地铁盾构长大隧道测量施工技术研究

刘 宏

（中铁十九局集团轨道交通工程公司 北京 101300）

1 工程概况

广州市轨道交通22号线一分部五工区（祈福站－中间风井－广州南站）盾构区间，采用盾构法进行施工。正线两侧各设置11条废水联络通道，其中4＃废水联络通道两侧兼设正线区间废水通道和泵房。正线区间废水通道分为两段，第一段废水通道为风井小里程车站始发段，祈福通道为车站小里程接收。区间左线隧道长4 040.184 m，右线隧道长4 046.421 m，隧道设计埋深11.3～26.9 m。正线左、右线分别设置2处隧道平行斜曲线，曲线两侧隧道半径分别为4 000 m、1 800 m。左线路纵坡分别设计为3个隧道倾斜坡度，坡度分别设计为2‰、13‰、6.9‰；右线路纵坡也分别设计为3个坡度，分别为 2‰、13.7‰、6.9‰。

2 工程施工难点分析

目前，国内外地铁盾构隧道施工传统贯通测量距离大多在2 km以内，隧道正线平面曲线半径通常情况下在300～3 000 m。广州市轨道交通二十二号线一分部五工区（祈福站－中间风井－广州南站）盾构区间，全线采用速度160 km/h等级市域列车，远高于常规地铁线路，在车辆参数、技术标准等方面均为全新设计。而在中间风井－祈福站盾构区间为单向4.04 km、半径8.8 m断面隧道，属于长距离、大半径地铁盾构隧道施工。现有测量规范还没有地铁盾构隧道长度大于2 km、曲线半径大于3 000 m相关的贯通误差及技术规范说明，查阅相关资料也无可供参考的现有案例。

为保证盾构隧道能顺利贯通，在此盾构隧道区间施工中，创新运用长大隧道打孔定向、陀螺仪定向以及地表深层监测辅助等地铁隧道施工测量技术。在4.04 km长距离、4 000 m大曲线半径隧道中实践应用，达到较高施工测量精度，安全系数高，不但提高施工功效，节约成本、工期，而且确保盾构隧道如期顺利贯通，减小了贯通误差、提高了隧道测量精度。

3 技术构想及工艺流程

3.1 技术构想

（1）长大隧道打孔定向测量技术

广州市轨道交通22号线一分部五工区中间风井－祈福站盾构区间，隧道长度为4.04 km，属长大隧道。正线设置11条联络通道，其中从5＃联络通道处打孔垂入1根钢丝，组成新的两井定向进行导线联测。5＃联络通道钻孔位置距离始发井1 510.541 m，满足距离小于2 km的要求；联络通道上方为兴业大道，地面空旷，地质条件良好，可以进行打孔作业。

（2）陀螺仪定向测量施工技术

祈福站－中间风井－广州南站盾构区间，每800 m需进行一次陀螺仪定向，共计16次。在施工过程中，对左、右线分别进行定向，控制导线测量方向的误差积累，校正导线测量角粗差，实现长距离盾构隧道的定向。应用陀螺定向测量技术，就能确定最佳位置，并尽量降低贯通的误差［1－3］。

（3）地表深层监测施工技术

中间风井－祈福站区间长距离下穿1 200 m密集建筑群和高压燃气管线期间，将地表监测点替换为深孔监测点来判断地层延迟沉降。最深点打至地表以下8 m，完全进入盾构机掌子面上方的岩层中。地层沉降还没有反映到地面和房屋时，已通过日常监测数据分析出来，从而采取对应的应急处理措施。通过对施工区域建筑物及管线布设情况进行分析，选择合理位置进行监测点布设，布设至开挖面上部黏土层或全风化岩层，通过地质沉降的滞后性，可超前预测建筑物及管线的沉降情况，确保施工及地表建筑物安全。

3.2 施工工艺流程

工艺流程见图1。

图1 施工工艺流程

4 施工方案

4.1 长大隧道打孔定向测量技术

4.1.1 钻孔施工

（1）选择施工经验丰富的施工队伍，确保孔位的垂直度。

（2）根据打设点位的地理位置，提前进行围挡封闭，合理先择施工作业时间，避免扰民。

（3）材料准备充分，避免因为材料短缺导致不连续施工。

（4）根据优化后的方案进行准确放样定位。

（5）根据地质条件情况进行钻孔施工，并注浆封堵，见图2。

图2 联络通道成孔过程

4.1.2 地面控制点测量

通过布置加密导线，控制点在始发处两端井位置布强制对中观测墩点号分别为JJD1、JJD2，再在5号联络通道投点位置加密JD4。起算点检核无误后，以 JM2、JM3、XXIIJ082、XXIIJ083 为起算边，经D2、JJD1、JJD2、JD3、JD4 组成附合导线［4］。角度观测四测回，距离观测两测回。内业人员使用南方平差易软件对数据进行平差分析计算，精度完全符合规范标准要求（见图3）。

图3 平面导线示意

4.1.3 洞内控制点测量

利用控制线和导线在出入洞中进行测量，分别在左、右线隧道布置控制导线和管网。在连接线路中线两侧平移一定高度的管底部两侧设置普通管的导线和点，在连接管道两端拱顶的腰部两侧安装带有牵制中心的托架，对中托架两端设置完全强制的普通导线的线和点，将其组合布置后形成数个相互交叉但没有连接的完全闭合普通导线点和环，确保在不超过八条边的情况下，导线点和环不能进行完全封闭。隧道内控制导线布置见图4。

图4 洞内控制导线布置

4.1.4 两井定向测量

（1）测量方法

两井定向法是在井上吊两根钢丝，分别为GS1、GS2；用地面近井点分别测取距离、角度计算坐标；分别在底板布设两条基线边，导线点JX、Y19、ZY3、ZY1组成无定向导线网进行严密平差并作为测量导线点。必要时在端头井再增加一根钢丝，作为两条基线边进行相互校核［5－7］。两井定向联系测量见图5。

图5 地下导线网布设

图中GS1、GS2为两端端头井口吊下的钢丝，ZY3、ZY1为复核基线边，JX、Y19为控制基线边。

（2）两井定向控制

两次独立定向后进行三组最终测量数据互相校核，每组最终测量数据分别计算三次基线井闭合点的坐标，误差需满足定向测量规范的要求，最后计算取三次的基线井平均值作为该次的定向最终独立测量成果［8］。对角度值观测应尽量采用i级全站仪，观测四测回，各测回间的观测角度值相差应不超过±6″。

（3）钻孔后两井定向测量

中间点采用导线点闭合环联测形成无定向导线，用地面近井点分别测取距离、角度计算坐标，无定向导线网进行严密平差作为测量导线基线点。两井定向联系测量见图6。

图6 定向联系测量

4.2 陀螺仪悬带零位观测

悬带零位指的是陀螺电机在不转动时，由于悬挂带和导流丝扭力双重作用使扭力矩为零。开始和结束观测都要进行零位观测，对应前、后零位的观测［9］。测定零位时，首先要把经纬仪整平和固定照准部，然后观测目镜，读出3个连续读数。

4.2.1 粗略定向

陀螺仪用罗盘可以达到粗定向目的；在未知边的地方定向，而仪器自身又没有粗定向罗盘，可以利用自身功能实现。

4.2.2 精密定向

精密定向采用逆转点法［10］进行。重置仪器后用一个测回测出方向值使仪器对向北方；锁住陀螺摆动控制系统，启动陀螺运转电机，在运转达到一定转速后即可进行粗略定向；制动陀螺并托起锁紧，将望远镜对准大体北方位置，固定微动器螺旋在中间位置；打开陀螺灯，下放自动陀螺仪灵敏部，开始前悬零位观测；零位观测完毕后托起、锁住灵敏部，开动陀螺电机，达到一定转速后，缓慢下放陀螺灵敏部至半空，稍停后再全放下。

4.2.3 其他操作要点

（1）采用轨道交通独有的对向观测能够大幅提高定向精度。

（2）合理确定陀螺边长度、间隔与位置能够提高贯通精度。

（3）避免由于计算错误、点位不清等引起的粗差。

4.3 地表深层监测施工技术

盾构法隧道施工过程中，地面监测点常规布设原则为每5 m设隧道中心线监测点、每10 m设一个小断面（6个监测点）、每30 m设一个大断面（14个测点）。监测点钢筋布设深度为1.5 m，完全打进原状土。通过监测点钢筋的高程变化来判断地面的沉降数据。

地层沉降测量，需要将部分传统监测点替换为深层监测点，最深长度需要根据施工情况和区间岩层来确定，原则上需打至完全进入盾构机掌子面上方的全风化岩或者黏土层中，见图7。

图7 深层监测点孔内观测管

深层监测点内的观测管使用镀锌钢管，代替传统监测点内的钢筋，然后将观测管放入筒内，下放至打设好的监测孔内，见图8。

图8 镀锌钢管施工工艺

根据建筑物及管线情况选择点位，根据管线设计资料、物探资料，对风险较大的建筑物及管线进行分类列表。在下穿大面积建筑时，监测点位不设在主要街道上，应把建筑分割成若干个小建筑群区域；对于单独建筑物监测点布设在建筑物前方1.5D洞径距离位置［11－12］。

5 结束语

长大隧道打孔定向测量技术和陀螺仪定向测量施工技术，主要针对超过2 km的长距离隧道测量施工，大大提高了隧道贯通测量精度，对广州市轨道交通22号线一分部五工区祈福站－中间风井－广州南站盾构区间顺利贯通起到了重要的作用。而地表深层监测技术为长距离盾构穿越城市敏感建筑物的精细化控制提供了新的测量手段。三项技术具有良好的推广性及应用价值，对长大盾构隧道测量施工具有指导意义。