盾构隧道贯通接收前的控制测量复核

刘文玑

（中交四航局第一工程有限公司，广州 510310）

1 引言

厦门地铁2 号线项目，首级控制点为GPS 点，相邻的已知控制点之间，网内精度合格，满足规范要求，但是作为精密导线起始边，仍存在较大真实值的偏差。东孚车辆段出入段线区间起点位于马銮湾片区，原地面多为鱼塘、河涌等软基回填地貌，且处于综合施工区域，片区周围的首级控制点、近井测量控制点出现被破坏的情况较多，导致洞门施工和盾构区间施工控制基线不一致，严重影响洞内控制测量起始边的引测和控制测量一贯性，使贯通精度存在不确定性。所以，如何通过测量控制复测工作，减小洞内导线与地面导线的偏差，降低接收端施工控制测量与盾构施工测量基线不一致及其他误差的影响，保证盾构机顺利接收，符合贯通限差要求，是本文讨论的目的。

2 盾构隧道施工贯通误差来源及限差

结合盾构施工的特点，贯通误差主要受地面控制测量、联系测量、隧道内控制测量（洞内控制导线测量、导向系统吊篮测站、后视误差和盾构姿态测量误差）3 项测量误差影响。在现有高精度仪器和成熟工法应用中，高程贯通测量精度比较容易达到目的。横向贯通精度受影响因素较多，以地铁横向贯通误差为例，在上述各环节横向贯通中，误差的一般分配原则分别为±25 mm、±25 mm、±35 mm，总横向贯通中误差为±50 mm[1]。也有工程根据各个环节中误差控制的实际情况按1∶1∶2 的比例分配，无论怎样分配，总的贯通误差控制应满足GB 50446—2017《盾构法隧道施工及验收规范》的限差要求，具体如表1 所示。

表1 隧道贯通测量限差

3 地面控制测量复核

地面控制测量误差主要来源于仪器误差、人为观测误差及环境影响误差。进入接收准备阶段，地面控制测量复核，采用了符合导线测量与闭合导线测量两种方式进行比较。

符合导线测量复核线路，由始发井侧地面导线点向区间终点侧首级控制网已知点引测，将接收端的近井控制点当作未知点进行平差计算。

1）观测后，对比已知点坐标值反算的理论距离，与实际全站仪观测距离对比，起始边（J2-106）距离对比差值为0.005 m，结束边距离对比差值为（109～110）0.016 m；经平差计算，在各项观测数据满足规范要求时，网内最小未知点点位中误差0.015 m，最大未知点点位中误差0.019 m。

2）考虑控制网已知点为首级网的GPS 控制点，而盾构接收时，洞内导线控制测量、洞门钢环观测及接收托架定位均采用全站仪，按精密导线等级引测控制基线，两者之间观测形式和平差方式不一样。因此，对全站仪观测边长作了高斯投影改正，以修正不同投影面下的测量成果误差。出入场线区间坐标系统采用92 厦门城市坐标系统，投影轴子午线为118°30′。经高斯投影修正后，符合导线平差精度如下：累计坐标值闭合差fx=-0.029 m，fy=0.037 m，点位累积误差fd=0.048 m，相对误差K=1/90 876。从平差结果对比分析，经高斯投影长改正后，相对闭合差精度有较大提升，但点位距离累积偏差值仅相差0.002 m。可见此方法并不能有效解决点位累积误差过大的问题（fd=0.048 m），从而提高贯通精度。

盾构接收井及洞门为明挖法施工段，指导施工的原近井测量控制点，在后续施工中均被破坏或遮挡，无法使用。本次接收洞门钢环复核的控制点使用闭合导线观测方式引测至接收井附近的加密控制点（CD3、CD2、CD1），保证地面控制测量的坐标系一致。接收端洞门钢环复核时，沿钢环边缘均匀分布测点，采集数据后进行拟合圆计算，得出拟合圆心坐标及高程，再投影到设计线路上，定出符合贯通限差要求和接收割线与接收托架定位轴线，指导盾构机出洞姿态调整。

闭合导线观测线路，由始发井端地面导线点（IIGDG106、J2、DM2）为始，引测至接收井附近加密控制点（CD3-CD2-CD1）后，返测回起算边，经平差计算，各项精度指标满足精密导线测量要求。采用闭合导线方式平差计算，最小未知点点位中误差0.005 m，最大未知点点位中误差0.010 m，点位累积误差fd=0.017 m。以中误差和累积误差为精度指标分析，在控制网首级点被破坏，近井点不能沿用的情况下，采用闭合导线网形观测平差得出近井控制点坐标值，更具备指导洞门钢环观测和接收托架放样的效用。

4 联系测量复核

地面近井点测量，基点采用始发井端地面导线点（IIGDG106、J2、DM2），进行单三角平差校核后，再观测悬挂的钢丝投点，保证了地面与隧道内控制测量起始坐标系一致性，可有效提高贯通精度。井下导线起始边联系测量，通过盾构始发井和后配套场地预留出渣孔，采用两井定向[2]，以无定向导线形式观测平差。两井定向是地铁隧道工程定向测量常用的定向方法，具有外业测量简单、占用施工场地时间短的优点，现场观测工作不易受施工影响而导致观测中断或钢丝出现摆动，导致观测成果误差超限。两井定向可以发挥场地的最大优势，最大化增加两根投点吊锤线的距离，因此减小了投点误差引起的方向误差，有利于提高地下控制网起算方向的精度。导线计算结果：起始边长度87.125 m，fx=-0.001 m，fy=0.001 m，fd=0.001 m，与上一次起算边测量方位角差为3″，符合精度要求。根据现行国家标准GB/T 50308—2017《城市轨道交通工程测量规范》规定，并结合各地盾构隧道的测量经验，当各次联系测量定向的地下起始边方位角较差小于12″时，可有效保证隧道的贯通[3]。

5 隧道内控制测量复核

5.1 盾构机姿态、吊篮坐标高程复核

盾构机自动导向系统优点主要是实时测出盾构掘进的姿态，从而指导盾构司机控制盾构掘进。但施工中存在各种干扰和震动，一旦出现硬件故障（传感器失准），或被撞击、强烈震动及机体变形导致测量激光靶偏离始发时设定的TBM 坐标和起始参考角度，就会出现错误导向。而且这类错误具有一定的隐蔽性，只有通过人工进行盾构零位特征点测量计算、连续管片姿态复核对比才能确认。

为了控制盾构机自动导向系统的精度，确保隧道的准确贯通，需定期利用洞内的控制导线校核和调整全站仪吊篮强制对中的坐标，以及人工测定盾构机的位置与导向系统显示的盾构机的位置是否一致。

盾构人工复核姿态采用人工棱镜法，测定盾构机内设定始发零位的特征（参考点）。只要测出特征点中的任意3 个点的实际三维坐标，即可计算出盾构机的姿态。因为对于以盾构机轴线为坐标系的局部坐标来说，无论盾构机如何旋转和倾斜，这些参考点与盾构机的盾首中心和盾尾中心的相对位置和空间距离是不会变的，它们始终保持一定的值，这些值可以从它的局部坐标计算出来。

借助力信导向软件RMS-office 计算工具，将在同一测量条件下采集的特征点三维坐标、盾构机铰接油缸安装角度及铰接伸长量进行TBM 坐标换算。虽然原理上特征点在盾体上分布得越均匀，越能精确反映盾构机姿态，但对于特征点相对空间位置误差任意一项大于2 mm 的数据，都不应用于计算，此类误差过大的特征点会使TBM 坐标系解算产生错误拟合值，导致盾构机姿态与实际情况不符。

出入场左线在掘进至距贯通剩余50 环时（1.2 m/ 环），利用已复核过的洞内导线控制点，再次进行了盾构机姿态、吊篮坐标高程校核工作，同时，通过对比盾构机导向系统实时姿态和人工复核姿态，两者最大误差小于10 mm，成果可用。

5.2 洞内导线控制测量复核

盾构法施工中，横向误差是制约盾构隧道贯通的主要因素，按等边直伸形导线估算，单导线其最远点横向误差Mg可用式（1）计算：

式中，ma为测角中误差；ρ 为常量，rad（1 rad=206 265″）；L 为支导线长度；n 为支导线边数。

根据式（1），按边长平均150 m，测角中误差为2.5″计算，计算出地下控制导线任意一点的横向误差。不同支导线长度和支导线边数与横向误差对照图如图1 所示。

图1 支导线长度和支导线边数与横向误差对照图

出入场左线盾构区间隧道长度约849 m，导线控制边7条，理论横向贯通误差应在±17.2～±25.9 mm。经贯通测量复核后，得到的横向贯通误差为-18.8 mm。由此可见，出入场左线盾构区间隧道采用的单导线控制点延伸至接收前最后一站，满足贯通精度控制要求。

6 结语

东孚车辆段出入段线区间左线盾构机出洞接收过程中，刀盘到达洞门钢环位置时，与接收洞门钢环距离间隙均匀；导向系统显示与盾构机实际姿态，与预设的接收托架轴线重合度高。由此得出以下推论。

1）盾构区间施工过程中，应尽量保证控制测量起算边和近井点的稳定。在首级控制网导线点、接收端近井点无法避免被破坏的情况时，采用闭合导线形式，重新测设加密接收端近井控制点，闭合至始发井地面控制测量和联系测量地面起算边，在观测成果各项误差值小于规范限差的前提下，可以保证盾构机的顺利接收。

2）保持地面控制测量起算边与联系测量地面起算边的一致性，有利于进行联系测量成果精度校核和提高横向贯通精度。

3）洞内导线测量，受观测环境影响极大，出现极限边长（最小边长要求）的情况较多，除了采用测量中误差作为检验标准外，在距离较长的盾构区间（＞1 500 m），还应按规范要求采用其他检测方法进行复核，如陀螺仪定边测量复核、增加竖井（孔）投点、两井定向等。东孚车辆段出入段线盾构区间长度较短，所以未做重点分析。

4）在盾构区间施工中，联系测量和盾构机姿态人工复核，是贯通接收工作的复核重点。联系测量也是贯通误差的主要来源，在后续的盾构施工中，如何根据现场施工条件，采取适用的控制测量传递方式，提高联系测量精度，仍需在工作中继续研究分析。