曲线顶管测量方案.doc

西藏路电力隧道工程（1～3号井）

曲
线
顶
管
测
量
方
案

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上海城建集团西藏路电力隧道项目部
二○○六年七月
1、工程概况
西藏路（新疆路～复兴中路）电力隧道工程是为缓解上海市区用电紧张局面，造福社会的民心工程，本工程北起西藏北路、新疆路，沿西藏路向南延伸至复兴路，全长3.033m，隧道内径2700m，采用机械式顶管施工工艺。
由城建集团市政一公司承建的1～3井全长622.3m，沿途设1号、3号两座工作井，隧道须穿越在建中M2线地铁站设备层，1#～M2段区间隧道长166.2m，隧道中心标高-7.632m～-10.250m，高差2.618m，设计坡度15.749‰，该区间轴线由两段R=600m单曲线和三段直线组成。

图1：1#～M2段区间平面示意图

3#～M2段区间隧道长456.1m，隧道中心标高-15.606m～-10.250m，高差5.356m，前255.685m设计坡度3.739‰，高差0.956m；后段200m设计坡度22‰，高差4.4m。在穿越苏州和北侧驳岸时轴线程R=2000竖曲线，该区间隧道平面轴线两段R=500，一段R=300共三段曲线和四段直线组成。隧道穿越M8线曲阜路站人行过街通道、Φ2000污水管，苏州河、四行仓库……，尤其是在穿越苏州河时，须以空间曲线姿态从西藏路桥桩机及Φ2000合流污水管之间越过，该段隧道施工难度大。

图2：3#～M2段区间平面示意图
2.施工前的准备工作
2.1 地面轴线放样
根据设计单位对顶管轴线的参数，在Atuocad 软件上进行绘图，然后把每节管节绘在上面，对每一节管节的坐标以及每节管节偏差都能统计出来。施工现场配置一台电脑，在顶管施工时根据实测的每节管节坐标与设计轴线每节管节坐标比较，就在现场立即把轴线偏差数据及时报告作业班长，及时纠偏。
根据轴线坐标在地面上对顶管轴线进行放样，每隔15m左右在地面上放样，特别是ZY点、QZ点、YZ点的放样，并根据放样点对顶管轴线周围的地下管线、建（构）筑物进行测量，防止顶管施工过程中遇到不明障碍物而重新对轴线调整。
2.2 设计轴线调整
在顶管施工之前，严密测定3号、1号工作井和M2接收井预留洞口中心坐标（x y h）,由于工作井接收井建造完成后存在一定的施工误差，不可能完全与按设计位置（平面和高程）吻合，因此顶管施工测量必须以实地二井洞口中心为基准，这样，对原设计的线型必须进行调整，调整应以原设计线型位置变化最小为原则，一般改动曲线的起、终点即可。例如，对于两端为直线的单一曲线可按如下步骤进行调整：
2.2.1 以实测的二洞口坐标和设计的曲线转向点（JD）坐标反算二端直线的方位角；
2.2.2 以算得的二直线方位角新的曲线角a;
2.2.3 以原设计的曲线半径R和新求的曲线转向角a重新计算曲线元素，重新确定曲线起、终点（ZY、YZ）里程；
2.2.4 以调整后的曲线起、终点里程重新计算新的曲线起、终点坐标。新计算的曲线元素及起、终点坐标作为顶管施工的设计变更，提交设计单位和监理认可后作为施工的依据。
2.3 测站点控制
由于3#～M2段区间隧道长456.1m，1#～M2段区间隧道长166.2m，两段顶程存在R300、R=500两种曲线形，在曲线位置全站仪在工作坑内无法一直与机头保持通视，必须在管内设测站。通过计算可以确定曲线段最大通视距离。
当D=2.7m时，测量有效范围在D0/2-0.1m以内 （如图3），图中的x由施工经验确定，现在取为0.1m，则有：

D/2-0.1=R-
式中：D——管子半径
R——曲线半径
L——最大一次测量距离

图3 最大测站计算图
通过公式计算得：
①、当R=500m时，L=101.98m，因此曲线R=500段最大测站距离为101.98m。
②、当R=300m时，L=79m，因此曲线R=500段最大测站距离为79m。
因此根据各个顶程曲线走向和直线布置3#～M2段区间布设4站，1#～M2段区间布设1站。如下图。

图4 3#～M2段测站点布置及监理复核点

图5 1#～M2段测站点布置及监理复核点
2.4 监理复核点
为了确保轴线测量可靠性，对施工中测量控制点、水准点，基准点以及每道工序基准线必须经现场测量监理工程师复测认可，并以书面形式上报测量成果方可施工。根据曲线顶管测量控制的关键节点确定每顶程监理复核关键点，出洞口点、穿越关键障碍物点、30m进洞口点等确定1#～M2段监理复核点数为两点，具体见图4，3#～M2段监理复核点数为五点，具体见图3。
3、测量控制系统的建立
配合设计院及测绘单位尽快交接现场控制座标点和水准基点，并移交有关资料，接桩后我方立即组织进行复测，核对资料，对存在的问题报告监理工程师后再进行处理，保证测量控制点准确无误。
在复核过程中，对控制点桩位进行加固和保护，在点位设置明显标志。
3.1测设依据
测设依据主要有《工程测量规范GB 50026-93》、设计院提供的施工图纸、勘察院提供的测量成果和业主提供的交桩成果。
3.2平面控制网的测量
首先依据勘察院提供测量的成果及业主的交桩成果对其进行复核，保证其成果的精度符合要求，并将复测的成果报请监理确认，监理确认后将其成果作为今后施工测量和复核的起始依据。
3.2.1、加密空导点布置及测设
由于施工采用交叉作业的方式，各个点面同时展开，大型机械协同作业，轴线相互干扰而造成观测不通视，为了确保控制点的可靠性、整个控制点的通视条件良好和点位精度，把所有的控制点都选定在施工区域以外的适当位置，按规范要求进行测设和复核，并实施方案的优化。
在测设和复测过程中，均采用进口全站仪经检定证明良好后，进行各控制点全圆方向观测法观测,在垂直角观测时，按三丝法读数一测回施测，并要求经过倾斜、大气、温度改正之后的平距，通过平差后得出最终成果，并报请监理复核确认。
3.2.2、测量控制网平面布置和测设
结合现场的地形情况及施工方法制定出整个施工场地的测量控制点，形成平面控制网。在导线测量过程中，严格按照导线测量或三角测量的方法。完毕后报请测量监理工程师复测认可方可使用。

9#洞口中心点
已知点１
已知点２
１０#洞口中心点
已知点３
已知点４
加密点
加密点

加密点

接收井
工作井

图6 地面控制测量示意图
相邻基准控制点间保持通视，基准控制点建造在不受施工影响而长期保存。
在施工过程中，对导线控制点定期进行复测，根据勘察院提供的测量成果和业主提供的交桩成果对外围进行闭合导线控制点进行复核、调整。经监理工程师复核认可后，方可施工。
3.3高程测量
3.3.1、水准复核
依照勘察院提供的测量成果和业主提供的交桩成果进行水准点闭合测量或复核测量，经复核其精度符合要求后，将作为今后水准引测的起始依据。
3.3.2、水准引测
依照勘察院提供的测量成果和业主提供的交桩成果经复核后水准点，根据不同的施工阶段和施工区域的实际布置情况分别在管道外侧引放临时水准点，将作为施工中水准测量用。
临时水准点经复核后，其成果报请测量监理工程师，经复测无误方能作为施工测量基准点，临时水准点每隔一定时间或发现水准点有可能位移时，将全区水准网与临时水准点组进行联测，确保水准点的可靠性。
3.3.3、施工放样
根据临时水准点进行施工高程传递，在施工前严格按照设计图纸要求控制施工高程。对每道工序的施工高程测设经复核后，其成果报请测量监理工程师，经复测无误后方能使用。
4、坚井联系测量
4.1平面坐标传递
用全站仪，将地面坐标及方向传递到出发井中。在井内平面传递测量过程中建站点均采用强制对中固定式仪台。
用高精度全站仪测出井下三角形边角与理论值计算比较，达到规范后定出顶管设计中心线。

9#洞口中心点
已知点１
已知点２
加密点
工作井

图7 平面坐标坚井传递示意图

4.2高程传递
用鉴定后的钢尺，挂重锤10kg，用两台水准仪在井上井下同步观测，将高程传至出发井下固定点，最大高差中误差小于等于一毫米，整个管段施工过程中，高程传递至少进行三次。
5、曲线顶管过程控制测量
5.1顶管工程的测量工作是整个顶管工程质量的关键，它的实施好坏将直接影响到管线线形的平顺，甚至影响到顶管的顺利贯通，因此需精心实施，确保无误。
5.2本工程测量包括高程测量和左右偏差测量两部分。
5.3高程测量较简单，在地面上把永久性水准引测至井边，通过垂直吊钢尺引测至井下，设临时水准点，再在管道内架设水准仪测至机关内标靶，即可知道机头高程偏差。此水准还可从机头测出来，闭合差按二级水准控制。
5.4左右偏差测量较复杂，在直线顶管中，我们可以在后座设一激光经纬仪，在满足通视的条件下，直接看机头内标靶就可知道左右偏差，而曲线顶管却做不到，因为管线线形是弧形的，后座内激光经纬仪不能一下子看到底。因此需在管道内布置移动测站。
5.5我们在井内后座处设置一个固定仪器墩，上架全站自动跟踪仪（测角精度2"，测距精度3+5pp）；在3#～M2管道内布设4个移动测站，在1#～M2管道内布设1个移动测站，采用弧形钢板固定在管壁上；在井边设置固定脚架，上架棱镜，这样管道内就布设成了延伸导线，按导线法进行测量。方法是从井内自动跟踪仪测井边固定棱镜，作为起始导线边，然后从井内自动跟踪仪测管道内第一台全站仪，通过导线法传递，一直测到机头内棱镜，通过测量程序算出机头棱镜的坐标，再根据此棱镜与管中心的几何关系算出管中心坐标，与设计坐标比较，得出机头的实际偏差。
5.6井边棱镜的坐标和井内强制对中仪器墩中心坐标通过地面上已知的控制点放设，其误差控制在允许范围内。此两个坐标是本工程曲线顶管测量的关键，需定期复核，一般每50米复核一次，进洞前加密测量，根据复核的结果修正起始点坐标。
5.7根据接收井预留井间隙，考虑到接收土建施工存在误差，机头操作也存在误差，我们把管道内导线测量误差控制在±25mm。导线测量测回数定为一测回，必要时增加测回数。

6、Excell与轴线设计的应用
为了确保顶管轴线按设计轴线施工，保证顶管的施工精度和顶管顺利进洞，我们采用Excell 对Atuocad 轴线进行检查，一旦两者的数据一致，就能保证顶管施工的精确性。
首先建立相对坐标系统，以实测的顶管工作井预留洞口中心的坐标为原点，以工作井和接收井预留洞口的坐标为X轴，建立一个独立的相对坐标系统，利用EXcell计算的强大功能，进行坐标转换。见下表：

7、测量精度保证
7.1控制机头顶进方向的地下导线测量起始方向为井下固定的导线点，因此测定井下导线点的 位置和方位至关重要。由于本标段为长距离顶管，而井下固定的导线边又很短，为保证定向测量的精度，采取以下措施：
7.1.1井下仪器墩及井壁上的后视方向点安装牢固，不允许有任何的松动，并且全部用强制归心装置固定仪器及后视棱境的对精度达到0.1mm,因此后视边安装精度为：
0.1mm×=0.14mm
井下后视边长很短，设为14m,则产生方向中误差为：

± p″＝±2.1″
考虑到测量仪器测量角度的误差，虽然使用±1”的仪器。角度测量误差为±2”。
由此，井下定向测量的误差（包括导线点的 对中误差和角度测量误差）为：
±＝±2.9″
它对顶管贯通的影响为m2,本标段最大顶管长度为455m，则：
m2=±2.9″×455m/p″=±0.64cm
7.2 定向测量的角度使用NIKON全站仪，测量4个测回观测取平均，以提高照准精度。
7.3、工程中所使用的测量设备严格按照国家强制检定法检测。
7.4、严格按照《工程测量规范GB 50026-93》要求对控制点、水准点进行精度控制。
7.5、对施工中测量控制点、水准点，基准点以及每道工序基准线必须经现场测量监理工程师复测认可，并以书面形式上报测量成果方可施工。
7.6、密切注意点位稳定性，每季度定期复核一次。
8、测量频率
由于本工程为长距离曲线顶管，所以在管道顶进施工过程中，顶管曲线测量的精度以及频率是控制整个工程施工质量乃至成败的关键。
为提高本工程的测量精度、增加测量次数、加快施工进度，本工程采用全站仪进行顶管的轴线测量。
在顶管正常段顶进施工过程中，测量频率为每顶进一节进行一次轴线测量，当实测顶管轴线高程、平面偏差值大于60mm时，需要适当增加顶管机的测量频率，以保证工程的施工质量。
在顶管进洞阶段最后十节的顶进施工过程中，需进行两次/节的轴线测量，并做到勤纠微纠，以保证管道的进洞质量。
9、顶进过程监控测量
9.1地表隆陷监测
9.1.1监测的目的
主要是测定纵、横沉降槽曲线及最大沉降坡度、最小曲率半径和沉降速率等，可按PECK公式，预测施工时在不同深度引起的地表、地层沉降槽曲线，施工中按反馈资料，合理调整顶管正面压力、送泥量、注浆时间和压力、推进速度等施工参数，以达到控制沉降的最优效果。另外，顶管进出洞是顶管施工中技术难度最大、工序较复杂的施工阶段，须加强对洞外地表沉降观测确保顶管顺利进出洞。
9.1.2监测仪器
全自动电子水准仪，铟钢尺等高精度仪器进行地表沉降监测。
9.1.3检测实施
9.1.3.1 基点埋设方法
采用标准地表桩，必须将其埋入原状土，并做好保护井圈和井盖。在坚硬的道路上埋设地表桩，硬凿除路面和路基，将地表桩埋入原状土，也可钻孔打入长1m以上的圆钢作地表观测桩，并同时打入保护钢管套。地表桩的埋设稳定期不少于30天。
9.1.3.2测点布设
在顶管工程范围内，沿轴线方向每隔30m布设一组测点，横向地表桩的设置范围在预测沉降槽范围内。
9.1.3.3隆陷测点埋设
在地表挖孔，然后放入长200～300mm，直径20～30mm的圆头钢筋，四周用水泥砂浆填实。
9.1.3.4测量方法
观测方法采用精密水准测量方法。基点和附近水准点联测取得初始高程。观测时严格控制限差，每测点读数高差不超过0.3mm，对不在水准路线上得观测点，一个测站不超过3隔，如超过时，重读后视点读数，以作核对。首次观测应对测点进行连续两次观测，两次观测高程之差应小于±1.0mm，取平均值作为初始值。
9.1.3.5隆陷值计算
在条件许可的情况下，尽可能的布设导线网，以便进行平差处理，提高观测精度，水准线路闭合差应小于±0.3(mm)(N为测站数)。然后按照测站进行平差，求得各点高程。施工前，由基点通过水准测量量测出隆陷观测点的初始高程H0，在施工过程中测出的高程为Hn。则高差ΔH=Hn-H0即为隆陷值。
9.2 数据分析与处理
9.2.1画出时间－位移曲线散点图和距离－位移曲线散点图，根据沉降规律判断土层稳定状态和施工措施的有效性。
9.2.2当位移－时间曲线趋于平缓时，可选取合适的函数进行回归分析，预测最大沉降量；
9.2.3作横断面和纵断面沉降槽曲线，判断施工影响范围、最大沉降坡度、土体体积损失等。
10、纠偏技术
在实际顶进中，顶进轴线和设计轴线经常发生偏差，因此要采取纠偏措施，减小顶进轴线和设计轴线间的偏差值，使之尽量趋于一致。顶进轴线发生偏差时，通过调节纠偏千斤顶的伸缩量，使偏差值逐渐减小并回至设计轴线位置。在施工过程中，应贯彻"勤测、勤纠、缓纠"的原则，不能剧烈纠偏，以免对管节和顶进施工造成不利影响。顶进时应及时掌握工具管的走势，顶进时可以通过观察工具管的趋势指导纠偏。