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1、西藏南路隧道施工測量技術方案余永明 1 概述上海西藏南路越江隧道工程江中段圓隧道分東線和西線2條隧道，東線約為1151m,西線約為1171.5m，共計2322.5 m。是上海越江交通的重要組成部分， 預計2007年4月30日開始西線隧道盾構掘進，至2007年10月30日結束。于2007年7月25日開始東線盾構推進，至2008年1月23日推進結束。本工程隧道外徑為F11316mm，內徑為F10316mm，采取錯縫拼裝形式。采用兩臺直徑為F12570mm的超大型泥水平衡式盾構機進行掘進施工。本工程采用的平面坐標系統是上海平面坐標系統，高程系統是吳淞高程系統。由于隧道的直徑大且穿越黃浦江，對于測量工2、作而言，如何做好地面控制測量、隧道內部控制測量、盾構姿態控制測量，確保隧道順利貫通是工程的一大難點。在總結上海市其他特大越江隧道（上海市上中路隧道、翔殷路隧道、長江隧道），我們對該工程的測量工作進行了精心部署。2 測量控制技術本工程的測量控制技術有平面控制測量、豎井聯系測量、井下控制測量、盾構機姿態控制、管片姿態測量以及隧道貫通誤差預計。2.1 地面控制測量地面控制測量的主要目的是建立的測量控制系統，提供可靠的平面和高程控制點。本工程的始法井和接收井之間雖然橫陳著黃浦江江面，但可以布設可通視控制點。可以采用傳統的控制測量手段，利用1或0.5的全站儀（如TCA1201、TCA2003）。必要時可3、采用GPS測量。GPS是新一代空間衛星定位導航系統，與傳統測量手段比，具有革命性的進展。其定位精度可達毫米級。本工程建設單位應提供至少46個平面控制點控制點分布見圖1。圖1 工程導線控制點示意圖平面控制測量成果必須采用擬穩平差形式進行統一平差，以建設方提供的平面控制點引測的坐標均作為擬穩點。同時，建設單位應提供了24個二等水準控制點(浦東與浦西各12個)，建立1個橫跨黃浦江的高程控制網。該高程控制網必須定期采用過江水準進行聯測，最終通過平差確定。測量方法：采用短視距(視距30M)精密水準測量方式施測，儀器采用徠卡精密電子水準儀，搭配精密銦鋼條碼水準尺。往返觀測，檢核取中值， 2.2 豎井聯系測4、量豎井聯系測量是隧道測量中的一個重要環節，它主要是通過豎井將地面和地下控制網聯系到一個統一的坐標系中。就是將地面上的坐標、方位角、高程傳遞到地下隧道中去，并依此指導隧道內盾構掘進和同步施工，并確保順利貫通。 平面聯系測量平面聯系測量我們采用深化幾何定向法，即應用經典的聯系三角形定向，采用3根鋼絲（0.3mm），以兩組方位傳遞至井下固定起始邊，固定邊長度500m，如圖1所示。東線、西線必須各進行至少3次定向測量。即盾構出洞前、越江過程中、隧道貫通前50m處。下面為定向成果示意圖。 高程豎井傳遞通過工作豎井傳遞高程測量，用經檢驗后的鋼尺，掛重錘10 kg，用2臺水準儀同步觀測，用3至4個視線高，最5、大高差不大于1 mm，見圖3。圖3 豎井傳遞高程測量示意圖 2.3 井下控制測量井下控制測量的基礎是由聯系測量所得到的地下導線起始點坐標、方位和高程。 井下平面測量井下平面測量布設兩級支導線：施工支導線和控制平行導線，由于盾構直徑大，通視情況良好，所以控制平行導線可以設置到150300m。以平面聯系測量的起始邊為地下導線的起始點，布設2條平行直伸導線，導線點均采用強制對中。因為點與點之間距離長，導線采用左右角12測回觀測，圓周角閉合差不得大于23，重復測定測角總和不得大于2n1/2(n為測站數)。施工支導線采用普通地鐵支導線即可，主要用于控制日常盾構推進。導線測量要求如下：1）施工導線點：以基6、本導線點為基準，一般的2級以內全站儀。2）基本導線點：以復測傳遞導線點為基準，一般的2級以內全站儀。3）復測傳遞導線點：雙導線形式（吊籃點為主導線，路面點另為輔），確定一些必要的聯測點（橫向距離，或坐標），在施工好的連接通道處可進行兩個隧道的聯測。轉點間的長度現場根據通視狀況，盡量拉大。 井下高程測量井下埋設的固定水準點間距為80 m，采用二等水準，用DNA電子水準儀觀測，按高程測量規范等執行，并定期對水準控制點進行復測，用最新的測量成果對數據進行更正。水準測量要求如下：1）施工測量：施工水準點及施工測量采用S3級水準儀,以基本水準點為已知點。精度: 中誤差5mm2）基本水準點的測量：采用短視7、距(視距30M)精密水準測量方式施測，儀器采用徠卡精密電子水準儀，搭配精密銦鋼條碼水準尺。往返觀測，檢核取中值，中誤差1.5mm（L為路線長度,單位KM）。3 盾構姿態控制測量盾構法隧道施工區別與一般的土木工程，對施工的精度要求非常高，管片的制造精度接近于機械制造的程度。施工時對設計的掘進斷面不能隨意調整，對隧道軸線的偏離、管片型拼裝的精度都有很高的要求。掘進過程中的盾構姿態控制除了與隧道貫通有直接影響外，還與隧道設計、施工的質量要求以及圍巖的擾動、地層的沉降有關。因此，準確的盾構姿態控制，是平穩推進，保證施工質量與安全，減少對周圍環境影響的關鍵。3.1 盾構初始化測量在盾構出發之前，必須精確8、建立盾構切口、盾尾中心與盾構內部測量棱鏡的相互關系。這樣才能根據測量盾構內部測量棱鏡的城市坐標而反算出盾構在推進過程中的切口盾尾的城市坐標。我們通過兩種測量方法（支導線法和后方交會法）精確求得盾構切口盾尾中心的平面位置和橫向尺寸。并以切口為原點，盾構中軸線為X軸，橫斷面方向為Y軸，垂直與XY平面為Z軸，建立了一個盾構相對坐標系統。見圖5。圖5 棱鏡相對位置示意圖同時利用專業盾構測量軟件計算相對坐標如下表1：表1 盾構初始化測量坐標表點號城市坐標系盾構坐標系XYZXYZ切口8707.99520278.091-11.008000盾尾8695.455720271.9302-10.648-13.9769、0.0000.000A18704.22120276.4983-4.692-4.2510.2356.208A28700.60920275.923-4.321-7.7551.3116.489A38701.79820273.483-4.362-7.763-1.4036.4483.2 人工盾構姿態控制如圖6所示，在盾構內沿盾構中心線方向布置3個小棱鏡（棱鏡的距離盡量長），在盾構內的左右部各安裝1塊坡度板，測量盾構的轉角和坡度。根據測量的數據，用專業盾構測量軟件計算出盾構切口和盾尾的三維坐標，與隧道設計中心線進行比較，就可得出盾構機的姿態。見圖7。 圖7 盾構姿態示意圖3.3盾構測量軟件簡介 該軟件結合10、目前國際最先進盾構測量技術，通過對日本Robotec系統、法國Phyxis系統，德國VMT系統等隧道自動導向系統的剖析與研究，結合國內多條盾構法隧道施工測量技術研發而成。該軟件集盾構姿態計算、管片姿態計算、軸線偏差比較、偏差圖表顯示等功能于一身，能夠精確地計算出盾構姿態、管片姿態，永遠地避免了盾構推偏的情況發生。1）、初始化計算模塊2）、坐標計算模塊3）、測量數據輸入與結果顯示模塊4）、設計軸線自動計算數據5）、軸線偏差數據表6）、偏差圖表顯示4 管片測量管片成環后主要測量其與隧道設計軸線的偏離情況、整圓度、環面平整度、旋轉度等，若這些指標不符合要求，特別是對于特大盾構，將會影響到盾構推進軸線11、的控制、后續管片的拼裝、管片開裂等。4.1 管片姿態測量管片姿態測量是指成環后的管片中心偏離隧道設計軸線的關系，以及管片的整圓度情況。管片在盾尾內部拼裝完成后，根據測量管片與盾尾之間上下左右的間隙以及管片拼裝位置與盾構的關系，可以求得管片中心的實際坐標和橫豎直徑。同時測量左上、左下、右上、右下的間隙，可以求得管片“米”字型直徑。管片姿態報表如圖9所示。 圖9 管片姿態報表4.2 環面平整度測量 同一環管片在拼裝完成后，面向千斤頂一側的環面若不在同一平面上，或不同塊之間有凹凸不平的現象存在，則會給下一環的拼裝帶來困難，甚至會導致管片的開裂。通過測量環面的平整度，可指導加貼楔子來糾正環面，使其平整12、。當全站儀架設在底部時，由于受管片拼裝機及聯系梁的影響，不能直接進行斷面掃描，因此，采用上下架設2個站的方法，分別掃描每環管片的兩端及兩腰，得出它們與儀器照準面的差值，然后將上下觀測數據聯系成一個統一的系統，最后按照管片環的坡度換算出環面的平整度（見圖10）。圖10 環面平整度測量4.3 管片整圓度 管片成環后，必須測量其整圓度是否符合設計要求，同時根據測量結果對后續管片拼裝進行指導，從而保證隧道施工的質量。如4.1小節所述，日常推進是通過測量盾尾間隙來求“米”字型的，而盾尾形狀在推進中是不斷變化的，因此我們必須經常實測管片的整圓度與盾尾整圓度之間的關系，使得盾尾間隙測量能夠如實反映管片的整圓13、度。 4.4管片沉降、收斂變形及旋轉度測量 管片沉降是隧道沉降的直接反映，影響隧道建設的質量；管片旋轉度過大，會使盾構的后續車架及路面的鋪設不平整，影響設備的運行，同時增加了封頂成環的拼裝難度。 采取三角高程和普通水準測量，均能監測到管片的沉降，它是通過測量管片頂部沉降的方式來完成的。為了監測盾構推進過程中隧道的沉降變化情況，應在隧道管片上設立一定數量的隧道沉降觀測標志點，進出洞段、連接通道段每環設1個點，正常段推進每2環設1點（監測點布設在管片頂部）。若遇特殊施工情況則根據工程需要酌情增加測點。同時，為了隧道貫通后的后續工作，應每隔500m布設一個永久監測點。測量方法：采用三角高程測量和三等14、水準測量相結合的方法，測量布設在管片頂部監測點的高差變化情況，從而得出隧道的沉降觀測值。 隧道收斂變形觀測為了監測盾構推進過程中隧道的隧道收斂變形情況，主要是管片的橫豎徑變化情況，應在隧道管片上設立一定數量的隧道隧道收斂變形監測標志點，進出洞段、連接通道段每環設監測標志點，正常段推進每隔5環設監測標志點（監測點布設在管片兩腰及管片頂部）。若遇特殊施工情況則根據工程需要酌情增加測點。測量方法：采用水準測量方法，測量布設在管片頂部和底部的實際高程，然后通過計算高差得出管片的豎徑。采用對邊測量的方法和用測距儀直接測量隧道的橫徑。 管片旋轉度是指成環后的管片與設計要求相比旋轉了一定的角度。用水平尺找到15、實際拼裝后的管片中心（在管片頂部預留設計的管片中心）后，量取其與設計中心的距離D，即能反映出管片的旋轉度（見圖12）。通過測量值的大小，以指導施工。圖12 管片旋轉度測量5 貫通測量及誤差預計5.1 貫通測量為保證隧道后階段盾構推進貫通，應在貫通前進行專門的貫通測量。其內容應包括：地面控制網復測、接收井門洞中心位置測定、豎井聯系測量和井下導線測量。其中利用坐標法測定洞門中心，其它幾項采用方法與前幾節相同。最后，為了確保盾構順利進洞，建議在盾構機上岸后距離貫通面500600m左右對隧道進行垂直鉆孔，并用聯系測量的方法對地下平面和高程控制點進行測定，并采用本次測量的成果指導貫通。5.2貫通誤差預計16、 橫向誤差分配及精度分析洞內橫向中誤差精度公式：m (洞內)= （mL/）（n+3）/12 按照m=0.7，L=1.5km，=206265，n=8計算，得出m(洞內) = 11mm由于洞內是布設兩條平行導線，同時在旁通道將兩條隧道的四條單導線相連接，則根據誤差傳播理論雙平行導線比單導線在精度上至少提高了3倍，即m(內)= m(洞內)/ 3=19mm。預計洞外控制網點對橫向貫通影響的中誤差為：m(外) = 5mm,則根據下式： m (總) = m (內)+ m (外) 得：m(總)= 13mm取雙倍中誤差26mm為貫通限差，則滿足隧道測量規范中貫通誤差小于100mm的要求。 高程控制測量在貫通面17、上的誤差預計根據誤差公式 mh = mL，其中L取1.5km，m=1mm。則 mh（洞內）=2.74mm ,而洞外高程控制測量中誤差根據預計mh（洞外）=5mm。則在貫通面上高程總中誤差為： mh（總）= mh（洞內）+ mh（洞外）即mh（總）=5.70 mm，取雙倍中誤差為限差11.4mm ,遠小于規范要求。6 竣工測量隧道推進過程中，隨著隧道趨于穩定，必須進行竣工測量。測量方法采用6m長水平尺找出隧道中心，然后測量其平面偏差和高程偏差。同時測量隧道的橫豎直徑。如下表：7 結語由于本隧道采用的特大直徑泥水平衡盾構施工，其測量控制的難度及要求的精度均高于一般地鐵盾構。通過上述的測量手段，必將成功地為盾構順利穿越黃浦江提供了施工保障。