地铁盾构隧道地下平面控制及精度分析

2014-08-01张慧慧

黑龙江交通科技 2014年6期

张慧慧

(辽宁省交通高等专科学校)

1 引言

随着盾构机的掘进隧道长度不断增加，地下导线、水准控制点也要随之逐个建立起来。地下控制点是盾构机掘进过程中盾构姿态测量、隧道管片安装测量及隧道中线测量的基础，是指导盾构机沿着设计线路掘进从而达到贯通的目的。地下控制测量包括地下平面和高程控制测量。进行地下控制测量时，应利用直接从地面通过联系测量传递到地下的近井点作为测量起算点。

2 地下导线平面控制及其精度

2.1 地下导线点的布设

由于盾构法施工的隧道须铺设临时轨道供运送管片、泥土等材料的电瓶车通过，且隧道底板时常被积水和淤泥淹没，为了使测量工作即方便使用又不影响施工车辆进出，隧道掘进期间导线控制点宜布设在隧道侧壁上，并采用设置强制对中装置的观测台，控制点间视线距隧道壁应大于0.5 m，且应分别在隧道两侧布设以避免或减弱旁折光的影响。另外为了满足盾构机姿态测量的需要，还需在隧道结构拱顶上布设类似“吊篮”的设有强制归心装置的导线控制点。控制点的埋设位置应尽量避开比较强的光源、热源、淋水等部位，测量人员可在隧道侧壁或吊篮上观测并与仪器台完全分离，从而确保仪器的稳定性。以上两种形式的控制点虽然结构复杂，安装比较麻烦，但观测时不受施工影响，测量精度较高，在盾构施工中得到广泛应用。其埋设情况如图1 所示。

图1 盾构隧道地下导线点布设示意图

盾构掘进期间导线控制点间距在直线段宜大于150 m，曲线段视曲线半径大小在保证通视的条件下应尽量长，一般不应短于60 m。

2.2 导线测量精度

因隧道内空间狭小，使得洞内控制网的设计几乎没有选择的余地，一般只能采用支导线形式进行地下平面控制测量，分配给地下控制测量的横向中误差为±30 ～36 mm。若不顾及地下起算方位角αAM和地下已知控制点A 的点位误差影响，根据支导线的计算方法可知，贯通点P 的横向贯通误差为

式中:S 为导线边长;Ryi、Δxi的含义见图2。

图2 支导线布设图

(1)角度测量对贯通误差的影响

对于角度测量对横向贯通误差的影响，可知导线终点的横向误差

式中:L 为导线长;Δβ 为测角误差;n 为导线的角度个数。

由(2)式可知在布设成近似等边直伸的洞内导线控制中，在测角中误差与导线长度一定时，角度测量对横向贯通误差的影响取决于导线角度的个数，故在实际布点时应尽量拉长导线点间的距离。

(2)边长误差对贯通误差的影响

对于直伸导线，各导线点间的Δxi值很小，测边误差只是使导线点在导线长度方向产生位移，即纵向误差，Δxi而对横向贯通误差几乎没有影响。对于曲线隧道，测边误差不但影响纵向误差，还影响其横向误差，越大影响就越大。为了讨论方便，假定以隧道终端的切线为X 轴，则导线终点的Y坐标误差就是横向误差。如图3 所示。

图3 曲线隧道误差分析图

式中:y0为起始点横坐标，假定没有误差;Si、αi为第i 条边的边长和方位角。

如果边长误差为ΔS，则产生的坐标误差Δy=ΔS·sinαi。

按误差传播定律，则由于测边误差产生的导线终点的横向误差为

当为等边导线时，以sinαi=Δy/SS 代入，得到

公式(6)就是边长误差对横向误差的影响，可以看到

①当Δy 越大，影响就越大。直伸导线时Δy=0，则不受影响;

②如果半径较大，曲线较短时，各边的Δy 近似相等，这时

式中:q 为横向宽度;n 为导线边数;L 为导线纵向长度。

这就是通常进行估算的方法，边长误差ΔS 对贯通误差μ 的影响是与隧道横向宽度q 和纵向长度L 之比成正比。

2.3 长大盾构区间的导线布设形式

对于长大盾构区间，当L=1 500 m 时，即使隧道全部为直线，导线平均长度达到1 500 m，导线角度个数仍可达10个，若取△β=2.5″，代入式(2)可得△u =35.6 mm。此种情况下布设支导线很难将误差控制在所分配限差之内，且布设支导线所测得的导线点的坐标和方位角没有检核条件。为此，长大盾构区间一般将地下导线布设成主副导线或交叉式导线的形式。

即每设置一个新的导线点，均由两条导线边来测定，当检核无误后，取其平均值作为新点的测量数据。它不但能使测量数据有足够可靠性，还可以提高导线的测量精度。

2.4 地下导线加测陀螺方位角测量

对于1 500 m 以上的长大盾构隧道，若布设成支导线形式，导线终点的横向误差势必很大，且缺少检核条件，很难保证将横向贯通误差控制在±50 mm 以内，为了安全起见，必须采取有力措施控制导线终点的横向误差。《城市轨道交通工程测量规范》中规定贯通面一侧的隧道长度大于1 500 m 时，应增加联系测量次数或采用高精度的测量方法等，提高定向测量精度。当前在长大盾构隧道掘进过程中，地下平面控制测量除将地下导线布设成导线网的形式外，实践证明在适当的位置加测陀螺定向边可有效地减小横向误差的积累，从而提高地下导线终点的横向精度，有利于隧道的准确贯通。