1、西藏南路隧道施工測(cè)量技術(shù)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(jì)2322.5 m。是上海越江交通的重要組成部分， 預(yù)計(jì)2007年4月30日開(kāi)始西線隧道盾構(gòu)掘進(jìn)，至2007年10月30日結(jié)束。于2007年7月25日開(kāi)始東線盾構(gòu)推進(jìn)，至2008年1月23日推進(jìn)結(jié)束。本工程隧道外徑為F11316mm，內(nèi)徑為F10316mm，采取錯(cuò)縫拼裝形式。采用兩臺(tái)直徑為F12570mm的超大型泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工。本工程采用的平面坐標(biāo)系統(tǒng)是上海平面坐標(biāo)系統(tǒng)，高程系統(tǒng)是吳淞高程系統(tǒng)。由于隧道的直徑大且穿越黃浦江，對(duì)于測(cè)量工

2、作而言，如何做好地面控制測(cè)量、隧道內(nèi)部控制測(cè)量、盾構(gòu)姿態(tài)控制測(cè)量，確保隧道順利貫通是工程的一大難點(diǎn)。在總結(jié)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(zhǎng)江隧道），我們對(duì)該工程的測(cè)量工作進(jìn)行了精心部署。2 測(cè)量控制技術(shù)本工程的測(cè)量控制技術(shù)有平面控制測(cè)量、豎井聯(lián)系測(cè)量、井下控制測(cè)量、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制、管片姿態(tài)測(cè)量以及隧道貫通誤差預(yù)計(jì)。2.1 地面控制測(cè)量地面控制測(cè)量的主要目的是建立的測(cè)量控制系統(tǒng)，提供可靠的平面和高程控制點(diǎn)。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(shè)可通視控制點(diǎn)。可以采用傳統(tǒng)的控制測(cè)量手段，利用1或0.5的全站儀（如TCA1201、TCA2003）。必要時(shí)可

3、采用GPS測(cè)量。GPS是新一代空間衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，與傳統(tǒng)測(cè)量手段比，具有革命性的進(jìn)展。其定位精度可達(dá)毫米級(jí)。本工程建設(shè)單位應(yīng)提供至少46個(gè)平面控制點(diǎn)控制點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。圖1 工程導(dǎo)線控制點(diǎn)示意圖平面控制測(cè)量成果必須采用擬穩(wěn)平差形式進(jìn)行統(tǒng)一平差，以建設(shè)方提供的平面控制點(diǎn)引測(cè)的坐標(biāo)均作為擬穩(wěn)點(diǎn)。同時(shí)，建設(shè)單位應(yīng)提供了24個(gè)二等水準(zhǔn)控制點(diǎn)(浦東與浦西各12個(gè))，建立1個(gè)橫跨黃浦江的高程控制網(wǎng)。該高程控制網(wǎng)必須定期采用過(guò)江水準(zhǔn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，最終通過(guò)平差確定。測(cè)量方法：采用短視距(視距30M)精密水準(zhǔn)測(cè)量方式施測(cè)，儀器采用徠卡精密電子水準(zhǔn)儀，搭配精密銦鋼條碼水準(zhǔn)尺。往返觀測(cè)，檢核取中值， 2.2 豎井聯(lián)系測(cè)

4、量豎井聯(lián)系測(cè)量是隧道測(cè)量中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它主要是通過(guò)豎井將地面和地下控制網(wǎng)聯(lián)系到一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系中。就是將地面上的坐標(biāo)、方位角、高程傳遞到地下隧道中去，并依此指導(dǎo)隧道內(nèi)盾構(gòu)掘進(jìn)和同步施工，并確保順利貫通。 平面聯(lián)系測(cè)量平面聯(lián)系測(cè)量我們采用深化幾何定向法，即應(yīng)用經(jīng)典的聯(lián)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(zhǎng)度500m，如圖1所示。東線、西線必須各進(jìn)行至少3次定向測(cè)量。即盾構(gòu)出洞前、越江過(guò)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(guò)工作豎井傳遞高程測(cè)量，用經(jīng)檢驗(yàn)后的鋼尺，掛重錘10 kg，用2臺(tái)水準(zhǔn)儀同步觀測(cè)，用3至4個(gè)視線高，最

5、大高差不大于1 mm，見(jiàn)圖3。圖3 豎井傳遞高程測(cè)量示意圖 2.3 井下控制測(cè)量井下控制測(cè)量的基礎(chǔ)是由聯(lián)系測(cè)量所得到的地下導(dǎo)線起始點(diǎn)坐標(biāo)、方位和高程。 井下平面測(cè)量井下平面測(cè)量布設(shè)兩級(jí)支導(dǎo)線：施工支導(dǎo)線和控制平行導(dǎo)線，由于盾構(gòu)直徑大，通視情況良好，所以控制平行導(dǎo)線可以設(shè)置到150300m。以平面聯(lián)系測(cè)量的起始邊為地下導(dǎo)線的起始點(diǎn)，布設(shè)2條平行直伸導(dǎo)線，導(dǎo)線點(diǎn)均采用強(qiáng)制對(duì)中。因?yàn)辄c(diǎn)與點(diǎn)之間距離長(zhǎng)，導(dǎo)線采用左右角12測(cè)回觀測(cè)，圓周角閉合差不得大于23，重復(fù)測(cè)定測(cè)角總和不得大于2n1/2(n為測(cè)站數(shù))。施工支導(dǎo)線采用普通地鐵支導(dǎo)線即可，主要用于控制日常盾構(gòu)推進(jìn)。導(dǎo)線測(cè)量要求如下：1）施工導(dǎo)線點(diǎn)：以基

6、本導(dǎo)線點(diǎn)為基準(zhǔn)，一般的2級(jí)以內(nèi)全站儀。2）基本導(dǎo)線點(diǎn)：以復(fù)測(cè)傳遞導(dǎo)線點(diǎn)為基準(zhǔn)，一般的2級(jí)以內(nèi)全站儀。3）復(fù)測(cè)傳遞導(dǎo)線點(diǎn)：雙導(dǎo)線形式（吊籃點(diǎn)為主導(dǎo)線，路面點(diǎn)另為輔），確定一些必要的聯(lián)測(cè)點(diǎn)（橫向距離，或坐標(biāo)），在施工好的連接通道處可進(jìn)行兩個(gè)隧道的聯(lián)測(cè)。轉(zhuǎn)點(diǎn)間的長(zhǎng)度現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)通視狀況，盡量拉大。 井下高程測(cè)量井下埋設(shè)的固定水準(zhǔn)點(diǎn)間距為80 m，采用二等水準(zhǔn)，用DNA電子水準(zhǔn)儀觀測(cè)，按高程測(cè)量規(guī)范等執(zhí)行，并定期對(duì)水準(zhǔn)控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)，用最新的測(cè)量成果對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更正。水準(zhǔn)測(cè)量要求如下：1）施工測(cè)量：施工水準(zhǔn)點(diǎn)及施工測(cè)量采用S3級(jí)水準(zhǔn)儀,以基本水準(zhǔn)點(diǎn)為已知點(diǎn)。精度: 中誤差5mm2）基本水準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量：采用短視

7、距(視距30M)精密水準(zhǔn)測(cè)量方式施測(cè)，儀器采用徠卡精密電子水準(zhǔn)儀，搭配精密銦鋼條碼水準(zhǔn)尺。往返觀測(cè)，檢核取中值，中誤差1.5mm（L為路線長(zhǎng)度,單位KM）。3 盾構(gòu)姿態(tài)控制測(cè)量盾構(gòu)法隧道施工區(qū)別與一般的土木工程，對(duì)施工的精度要求非常高，管片的制造精度接近于機(jī)械制造的程度。施工時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)的掘進(jìn)斷面不能隨意調(diào)整，對(duì)隧道軸線的偏離、管片型拼裝的精度都有很高的要求。掘進(jìn)過(guò)程中的盾構(gòu)姿態(tài)控制除了與隧道貫通有直接影響外，還與隧道設(shè)計(jì)、施工的質(zhì)量要求以及圍巖的擾動(dòng)、地層的沉降有關(guān)。因此，準(zhǔn)確的盾構(gòu)姿態(tài)控制，是平穩(wěn)推進(jìn)，保證施工質(zhì)量與安全，減少對(duì)周?chē)h(huán)境影響的關(guān)鍵。3.1 盾構(gòu)初始化測(cè)量在盾構(gòu)出發(fā)之前，必須精確

8、建立盾構(gòu)切口、盾尾中心與盾構(gòu)內(nèi)部測(cè)量棱鏡的相互關(guān)系。這樣才能根據(jù)測(cè)量盾構(gòu)內(nèi)部測(cè)量棱鏡的城市坐標(biāo)而反算出盾構(gòu)在推進(jìn)過(guò)程中的切口盾尾的城市坐標(biāo)。我們通過(guò)兩種測(cè)量方法（支導(dǎo)線法和后方交會(huì)法）精確求得盾構(gòu)切口盾尾中心的平面位置和橫向尺寸。并以切口為原點(diǎn)，盾構(gòu)中軸線為X軸，橫斷面方向?yàn)閅軸，垂直與XY平面為Z軸，建立了一個(gè)盾構(gòu)相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)。見(jiàn)圖5。圖5 棱鏡相對(duì)位置示意圖同時(shí)利用專(zhuān)業(yè)盾構(gòu)測(cè)量軟件計(jì)算相對(duì)坐標(biāo)如下表1：表1 盾構(gòu)初始化測(cè)量坐標(biāo)表點(diǎn)號(hào)城市坐標(biāo)系盾構(gòu)坐標(biāo)系XYZXYZ切口8707.99520278.091-11.008000盾尾8695.455720271.9302-10.648-13.976

9、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(gòu)姿態(tài)控制如圖6所示，在盾構(gòu)內(nèi)沿盾構(gòu)中心線方向布置3個(gè)小棱鏡（棱鏡的距離盡量長(zhǎng)），在盾構(gòu)內(nèi)的左右部各安裝1塊坡度板，測(cè)量盾構(gòu)的轉(zhuǎn)角和坡度。根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)，用專(zhuān)業(yè)盾構(gòu)測(cè)量軟件計(jì)算出盾構(gòu)切口和盾尾的三維坐標(biāo)，與隧道設(shè)計(jì)中心線進(jìn)行比較，就可得出盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。見(jiàn)圖7。 圖7 盾構(gòu)姿態(tài)示意圖3.3盾構(gòu)測(cè)量軟件簡(jiǎn)介 該軟件結(jié)合

10、目前國(guó)際最先進(jìn)盾構(gòu)測(cè)量技術(shù)，通過(guò)對(duì)日本Robotec系統(tǒng)、法國(guó)Phyxis系統(tǒng)，德國(guó)VMT系統(tǒng)等隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的剖析與研究，結(jié)合國(guó)內(nèi)多條盾構(gòu)法隧道施工測(cè)量技術(shù)研發(fā)而成。該軟件集盾構(gòu)姿態(tài)計(jì)算、管片姿態(tài)計(jì)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(jì)算出盾構(gòu)姿態(tài)、管片姿態(tài)，永遠(yuǎn)地避免了盾構(gòu)推偏的情況發(fā)生。1）、初始化計(jì)算模塊2）、坐標(biāo)計(jì)算模塊3）、測(cè)量數(shù)據(jù)輸入與結(jié)果顯示模塊4）、設(shè)計(jì)軸線自動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù)5）、軸線偏差數(shù)據(jù)表6）、偏差圖表顯示4 管片測(cè)量管片成環(huán)后主要測(cè)量其與隧道設(shè)計(jì)軸線的偏離情況、整圓度、環(huán)面平整度、旋轉(zhuǎn)度等，若這些指標(biāo)不符合要求，特別是對(duì)于特大盾構(gòu)，將會(huì)影響到盾構(gòu)推進(jìn)軸線

11、的控制、后續(xù)管片的拼裝、管片開(kāi)裂等。4.1 管片姿態(tài)測(cè)量管片姿態(tài)測(cè)量是指成環(huán)后的管片中心偏離隧道設(shè)計(jì)軸線的關(guān)系，以及管片的整圓度情況。管片在盾尾內(nèi)部拼裝完成后，根據(jù)測(cè)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(gòu)的關(guān)系，可以求得管片中心的實(shí)際坐標(biāo)和橫豎直徑。同時(shí)測(cè)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(tài)報(bào)表如圖9所示。 圖9 管片姿態(tài)報(bào)表4.2 環(huán)面平整度測(cè)量 同一環(huán)管片在拼裝完成后，面向千斤頂一側(cè)的環(huán)面若不在同一平面上，或不同塊之間有凹凸不平的現(xiàn)象存在，則會(huì)給下一環(huán)的拼裝帶來(lái)困難，甚至?xí)?dǎo)致管片的開(kāi)裂。通過(guò)測(cè)量環(huán)面的平整度，可指導(dǎo)加貼楔子來(lái)糾正環(huán)面，使其平整

12、。當(dāng)全站儀架設(shè)在底部時(shí)，由于受管片拼裝機(jī)及聯(lián)系梁的影響，不能直接進(jìn)行斷面掃描，因此，采用上下架設(shè)2個(gè)站的方法，分別掃描每環(huán)管片的兩端及兩腰，得出它們與儀器照準(zhǔn)面的差值，然后將上下觀測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)系成一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)，最后按照管片環(huán)的坡度換算出環(huán)面的平整度（見(jiàn)圖10）。圖10 環(huán)面平整度測(cè)量4.3 管片整圓度 管片成環(huán)后，必須測(cè)量其整圓度是否符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)后續(xù)管片拼裝進(jìn)行指導(dǎo)，從而保證隧道施工的質(zhì)量。如4.1小節(jié)所述，日常推進(jìn)是通過(guò)測(cè)量盾尾間隙來(lái)求“米”字型的，而盾尾形狀在推進(jìn)中是不斷變化的，因此我們必須經(jīng)常實(shí)測(cè)管片的整圓度與盾尾整圓度之間的關(guān)系，使得盾尾間隙測(cè)量能夠如實(shí)反映管片的整圓

13、度。 4.4管片沉降、收斂變形及旋轉(zhuǎn)度測(cè)量 管片沉降是隧道沉降的直接反映，影響隧道建設(shè)的質(zhì)量；管片旋轉(zhuǎn)度過(guò)大，會(huì)使盾構(gòu)的后續(xù)車(chē)架及路面的鋪設(shè)不平整，影響設(shè)備的運(yùn)行，同時(shí)增加了封頂成環(huán)的拼裝難度。 采取三角高程和普通水準(zhǔn)測(cè)量，均能監(jiān)測(cè)到管片的沉降，它是通過(guò)測(cè)量管片頂部沉降的方式來(lái)完成的。為了監(jiān)測(cè)盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中隧道的沉降變化情況，應(yīng)在隧道管片上設(shè)立一定數(shù)量的隧道沉降觀測(cè)標(biāo)志點(diǎn)，進(jìn)出洞段、連接通道段每環(huán)設(shè)1個(gè)點(diǎn)，正常段推進(jìn)每2環(huán)設(shè)1點(diǎn)（監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在管片頂部）。若遇特殊施工情況則根據(jù)工程需要酌情增加測(cè)點(diǎn)。同時(shí)，為了隧道貫通后的后續(xù)工作，應(yīng)每隔500m布設(shè)一個(gè)永久監(jiān)測(cè)點(diǎn)。測(cè)量方法：采用三角高程測(cè)量和三等

14、水準(zhǔn)測(cè)量相結(jié)合的方法，測(cè)量布設(shè)在管片頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高差變化情況，從而得出隧道的沉降觀測(cè)值。 隧道收斂變形觀測(cè)為了監(jiān)測(cè)盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)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(yīng)在隧道管片上設(shè)立一定數(shù)量的隧道隧道收斂變形監(jiān)測(cè)標(biāo)志點(diǎn)，進(jìn)出洞段、連接通道段每環(huán)設(shè)監(jiān)測(cè)標(biāo)志點(diǎn)，正常段推進(jìn)每隔5環(huán)設(shè)監(jiān)測(cè)標(biāo)志點(diǎn)（監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在管片兩腰及管片頂部）。若遇特殊施工情況則根據(jù)工程需要酌情增加測(cè)點(diǎn)。測(cè)量方法：采用水準(zhǔn)測(cè)量方法，測(cè)量布設(shè)在管片頂部和底部的實(shí)際高程，然后通過(guò)計(jì)算高差得出管片的豎徑。采用對(duì)邊測(cè)量的方法和用測(cè)距儀直接測(cè)量隧道的橫徑。 管片旋轉(zhuǎn)度是指成環(huán)后的管片與設(shè)計(jì)要求相比旋轉(zhuǎn)了一定的角度。用水平尺找到

15、實(shí)際拼裝后的管片中心（在管片頂部預(yù)留設(shè)計(jì)的管片中心）后，量取其與設(shè)計(jì)中心的距離D，即能反映出管片的旋轉(zhuǎn)度（見(jiàn)圖12）。通過(guò)測(cè)量值的大小，以指導(dǎo)施工。圖12 管片旋轉(zhuǎn)度測(cè)量5 貫通測(cè)量及誤差預(yù)計(jì)5.1 貫通測(cè)量為保證隧道后階段盾構(gòu)推進(jìn)貫通，應(yīng)在貫通前進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的貫通測(cè)量。其內(nèi)容應(yīng)包括：地面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)、接收井門(mén)洞中心位置測(cè)定、豎井聯(lián)系測(cè)量和井下導(dǎo)線測(cè)量。其中利用坐標(biāo)法測(cè)定洞門(mén)中心，其它幾項(xiàng)采用方法與前幾節(jié)相同。最后，為了確保盾構(gòu)順利進(jìn)洞，建議在盾構(gòu)機(jī)上岸后距離貫通面500600m左右對(duì)隧道進(jìn)行垂直鉆孔，并用聯(lián)系測(cè)量的方法對(duì)地下平面和高程控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，并采用本次測(cè)量的成果指導(dǎo)貫通。5.2貫通誤差預(yù)計(jì)

16、 橫向誤差分配及精度分析洞內(nèi)橫向中誤差精度公式：m (洞內(nèi))= （mL/）（n+3）/12 按照m=0.7，L=1.5km，=206265，n=8計(jì)算，得出m(洞內(nèi)) = 11mm由于洞內(nèi)是布設(shè)兩條平行導(dǎo)線，同時(shí)在旁通道將兩條隧道的四條單導(dǎo)線相連接，則根據(jù)誤差傳播理論雙平行導(dǎo)線比單導(dǎo)線在精度上至少提高了3倍，即m(內(nèi))= m(洞內(nèi))/ 3=19mm。預(yù)計(jì)洞外控制網(wǎng)點(diǎn)對(duì)橫向貫通影響的中誤差為：m(外) = 5mm,則根據(jù)下式： m (總) = m (內(nèi))+ m (外) 得：m(總)= 13mm取雙倍中誤差26mm為貫通限差，則滿足隧道測(cè)量規(guī)范中貫通誤差小于100mm的要求。 高程控制測(cè)量在貫通面

17、上的誤差預(yù)計(jì)根據(jù)誤差公式 mh = mL，其中L取1.5km，m=1mm。則 mh（洞內(nèi)）=2.74mm ,而洞外高程控制測(cè)量中誤差根據(jù)預(yù)計(jì)mh（洞外）=5mm。則在貫通面上高程總中誤差為： mh（總）= mh（洞內(nèi)）+ mh（洞外）即mh（總）=5.70 mm，取雙倍中誤差為限差11.4mm ,遠(yuǎn)小于規(guī)范要求。6 竣工測(cè)量隧道推進(jìn)過(guò)程中，隨著隧道趨于穩(wěn)定，必須進(jìn)行竣工測(cè)量。測(cè)量方法采用6m長(zhǎng)水平尺找出隧道中心，然后測(cè)量其平面偏差和高程偏差。同時(shí)測(cè)量隧道的橫豎直徑。如下表：7 結(jié)語(yǔ)由于本隧道采用的特大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工，其測(cè)量控制的難度及要求的精度均高于一般地鐵盾構(gòu)。通過(guò)上述的測(cè)量手段，必將成功地為盾構(gòu)順利穿越黃浦江提供了施工保障。