港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道曲线管幕顶管测量和轨迹控制技术

罗兴虎

(中铁十八局集团有限公司，天津300222)

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道曲线管幕顶管测量和轨迹控制技术

罗兴虎

(中铁十八局集团有限公司，天津300222)

管幕工程是港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段难度最大的项目之一，工程下穿拱北口岸限定区域，埋深4～5 m，管幕平均长度257.92 m，由36根直径1 620 mm的钢管组成。线路位于缓和曲线和圆曲线组成的复合曲线上，其特点是群管顶进、互为接收始发、间距小、曲线半径小、精度控制高、地表沉降小、周边环境敏感。本文对从导线测量、一井定向、顶管测量、轨迹控制到精度估算的技术要点做了详细介绍，可为类似工程提供借鉴。

拱北隧道 曲线管幕 一井定向 轨迹 精度估算

1 工程概况

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道为上、下行叠层双向六车道，平面以曲线的形式下穿珠澳两地通关口岸间的地下狭长地带。开挖断面宽约19 m，高21 m，断面面积约337 m2，隧道埋深4～5 m。

管幕工程是该隧道暗挖段的重要组成部分，曲线顶管是本工程的核心技术之一，其成功与否将直接关系到本项目的成败。管幕由36根直径为1 620 mm的钢管组成，平均长度257.92 m，采用德国海瑞克AVN1200TC泥水平衡式顶管机顶进。

管幕工程下穿拱北口岸限定区域，设东西工作井各一座，互为始发、接收井，工作井净空尺寸为23.5 m ×10.7 m，深29.76 m。管幕埋深4～5 m，管间距35.5～35.8 mm。线路位于缓和曲线和圆曲线组成的复合曲线上，曲线半径890 m，缓和曲线长88 m，圆曲线长167 m。线路纵坡0.35%。

2 工程特点

1)技术难度大。曲率半径小，外侧管幕距澳门联检大楼桩基最近1.6 m，内侧管幕距免税商场回廊桩基最近0.46 m，管幕顶进精度要求控制在±50 mm内，地面沉降要求控制在±30 mm内。井下和管道内空间狭小，测量操作难度大，曲线通视距离短，测量精度要求高。

2)环境复杂，地理位置特殊。紧靠澳门关闸，政治敏感度高;周边建筑物分布密集，形式多样。地质方面多为后填杂土，原来是鸭涌河河道;靠近海边，有透水层。

3)曲线上长距离群管顶进，精度控制要求严格，技术含量高，施工难度大，国内领先，世界罕见，决定了曲线管幕顶管测量和轨迹控制的难度。相关技术指标见表1。

表1 检测项目及控制指标

3 井内联系测量

联系测量，是通过工作井将地面的平面坐标系统及高程系统传递到井下，使地面与井下建立统一的坐标系统，为管幕工程的施工提供坐标基准。这是保证管幕工程和隧道开挖正确贯通，地下设备正确安装的重要工序。联系测量工作分为平面联系测量(定向测量)和高程联系测量(导入标高)。

为给顶管始发指引方向，在施工平台后方的后背墙反力座的钢板上设强制对中器，在其上架立仪器传递三维坐标。优点是前50 m可直接观测顶管机标靶，提高工作效率。同时最大限度地延长了在管内的后视距离，减少因多次搬站造成的误差积累。

3.1 井深10 m范围内

此时通视条件良好，全站仪直接输入坐标观测，采用后方交会法。

首先在井口四周各布设1个控制点，并使用近井加密导线点测得其三维坐标。在施工放样测量过程中，直接将全站仪置于工作井内，通过后视井口上的2个控制点进行后方交会，算出全站仪所在点位坐标以及高程。通过后视井口的另外2个控制点的坐标进行复核。

3.2 井深10～20 m范围

在向井下投点时，利用井壁传递坐标和高程，此时顶管位置较深直接观测困难，且俯角过大，误差累计也大。为减少转站以及结构振动所带来的误差，预先将点埋设于井壁上(至少4个点，且尽量在1个水平面上)。如图1所示。

图1 导线定向法示意

本方法适用于中浅顶管施工，具有精度高，操作简单，不易受工作井内其它工序施工影响的特点。在后期的施工放样过程中，可以直接利用在井口上的已知点进行后方交会进行设站、放样。

3.3 井深＞20 m

此时工作井深度较深，无法直接通视，采用一井定向法进行平面联系测量。

在进行联系测量之前，首先按照城市一级导线测量精度，将工作井附近的地面控制点坐标，引测到井口附近，埋设2个近井点A，A'。A，A'的方向与隧道中线垂直，利用全站仪在已知地面控制点上测量得到A，A'的坐标。其次在竖井内悬吊2根吊锤线O1，O2，吊锤线O1，O2的间距尽可能地大，且方向沿A，A'方向。然后，全站仪分别架设在近井点A，A'上，采用双测站极坐标测量的方法，测量后视边到O1，O2的角度以及测站到O1，O2的距离，此时的距离测量全部为全站仪对反射片的直接测距。再利用双测站极坐标的测量原理，计算出吊锤线O1，O2在地面坐标系统中的坐标值。当2组坐标值的差值小于2倍点位单位权中误差时，取其最或然值作为O1和O2的最终坐标。这样就可将地面控制点的坐标和方位角传递到吊锤线O1，O2上。

吊锤线O1，O2是通过竖井框架悬挂并吊有重锤的高强钢丝，要求钢丝直径≤0.5 mm，重锤质量≥10 kg，在钢丝上地面位置和地下位置分别贴有Leica反射膜片。将重锤浸入到油桶中，钢丝在重力作用下稳定并保持铅垂线方向。如图2所示。

图2 一井定向法坐标传递示意

在获得吊锤线的地面坐标后，分别在井下布设的导线点B，B'上架设仪器，如图3所示。按地面上相同的测量方法和精度，测量测站到O1，O2的角度θ，以及测站到O1，O2的距离S1，S2。进而反算出O1，O2的平距S3。然后根据边角交会法求出B，B'2点在地面坐标系统中的坐标值，从而实现平面联系测量。

图3 井下导线点与吊锤线的联系测量原理示意

此方法需要2台全站仪进行井上井下同时观测，且不能受工作井内其它工序施工影响，投点所需时间长，测点容易受到破坏。故在完成投点工作后应及时将点引测到工作井上(至少保证边墙上有4个点)。在后期的施工放样过程中，可以直接使用位于工作井壁上的点进行后方交会。但是要经常检查点位，发现异常情况及时复测。

3.4 工作井高程测量

当顶管深度＜10 m时采用三角高程法进行高程传递。为保证三角高程的可靠性，应对后视点进行复核。三角高程可以随同后方交会或者导线法测量一同进行，从而达到节省引点工作的时间。

当顶管深度＞10 m时采用水准仪长钢尺法，其方法是:通过悬吊经过检核的长钢尺，使用水准仪在地上、地下观测钢尺和水准尺，加以尺长、温度等各项改正，将高程传递到地下。

如图4所示，A为设在地面井口附近高程已知的近井水准基点。B为井下导入高程点，其高程待求。通过竖井下放长钢尺，在钢尺的底端挂上重锤，并将重锤浸入到油桶中。钢尺在重力作用下稳定并保持铅垂线方向。然后井上、井下测量人员分别安置整平水准仪，读取立于A，B 2点水准尺的读数a1与b2。然后转动水准仪照准长钢尺，井上、井下同时读取读数b1和a2。最后再对立于A，B点上的水准尺读数，以检查仪器高度在观测期间是否发生变动，避免粗差的产生。则井下B点的高程为

图4 数字水准仪长钢尺法高程联系测量示意

按照上述方法，再传递获得另一个井下的高程控制点C，通过测量高差hBC，来检核和评定高程联系测量的精度。

至此完成了工作井内的平面位置与高程的传递工作，为管幕的各根顶管定向做好了准备。

4 顶管测量

4.1 顶管前的技术准备

根据顶管施工平台后背墙上设置的强制对中点指引方向，完成顶管的定向和检核工作。确定仪器开始时的姿态，一共7个参数，这7个参数是设备启动前必须要输入的数据，对顶管机自身姿态的控制有很强的现实意义。此时顶进轨迹在机内生成，自动纠偏模块启动，可以正式顶进。

4.2 轴线轨迹控制与纠偏

根据顶管机标靶点的三维坐标实时获得顶管掘进的中线偏差。海瑞克AVN1200TC配备的UNS (Universal Navigation System)导向系统可以完成自动纠偏，精度为1 mm/m。在管幕顶进中，自动纠偏系统误差呈线形积累，随着进尺增加，误差积累逐步放大，因此每掘进一段距离，需要进行人工测量复核。人工测量复核主要包括2个方面:顶管机轴线测量及管节轨迹测量。

轴线测量:将全站仪安置在基点后，后视控制点进行定向，观测标靶点直接得出坐标值，经过换算得出实际轴线坐标，与设计轴线三维坐标进行比对可以得到两者的偏差值。如果在2 cm以内则不进行调整，若超出2 cm时，必须纠偏。将偏差值输入导向系统，并设置顶管机回归方式，不宜一次直接输入纠偏满值，要逐步趋近。在实际操作中切忌回归速度太快，应以“勤纠，缓纠”为原则，以防快速越过设计轨迹朝相反的方向再次偏出，回归速度控制在5 mm/m以内。

管节轨迹测量(如图5所示):在管节法兰连接处，将水平尺两端卡在管节上并保持水准气泡居中，观测水平尺上反射片的十字丝得出三维坐标(a，b，c)，坐标反算可得测点处的里程S，则可推算出此里程处的设计值(X，Y，Z)，此里程的实际坐标为(x，y，z)。其中:x=a，y=b，z=c+L－R，实际值和理论值比较得出偏差值(ΔX，ΔY，ΔZ)。

图5 顶管轨迹测量

4.3 测量成果(以0#管为例)

1)0#管于2013年7月15号顺利接收，贯通面里程为YK2+642.825，实际观测值和理论观测值均在允许范围内，实现了设计意图。

2)轨迹偏差

按作业进度情况，在管道整体位置约1/4，2/4，3/4，4/4处检查轨迹偏差一次，通过历次数据比较发现同一测点整体偏移趋势一致，没有出现已完成管节个别大幅偏移的现象，轨迹得到很好的控制。

5 测量精度估算

所有单根顶管直径为1 620 mm，接收套管直径为1 720 mm，管间距为357 mm。由于孔口管半径比顶管半径大50 mm，决定了接收精度必须控制在±50 mm范围内，因此误差累积不能超过该值。

施工控制测量主要包括3个方面:①平面控制测量;②工作井联系测量;③顶管顶进测量。因此顶管最终精度是由此3部分的误差累积而成。全站仪测角精度1”，测距精度(2+2×10－6×D)mm。

1)平面控制测量精度

采用城市一级导线测量，每边测距中误差≤±14 mm，单位权中误差≤±5”，导线全长相对闭合差≤1/17 000，最弱相邻点边长相对中误差≤1/2 000。经平差计算，平面控制测量点位误差＜±0.022 6 m。

2)工作井联系测量精度

采用全站仪边角后方交会自由设站测量的方法进行联系测量，其观测元素是边长和方向。全站仪设站距离按照50 m计算，估算得点位精度≤±5.7 mm。

当顶进底层顶管时，采用全站仪一井定向法进行平面坐标传递，竖井联系测量的定向误差即是地下导线起始边方位角的误差。

采用水准仪+长钢尺法进行高程传递，井下高程测量中误差＜±3 mm。

3)顶管顶进精度

地面控制和联系测量点位中误差及井下定向边的方位角中误差对进洞导线的横向贯通误差为24.8 mm。结合顶管顶进误差和延伸导线测量控制精度，顶进贯通轴线精度为±39.8 mm，小于设计值±50 mm，完全符合接收精度要求。

6 结语

顶管顶进观测的难度在于后视距离过短，管节空间小，作业场地拥挤，管内温度高，湿度大。需要净化管内空气，创造良好观测条件，减少误差累积，做好人工测量数据准确性的保障工作。

目前拱北隧道管幕施工已进入东西工作井同时顶进阶段，从已完成的9根管来看，顶管机与地层的适应性良好，所形成的管节轨迹控制顺畅，达到了精度要求，实现了设计意图，不过仍有一些方面需要进一步完善。掘进机导向系统虽然配备了自动纠偏模块，可以实现掘进机沿预设路线前进。但遇到地层突变、障碍物、机械故障等重启时，会出现纠偏系统无法准确判定掘进机行进方向，常规的人工测量依然是不可缺少的必要补充步骤，也仍然需要人工测量为其精确定位。UNS导向系统可以自动纠偏，与常规的人工测量之间相互复核意义重大。

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．GB 50026—2007建筑工程测量规范［S］．北京:中国计划出版社，2008．

［2］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．GB/T 12898—2009国家三、四等水准测量规范［S］．北京:中国标准出版社，2009．

［3］中华人民共和国交通部．JTG F60—2009公路隧道施工技术规范［S］．北京:人民交通出版社，2009．

［4］魏龙海，程勇，陈炜韬．等．近接小半径曲线顶管施工扰动数值研究［J］．四川建筑科学研究，2012(4):315-318．

［5］程勇，刘继国．拱北隧道设计方案［J］．公路隧道，2012(3): 34-38．

［6］程勇，贾瑞华．城市建筑密集区临海浅埋隧道暗挖方案比选［J］．武汉勘察设计，2013(3):26-29．

［7］余晶，程勇，贾瑞华．港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道方案论证［J］．现代隧道技术，2012(2):119-125．

Measuring and controlling techniques of curved tube-shed pre-support according to designed segmental direction for Gongbei tunnel on Zhuhai link line in Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Project

LUO Xinghu
(China Railway 18 Bureau Group Co．，Ltd．，Tianjin 300222，China)

Pipe curtain engineering is the most difficult underground excavation part of the Gongbei T unnel in Zhuhai Section in Hongkong-Zhuhai-M acao Bridge．T his part is within the specified port area．T he pipeline is 4 to 5 m beneath the ground．T he average pipe curtain length is 257.92 m，composed of 36φ1 620 mm steel pipes．T he line is within the combination of transition curve and circular curve．It has following properties:pipe group jacking and starting each other，short spacing，small curve radius，accurate controlling，small surface subsidence and sensitive environment．In this paper，traverse survey，well orientation，top pipe measurement，track control and accuracy assessment were introduced in details，and these can be used for other similar engineering works．

Gongbei T unnel;Curve pipe curtain;W ell orientation;T rack;Accuracy assessment

TU198+．2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．15

1003-1995(2015)04-0055-04

(责任审编赵其文)

2014-09-15;

2015-01-28

罗兴虎(1972—)，男，甘肃武威人，高级工程师。