劉文璣

（中交四航局第一工程有限公司，廣州 510310）

1 引言

廈門地鐵2 號(hào)線項(xiàng)目，首級(jí)控制點(diǎn)為GPS 點(diǎn)，相鄰的已知控制點(diǎn)之間，網(wǎng)內(nèi)精度合格，滿足規(guī)范要求，但是作為精密導(dǎo)線起始邊，仍存在較大真實(shí)值的偏差。東孚車輛段出入段線區(qū)間起點(diǎn)位于馬鑾灣片區(qū)，原地面多為魚塘、河涌等軟基回填地貌，且處于綜合施工區(qū)域，片區(qū)周圍的首級(jí)控制點(diǎn)、近井測量控制點(diǎn)出現(xiàn)被破壞的情況較多，導(dǎo)致洞門施工和盾構(gòu)區(qū)間施工控制基線不一致，嚴(yán)重影響洞內(nèi)控制測量起始邊的引測和控制測量一貫性，使貫通精度存在不確定性。所以，如何通過測量控制復(fù)測工作，減小洞內(nèi)導(dǎo)線與地面導(dǎo)線的偏差，降低接收端施工控制測量與盾構(gòu)施工測量基線不一致及其他誤差的影響，保證盾構(gòu)機(jī)順利接收，符合貫通限差要求，是本文討論的目的。

2 盾構(gòu)隧道施工貫通誤差來源及限差

結(jié)合盾構(gòu)施工的特點(diǎn)，貫通誤差主要受地面控制測量、聯(lián)系測量、隧道內(nèi)控制測量（洞內(nèi)控制導(dǎo)線測量、導(dǎo)向系統(tǒng)吊籃測站、后視誤差和盾構(gòu)姿態(tài)測量誤差）3 項(xiàng)測量誤差影響。在現(xiàn)有高精度儀器和成熟工法應(yīng)用中，高程貫通測量精度比較容易達(dá)到目的。橫向貫通精度受影響因素較多，以地鐵橫向貫通誤差為例，在上述各環(huán)節(jié)橫向貫通中，誤差的一般分配原則分別為±25 mm、±25 mm、±35 mm，總橫向貫通中誤差為±50 mm[1]。也有工程根據(jù)各個(gè)環(huán)節(jié)中誤差控制的實(shí)際情況按1∶1∶2 的比例分配，無論怎樣分配，總的貫通誤差控制應(yīng)滿足GB 50446—2017《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》的限差要求，具體如表1 所示。

表1 隧道貫通測量限差

3 地面控制測量復(fù)核

地面控制測量誤差主要來源于儀器誤差、人為觀測誤差及環(huán)境影響誤差。進(jìn)入接收準(zhǔn)備階段，地面控制測量復(fù)核，采用了符合導(dǎo)線測量與閉合導(dǎo)線測量兩種方式進(jìn)行比較。

符合導(dǎo)線測量復(fù)核線路，由始發(fā)井側(cè)地面導(dǎo)線點(diǎn)向區(qū)間終點(diǎn)側(cè)首級(jí)控制網(wǎng)已知點(diǎn)引測，將接收端的近井控制點(diǎn)當(dāng)作未知點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算。

1）觀測后，對(duì)比已知點(diǎn)坐標(biāo)值反算的理論距離，與實(shí)際全站儀觀測距離對(duì)比，起始邊（J2-106）距離對(duì)比差值為0.005 m，結(jié)束邊距離對(duì)比差值為（109～110）0.016 m；經(jīng)平差計(jì)算，在各項(xiàng)觀測數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求時(shí)，網(wǎng)內(nèi)最小未知點(diǎn)點(diǎn)位中誤差0.015 m，最大未知點(diǎn)點(diǎn)位中誤差0.019 m。

2）考慮控制網(wǎng)已知點(diǎn)為首級(jí)網(wǎng)的GPS 控制點(diǎn)，而盾構(gòu)接收時(shí)，洞內(nèi)導(dǎo)線控制測量、洞門鋼環(huán)觀測及接收托架定位均采用全站儀，按精密導(dǎo)線等級(jí)引測控制基線，兩者之間觀測形式和平差方式不一樣。因此，對(duì)全站儀觀測邊長作了高斯投影改正，以修正不同投影面下的測量成果誤差。出入場線區(qū)間坐標(biāo)系統(tǒng)采用92 廈門城市坐標(biāo)系統(tǒng)，投影軸子午線為118°30′。經(jīng)高斯投影修正后，符合導(dǎo)線平差精度如下：累計(jì)坐標(biāo)值閉合差fx=-0.029 m，fy=0.037 m，點(diǎn)位累積誤差fd=0.048 m，相對(duì)誤差K=1/90 876。從平差結(jié)果對(duì)比分析，經(jīng)高斯投影長改正后，相對(duì)閉合差精度有較大提升，但點(diǎn)位距離累積偏差值僅相差0.002 m?？梢姶朔椒ú⒉荒苡行Ы鉀Q點(diǎn)位累積誤差過大的問題（fd=0.048 m），從而提高貫通精度。

盾構(gòu)接收井及洞門為明挖法施工段，指導(dǎo)施工的原近井測量控制點(diǎn)，在后續(xù)施工中均被破壞或遮擋，無法使用。本次接收洞門鋼環(huán)復(fù)核的控制點(diǎn)使用閉合導(dǎo)線觀測方式引測至接收井附近的加密控制點(diǎn)（CD3、CD2、CD1），保證地面控制測量的坐標(biāo)系一致。接收端洞門鋼環(huán)復(fù)核時(shí)，沿鋼環(huán)邊緣均勻分布測點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行擬合圓計(jì)算，得出擬合圓心坐標(biāo)及高程，再投影到設(shè)計(jì)線路上，定出符合貫通限差要求和接收割線與接收托架定位軸線，指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)出洞姿態(tài)調(diào)整。

閉合導(dǎo)線觀測線路，由始發(fā)井端地面導(dǎo)線點(diǎn)（IIGDG106、J2、DM2）為始，引測至接收井附近加密控制點(diǎn)（CD3-CD2-CD1）后，返測回起算邊，經(jīng)平差計(jì)算，各項(xiàng)精度指標(biāo)滿足精密導(dǎo)線測量要求。采用閉合導(dǎo)線方式平差計(jì)算，最小未知點(diǎn)點(diǎn)位中誤差0.005 m，最大未知點(diǎn)點(diǎn)位中誤差0.010 m，點(diǎn)位累積誤差fd=0.017 m。以中誤差和累積誤差為精度指標(biāo)分析，在控制網(wǎng)首級(jí)點(diǎn)被破壞，近井點(diǎn)不能沿用的情況下，采用閉合導(dǎo)線網(wǎng)形觀測平差得出近井控制點(diǎn)坐標(biāo)值，更具備指導(dǎo)洞門鋼環(huán)觀測和接收托架放樣的效用。

4 聯(lián)系測量復(fù)核

地面近井點(diǎn)測量，基點(diǎn)采用始發(fā)井端地面導(dǎo)線點(diǎn)（IIGDG106、J2、DM2），進(jìn)行單三角平差校核后，再觀測懸掛的鋼絲投點(diǎn)，保證了地面與隧道內(nèi)控制測量起始坐標(biāo)系一致性，可有效提高貫通精度。井下導(dǎo)線起始邊聯(lián)系測量，通過盾構(gòu)始發(fā)井和后配套場地預(yù)留出渣孔，采用兩井定向[2]，以無定向?qū)Ь€形式觀測平差。兩井定向是地鐵隧道工程定向測量常用的定向方法，具有外業(yè)測量簡單、占用施工場地時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場觀測工作不易受施工影響而導(dǎo)致觀測中斷或鋼絲出現(xiàn)擺動(dòng)，導(dǎo)致觀測成果誤差超限。兩井定向可以發(fā)揮場地的最大優(yōu)勢，最大化增加兩根投點(diǎn)吊錘線的距離，因此減小了投點(diǎn)誤差引起的方向誤差，有利于提高地下控制網(wǎng)起算方向的精度。導(dǎo)線計(jì)算結(jié)果：起始邊長度87.125 m，fx=-0.001 m，fy=0.001 m，fd=0.001 m，與上一次起算邊測量方位角差為3″，符合精度要求。根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50308—2017《城市軌道交通工程測量規(guī)范》規(guī)定，并結(jié)合各地盾構(gòu)隧道的測量經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)各次聯(lián)系測量定向的地下起始邊方位角較差小于12″時(shí)，可有效保證隧道的貫通[3]。

5 隧道內(nèi)控制測量復(fù)核

5.1 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、吊籃坐標(biāo)高程復(fù)核

盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)主要是實(shí)時(shí)測出盾構(gòu)掘進(jìn)的姿態(tài)，從而指導(dǎo)盾構(gòu)司機(jī)控制盾構(gòu)掘進(jìn)。但施工中存在各種干擾和震動(dòng)，一旦出現(xiàn)硬件故障（傳感器失準(zhǔn)），或被撞擊、強(qiáng)烈震動(dòng)及機(jī)體變形導(dǎo)致測量激光靶偏離始發(fā)時(shí)設(shè)定的TBM 坐標(biāo)和起始參考角度，就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤導(dǎo)向。而且這類錯(cuò)誤具有一定的隱蔽性，只有通過人工進(jìn)行盾構(gòu)零位特征點(diǎn)測量計(jì)算、連續(xù)管片姿態(tài)復(fù)核對(duì)比才能確認(rèn)。

為了控制盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的精度，確保隧道的準(zhǔn)確貫通，需定期利用洞內(nèi)的控制導(dǎo)線校核和調(diào)整全站儀吊籃強(qiáng)制對(duì)中的坐標(biāo)，以及人工測定盾構(gòu)機(jī)的位置與導(dǎo)向系統(tǒng)顯示的盾構(gòu)機(jī)的位置是否一致。

盾構(gòu)人工復(fù)核姿態(tài)采用人工棱鏡法，測定盾構(gòu)機(jī)內(nèi)設(shè)定始發(fā)零位的特征（參考點(diǎn)）。只要測出特征點(diǎn)中的任意3 個(gè)點(diǎn)的實(shí)際三維坐標(biāo)，即可計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。因?yàn)閷?duì)于以盾構(gòu)機(jī)軸線為坐標(biāo)系的局部坐標(biāo)來說，無論盾構(gòu)機(jī)如何旋轉(zhuǎn)和傾斜，這些參考點(diǎn)與盾構(gòu)機(jī)的盾首中心和盾尾中心的相對(duì)位置和空間距離是不會(huì)變的，它們始終保持一定的值，這些值可以從它的局部坐標(biāo)計(jì)算出來。

借助力信導(dǎo)向軟件RMS-office 計(jì)算工具，將在同一測量條件下采集的特征點(diǎn)三維坐標(biāo)、盾構(gòu)機(jī)鉸接油缸安裝角度及鉸接伸長量進(jìn)行TBM 坐標(biāo)換算。雖然原理上特征點(diǎn)在盾體上分布得越均勻，越能精確反映盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，但對(duì)于特征點(diǎn)相對(duì)空間位置誤差任意一項(xiàng)大于2 mm 的數(shù)據(jù)，都不應(yīng)用于計(jì)算，此類誤差過大的特征點(diǎn)會(huì)使TBM 坐標(biāo)系解算產(chǎn)生錯(cuò)誤擬合值，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與實(shí)際情況不符。

出入場左線在掘進(jìn)至距貫通剩余50 環(huán)時(shí)（1.2 m/ 環(huán)），利用已復(fù)核過的洞內(nèi)導(dǎo)線控制點(diǎn)，再次進(jìn)行了盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、吊籃坐標(biāo)高程校核工作，同時(shí)，通過對(duì)比盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)時(shí)姿態(tài)和人工復(fù)核姿態(tài)，兩者最大誤差小于10 mm，成果可用。

5.2 洞內(nèi)導(dǎo)線控制測量復(fù)核

盾構(gòu)法施工中，橫向誤差是制約盾構(gòu)隧道貫通的主要因素，按等邊直伸形導(dǎo)線估算，單導(dǎo)線其最遠(yuǎn)點(diǎn)橫向誤差Mg可用式（1）計(jì)算：

式中，ma為測角中誤差；ρ 為常量，rad（1 rad=206 265″）；L 為支導(dǎo)線長度；n 為支導(dǎo)線邊數(shù)。

根據(jù)式（1），按邊長平均150 m，測角中誤差為2.5″計(jì)算，計(jì)算出地下控制導(dǎo)線任意一點(diǎn)的橫向誤差。不同支導(dǎo)線長度和支導(dǎo)線邊數(shù)與橫向誤差對(duì)照?qǐng)D如圖1 所示。

圖1 支導(dǎo)線長度和支導(dǎo)線邊數(shù)與橫向誤差對(duì)照?qǐng)D

出入場左線盾構(gòu)區(qū)間隧道長度約849 m，導(dǎo)線控制邊7條，理論橫向貫通誤差應(yīng)在±17.2～±25.9 mm。經(jīng)貫通測量復(fù)核后，得到的橫向貫通誤差為-18.8 mm。由此可見，出入場左線盾構(gòu)區(qū)間隧道采用的單導(dǎo)線控制點(diǎn)延伸至接收前最后一站，滿足貫通精度控制要求。

6 結(jié)語

東孚車輛段出入段線區(qū)間左線盾構(gòu)機(jī)出洞接收過程中，刀盤到達(dá)洞門鋼環(huán)位置時(shí)，與接收洞門鋼環(huán)距離間隙均勻；導(dǎo)向系統(tǒng)顯示與盾構(gòu)機(jī)實(shí)際姿態(tài)，與預(yù)設(shè)的接收托架軸線重合度高。由此得出以下推論。

1）盾構(gòu)區(qū)間施工過程中，應(yīng)盡量保證控制測量起算邊和近井點(diǎn)的穩(wěn)定。在首級(jí)控制網(wǎng)導(dǎo)線點(diǎn)、接收端近井點(diǎn)無法避免被破壞的情況時(shí)，采用閉合導(dǎo)線形式，重新測設(shè)加密接收端近井控制點(diǎn)，閉合至始發(fā)井地面控制測量和聯(lián)系測量地面起算邊，在觀測成果各項(xiàng)誤差值小于規(guī)范限差的前提下，可以保證盾構(gòu)機(jī)的順利接收。

2）保持地面控制測量起算邊與聯(lián)系測量地面起算邊的一致性，有利于進(jìn)行聯(lián)系測量成果精度校核和提高橫向貫通精度。

3）洞內(nèi)導(dǎo)線測量，受觀測環(huán)境影響極大，出現(xiàn)極限邊長（最小邊長要求）的情況較多，除了采用測量中誤差作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)外，在距離較長的盾構(gòu)區(qū)間（＞1 500 m），還應(yīng)按規(guī)范要求采用其他檢測方法進(jìn)行復(fù)核，如陀螺儀定邊測量復(fù)核、增加豎井（孔）投點(diǎn)、兩井定向等。東孚車輛段出入段線盾構(gòu)區(qū)間長度較短，所以未做重點(diǎn)分析。

4）在盾構(gòu)區(qū)間施工中，聯(lián)系測量和盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)人工復(fù)核，是貫通接收工作的復(fù)核重點(diǎn)。聯(lián)系測量也是貫通誤差的主要來源，在后續(xù)的盾構(gòu)施工中，如何根據(jù)現(xiàn)場施工條件，采取適用的控制測量傳遞方式，提高聯(lián)系測量精度，仍需在工作中繼續(xù)研究分析。