长区间地铁盾构隧道平面贯通误差的控制与实施.pdf

166http:/电 力 勘 测 设 计增刊1DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.S1.029长区间地铁盾构隧道平面贯通误差的控制与实施韩 昀，王新安，刘 欣(湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北武汉430040)摘要：长区间地铁盾构隧道贯通是地铁施工的关键点与难点，根据工程实际列出几种常见地下控制网布设方法，研究贯通误差的估值，分析贯通误差的要点，提出一种地下控制网布设与测量的方法。以武汉某地铁隧道为例，证明该方法灵活适用，可有效提高作业效率和测量精度，能够适用于较长区间地铁隧道平面控制测量，并对长区间地铁盾构隧道平面控制测量提出一些建议。关键词：盾构隧道；贯通误差；测角中误差；地下控制网中图分类号：P2 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)增刊1-166-06Control and Implementation of Plane Through Error of Long Section Metro Shield TunnelHAN Yun,WANG Xinan,LIU Xin(Hubei Electric Survey and Design Institute Co.,Ltd.,Wuhan 430040,China)Abstract:The cut-through of shield tunnel in long section is the key point and difficulty of subway construction.This paper lists several common underground control network layout methods according to the actual situation of the project,studies the estimation of the cut-through error,analyzes the key points of controlling the cut-through error,and puts forward a method of underground control network layout and measurement.Taking a subway tunnel in Wuhan as an example,it is proved that this method is flexible and applicable,can effectively improve the operation efficiency and measurement accuracy,and can be applied to the plane control survey of the long section subway tunnel.Some suggestions are also put forward for the plane control survey of the long section subway shield tunnel.Keywords:shield tunnel;through error;mean square error of angle measurement;underground control network*收稿日期：2023-02-28 第一作者简介：韩昀(1983)，男，硕士，高级工程师，主要从事工程测量等工作。-0引言盾构隧道贯通误差包括纵、横向贯通误差和高程贯通误差，其中纵向贯通误差主要影响贯通面里程不影响工程质量，高程贯通误差采用高精度水准仪测量较容易满足规范要求。因此，盾构隧道贯通的质量关键在于满足横向贯通误差，而横向贯通误差主要来源于地上控制网测量误差、坚井联系测量误差和地下控制网测量误差1-2。按照 GB/T 503082017城市轨道交通工程测量规范的要求，地下隧道横向贯通测量中误差不应超过 50 mm，贯通测量限差应小于 100 mm3。根据误差理论和轨道交通贯通测量经验，采用不等精度分配方法将横向贯通误差配赋到轨道交通平面测量的主要环节。地面167长区间地铁盾构隧道平面贯通误差的控制与实施http:/ 工程勘测 增刊1 控制测量中误差应在 25 mm 之内，联系测量中误差应在 20 mm 以内，地下控制测量中误差应在 30 mm 以内。地面控制网按二等卫星定位控制网和三等精密导线网测设，竖井联系测量采用两井定向并适当增加始发边长度，均较容易满足上述测量精度。而地下控制网观测条件差、交叉作业多、外部干扰大，影响测量精度。因此，如何提高地下控制网精度，确保地铁隧道顺利贯通，是地铁施工测量的关键。本文以武汉轨道交通 7号线巨龙大道站汤云海站盾构区间为例，讨论地铁盾构隧道贯通测量的实施。1常见地下控制网布设方法在地铁隧道贯通之前，随着盾构逐步向前掘进，地下平面控制测量一般采用导线测量的方法传递坐标，指导盾构施工。地下平面控制网常见的布设方法有支导线、闭合导线、交叉双导线、全导线网等形式4-5。根据地铁隧道长短、施工工况等不同情况，同时兼顾测量作业效率与精度，实际过程中导线布设主要采用支导线、闭合导线和分段闭合导线 3 种形式。1.1 支导线采用支导线进行地下平面控制具有布设方案简单灵活、工作强度和工作量较少的优点，如图 1 所示。但支导线缺乏约束条件和多余观测，无法对工作出现的错误进行检核。而且随着支导线的延伸，导线端点测量误差迅速累积并增大，不利于隧道的正确贯通。支导线法通常用于长度小于 500 m 且设站次数较少的隧道，在隧道贯通前还需要多次测量复核。?DX5DX6DX4DX3DX1DX2KZ2KZ1图1支导线布设图1.2 闭合导线闭合导线由一条已知边，测量导线边长和水平夹角后又附和到该已知边的测量方法，如图 2 所示。实际操作中通常将一条导线布设于管片底部，一条导线采用强制对中托盘布设于管片侧壁。闭合导线图形强度和检核条件比支导线多，对于长度小于 1 km 的隧道，是比较适合的布网方式。?DX5DX6DX4DX3DX1DX2KZ2KZ1图2闭合导线布设图1.3 分段闭合导线分段闭合导线是结合支导线和闭合导线的一种作业方法，如图 3 所示。首先采用支导线往前推算坐标，待导线前进一段距离后，改为闭合导线测量方法，将平差计算出最远端的 2 个点作为已知点后，再用支导线往前布设，如此循环。由于闭合导线的最弱点位于隧道掘进的最前方，最弱点被作为了下一段导线的已知边，所以分段闭合导线也仅适用于长度小于1 km 且分段数不大于 3 段的隧道。这种方法在盾构掘进的过程使用较多，可根据隧道的曲线半径、长度在施工前合理策划分段，在划分的区段内采用支导线往前推进，减少外业工作量，提高作业效率。168http:/电 力 勘 测 设 计增刊1?DX5DX6DX4DX3DX1DX2KZ2KZ1图3分段闭合导线布设图等布网方式。但由于地铁盾构隧道直径较小、曲线弧度大、通视条件差、交叉作业多导致观测时长有限、观测工作量大等原因，实际作业过程中不予采用。1.4 其他导线方式导线控制网的布设除了上述 3 种常用方式外，还有交叉双导线(图 4)、全导线网(图 5)?DX5DX7DX9DX11DX6DX8DX10DX12DX4DX3DX1DX2KZ2KZ1图4交叉双导线布设图?DX5DX7DX9DX11DX6DX8DX10DX12DX4DX3DX1DX2KZ2KZ1图5全导线网布设图2横向贯通误差估算盾构隧道贯通前，应估算横向贯通误差，确保隧道顺利贯通。如图 6 所示，当隧道采用导线进行地下控制网测设时，其横向贯通误差计算式如式(1)式(2)所示。22mylyqmm?(1)?222)(mmylXqdlmR?(2)式中：m为测角中误差；mll为最弱边相对中误差；R2X为导线点至贯通面垂直距离的平方和；d2y为导线边在贯通面上投影长度的平方和6。12345678?AXYBdyRx图6导线法计算贯通误差影响值示意图长区间地铁盾构隧道距离长、转弯半径小、设站较多，受测角误差积累的影响，难以保证正确贯通。地下控制网应根据现场条件选择合适的导线布设形式，减少设站次数，提高测角精度，从而满足贯通要求。3贯通测量实施3.1 工程概况武汉市轨道交通 7 号线工程巨龙大道站汤云海站区间右线全长约 2.2 km，采用盾构法施工，如图 7 所示。盾构管片内径为 5.5 m，有两处半径为 550 m 的曲线段，因转弯弧度大，洞内导线点平均距离为 100 m，支导线需设站20 次才能接近贯通面。为保证盾构顺利贯通，在盾构机距离贯通面约 150 m(单向掘进 2.0 km)处对该区间进行了第 4 次竖井联系测量和洞内导线测量，复核施工单位测量成果。169长区间地铁盾构隧道平面贯通误差的控制与实施http:/ 工程勘测 增刊1 Y1Y2Y3Y5Y7Y9Y13Y11Y15Y19Y27Y23Y17Y21Y25Y28Y31Y33Y35Y37Y39Y41?图7巨汤区间右线隧道掘进示意图测量前，项目部根据地下控制点的位置，计算各导线点到贯通面的距离、各导线边在贯通面投影的长度，按照横向贯通误差计算公式，对贯通误差进行了估算，对不同测角中误差 m，分别取值计算得出贯通横向误差见表 1 所列。表1 不同测角中误差估算贯通误差m测角中误差 m贯通误差 mq0.50.01110.0211.30.0281.80.03820.0422.50.053由表 1 可以看出，采用导线方式进行地下控制网测量，需增加测角多余观测数量，尽量提高测角中误差，使测角中误差小于 1.3，以满足贯通测量精度。同时考虑到布点位置、观测条件及工作量，现场施测时，选取经济、合理的观测方式。3.2 实施情况地下控制网以联系测量成果 Y1、Y2 为起算点，外业采用测角精度为 0.5的 Leica TM50全站仪按三等导线测量要求进行观测，见表 2所列。表2 地下控制网测量主要精度指标测量方法测角中误差/测距中误差/mm测回数边长往返平均值较差/mm左右角平均值之和与360较差/左右角观测边长往返观测导线2.532244测量前，输入温度、湿度、大气压等气象参数和归零差、2C 较差、往返测量距离较差等限差等，利用仪器 ATR 照准功能自动观测，分别按照支导线、闭合导线和带节点的闭合导线形式进行。1)闭合导线如图 8 所示，在隧道内布设一条闭合的导线，同一里程的一对点，其中一个布设在隧道管片底部，一个以强制对中托盘的形式安装在管片的侧壁。从已知边开始测量导线边长和转折角，到达贯通面后返回闭合到已知边，每一测站采用左、右角观测方法，左、右角平均值之和与 360 较差小于 4。导线共设 41 站，角度闭合差为-18.8，小 于 5=32，X 坐 标 闭 合 差 为 0.6 mm，Y 坐标闭合差为 13.8 mm，线路总长度 4.16 km，相对精度为 1 300 449。2)带节点闭合导线由于本区间曲线半径小，设站较多，如采用菱形锁形式的交叉双导线，外业工作量成几何增长。因此，实际操作中根据线路走向、通视条件，选取适当的点位采用全圆观测法观测本测站所有通视测点，如图 9 所示。Y1Y2Y3Y5Y7Y9Y11 Y13 Y15 Y17 Y19 Y21 Y23 Y25 Y27 Y29 Y31 Y33 Y35 Y37 Y39Y4Y6Y8Y10 Y12 Y14 Y16 Y18 Y20 Y22 Y24 Y26 Y28 Y30 Y32 Y34 Y36 Y38 Y40Y41?图8闭合导线示意图Y1Y2Y3Y5Y7Y9Y11Y13Y15Y17Y19Y21Y23Y25Y27Y29Y31Y33Y35Y37Y39Y4Y6Y8Y10Y12Y14Y16Y18Y20Y22Y24Y26Y28Y30Y32Y34Y36Y38Y40Y41?图9带节点闭合导线示意图170http:/电 力 勘 测 设 计增刊1检查闭合环角度闭合差、边长闭合差、相对精度满足要求后，采用科傻软件进行平差 计算。3.3 精度评定为了比较不同测量方式精度指标，本次将支导线测量精度一并纳入比较，结果见表 3 所列。由表 3 可以看出支导线测量结果点位精度较差，方位角中误差随着测角的增多，有较明显提高。按照贯通误差计算公式，推算闭合导线贯通中误差大于 30 mm，带节点的闭合导线贯通中误差小于 30 mm。3.4 实际贯通误差分析隧道贯通前，对导线边 Y35-Y41 加测了陀螺方位角，测得坐标方位角为 2551 19.5，与闭合导线、带节点闭合导线坐标反算坐标方位角较接近，满足规范要求，可以此次测量成果指导盾构机贯通出洞。隧道贯通后根据始发车站、接收车站联系测量成果求得导线点 Y41 的坐标及较差见表 4所列。表3地下控制网平差精度评定导线布设方式验后单位权中误差/s最弱点精度/cm最弱边精度MxMyMp方位角中误差MA/s相对中误差S/MS支导线1.3911.0511.7433.1601/120 000闭合导线1.3100.9780.7401.2262.0501/121 000带节点闭合导线0.9900.5400.4660.7131.2701/334 000表4地下控制网平差结果测量方式Y41贯通前成果Y41-Y35坐标方位角Y41贯通测量成果坐标较差/mmXYXYXY支导线9 092.6191 906.551255110.449 092.5651 906.58955-37闭合导线9 092.5881 906.574255118.7223-14带节点的闭合导线9 092.5851 906.571255118.7720-17支 导 线 结 果 虽 能 满 足 横 向 贯 通 误 差100 mm 的要求，但在贯通前可靠性无法保证。闭合导线与带节点的闭合导线坐标成果较为接近，与陀螺方位角较差、施工单位坐标较差均能满足规范要求，带节点的闭合导线测量精度高，更能保证隧道顺利贯通。将坐标较差投影到贯通面上，得到盾构区间右线隧道横向贯通误差为 0.024 m，纵向贯通误差为 0.010 m。4结论通过地下导线测量不同布网方案，计算对隧道横向贯通误差的影响值，并根据实际测量结果，得出以下结论：1)地铁盾构隧道不满足全导线网观测条件，长区间小半径隧道采用交叉双导线工作量巨大。2)可采用带节点的闭合导线指导盾构掘进，方便操作且经济合理。3)根据隧道的长短、走向以及估算的贯通测量精度，选择合适导线布设方式。对于长区间地铁隧道，在合适位置选择一定数量的测站增加测角、测边数量，能显著提高贯通测量 精度。4)对于长度超过 1.5 km 的隧道应加测陀螺方位角，加测的位置应根据隧道长度选择在贯通面或最弱边，陀螺方位角可用于校核导线测量成果或参与平差。参考文献1 魏成，花向红，唐琨，等.地下导线测量对隧道横171长区间地铁盾构隧道平面贯通误差的控制与实施http:/ 工程勘测 增刊1 向贯通误差影响研究J.技术研究，2013，38(1)：11-13.2 付宏平，郭际明，张正禄.特长隧道贯通误差预计方法研究J.测绘通报，2015(2)：80-83.3 中华人民共和国住房和城乡建设部.轨道交通工程测量规范：GB/T 503082017S.北京：中国建筑工业出版社，2017.4 张正禄，张松林，伍志刚，等.2050 km超长隧道(洞)横向贯通误差允许值研究J.测绘学报，2004，33(1)：83-88.5 马骥，杨志强，石震.精密陀螺全站仪在城市综合地下管廊中的应用研究J.测绘通报，2015(增 刊1)：16-19.6 刘鹏程，戴建清.地铁盾构隧道贯通测量误差的控制与实施J.城市勘测，2015(4)：138-140.(编辑 卢靖冉)