地铁盾构施工中的若干测量手段及方法

朱旭

摘 要：本文基于对地铁盾构施工中的若干测量手段及方法进行了深入的研究和分析，详细阐述了定位测量盾构姿态、测定隧道中心坐标以及相关的计算方法等，从而为地铁盾构施工测量提供一些测量的基础依据。

关键词：地铁；盾构施工；测量手段；方法分析

中图分类号： U25 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）27-48-2

1 地下导线如何提高精度

在地铁的隧道中，地下导线是贯穿测量隧道的一条导线分支，它主要为盾构的推进指导方向，因此必须确保地下导线的准确性。对此，在进行定向测量的过程中，就可以设置交叉导线，并且在设置每一个新的交叉导线的点时，都能通过这两条交叉的导线来测量其所在的坐标，然后对其进行检查和审核，确认无误后，就将其平均值用作这一交叉点的测量值。

在曲线隧道部分，可以利用跳站的方式来进行观测，即间隔一个或几个站点来进行观测，从而形成一个跳点导线，见图1。在直线隧道部分，就需要在每一个吊篮上安装两个观测的平台，从而使左右构成两条导线，最后交会于新点处，这样不仅能够保证测量出来的数据具有较强的可靠性，同时还能保证地下导线具有较高的精度。

一般情况下，导线点主要是建立在管片仪器的侧面或者顶部的平台上，这个仪器主要使用强制归心，测量工作人员可以在走道板或者吊篮上进行观测，而不与仪器台接触，这样就能保证仪器具有较好的稳定性。提高地下导线精度的具体措施为：①使用双导线或者交叉导线点的方法；②测量地下导线时，横向贯通中边长误差的很小，而存在的误差主要来源于测角误差，通过估算能够对其进行控制。

2 定位测量盾构姿态

定位盾构姿态主要就是按照导线点对盾构掘进的位置和方向进行精确定位。

定位盾构姿态的方法和途径如下：①在盾构机的中心顶部轴线上，水平固定一个前尺和后尺，并测量两者之间的距离，从而对横向的偏差予以控制。盾构推进的中心轴方向，左侧水平尺以红色刻画，右侧水平尺以黑色刻画，拨角仪器指向红色的水平尺，以“+”进行读数，黑色水平尺以“-”进行读数。②将一根水准尺固定在水平后尺的中心位置，水准尺的底部指向盾构3130m的中心处，然后引测其高程。③用几何原理导出计算公式：

第一，平面部分。盾构机转角修正：

e=前尺：2475sinT

后尺：2640sinT

式中：T——转角，左转为“+”，右转为“-”

第二，切口偏差：

x=-2605（a+b）-a+e

第三，尾部偏差：

y=+2648（a+b）-b+e

第四，高程部分。令坡度為：i，与设计值的差为：

Δ切口=4012i+Δh

Δ盾尾=-2538i+Δh

式中，仰为“+”，俯为“-”；Δh=r-rcosT，它主要是由T这一盾构转角所造成的竖直标尺发生变位的改正数。

④按照几何原理，并利用相关公式来进行计算，确保能够将盾构机的盾尾和切口处的高程以及平面偏差控制在合理的范围内，且每一部分管片推进后都必须进行严格地精度控制，使之保持在规范的范围内。

3 测定隧道中心坐标

在测量隧道中心坐标的过程中，尽管难度不高，但是非常复杂。一般在瓦形环衬的隧道砌洞壁中，洞壁上的环中心无任何明显的标志，因此在测量的过程中，使用的方法一般是测量某一圆周上许多个点的坐标值，并按照二乘最小拟合的方法来对环中心以及环椭圆的坐标进行计算。同时在观测的过程中，需要在地下导线的交点上安置测量的仪器，然后将特制棱镜安装在隧道砌洞壁圆周的每一个点上，并针对每一个点测量其三维坐标。拟合计算的方法主要是按照普通的曲线闭合时的方程来计算的。

以某市地铁2号线为例，对于测量隧道的中心坐标，我们采用了一种非常简单的方法，并经大量的实践应用证明，这种方法的测量效果非常好（与上述计算方法所得结果的偏差均处于10mm之内）。方法具体内容为：①确定环片平面的中心位置，确定中心点的方式为：将一根长度为5m的铝合金精制尺，横放在隧道环的左右两侧，并利用水准器来校正标杆，使之处于水平位置，这时标杆的中心点则是环片的中心点。然后采用全站仪向中心位置瞄准，并测出中心点的坐标。②确定中心标高，使用一根塔尺，长度为5m，并将其放置在环片上下最大读书处的中央位置，然后利用水平丝读数上下尺，并将读数相加，从而得到竖径值。最后将每一个环片的底部高程与竖径值的一半相加，就能得出各个环片的高程。

4 计算方法

在掘进盾构的过程中，通过对盾构的中心位置的测定，纠正盾构的姿态定位。在直线上，对隧道设计中心的坐标进行计算非常简便，但是在弯道上，其计算的方法与地面曲线上的中心坐标计算存在较大的差异。在细部放样曲线上，由于具有超距e与超高h，因此施工的曲线与设计的曲线就会存在不一致的现象。而设计曲线一般是指铺设在隧道内的中心轨道上的曲线，即实线轨迹的中心部分；施工曲线则指的是隧道中心确定的曲线，也是掘进盾构的曲线，即虚线轨迹的中心部分。当设计曲线与掘进盾构曲线两者的圆心相互重合时，缓和曲线上的e（超距）就会慢慢减小或者增大，但是在直线上则为零。

计算结果表明，当超距e=0.149m时，超高h=0.120m。隧道中心轨道上的曲线，其半径则按照R′=R-e这一公式来计算每个点的坐标值。

在掘进盾构的过程中，针对影响超距设计曲线的坐标计算，有如下计算公式可以参考：

①计算缓和曲线上的任意点坐标。先计算切线点支距的坐标（见下图）：

x=l--e

sin

y=l-+e

cos

式中，lo为缓和曲线的长度；l为从ZH点起算的弧长。

坐标转换：

X=XZH+xcosθ-ysinθ Y=YZH+xsinθ+ycosθ

在起始位置，θ=A；在终点位置：θ=A+T+c，且XZH?XHZ，YZH?YHZ。

②计算圆曲线上任意点的坐标。圆心坐标（X0，Y0）的计算：

C=A+T+（c-T）/2 X0=XQZ+R′cosC Y0=YQZ+R′sinC

式中，（XQZ，YQZ）为圆曲线的中点坐标；R′=R-e。

圆心到HY点的方位角B为：

B=C-（T-2U0）/2+c=A+U0+3τ/2

如果任意一点距离起点（HY）的弧长为L，则圆曲线上的任意一点的坐标则为：

X=X0-R′cos（B+L/R′） Y=Y0+R′sin（B+L/R′）

5 总结

综上所述：①对于地铁隧道中所设置的地下导线，测定其导线点的方位角以及坐标一般采用的是支导线方法。支导线则指使得未进行检测和审核的自由导线，在隧道盾构施工的过程中，未经检测和审核的数据是不被认可的，因此隧道盾构施工的过程中，必须保证每个测量的数据都是可靠的。②在定位盾构姿态时，阐述了定位的方法和措施，分析了影响的所有因素，并逐步进行了改正，以控制误差。③针对在隧道盾构施工的过程中，设计曲线与施工曲线均存在的超距以及超高问题，推导出了相关的计算公式，并进行了详细的计算，从而有效地解决了施工过程中存在的相关问题。

参 考 文 献

[1] 曹振.西安地铁盾构施工安全风险评估及施工灾害防控技术[D].西安科技大学，2013.

[2] 白永学.富水砂卵石地层盾构施工诱发地层塌陷机理及对策研究[D].西南交通大学，2012.

[3] 徐顺明.广州轨道交通盾构隧道施工控制测量的研究[D].武汉大学，2012.

[4] 杨哲峰.苏州地铁盾构近接施工力学机理与控制技术研究[D].中国地质大学，2015.

[5] 颜晓健.城市地铁盾构施工风险预警研究[D].重庆交通大学，2012.