盾构法地铁隧道施工测量误差控制技术措施和方法

徐秀川，段双全，张伟

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

1 引 言

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的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。基于以上优势，盾构法隧道施工目前被广泛应用于地铁建设中。

然而，盾构隧道也有其局限性，不同于矿山法暗挖、明挖或高架施工，盾构隧道是单向掘进，一方面，起始方位角误差造成的隧道横向偏差将随着隧道掘进长度的增加而同比例增长，另一方面，随着隧道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隧道横向偏差增长比起始方位角误差带来的偏差更加显著，由于盾构隧道一次成形，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，导致隧道使用标准降低，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，控制隧道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，对地铁盾构隧道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。

2 地铁盾构隧道施工测量误差分配

盾构法隧道工程施工是由一侧竖井出发，掘进至另一侧竖井，这就必然会在线路的纵、横、竖三个方向出现贯通误差，其中横向贯通误差对工程质量影响最大，控制的难度也最大，是隧道控制测量的重点工作。从地面及地下控制测量的设计到进洞测量的各项工作，都必须紧紧围绕如何保证贯通精度，特别是横向贯通精度。

盾构隧道横向贯通误差来源主要由地面控制测量误差、联系测量误差、地下控制测量误差、盾构姿态定位测量误差组成。为保证地铁盾构隧道顺利贯通，需对各横向误差项进行误差分配计算，根据误差传播定律，则有：

(1)

式中，mQ：隧道横向贯通中误差；mq1：地面平面控制测量横向中误差；mq2：联系测量中误差；mq3：地下控制测量中误差；mq4：盾构姿态定位测量中误差。

根据测量方法及以往地铁测量工作的实际经验，对于平面控制测量，地面上的测量条件较洞内要好，则地面控制测量的精度要求可高于联系测量和地下控制测量的精度要求，各种误差对横向贯通精度的影响，可采用不等精度分配原则，取值如下：

mq1=n，mq2=3n，mq3=3n，mq4=2n

代入式(1)，得：

根据《城市轨道交通工程测量规范》GB/T 50308-2017，总平面贯通测量中误差=±50 mm[1]。有：

计算得：n=±10.4 mm

从而求得：地面平面控制测量横向中误差mq1=±10.4 mm；联系测量中误差mq2= ±31.2 mm；地下控制测量中误差mq3= ±31.2 mm；盾构姿态定位测量中误差mq4=±20.8 mm。

3 地面控制测量误差控制措施

城市轨道交通线路控制网分两级布设[1]，一级为线路控制网，采用卫星定位测量方法，二级为线路加密控制网，即精密导线网。为提高地面控制测量精度，控制测量误差，可采取以下措施：

(1)作为起算控制点的卫星定位控制点，宜采用强制对中标志，减少仪器对中误差。

(2)卫星定位控制网必须由独立基线构成若干异步环以构成检核条件，提高网的可靠性。

(3)精密导线应布设成附合导线、闭合导线或结点导线网形式。

(4)附合导线的边数宜少于12条，相邻边的短边与长边比例不宜小于 1∶2，最短边长不宜小于 100 m，以控制测角误差。

(5)位于盾构区间的控制点使用较少，可适当加大控制点间距，减少控制点个数，提高导线精度[2]。

(6)相邻导线点间以及导线点与其相连的卫星定位控制点之间的垂直角不应大于30°，视线离障碍物的距离不应小于 1.5 m，以减少旁遮光影响。

(7)当前后视边长观测需要调焦时，宜采用同一方向正倒镜同时观测法，一个测回中不同方向可不考虑2C较差要求。

(8)应根据要求对边长进行改正，包括气象改正，仪器加、乘常数改正，高程归化和投影改化改正。

4 联系测量误差控制措施

联系测量是城市轨道交通隧道控制测量的关键环节，是实现地下隧道工程贯通控制的关键和核心[3]。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 1 300 m，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 35 m、一井定向钢丝间距约 11 m)，为保证测量质量，选用不同联系测量方法分析测量效果。

在施工中，第三方测量单位、施工单位及施工总承包单位分别使用两井定向、一井定向、导线直接传递测量三种方式进行联系测量，指导盾构始发及掘进，除洞口附近控制点外，均使用相同的洞内控制点。隧道掘进至约 800 m时，采用陀螺定向方法对靠近掘进面的控制边进行方位测量，通过比较不同联系测量方法测量的同一控制点(LYY7)的坐标值及同一边(LYY6-LYY7)的方位角，对各种联系测量结果进行对比分析。结果如表1、表2所示。

方位角对比表 表1

控制点成果对比表 表2

由表1可知：对于同一条控制边(LYY6-LYY7)，三家单位测量采用一井定向、导线直接传递测量测得的方位角基本一致，且与陀螺定向方法确定的坐标方位角吻合，且各家单位测量的结果集中性比较高，稳定性较好。而通过两井定向测量的方位角，坐标方位角相差较大(最大较差18″)，离散性高，稳定性较差。

由表2可知：三家单位一井定向、导线直接传递测量的LYY7点坐标基本一致(较差 10 mm内)，而两井定向测量的LYY7点坐标较差较大，稳定性差(最大较差△Y=44 mm)，根据《城市轨道交通工程测量规范》GB/T 50308-2017规定，重合点重复测量坐标分量较差应小于30×d/D(mm)，其中d为控制导线长度，此处d=800 m，D为贯通距离，此处D=1 300 m，计算解得坐标分量较差限差=30×800/1300=18.5 mm，因此，两井定向测量的LYY7(距始发竖井约 800 m)Y坐标分量较差=30 mm>此处限差 18.5 mm，成果超限。究其原因，对于两井定向(图1)，钢丝间距是影响两井定向方向误差的主要因素，钢丝间距越大，点位(投点)误差引起的方向误差越小，反之，较短的钢丝间距可能引起比较大的方向误差，导致测量精度的降低。根据理论计算及实际经验总结，采用两井定向进行联系测量时，钢丝间距宜不小于 60 m，本案例，钢丝间距 35 m，两井定向精度不可靠。

图1 两井定向示意图

根据以上工程实例得出：对于地铁盾构隧道，应针对不同的测量条件，选择合理的联系测量方法。一般情况下，两井定向的精度较高，且占用井筒时间较少，因此条件允许时(通常钢丝间距大于 60 m)应优先选择两井定向，对于地铁盾构工程，两井定向适用的情形有：分数段开挖的区间隧道，其中一段已贯通，可在贯通隧道进行；盾构法区间端头的车站，一端设盾构吊入井，另一端设出土井，可在车站内进行。

一井定向(联系三角形定向)可实现单竖井定向(钢丝间距宜不小于 5 m)，严格遵守联系三角形测量要求[1]，可获得比较可靠的定向精度，所以应用比较普遍。但操作相对烦琐，容易受风力、机械振动等外力因素影响，作业时间长且容易出错，不可指导过长的隧道掘进。

导线直接传递定向工作量较小、测量效率高，且精确度有保证，适用于井口大、深度浅等目标的测量[4]，但要注意克服俯仰角较大(宜不大于30°)的影响。此外，地下近井点测量时，应注意减少洞内外温差、空气对向流动对定向结果的影响。

《城市轨道交通工程测量规范》GB/T 50308-2017规定[1]，隧道单向贯通距离大于 1 500 m时，应在隧道每掘进 1 000处，通过钻孔投测坐标点或加测陀螺方位角等方法提高控制网精度。考虑到盾构隧道区间投点困难，应采用陀螺仪定向方法对地下方位角进行检核。陀螺定向较导线测量相比，不会随着距离的增大而累计误差，适用于长距离掘进隧道。陀螺经纬仪作业时，必须注意避开振动、极端温度和强电磁场的影响。

5 地下控制测量误差控制措施

地下导线为支导线，指导盾构掘进方向，对精度要求很高，可通过以下措施提高地下控制测量精度：

(1)盾构隧道掘进过程中，基于使用方便、利于保护、稳定可靠原则，建议控制点布设在管片结构侧壁上，埋设强制归心仪器观测装置，如图2所示。

图2 侧壁强制归心仪器观测装置

(2)为避免旁折光测角精度的影响，应保证视线距隧道壁不小于 0.5 m。

(3)为减小对中误差，在单向贯通距离较长的盾构隧道内建议采用三联脚架法进行观测。

(4)隧道内由于施工导致粉尘、烟雾较多时，可采取鼓风机等手段，提高隧道内测量条件。

(5)为保证隧道准确贯通，隧道贯通前(距贯通面约 100 m处)应重点做好以下工作：①覆盖始发端与接收端的地面控制网复测；②联系测量及地下控制点测量；③盾构接收钢环安装复核，保证掘进面与接收端相对关系的稳定性。如图3所示。

图3 盾构隧道贯通前测量示意图

(6)单向掘进长度大于1 km的盾构隧道，建议在洞内布设双导线，形成多边形闭合环，每个闭合环一般由4～6条边构成。

(7)施工控制导线随隧道掘进而延伸，地下导线尽量按等边直伸布设，直线段平均边长 150 m，曲线段边长不宜小于60m，且尽量埋设在曲线要素点上[5]。

6 盾构隧道掘进轴线偏差测量控制措施

对于长隧道及曲线隧道施工来讲，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[6]。盾构掘进过程中要严格控制隧道中心与设计中线的偏差量，通常，盾构掘进隧道轴线平面及高程允许偏差为 ±50 mm，超过 ±50 mm应启动预警机制，超过 ±100 mm应停工并制定专项掘进方案。为保证盾构隧道的准确掘进，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隧道中心 20 mm左右。

(2)应对盾构隧道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，尤其注意曲线段隧道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隧道设计轴线的偏差[7]，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)出现隧道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。

7 结 语

盾构法隧道施工具有效率高、成本低、安全可靠等优势，广泛应用于地铁建设中，但其单向掘进，一次成型，结果不可逆，对测量控制要求较高。在平面控制测量、联系测量、地下控制测量等各个环节对测量误差进行控制，通过盾构导向系统、人工复核盾构姿态及成型管片姿态等措施严格控制隧道掘进中的轴线偏差[8]，保证盾构隧道按设计位置敷设，是城市轨道交通工程测量的主要目标。本文结合多年现场经验，对盾构隧道施工控制测量控制措施进行了总结，希望对类似工程提供有益的参考。