地铁长隧道一井定向方法的改进研究

孙士通，王永锋，杨彬

(杭州市勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310012)

1 引 言

隧道精准贯通是地铁施工的关键。目前国内常用联系测量方法有一井定向、两井定向及陀螺全站仪+铅垂仪组合定向的方法。关于提高贯通精度方面的研究，国内学者大都集中在如何提高洞内支导线传导精度，例如采用洞内双导线，洞内支导线加测陀螺边，洞内导线传导以自由设站的方式传导等，但鲜少提及如何提高盾构隧道始发边方位角的精准性和稳定性。保持始发边方位角的精准性和稳定性才是确保整个隧道贯通精度的关键。为此，本文基于一井定向和自由设站边角交会的原理，提出一井定向井下联系测量控制点采用任意设站布点方式的优化方法，结合杭州地铁14号线进行工程实例验证和精度分析，证明改进方法的可行性。

2 改进方法的基本思想

改进方法的基本思想是采用一井定向和自由设站相结合的方式。目的是确保地铁长隧道一井定向地下始发边方位角精度和稳定性，节约时间和经济成本，并确保地下始发边的稳定性和重复可利用性。通过悬吊2根钢丝，分别测设2根钢丝坐标及方位角，井下采用自由设站的布点方式，在车站侧墙、立柱等稳定、不受施工干扰的位置布设3对带有预埋件的控制点，在2根钢丝一端自由架设全站仪，通过2根钢丝的坐标和方位角，分别测设出3对控制点的坐标。最后采用多点后方交会的方法，向洞内传递支导线。如图1、图2所示。

图1 一井定向改进后网形示意图

图2 任意设站导线洞内传递网形示意图

2.1 一井定向传递坐标和方位角

井上采用常规一井定向的方式布网，可根据现场施工情况，悬吊2根或3根钢丝。为表现本方法的普适性，本文采用悬吊2根钢丝的方法。通过井上2个已知点A和B，测设出2根钢丝O1和O2的坐标及方位角。

2.2 自由设站法确定井下3对强制对中点坐标

以井下悬吊钢丝的端头井位置为中心，在车站侧墙，车站站台层立柱，隧道壁等适宜位置，成对埋设3对CPⅢ预埋件。如图1所示。井下所布设的3对预埋件，位置高度应适中，避免施工遮挡和破坏，要长久保留，并可最后移交给铺轨单位做CPⅢ控制网搭接等。在隧道端头井适宜位置点M架设全站仪，并将带有连接杆的棱镜插到预先埋设的CPⅢ预埋件中。按一井定向的井下测量方法和要求，分别测设钢丝O1、O2和待测点Q1～Q6的距离及角度。通过计算，获取Q1～Q6的坐标。需要说明的是，测站M点选择应恰当，距离钢丝及墙上控制点距离适中，不应太长或太短，保证与3对强制对中点都通视。

2.3 隧道内坐标传递

在地铁隧道端头井附近选择P点，测站P点选择应尽可能和隧道内第一个控制点N(布设强制对中点)通视且距离足够长，以保证方位精度。若现场条件可以，可将P点做成强制对中点，即可避免采用三联脚架的方法。控制点间视线距隧道壁或设施应大于 0.5 m，以避免旁折光影响，如图2所示。P点架设全站仪，通过观测Q1～Q6及N点的距离及角度，获取N点的坐标，然后向洞内依次进行导线传递。当隧道大于 1 500 m时，再结合陀螺仪对隧道内最后的导线边进行方位角检核或纠正，确保贯通精度。

后续往洞内传递的联系测量，即可每次以井下Q1～Q6点为起算点。每次使用前，注意检核内部6个点的稳定性，注意定期复测。

3 工程实例验证

以杭州地铁16号线某区间为例。区间全长 1 334 m，内含3个曲线，曲线半径最小为 350 m。采用常规一井定向方法做盾构推进基准，新方法作为实验数据。现通过实例分析，验证一井定向井下联系测量控制点采用任意设站布点方式的优越性。

3.1 改进方法测设的地下始发边方位角稳定性分析

采用常规一井定向方法，作为第三方测量单位，井上、井下共进行联系测量5次，因第1次联系测量场地有限，后续始发边改变。遂采用第2次至第5次联系测量始发边做对比分析。方位角历次观测数据如表1所示：

常规一井定向方法与新方法地下始发边方位角历次观测数据汇总 表1

结合施工单位沉降变形分析数据(图3)及3对控制点稳定性分析数据，可得出该区间车站沉降变形对地下控制点的影响较小，可忽略。故可知常规一井定向方法始发边方位角的不一致是由历次联系测量的测量误差引起。对比常规方法历次方位角差值最大为8.6″，估算 800 m推进距离坐标误差约为 33.4 mm。改进方法历次方位角最大差值为1.4″，估算 800 m推进距离坐标误差约为 5.4 mm。

图3 施工单位对始发边地下控制点沉降变形观测汇总图

综上所述，采用改进方法比常规一井定向方法更能保证始发边方位角的稳定性，对保证隧道贯通精度起到决定性作用。

3.2 改进方法测设的洞内尾部控制点贯通前、后的坐标较差分析

表2给出了改进方法和常规方法贯通前、后最后一次联系测量测设的隧道尾部点成果表。由表2可知，采用常规一井定向方法，由于始发端隧道洞口在曲线上，导致始发边较短。区间共测设导线12站。贯通后，Z11点相比贯通后成果X坐标较差-54.4 mm，Y坐标较差-24.8 mm。采用一井定向井下联系测量控制点采用任意设站布点方式，自由设站点架设到隧道内35环，共测设导线10站，比常规一井定向方法节省2站。定向边距离为 130 m，相对于常规方法，受场地影响，导线边距离 82 m。贯通后，由表2可知，Z11点相比贯通后成果X坐标较差-21.7 mm，Y坐标较差-11.1 mm。

两种方法贯通前后最后一次联系测量测设的隧道尾部点成果表 表2

3.3 改进方法贯通后测设的附和导线网精度对比分析

表3给出改进方法和常规方法贯通后附和导线网精度统计对比表。由表3可知，改进方法较常规方法在附和导线网整体精度上具有较高精度和较强优越性，完全满足《城市轨道交通测量规范》精度要求。

两种方法贯通后附和导线网精度统计对比表 表3

综合表2、表3可知，采用改进方法，测设的洞内导线点坐标更接近贯通后坐标，贯通后的附和导线精度更高。表明采用改进方法测设的地下始发边方位角具有较高的精准度，测设点坐标更接近真值，精度更可靠。

4 结 论

隧道精准贯通是地铁施工的关键。通过实例验证及精度分析，可得出以下结论：①改进方法地下段采用自由设站布点方式，消除了测设井下隧道起始边的对中误差，减少了施工对始发边控制点的影响，保证了起始边方位角的稳定性及精准度，确保了地铁长隧道贯通精度。②因井下3对点布设在二衬后的车站侧墙，车站站台层立柱，隧道壁等位置，点位稳定，不受施工干扰，可大大降低平面联系测量次数，只需内部6个控制点相互检核即可，无须频繁进行井上、井下联系测量，可极大提高效率。该方法不仅对地铁长隧道一井定向具有以上优点，其针对常规一井定向，两井定向及陀螺全站仪和铅垂仪(钢丝)组合法，同样具有明显优势。