高铁精密工程测量技术与应用

王春蚕 武汉锐进铁路发展有限公司

盾构是盾构掘进机的简称，是在可以移动的钢结构外壳保护下进行开挖、支护、衬砌等多种作业一体化的施工机械。盾构法施工掘进速度快，且对周围环境的影响小，不影响地面交通与航运，施工中不受季节、风雨等气候条件制约，可以实现在多种复杂地质条件下施工，在松软含水地层中修建埋深较大，往往具有技术和经济方面的优越性。基于以上优势，盾构法施工目前被广泛应用于地铁建设中。然而，盾构也有其局限性，不同于矿山法暗挖、明挖或高架施工，盾构是单向掘进，一方面，起始方位角误差造成的横向偏差将随着掘进长度的增加而同比例增长，另一方面，随着内施工控制导线的延伸，测角误差将逐步累积，测角累积误差带来的横向偏差增长比起始方位角误差带来的偏差更加显著。由于盾构一次成形，如果发生方向偏差将导致不可逆的后果，无法像矿山法一样通过刷补修正，轻者引起调线调坡，导致使用标准降低，重则拆除重建，这样不仅引起巨大的工程损失和工期延误，而且由于结构完整性遭到破坏，为运营期间结构变形埋下了隐患，因此，控制横向偏差是盾构施工测量的关键。本文从联系测量方法分析比较、地下控制测量注意事项、盾构掘进轴线偏差控制等方面，对地铁盾构测量控制措施进行了总结概括，希望对类似工程提供有益的参考。

一、盾构贯通施工测量概述

地下工程测量是一项持续性工作，需落实到勘察设计、施工建设、运营等阶段。经地下工程测量后，应及时反馈线状工程的实际状况，根据所得结果采取调整措施，及时纠偏，保证可顺利贯通。盾构法因具有技术可靠性和施工便捷性的特点而取得广泛的应用，盾构期间做好测量工作具有显著现实意义，能够作为反映盾构施工状况的“窗口”，在此基础上合理组织后续的盾构作业，直至盾构贯通为止。根据盾构法工程的施工特点，测量工作应重点考虑如下几方面：创建平面控制网和高程控制网；明确地面的坐标、方向及高程，将其有序传递至地下，由此构建完整的地下坐标系统；在前述基础上，做好地下平面和高程的测量与控制工作；组织测量放样，作为开挖和衬砌的参照基准，保证开挖量的合理性以及衬砌结构的准确性。根据上述所提的要点，详细部署测量工作包括：经测量后，在地下标定建筑物的控制基准线，包含设计中心线和高程，作为参照基准而使用，以便后续的开挖和衬砌作业均可高效推进；开挖面掘进施工期间，根据要求使施工中线顺利贯通，应确保实际开挖范围稳定在设定的界限以内；按图纸将设备安装到位；采集并完整记录测量数据，汇总成测量资料，交给设计部门和管理部门，为相关部门日常工作的开展提供参考。盾构施工测量具有指导作用，应保证盾构机沿设计轴线方向稳定运行，同时生成的测量数据应作为盾构机调整姿态的参考。根据实际情况修正参数，并且测量数据还需反映出衬砌环的安装质量。

二、高铁精密工程测量技术与应用

（一）控制网的建立

在整体贯通，围岩、仰拱及二次衬砌变形稳定后，采用交叉导线控制网形式建立万安、兴国洞内CPII导线二等控制网，以满足CPII轨道控制网起闭精度要求。为提高控制网的精度，综合考虑垂线偏差、大气折光和实际贯通误差对CPII导线网的测量和平差影响，主要采取了以下技术措施：首先，在洞外CPII控制点的基础上重新布设与洞口基本等高的加密点，并保证后视点边长大于500m以上，有效削弱垂线偏差的影响；其次，两座均为曲线，在保证导线边长的情况下，视线距离侧壁往往较近，水平角度、距离观测精度受到旁折光影响不可忽视。为了减弱旁折光的影响，采取在曲线整体规划布点位置，确保曲线内侧的控制点间的视线远离侧壁在1.5m以上，在半径较小段落采用将控制点设置在中间的排水沟顶等措施，有效削弱了旁折光对测距、测角精度的影响，确保了控制网成果的可靠性；此外，CPII控制网所控制的中线一般与施工导线网确定的中线存在一定差异，为了使得贯通CPII导线网确定的中线与实际贯通后的中线尽量保持一致，CPII网测量时，将CPII网与洞内施工导线点进行联测，通过制定专项CPII网平差方案，将满足CPII网精度的洞内施工导线点作为坐标约束点参与CPII导线网整网约束平差，在满足CPII轨道控制网起闭精度要求的前提下，最大限度的保证了CPII控制网和贯通中线位置的一致性，即确保了CPII控制网精度满足洞内无砟轨道铺设平顺性的要求，也避免了轨道结构侵入建筑限界，造成工程返工。

（二）联系测量误差控制措施

联系测量是城市轨道交通控制测量的关键环节，是实现地下工程贯通控制的关键和核心。平面联系测量是将地面的平面坐标系统传递到地下，使地上、地下坐标系统相一致的测量工作。平面联系测量包括一井定向、两井定向、导线直接传递测量、投点定向测量、陀螺仪定向等。联系测量前，应收集竖井设计资料及竖井控制测量成果，根据竖井几何形状及通过竖井向两侧开挖正洞的长度，对竖井联系测量方案进行优化设计，方案比选时，应以满足精度要求、经济、高效安全为主要指标。下面以石家庄市地铁 2 号线一期工程施工07 标蓝天圣木站－ 运河桥站盾构法区间为例，说明联系测量技术措施。该盾构法区间长度约1300m，盾构自运河桥站始发，由于场地所限，运河桥站分段开挖，前期车站竖井口较小（两井定向钢丝间距最长约35m、一井定向钢丝间距约11m），为保证测量质量，选用不同联系测量方法分析测量效果。

（三）盾构掘进轴线偏差测量控制技术措施

盾构掘进轴线偏差测量控制，主要通过盾构机导向系统、人工测量盾构机姿态及成型管片姿态综合控制，主要测量措施如下：1）盾构始发前，应检查始发架及反力架安装位置和安装稳定性，确保其安装位置、安装稳定性满足设计和规范要求。2）施工前，应反复核查盾构设计中心、盾构机参数等，确保所有设计值符合设计和规范要求，盾构机参数设置准确。3）为有效降低掘进线路轴线偏差，提高掘进轴线控制精度，应提前确定轴线偏差控制值，并结合以往施工经验和现场工况，制定具有针对性和实践性的应急预案；同时，在掘进施工期间，实时监测轴线偏差情况，严格将偏差控制在允许值以内。4） 采用盾构自动导向系统，在盾构机掘进施工过程中，系统可实时监测开掘轴线与设计轴线偏差，同时，还具有远程测量监控功能，可实现盾构机掘进姿态数据的实时监测。5）轴线偏差过大时，应根据轴线偏差情况、偏差大小、现场工况等，制定行之有效的纠偏方案；纠偏应秉承“多次少量，勤测勤纠”的纠偏原则，避免单次纠偏幅度过大，造成错台过大。

（四）各级控制网的复测和维护

高速铁路工程测量贯穿了勘察设计、线下工程施工、线上无砟轨道施工、竣工验收测量、后期运营维护等各个阶段，建设和使用周期长，在此期间控制网标石损毁不可避免，严重影响到控制网的完整性、稳定性、可靠性。高铁实施过程中严格按照高铁测量要求的“三网合一”体系开展工作，对破坏点、不稳定点及时进行补设、移设，并按照与原测相同的测量等级和标准进行补测，采用同精度扩展的方法、以补桩点周边同级的控制点作为起算，按照拟稳平差或约束平差的方法，获得补设点的坐标，这样既保证了补设点与原测网之间相对精度满足原网一致的精度要求，又使控制网整体性、一致性得到了及时恢复。通过各阶段控制网的复测维护工作，实现了勘测设计控制网、工程施工控制网、运营维护控制网坐标高程系统统一、起算基准统一和测量精度的协调统一。

（五）盾构掘进轴线偏差测量控制措施

对于长及曲线施工来讲，确保盾构机能正确地沿着设计轴线进行推进和贯通是最关键的问题。盾构掘进过程中要严格控制中心与设计中线的偏差量，通常，盾构掘进轴线平面及高程允许偏差为±50mm，超过±50mm应启动预警机制，超过±100mm应停工并制定专项掘进方案。为保证盾构的准确掘进，主要通过盾构机导向系统、人工测量盾构机姿态及人工测量成型管片姿态三方面进行控制，具体包括以下测量措施：（1）盾构始发前，始发架及反力架安装需稳定，且安装位置符合设计要求。盾构机始发容易出现栽头现象，可结合地质及施工条件适当抬高盾构始发基座。根据经验，盾构始发基座安放时头部可高于原设计轴线坡度2‰的倾角向上进行安放，盾构机前端中心高于中心 20mm左右。（2）应对盾构设计中心等设计值及盾构机参数进行多级复核，确保准确无误，尤其注意曲线段中心线与设计线路中心线的区别。（3）盾构掘进过程中，严格控制盾构掘进轴线偏差，确定轴线偏差控制值，建立预警机制。（4）采用盾构自动导向系统，该系统能够实时地提供盾构轴线与设计轴线的偏差，同时建立远程测量监控系统，实时监测盾构机主机前进的姿态数据。（5）为保证管片拼装姿态，应采用人工测量的方法及时对拼装后的管片进行测量检核，并定期对盾构机导向系统及其显示的盾构机姿态数据进行人工检核校正，并将人工复核结果定期上传测量监督平台。（6）出现轴线偏差过大需要进行轴线纠偏时，应制定专业纠偏方案，做到勤测勤纠，每次纠偏量尽量小，避免错台过大。纠偏过程中，每环管片在脱出盾尾后及时人工复测，确保盾构机导向系统数据真实可靠。

（六）“三网合一”测量体系的应用

高速铁路在勘察设计、结构施工、运营维护的各个阶段，均采用控制网进行结构物的坐标点位放样，因此必须保证各阶段控制网放样点位的一致性。如果勘察设计、线下工程施工和线上无砟轨道施工采用的坐标系统不统一，将会造成线下工程线位偏离设计位置，甚至造成净空限界不足，无法满足线上无砟轨道施工要求。为高质量、高效率服务于工程建设的各个阶段，高速铁路加密工程测量要求勘测设计控制网、工程施工控制网、运营维护控制网的坐标高程系统统一、起算基准统一和测量精度的协调统一，即“三网合一”。

三、结语

近年来，随着高速铁路在铁路客运系统的普及应用，百年来一直沿用至今的传统铁路工程测控技术，逐渐表现出与现代铁路客运系统不相适应的特点。为了提高国内铁路系统发展水平，我国不断学习国内外高速铁路先进测控技术，目前已掌握了高速铁路精密工程测量技术，为适合本国国情的高铁精密工程测量模式的成形打下了坚实的基础。高铁精密工程测量技术在我国的应用，为国内高铁工程的测控提供了精确的技术指标，为我国建设世界一流的高速铁路提供了技术支撑，为高速铁路的安全运行提供了保障。