超大直径盾构隧道管片姿态测量 - 副本

超大直径盾构隧道管片姿态测量

南京长江隧道第一项目部 王维鹏

摘要：本文通过超大直径盾构施工中管片姿态测量的实践，总结了在该类盾构施工测量中管片姿态的测量操作方法，并对其操作流程和原理进行了讨论，得出了该方法的计算方法。 关键字：管片姿态 测量 超大直径盾构

近年来随着盾构技术的逐步成熟，以及我国经济的快速发展，我国各大城市相继开始修建地铁隧道，与此同时，国内也已经成功完成了几条越江地铁、公路隧道的施工。在这些盾构工程的施工测量中，有一个重要的部分就是盾构机的导向，成型隧道线路的准确程度很大程度上取决于导向系统的准确性。为此，检查导向系统的准确性就尤为重要，除了精准的导线及水准控制测量以外，及时的对盾构成型隧道管片姿态的测量，是一个非常有效的检查盾构机导向系统精准性的手段。

我们接下来以南京长江隧道的施工测量为例，对常见的小型地铁隧道的管片姿态的测量方法进行讨论，并据此整理出测量超大型盾构隧道管片姿态的方法。

1、小直径盾构施工中管片姿态的测量

在小型地铁盾构隧道的施工中，对盾构管环的空间姿态的测量方法一般采用长度3-4 m 不等的铝合金管尺搭配水平尺和测量用反射片进行测量，如图1所示。

首先测量的目的是获得待测环管片环心的三维坐标。具体操作流程一般是如图1所示，先将铝合金管尺水平搭在待测的某一环管片上，且铝合金管尺与环缝对齐，再将水平尺放在铝合金管尺的中央，将铝合金管尺调平。此时贴在铝合金管尺中点处的反射片原则上就与待测环管片的中心在同一铅垂线上，待测环管片中心平面坐标即反射片坐标。另外待测环管片的环心高程可根据铝合金管尺的长度及管环内径推算出如图1中的h ，则有隧道中心高程：

H Z =H f +|h |

上式中： |h |=√R 2−(L 铝2)2

−K 铝/2

图1

备注：H Z——盾构隧道中心高程；

R——盾构隧道管片内径；

L

铝

——铝合金管尺的长度；

H f——测量反射片中心高程（可直接测量得到）；

K

铝

——铝合金管尺上反射片所在面的横向宽度。

但此种方法是有局限性的。在隧道半径较小的工程中，铝合金管尺的强度以及在用常规水平尺整平的情况下的测点的精度才可能满足管片姿态测量的需要。如果盾构隧道半径过大，如在超大直径盾构隧道的施工中（以南京长江隧道为例），这种管片姿态的测量方法就不容易达到规范要求±3mm的精度。

如图2，根据圆曲线的特征（为了方便讨论，圆心选在坐标原点O，圆曲线半径R>0）:

x2+y2=ℛ2

为了方便直观，现对圆曲线在x>0并y<0的情况即在平面直角坐标系的第四象限进行讨论。

据圆的方程参考图2有：

x cosα=

y

sinα

=R

我们沿图2箭头所示方向讨论x与y在α从0°→90°过程中变化速率即Δx与Δy的大小关系。

可知当：α=45°时，Δx=Δy

亦即在此点上x与y的变化速率相等。

当：0°<α<45°时，Δx<Δy；

当：45°<α<90°时，Δx>Δy；

另有：

lim

α→90°

Δy=0

lim α→0°Δx=0

图 2

据上述讨论可知，对于水平尺的整平而言，只有当铝合金管尺一端在0°<α<45°

范围内，并且其由于重力的形变小于3mm的情况下测量的精度才可能达到规范要求。据此我们可以看出，此测量方法简单易行，但要得到满足规范的数据却是极为困难的。

2、大型盾构隧道管片姿态的测量方法探讨

根据最新出版的《盾构法隧道施工与验收规范》要求，在衬砌环完成壁后注浆并脱出车架后应进行管片测量，内容包括衬砌环中心坐标、底部高程、水平直径、垂直直径和前端面里程，测量误差为±3mm。

为此我们使用免棱镜的TCRA1202+R400系列全站仪进行管片姿态的测量，该仪器还带有激光指向功能。该仪器无棱镜测距当距离L<500m的情况下，测量精度2mm+2×10−6。本次管片姿态的测量中视线距离均小于50m

众所周知盾构法施工的圆形断面隧道的横断面除微小形变外，可以看作是正圆。这也是

我们根据圆的几何特性测量衬砌环中心坐标的物理基础。下面我们根据免棱镜全站仪的特点和性能分项讨论大型盾构隧道管片姿态的测量方法。

2.1 环心坐标测量

在此我们依旧借用铝合金管尺配合水平尺的管片姿态测量方法的原理。不过在免棱镜全站仪的支持下这根尺子是看不见的。如图3，全站仪建站后，我们先测量某一环环缝上某点A的三维坐标，并注意高程H A，然后在同一环缝上的隧道另一侧测量B点的三维坐标，也注意高程H B，当H A=H B时，记录数据。

参见图3可以得出在H p−O1−O−H d所在竖轴线上，平面坐标相同。O1点平面坐标可根据A、B两点的坐标(x A，y A)和(x B，y B)内插得到。

=(x A+x B)2⁄

有：x O

1

=(y A+y B)2⁄

y O

1

图3 南京长江隧道横断面简图

St ——测站。

另外，衬砌环中心的高程计算可以根据顶部和底部的高程进行推算：

一般如果盾构掘进完成后的成型隧道没有其他同步施工之前，隧道内除水、气、泥浆或渣土车轨道外很少有其他障碍物，这对测量衬砌环的顶部及底部高程很有利。在南京长江隧

道的施工中，需要在掘进同步安装事先预制的箱涵，这对测量管片姿态也带来了一定的影响，我们无法直接测量隧道底部的高程，或者说需要花费很大的力气。因此我们采用了先测量中箱涵顶部高程（H）后间接计算的方式。

据图3可知，隧道中心O的高程H O与h1的关系：

H O=H+(R−h1)

2.2 水平直径测量

衬砌环直径测量包括水平和垂直直径的测量。水平直径的测量我们是根据管片的设计尺寸及螺栓手孔的分布进行定位的。经过研究管片的设计图纸（以南京长江隧道为例），我们发现在近似水平的方向上有一对对应的螺栓手孔是经过衬砌环中心的。据此在测量过程中我们以这一对对应的螺栓手孔中心为准，用免棱镜全站仪以任意站测量两手孔中心坐标，根据空间两点见距离公式得出水平直径。

根据上述对圆曲线在平面直角坐标系第四象限变化速率的讨论，我们知道：

lim

Δy=0

α→90°

Δx=0

lim

α→0°

据此进一步经过计算可知，测点只要在以准确点（真值）为中心，半径10cm的范围内，单测点对直径的影响最大为0.8mm，考虑直径两端两测点，则对直径测量结果的最大影响为1.6mm，远小于规范3mm的要求。

2.3 垂直直径测量

底部高程H用一般全站仪或水准仪即可很方便的获得。根据实际情况在本例中可以测得中箱涵顶面的高程H，并且可以直接测量出衬砌环顶部高程H p，另参考图3，有：

H d=H−h1

：

据上有垂直直径R

垂

=H p−H d

R

垂

前端面里程在已知衬砌环心坐标的前提下不再赘述。

3.后记

对南京长江隧道盾构工程的施工测量中遇到的施工测量难题的解决，让我们意识到施工中测量工作的重要性。面对越来越新的施工技术及施工方法，就要求我们测量人员有新的测量仪器及测量手段与之相配合，这样才能以最小的时间和金钱成本获取更大的利润。很多新