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  文章来源: 《工程勘察》原作者:郝亚东 赵杰

技术前沿

沈阳地铁二号线盾构施工测量

来源: 作者: 发布时间: 2012-10-11

摘   要】结合沈阳地铁二号线施工实例,探讨盾构施工中不同阶段的测量方法,根据盾构机的结构、姿态、定位特点,结合现代工程测量新技术,从理论和方法上对盾构施工测量进行深入研究并采取有效测量措施,保证盾构以正确姿态按设计要求掘进。
关键词】地铁;盾构;施工测量
 
前言
      城市地铁已成为大城市现代化交通工具,世界各大城市和我国主要城市正在积极规划和筹建城市地铁。地铁是一个综合体,建设一条高质量的地铁,需由多学科综合技术构成,除了高标准的设计、先进的施工设备、工艺、材料外,主要还取决于施工的精度,所以有效合理的测量措施是实现高标准设计和施工精度的保障。盾构施工以其独特的施工工艺特点和较高的技术经济优越性,在隧道施工中得到广泛采用。盾构法与传统地铁隧道施工方法相比较,具有地面作业少、对周围环境影响小、自动化程度高、施工速度快等优点。随着长距离、大直径、大埋深、复杂断面盾构施工技术的发展、成熟,盾构施工方法越来越受到重视和青睐,逐步成为地铁隧道的主要施工方法,与盾构施工相伴而生的盾构施工测量,盾构施工测量不仅要保障盾构机沿着隧道设计轴线运行,还要随时提供盾构机掘进的瞬时位置。
      沈阳地铁二号线包括沈阳歧山路站~沈阳北站站区间的左、右线隧道以及连接左右线隧道的联络通道。区间线路自歧山路沿北陵大街由北向南至北京街。线路在竖向为“人”字形坡,线间距最小为12m,线路最大坡度为-6‰。隧道断面均为标准的单线单洞区间隧道,平面分别为R=350m及R=800m带有圆曲线的缓和曲线,盾构法施工。本文根据沈阳地铁二号线盾构法施工的实例,结合现代工程测量新技术,从理论和方法上研究盾构隧道测量的方法、特点。
1、盾构施工前测量
1.1平面控制点复测
      平面控制点复测是对地铁施工沿线路方向测设的精密导线进行检验测量。平面控制点在使用前必须进行复测,平面控制点复测按精密导线技术要求进行施测。
1.2高程控制点复测
      高程控制点复测按精密水准方法进行。观测方法:奇数站上为后—前—前—后;偶数站上为前—后—后—前。主要技术要求:每千米高差中数偶然中误差≤±2mm;每千米高差中数全中误差≤±4mm;观测次数为往返测各1次。
2、盾构施工中测量
2.1盾构机始发测量
      盾构机始发位置测量。在完成盾构机组装后,利用导线点和水准点对盾构机的切口及盾尾进行测量,准确测出切口和盾尾中心的三维坐标。采用坐标放样法精确放样出盾构机始发的位置和导轨的位置;严格按照规范要求对盾构机始发的安装摆放进行施工指导。
      采用四等水准测量的方法精确放样出导轨的安装高程和盾构机的高程,以保证盾构机能够顺利进入设计的预留洞口。
      测量过程中严格遵循测量规范要求,测三次,并取其平均值为最终结果。平面坐标测量纵横坐标误差小于3mm,高程误差小于3mm。
2.2反力架位置确定测量
      盾构机组装结束到达指定位置后,应进行反力架的定位与安装,经内业资料进行反力架位置计算后,采用极坐标法在施工现场实地放样出反力架左右立柱的准确位置,放样精度控制在3mm之内。
      盾构机初始状态主要决定于始发托架和反力架的安装,因此始发托架的定位在整个盾构施工测量过程中显得格外重要。盾构机在曲线段始发方式通常有两种,切线始发和割线始发,两种始发方式示意图见图1。

      始发托架的高程要比设计提高约1~5cm,以消除盾构机入洞后“栽头”的影响。反力架的安装位置由始发托架来决定,反力架的支撑面要与隧道的中心轴线的法线平行,其倾角要与线路坡度保持一致。
2.3导向系统仪器站点和后视点点位测量
      导向系统采用吊篮的方式固定于车站中板顶部或衬砌管片上方(布置如图2所示),采用强制对中点位,利用地下加密导线点和水准点进行测设,其测量方法和精度要求严格遵循控制网加密点各项指标要求。导向系统采用全自动全站仪配合掘进管理系统实时测量盾构机在掘进过程中的瞬时姿态,测量时间间隔为2min。在掘进过程中随盾构掘进的长度增加,不断更换仪器站点点位(具体更换频率结合施工要求和曲线转弯半径,大概为曲线段50环/次,直线段80环/次)。更换时采用自动测量系统自测,人工测量复测的方式,增强仪器点位的准确性和精度要求。具体的导向仪器站点和后视点点位剖面图如图2所示。

2.4盾构姿态测量
      在盾构施工的过程中,为了保证导向系统的正确性和可靠性,在盾构机掘进一定的长度之后,应通过洞内的独立导线检测盾构机的姿态,即进行盾构姿态的人工检测。
2.4.1盾构姿态的计算
      盾构机作为一个近似的圆柱体,在开挖掘进过程中不能直接测量其刀盘的中心坐标,只能用间接法来推算出刀盘中心的坐标。如图3所示,A点是盾构机刀盘中心,E是盾构机盾体断面的中心点,即AE连线为盾构机的中心轴线,由A、B、C、D、四点构成一个四面体,测量出B、C、D三个角点的三维坐标(xi,yi,zi),根据三个点的三维坐标(xi,yi,zi)分别计算出LAB,LAC,LAD,LBC,LBD,LCD,四面体中的六条边长,作为以后计算的初始值,在盾构机掘进过程中Li是不变的常量,通过对B、C、D三点的三维坐标测量来计算出A点的三维坐标。同理,B、C、D、E四点也构成一个四面体,相应地求得E点的三维坐标。由A、E两点的三维坐标就能计算出盾构机刀盘中心的水平偏航、垂直偏航,由B、C、D三点的三维坐标就能确定盾构机的仰俯角和滚动角,从而达到检测盾构机姿态的目的。

2.4.2盾构姿态自动测量系统
      盾构姿态测量是实时测量盾构机的现有状态,及时指导盾构机纠偏。由于区间隧道线路施工工期较紧,测量任务繁重,若采用以前人工测量盾构瞬时状态,将给测量工作带来相当大的压力;盾构测量要求精度高,不出错,还必须速度快,对掘进工作面交叉影响要尽可能小。为此,盾构机配置了盾构姿态自动测量系统,在确保精度符合要求的前提下,快速、准确、实时地给出盾构机空间位置与方位姿态。
      图4是盾构姿态自动测量系统界面。盾构姿态自动测量须先输入所有管片中心坐标或隧道线形,经过系统处理后可在显示屏上显示实时盾构姿态。

      实时姿态主要参数:
      切口偏差—水平/垂直(mm)
      盾尾偏差—水平/垂直(mm)
      方向偏差—角度值(°)
      转角—角度值(°)
      坡度差—角度值(‰)
      虽然盾构机配有自动测量系统,但在实际施工过程中,还需要做好人工测量工作,经常对自动测量成果进行校核,确保自动测量系统的准确性。
2.4.3盾构掘进实时姿态测量精度要求
      盾构姿态测量主要内容包括横向偏差、竖向偏差、俯仰角、方位角、滚转角和切口里程。盾构姿态的计算精度满足表1要求。

2.5隧道管片的法面测量及姿态测量
2.5.1隧道管片的法面测量
      区间使用的土压平衡盾构机内径为6150mm,管片外径为6000mm,即盾构机内径与管片外径间有75mm的间隙。法面测量不准或测量不及时,会出现管片安装困难、管片破碎、管片错缝的现象。因此管片的法面测量也非常重要。管片的上下法面(俯仰度)相对好测一些,可利用吊线锤的方法来解决;左右法面的测量可用反射片测出该环管片左右两边对称点坐标并计算出其实际方位角,与理论方位角比较,计算出左右法面的偏差。另外,隧道平面曲线的特征点和隧道的纵断面的变坡点是管片法面测量的重点。
2.5.2管片姿态测量(即“倒九环”测量)
      “倒九环”测量即是测量当班施工最终环号(包括该环)后九环的上下、左右偏差。通常用带水平气泡的5m长尺来测管片的左右偏差,左右偏差测量的方法是把5m长尺水平放置在所测环的大里程,把经纬仪对准后视水平度盘置零,然后瞄准长尺,把水平度盘拨至根据事先计算好的理论角度,直接读出水平尺上的数值,即是该环的左右偏差。若读数在水平尺中心右侧,则说明隧道偏左,反之则偏右。上下偏差测量的方法是放一水准尺于所测环的大里程的底部,根据隧道内的高程控制点测出该环大里程的高程,通过与设计高程比较得出该环管片的上下偏差。通过测量此偏差,可以反映出管片的错缝情况、管片在盾构机内和出盾尾后的变化情况以及管片最近两天的偏差变化情况。以便于及时调整注浆、推进速度等施工参数。管片姿态测量频率为2次/天,在特殊情况下加大测量频率,及时为盾构施工提供准确及时的指导依据。具体的倒九环测量和计算方法见表2。

      在日常测量中,测出左长Z1、右长Y1、距离L1和盾尾间隙J1、J2、J3、J4,另外设计坡度也是已知的,表2中的其他数据都由此计算出来。
      通过计算,得到的实际坡度、左长、上长就是和设计数据比较的值,通过检验差值是否超过规范要求的限差,就可以检验出平面上的实际挖掘情况是否符合要求。
3、通过AutoCAD作图法求盾构姿态探讨
      通过几何解算盾构姿态方法的缺点是在内业计算时,如果用人工手算,其工作量相当大,而且难免出错,因此在进行解算时,可利用AutoCAD进行作图求解,相对于用几何方法解算,速度要快很多,其操作过程如下。

      如图5所示,首先是把隧道中心线(三维坐标)通过建立CAD脚本文件输入CAD中,这个工作一个工地只要做一次。然后是把所测参考点1、10、21的坐标(三维)输入到CAD里面。分别以1、10、21为球心,以1、10、21到前点的距离为半径画球,求三个球的交集。用鼠标左键点击交集后的体,就可以找到两个端点,这两个端点到1、10、21的距离就分别等于1、10、21到前点的距离。然后根据盾构掘进的方向,舍去其中一个点。同样方法把后点在CAD里画出来。由于后点通过求交集的方法求出的两个端点距离很近,通过盾构机的掘进方向很难判断,于是通过前点到后点的距离来判断。画出前后点的位置后,通过前后点向隧道中线做垂线,通过测量垂线在水平和垂直方向上偏离值来求解盾构机前后点的姿态。盾构机的坡度=(Z-Z)/L×100%(L为盾体前后参考点连线长度)。根据测量平差理论可知,实际测量时,需要观测至少4个点位以上,观测的参考点越多,多余观测就越多,因此计算的精度就越高。比较VMT导向系统测得的盾构姿态值和人工检测的盾构姿态值,其精度基本上能达到±5mm之内。
4、结束语
      由于盾构机的VMT导向系统必须有控制测量的支持才能运作,所以控制测量是盾构隧道测量的基础。为了保证隧道的顺利贯通,首先要做好控制测量,然后是保证导向系统的正常运行,定期对盾构姿态进行人工检测,保证导向系统的正确可靠。加强管环姿态检测,及时发现管环的位移趋势,防止管环安装侵限,加强管环姿态检测的同时也是对导向系统的复核。
 
参考文献
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[2]李峰.工程测量[M].北京:中国电力出版社,2006.
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[5]铁建设[2006]189号.客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定[S].
 

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