地铁盾构施工中的若干测量手段及方法.pdf

文章编号 049420911 2001 0120023203中图分类号 TB22 文献标识码 B 地铁盾构施工中的若干测量手段及方法 潘国荣 王穗辉 同济大学 测量与国土信息工程系 上海200092 Research on SurveyingM ethods in Subway Construction PAN Guo2rong WANG Sui2hui 摘要 结合上海地铁2号线4个区间段的隧道轴线贯通测量的实际工程项目 阐述了隧道施工中地下测量工作所遇到的若干问题 及其解决办法 关键词 地铁 隧道 盾构 收稿日期 2000201217 一 引 言 随着我国城市建设L的发展 为彻底解决城市交通拥挤 的状况 我国率先在北京 天津 上海 广州4大城市进行了 地铁建设 以往城市建设的交通工程一般都位于地面 对勘 测设计的要求也不高 而地铁工程的特点是建于地下 这就 对勘测设计提出了更高的要求 传统的作业方法已不能满足 地铁工程高速 优质 准确的要求 为使测量技术更好地为地 下线性工程勘测服务 需要针对地下线性工程的特点进行相 应的研究 本文主要是以上海地铁2号线4个区间隧道的贯通测 量项目为背景 围绕地铁隧道施工中地下测量工作所遇到的 若干问题进行探讨 并阐述其解决办法 二 如何提高地下导线的精度 隧道贯通测量中的地下导线是一条支导线 这条导线是 指示盾构的推进方向 它必须是十分准确的 对此 我们在测 量定向过程中 布设了交叉导线 在每设置一个新的导线点 时 均由2条交叉导线测得其坐标 当检核无误后 取其平均 值作为新点的测量数据 隧道在曲线部分时 可以跳站 隔一个或几个测站 观 测 构成跳点导线 如图1 当隧道在直线部分时 应在每个 吊篮上安置2个观测台 形成左右2条导线 最后在新点处 交会 它不但能使测量数据有足够可靠性 还可以提高导线 的精度 图1 跳点导线 导线点通常建在管片顶部或侧面的仪器台上 仪器采用 强制归心 测量人员可在吊篮或走道板上观测并与仪器台完 全分离 从而确保仪器的稳定性 如图2 图2 在地下导线中 测角对横向贯通误差的影响 按等边支 导线计算 其横向误差为 mQ m L n 1 5 3 设m 2 L 1 km n 18 则mQ为 24 7 mm 边长误差对贯通误差的影响 对曲线隧道 其边长误差 不但影响其纵向误差 还影响其横向误差 如图3所示 经推 导 u s s 2 n i 1 y 2 i 此式是边长误差对横向贯通误差的影响 它说明 1 当 y较大时 影响就较大 直伸导线 y 0 故无影 响 2 如果半径较大 曲线较短时 则各边 y近似相等 这 时 u s s yn sn n y ns sn q L 一般q L为1 7 1 3 设 s 3mm n 18 q L 1 5 则 u为 2 5 mm 根据以上分析 贯通误差主要由角度测量误差引起 而 边长误差对其影响很小 图3 三 盾构姿态的定位测量 盾构姿态定位主要就是依据地下导线点来精确确定盾 构掘进的方向和位置 322001年 第1期 测 绘 通 报 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 对盾构机姿态定位采取以下方法和措施 1 在盾构机顶部中心轴线上 固定一水平前尺和水平 后尺 并量取距离 以控制盾构横向偏差 如图 4 图4 盾构推进方向中心轴左方水平尺刻划为红色 右方刻划 黑色注记 仪器拨角指向水平红色 读数为 黑色读数为 2 在水平后尺中心固定一根水准尺 尺底指向盾构中 心3 130m处引测中心高程 3 根据几何原理 导出下列计算公式 1 平面部分 盾构机自身转角改正 e 前尺 2 475 sin 后尺 2 640 sin 其中 为转角 右转为负号 左转为正号 设计轴线与推进轴线不平行偏差计算 见图 5 图5 切口偏差 x 2 605 a b a e 尾部偏差 y 2 648 a b b e 2 高程部分 令坡度为i 与设计值差为 切口 4 012i h 盾尾 2 538i h 上式 仰为 俯为 h r rcos 为盾构转角 引起 竖直标尺位置改变的改正数 根据该推算公式 控制好盾构机切口和盾尾的平面及高 程偏差 推进后每一环管片的偏差必将控制在精度范围之内 四 隧道中心坐标测定方法 隧道中心坐标的测量方法 其难度并不很高 但较复杂 如图 6 a 所示是隧道瓦形环衬砌洞壁 环中心在洞壁上没 有明显标志 所以测量方法通常是测定一个圆周上若干点的 坐标 然后按最小二乘拟合的方法计算环的椭圆度和环中心 坐标 观测时 仪器是安置在地下导线点上 以特制的棱镜安 放在洞壁圆周各点上 每点测定3维坐标 拟合计算是按一 般的闭合曲线方程进行的 图6 在上海地铁2号线中 我们提出一种简便的方法 经过 实际使用 其效果很好 与采用上面方法结果的差异均在 10 mm以内 具体为 1 环片中心平面位置确定 中心点的确定方法是将一 根 5m 长的精制铝合金尺横在隧道环两侧 并借助以水准器 使标杆置于水平位置 这时标杆中央的标志就是环片的中 央 如图 6 b 再用全站仪瞄准其中心位置 从而测得坐标 2 环片中心标高确定 用一根 5m 长的塔尺 置于环片 的上 下的中央 最大读数处 位置上 用水准尺的水平丝读 取上 下尺的读数 将读数相加便得到竖径 通过将各环的 底部高程加上竖径一半 算得各环的高程 五 在曲线上顾及超高 超距影响的隧道中心 坐标计算方法 在盾构推进过程中 我们要测定盾构中心的位置以纠正 盾构定位的姿态 值得指出的是 隧道中心的设计坐标在直 线上很容易计算 而在弯道上的计算不同于地面上曲线的计 算方法 在细部曲线放样中 由于存在超高h和超距e 这时 就存在设计曲线与施工曲线不一致的情况 如图 7 a 因为 设计曲线指的是隧道内铺设轨道中心的曲线 即如图 7 b 中实线部分中心的轨迹 而施工是要确定隧道中心的曲线即 盾构推进的曲线 即如图 7 b 中虚线部分中心的轨迹 盾构 推进曲线圆心与设计曲线圆心重合 在缓和曲线上超距逐渐 增大或减小 而在直线上超距为零 图7 超高h超距e示意图 计算表明 当超高h 0 120m时 则超距e 0 149m 隧道中心曲线的曲率半径应按R R e来计算各点坐标 在盾构推进过程中针对考虑超距影响的曲线设计坐标 计算 我们推出了如下的计算公式 1 在缓和曲线上任意一点坐标的计算 见图 8 图8 曲线上任一点坐标计算示意图 先算该点切线支距法的坐标 x l l5 40R 2l2 0 e l l0 sin l2 2R l0 y l3 6R l0 e l l0 cos l2 2R l0 式中 l0为缓和曲线长 l为以ZH点起算的弧长 接着进行坐标转换 42 测 绘 通 报 2001年 第1期 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved X XZH xcos ysin Y YZH xsin ycos 在起始位置时 A 在终端时 A 且XZH XH Z YZH YH Z 2 圆曲线上任意一点坐标的计算 圆心坐标 X0 Y0 计 算 C A 2 X0 XQZ R cosC Y0 YQZ R sinC 式中 XQZ YQZ 为曲中点坐标 R R e 圆心至H Y点的方位角B为 B C 2 0 2 A 0 3 2 若任意点距起点 H Y 的弧长为L 则圆上任一点的坐标为 X X0 R cos B L R Y Y0 R sin B L R 六 结束语 1 针对地铁隧道中布设的地下导线 导线点的坐标和 方位角是按支导线方法测定的 所谓支导线就是没有检核的 自由导线 没有检核的测量数据在隧道施工中是不许可的 就是说在施工中每个数据都应是十分可靠 此外 本文还探 讨如何来提高地下导线的精度 具体措施有 采用交叉导 线或双导线点方法 对地下导线测量 论证了边长误差对 其横向贯通影响很小 主要误差来自于地下导线的测角误 差 并作了估算以得到控制 2 盾构姿态的定位 给出了具体的办法和措施 分析所 有的影响因素 并逐一加以改正 以使该项误差得到控制 3 针对地铁隧道竣工测量中需大量测定隧道中心的坐 标 提出使用简便的 水平标杆法 从而大大减少了工作量 并保证精度 解决了实际问题 4 针对隧道施工中 设计曲线 与 隧道中心曲线 在曲 线段中存在超高和超距的问题 推导了施工中所需要隧道中 心曲线的分段计算公式 并编程实现批量计算 从而解决了 施工中的实际问题 实践证明 经以上分析和研究所采取的相应技术措施是 有效的 为今后的地铁隧道贯通测量提供和积累了经验 参考文献 1 吴翼麟 孔祥元 特种精密工程测量 M 北京 测绘出版社 1993 2 王兆祥 等 铁路工程测量 M 北京 测绘出版社 1988 3 潘国荣 等 地铁隧道盾构掘进的定向与贯通 J 铁路航测 1997 2 4 潘国荣 大型设备安装测量的精密定位 J 测绘通报 1993 4 上接第8页 表2 实验结果 序号由式 19 计算的最终结果 m 由式 20 计算的最终结果 m已知值 m气象条件 1786 542 4786 544786 541t 27 P 756 mmHg e 1 000 Pa 21 675 261 61 675 2691 675 264t 4 P 755mmHg e 2 000 Pa 32 443 765 82 443 7752 443 768t 31 P 764 mmHg e 1 500 Pa 注 1 mmHg 133 322 4 Pa 从表中可以看出 由式 19 并加改正之后的结果与已知 值最大互差为 2 4 mm 而由式 20 计算改正之后的结果与 已知值最大互差为5 mm 这说明本文提出的方法优于现在 使用的公式 是可行有效的 本文从空气折射率是其各成分迭加结果出发 导出空气 折射率计算公式 并给出EDM测距气象改正公式 实验证明 该方法是可行的 参考文献 1 杨德麟 等 红外测距仪原理及检测 M 第二版 北京 测绘出 版社 1995 3392348 2 C I DDOR P E Refractive Index of A ir New Equations for the V isible and Near Infrared J Applied Optics 1996 35 9 1 56621 573 3 OW ENS J C Optical Refractive Index of A ir Dependence on Pressure Temperature and Composition J Applied Optics 1967 6 1 51259 4 B IRCH K P DOWNSM J An Updated Edlen Equation for the Refractive Index of A ir J M etrologia 1993 30 1552162 5 B IRCH K P DOWNS