼絲數(shù)據(jù)納入地面導(dǎo)線和井下導(dǎo)線進行整體平差。盾構(gòu)掘進150 m后，井下形成穩(wěn)定的基線邊，多階段聯(lián)系測量成果應(yīng)進行比較分析，差值滿足要求情況下可進行加權(quán)平均，增加數(shù)據(jù)穩(wěn)定性[15]。

4 成果與分析

4.1 階段成果比較

知識城站—知識城南站區(qū)間以左線測量主基線邊ZD1～ZD65為例，將盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間盾構(gòu)掘進150～200 m、350～400 m、貫通前150～200 m以及知識城站—盾構(gòu)井區(qū)間盾構(gòu)掘進150～200 m、350～400 m、貫通前150～200 m 6個階段聯(lián)系測量成果進行比較。測量結(jié)果顯示，基線邊方位角較差最大為-9.1″，邊長較差最大為2.5 mm。測量各階段基線成果較差均滿足限差要求，測量成果可靠。各階段基線成果比較見表4。

表4 各階段基線成果比較

4.2 貫通測量成果

隧道貫通誤差測量采用坐標(biāo)法進行，一端從知識城站和知識城南站方向已知點測至貫通點，另一端從盾構(gòu)井方向已知點測至貫通點，通過比較貫通點坐標(biāo)差值得到貫通誤差成果。貫通測量成果顯示，知識城站—盾構(gòu)井區(qū)間、盾構(gòu)井—知識城南站區(qū)間左右線4條隧道貫通測量成果見表5。

表5 隧道貫通測量成果

由表5可知，隧道縱向最大貫通誤差為23 mm，橫向最大貫通誤差為46 mm，遠小于貫通限差±100 mm，誤差滿足規(guī)范要求。隧道貫通測量成果良好。

5 結(jié)論

在復(fù)雜小空間盾構(gòu)始發(fā)井中，采用兩井定向法聯(lián)系測量方案確定兩條短基線邊初步指導(dǎo)隧道施工；待隧道掘進后在隧道內(nèi)重新布設(shè)控制點，形成2條穩(wěn)定的長基線邊進一步指導(dǎo)隧道施工；隧道一端掘進完成后，可利用盾構(gòu)井原有測量基線指導(dǎo)隧道另一端施工；隧道洞內(nèi)導(dǎo)線點采用強制對中裝置，同時導(dǎo)線設(shè)置成結(jié)點網(wǎng)形式，通過多階段聯(lián)系測量成果數(shù)據(jù)分析對比，可以較好實現(xiàn)井上和井下坐標(biāo)、方位角傳遞。