无定向导线在盾构控制测量中的应用

无定向导线在水利隧洞盾构法施工测量中的应用中国铁建十六局集团 王绍锋摘要: 以南水北调工程北京市配套南干渠工程盾构段的始发井联系测量、隧洞内控制测量为实例，采用无定向导线测量方法对盾构始发井联系测量、隧洞内控制点测量，通过与其他测量方法进行比较分析，得出了一些有益的结论仅供广大同行参考。 关键词：无定向导线 盾构施工 联系测量 洞内导线测量 Application of Non-directional Wire in Water Conservancy Tunnel Shield Method Construction MeasurementWANG Shao-feng(China Railway 16th Bureau Group Co, Beijing 100018 ,China) Abstract: Connection survey and tunnel internal control survey of starting well in Beijing supporting south canal project shield section South-to-North water diversion project are adopted as examples Non-directional wire measurement method is adopted for connection survey and tunnel internal control survey of staring well.Some beneficial concluaions are obtained for peers as reference by comparative analysis with other survey methods.Keywords: non-directional wire ; shied construction ; connection survey ; wire measurement in tunnel 南水北调工程“功在当代利在千秋”目前干线工程已经接近尾声，为了使南水北调来水得以充分、稳定、有效的利用，根据南水北调中线总干渠来水及工程布置，北京市进行了市内调蓄工程、输水工程、新建改建水厂等一系列市内配套工程的建设。南干渠工程是北京市南水北调配套工程总体规划中的一项，是南水北调引水进京后北京市内主要配套工程之一。南干渠工程位于北京市南部，全长27.26公里，其中下游段全部采用盾构法施工。在进行水利盾构的施工测量时，主要控制好两个方面：第一是通过始发竖井提供工作面进行施工控制测量，始发井联系测量（平面）的目的就是将地面控制网的坐标和方位按要求精度准确地传递给地下盾构施工控制导线（或施工导线），为施工提供控制依据；第二是是在盾构掘进过程中隧洞内控制点的布设与复核。笔者根据南水北调配套北京市南干渠工程第十标段，应用无定向导线测量方法，对盾构施工过程中的联系测量、隧洞内导线控制测量进行经验介绍，并与其它方法进行分析比较，为今后的地下盾构隧洞施工建设提供一些参考经验。一 本工程特点南水北调配套北京市南干渠工程第十标段，起点里程14+369.040，终点里程18+574.040，全线长4205米，其中4条曲线，曲线总长度占全线高达38%的比例。本段输水管线施工采用盾构法，其中主要包括输水隧洞工程，1座盾构始发兼接收井、5座排气阀井、1座排空井。本工程施工测量的主要难点是，施工区间长、要7次穿越结构物、曲线所占比例高（如下图一）。结合本工程的特点难点我们应用无定向导线测量方法对盾构施工进行控制测量，取得了良好的效果。图一 南干渠十标平面布置及控制点位置图二 无定向导线的特点及及计算方法1、无定向导线的概念无定向导线是没有方向检核的导线，即为从一条已知边出发而闭合到一个已知点上，但有时在导线的一端只有一个已知点，没有定向点，另一端也可能是一个点。这种导线就不能用常规的计算方法来推算坐标，因为起算时没有定向点，所以称为无定向导线。 2、无定向导线的计算方法A 点和 B点 为已知的高级控制点，A-B的方位为角 T，通过A、B坐标反算边长为 L，Pi( i = 1 n) A点和B点是无定向导线控制点，i( i = 1 n) 为无定向导线中间点实际测量左角，Si( i =1 n + 1) 为实际测量边长。（如下图二） 为无定向单导线示意图。图二 无定向导线示意图 1) 方法一： 计算时，先假定起始边 A P1的方位角为a，依观测值Si和i，推导求出B的假定坐标，由A点的坐标和B点的假定坐标，计算得到闭合边A B的假定边长和假定方位角 L 和 T。根据闭合边 A B 的真、假边长和真、假定方位角，可以计算边长比 R 和方位角较差值T，其中R = L/L，T = T T。然后按R 及T 改正导线各边的边长和方位角，用改正后的方位角及边长计算各边的坐标增量，最后推算各点的坐标。 2) 方法二： 依观测值 Si和 i推导求出各导线边在A P1方向的投影长度总和 S，并按 = arccos( S/L)计算连接角的近似值。根据 ，Si和 i可以计算各导线点近似坐标。可以组成闭合边方程式按照条件平差法进行平差，依照平差后的 Si和 i计算精确的连接角值。也可以根据已知点 B 相对于 A 的坐标增量，以及沿Pi测点路线求得的坐标增量和的闭合关系调整计算各测点的坐标，然后再计算精确的连接角值 。 无论那种方法，都是依边长闭合作为无定向导线计算的唯一检验。现在常用的平差软件大都具有无定向导线平差功能。3、无定向导线特点单条无定向导线因相对多余观测数太少，尤其是缺少导线的横向控制，对角度观测缺少检核，无定向导线较之两端有起始方位角的导线点位误差会有所增大，且增大的主要为横向误差。由于没有方向检核精度比附合导线要低，闭合到一个已知点上只有一个坐标检核条件，但比支导线精度要高。三 无定向导向在本工程中的应用1、应用无定向导线进行联系测量1）控制点概况 本工程进场时设计单位交给我施工单位6个D级GPS控制点，其中NG09、NG10点为南干渠第九标段控制点，NG11、NG12点为我标段范围内控制点，NG13、NG14为南干渠第十一标段控制点。我标段首先对三组控制点进行复测，复测结果如下表：GPS原始控制点实测结果控制点号反算高差实测高差差值反算边长实测边长差值NG09-NG101.257 1.25708-0.00008 218.720 218.735-0.015 NG11-NG120.230 0.23615-0.00615 205.968 205.9670.001 NG13-NG143.045 3.0396950.00530 214.862 214.863-0.001 考虑GPS控制点等级较低，我们采用徕卡ATX1230GG静态GNSS三台，仪器标称精度为平面精度：3mm+0.5ppm；高程精度： 6+0.5ppm。仪器检定结果：48406静态测量精度Ms=2.8mm；48407静态测量精度Ms=2.5mm；48408静态测量精度Ms=2.2mm。测量设备均满足全球定位系统（GPS）测量规范D等要求。测量过程按照全球定位系统（GPS）测量规范D等要求，采用点连式观测方法进行。每三个点共同观测时间均不小于45分钟，有效观测卫星个数均大于5颗，卫星观测截止角大于15度。采用徕卡LGO平差软件进行计算，坐标成果如下表：南干渠十标平面控制加密点坐标表点号点类别东坐标(Y)北坐标(X)正高平面精度高程精度平面+高程精度A01加密点499072.2408 290100.5135 49.5662 0.0012 0.0021 0.0024 A02加密点499353.4881 290096.0723 45.0655 0.0016 0.0030 0.0034 A03加密点499742.9389 290067.4716 42.9738 0.0025 0.0035 0.0043 A04加密点500031.8431 290046.3393 42.9511 0.0027 0.0034 0.0044 A05加密点500300.8135 290026.5880 46.7146 0.0027 0.0033 0.0043 A06加密点500510.2808 290011.2748 45.7975 0.0028 0.0032 0.0042 A07加密点500867.5033 289966.0860 41.3288 0.0028 0.0029 0.0040 A08加密点501084.9207 289869.2103 41.3352 0.0027 0.0032 0.0042 A10加密点501332.0237 289596.1968 41.5903 0.0024 0.0033 0.0041 A11加密点501396.8991 289408.2552 45.6403 0.0023 0.0032 0.0040 A12加密点501436.4868 289208.7528 46.0976 0.0021 0.0031 0.0038 A13加密点501488.5822 288863.0360 43.8739 0.0019 0.0030 0.0035 A14加密点501538.9305 288602.5743 45.1594 0.0018 0.0027 0.0032 A15加密点501601.4682 288293.6433 45.6036 0.0014 0.0021 0.0025 A16加密点501739.6222 288030.8728 39.3024 0.0021 0.0027 0.0034 A18加密点502385.5133 287852.4853 36.9563 0.0022 0.0034 0.0041 A19加密点502653.8823 287942.9749 38.0761 0.0023 0.0034 0.0041 A20加密点502952.5898 288032.9188 37.5975 0.0022 0.0032 0.0039 A21加密点503343.1306 288151.0241 38.2077 0.0022 0.0028 0.0035 NG09控制点496496.7760 290297.1350 45.0420 0.0059 0.0088 0.0106 NG10控制点496417.3400 290093.3500 43.7850 0.0060 0.0088 0.0107 NG11控制点501331.9460 289342.5700 39.2990 0.0055 0.0085 0.0101 NG12控制点501537.1680 289325.0520 39.0690 0.0056 0.0086 0.0103 NG13控制点503851.8890 288186.2730 32.7700 0.0061 0.0089 0.0108 NG14控制点503845.4070 287971.5090 35.8150 0.0061 0.0089 0.0107 以上成果满足D等GPS控制要求。2）无定向导线联系测量将地上控制测量引测到始发井下以及盾构始发控制点，首先用吊钢丝的方式将地面控制传递至井下，通过地上测量可计算出钢丝的实际坐标，同时将井下两根钢丝贴上放射片，将其中的一根钢丝作为无定向导线的起点，将另外一根钢丝作为作为无定向导线的终点，然后采用无定向导线测量方法进行盾构始发控制点的测量。测量顺序（如下图三）：图三 盾构始发井应用无定向导线联系测量示意图观测过程分为井上和井下两个组同时进行：（1）井上组： 在A-19架设仪器后视A-19-观测D-1、D-2点-在W1架设仪器-后视D-1、D-2-观测W2点-最终附合到A-18/A-19点（2）井下组： 在Z1点架设仪器后视D-2-观测Z2点-在Z2点架设仪器后视Z1点-观测Zn点-依次架设仪器Zn点、X1点观测-最终架设仪器X2点后视X1点-观测D-1点两个观测组分别采用徕卡1秒全站仪进行观测，虽然观测条件满足不了四等导线要求，但是我们按照高于四等导线要求进行观测，测角测回数为6个测回，测距为往返各3次。通过南方测绘平差易对观测数据进行平差计算，具体解算过程本文就不再赘述。2、无定向导线在隧洞内控制测量中的应用 前面我们提过，盾构施工过程中要7次穿越结构物，这样既给我们增加了难度也给我们提供导线附和的条件。在盾构穿过之后，管片变形监测已经稳定，我们在此结构物位置悬吊钢丝，以此钢丝为无定向导线的终点进行复核洞内导线控制点。（如下图四）：图四 应用无定向导线复核隧洞内控制点观测过程分两步进行，第一步是在盾构穿越排气井后，管片监测已经稳定，先完成由A-18至Zn点的测量工作，也可直接利用原联系测量成果直接按支导线测量至Zn点；第二步分成两个观测组地面组与洞内组同时进行，地面组由A-16测量至D-3点，洞内组由Zn点测至悬吊钢丝（D-3 点）测量过程按四等导线要求进行观测。这样就形成了由D-1点至D-3点的无定向导线测量过程，通过南方平差易软件对观测数据进行平差计算，得到Z3、Z4的无定向导线数据。原Z3、Z4点数据为支导线观测成果，其精度等级低于无定向导线精度，所以将Z3、Z4点坐标数据调整为本次无定向导线测量成果。以此成果为基准继续向掘进方向控制盾构的导向系统。利用无定向导线测量方法，本项目在7次穿越排气井过程中，我们共完成5次洞内控制导线复核过程，取得了很好的效果，穿越偏差如下表：盾构穿越偏差统计表穿越排气井号里程钢环中心坐标(m)盾构机刀盘中心坐标(m)偏差值(mm)XYXYXY29号排气井18+174.040287784.789 501971.229 287784.797 501971.218 8-1128号排气井17+306.040288474.470 501509.791 288474.475 501509.800 5927号排气井16+581.040289188.707 501385.326 289188.699 501385.341 -8154号排空井16+214.040289543.473 501299.952 289543.484 501299.957 11525号排气井15+494.040289859.546 500695.009 289859.542 500695.001 -4-824号排气井15+241.040289877.213 500442.628 289877.226 500442.622 13-62号盾构接收井14+369.040289938.081 499572.755 289938.089 499