海底m超长距离混凝土顶管实用测量技术

奉贤1856m超长距离混凝土顶管实用测量技术一、概况奉贤县污南排Ф1600砼顶管工程位于奉贤县杭州弯畔，全长1856m，其中56m为陆上顶进，穿过海堤后1800m在海底下顶进。

整个1856m顶进前1656m坡度为-0.9‰斜直线段，端部200m为平直线段，在平直线部分布置有14只垂直排放口，在顶进结束后再进行14只排放口的垂直顶升。

本工程顶管工作井外径尺寸为11.4m×8.6m底板至地面高度17.5m。

陆上部分顶管覆土16m，海上部分覆土从15m～4.5m。

该工程特点，工期要求特别紧，在海边施工，地质条件复杂，本工程为超长距离顶进施工，顶进测量难度很高。

二、超长距离顶管施工测量的重要性一般顶管工程中测量工作主要是通过定向测量在顶管工作井内布置一指示轴线(顶管设计中心线)，顶管每顶进一节，测量人员以此轴线为基准测出顶管工具管偏离设计轴线数值(平面偏差)，利用工作井内高程控制点测出工具管高程偏差，开出测量报表，顶管施工人员以此为依据进行必要的纠偏，以达到顶进轴线与设计轴线一致。

顶管施工中测量一直被认为是顶进施工的眼睛，确实测量在顶进施工中占有相当重要的地位，特别是超长距离顶进，首先是贯通测量，贯通测量是顶管能否贯通的一个先决条件，一个顶管工程如果不能顺利贯通，就谈不上是一个成功的工程。

第二是顶进施工中轴线偏差测量，所谓的轴线偏差，即顶进工具管偏离设计轴线的偏差值，包括横向偏差(平面偏差)和纵向偏差(高程偏差)，由于本次顶进距离超长，为1856米，实际顶进轴线的好坏直接影响到顶进阻力大小、顶进轴线质量好坏及工具管管节的旋转，只有在测量正确测出每节管节顶进的轴线偏差，顶进施工人员才能进行正确的纠偏，纠正顶管工具管的前进姿态，才能使顶进沿着设计轴线前进，使顶进顺利进行。

三、超长距离顶管测量难度分析1.首先是工作井内定向测量难度。

由于顶管工作井内净尺寸较小，为8.8⨯6m，而深度又较深达17m。

往常顶管工作井内方位传递无法一次完成，而如果方位经多次传递至井下则无法保持定向的精度。

另外，由于本次顶管顶程超长，定向精度的好坏将直接影响贯通误差精度及顶管轴线偏差，考虑到顶管贯通误差主要来自定向误差，如果定向误差m o达到30”，则定向产生的贯通误差：mα=m o⨯s/pmα=30⨯1856⨯1000/206265=270mm可见由于顶程超长，不考虑其它误差，单定向误差对顶管贯通精度影响非常大。

2.超长距离顶管轴线偏差测量难度。

难度一是顶进距离较长时，井下进行轴线偏差测量，误差随着顶程越来越大，这是因为指示轴线后视瞄正误差达0.2mm，顶程达1000米时，指示轴线长度7m，轴线偏差测量误差0.2⨯1000/7=28mm，如果每顶进一节管节轴线平面偏差在20～30mm之间摆动，顶管施工人员就无法进行正确的纠偏，从而使测量起不到正确的导向作用。

另外，随着顶进距离不断增加，工具管内布置的测尺无法在井内一站看清，须在管节内直线接站观测，势必产生接站引起的误差，这都是需要解决的困难。

3.顶进时间与测量用时之间矛盾。

本次顶进采用螺旋机出土，土方经过泥水化后，通过泥水系统输送至地面，因此，每节管节的顶进都是连续的，顶进速度较快。

整个顶程1856米，平均日顶进距离达18.5米，每节管节3米，平均每天要顶6节多管节，按常规轴线平面、高程偏差测量管内接站观测，此时顶进要停止，每次偏差测量时间按1小时计，则每天要费在测量上的时间就达6小时多，本来轴线偏差测量是为顶进服务的，而过多的占用顶进时间，显然对整个顶管工程的工期是不利的。

四、测量技术措施及方法上面分析了超长距离顶管测量难度，概括起来一是测量精度较难保证，二是测量用时过多。

下面针对这二个问题分析解决问题的技术措施及方法。

1.定向测量精度保证措施方法由于该工程工作井尺寸较小且较深，对于该工程的定向测量，首先，采用瑞士进口的精度1/30000投点仪，把地面测量控制系统投至井下，测出洞门实际中心坐标，结合设计终点坐标，计算出顶进轴线方位及实际顶进距离，然后在井内精确放出顶进指示轴线，在工作井后靠位置布置好强制对中心的观测台，在出洞口上方布置好精确的后视目标。

为保证定向测量的精度，另利用二次联系三角定向法，对井内指示轴线进行复核，如图所示：在井上观测角度ϕ、ω、α，量边a、b、c，在井下观测角度ω’、α’，量边a’、b’、c’，则顶进轴线方位通过解算联系三角形得：αBD＝αPP’＋ϕ＋ω＋α＋β－β’+ω’＋180o从式中看出方位传递是通过β角完成的，β利用正弦定律：sinβ/sinα＝b/a求得，对β的精度进行分析，运用最小二乘法原则，可得：mβ＝±tg2β(1/b2+1/a2)×ms2×ρ2+(b2/a2×cos2β-tg2β)×m2α从式中可以看出，要有效地提高方位传递的精度，必须做到：1)尽量减小α的观测误差mα。

2)增大悬锤间距a的值，尽量减小b/a边长比值。

3)联系三角形形状采用狭长形状。

这样β的精度公式可简化为：mβ＝mαb/a实际施工中a为6米，b为4米，mα取±2″。

计算得mβ＝±1.3”通过投点测得洞门中心坐标与设计终点坐标算得指示轴线的方位为160o58’07.5”，而二次联系三角形定向测得指示轴线方位为160o58’01.3”和160o58’02.7”，几次测量方位误差最大6.2″。

按式：mα＝m o×s/ρ＝6.2×1860×103/206265＝56mm基本满足贯通误差要求。

2.超长距离顶进井下轴线偏差测量误差分析及测量方法。

众所周知，由于顶管顶进过程中每一节管节都在往前移动，因此管内无法布置固定的测量控制点，对顶管工具管轴线偏差的测量只能利用井内布置的指示轴线来测定，这样也决定了超长距离顶管较大的轴线偏差测量误差不可避免，因此如果按指示轴线定向误差m o＝±5″计算，顶管至500米时，不考虑其它误差，单指示轴线方位误差引起的贯通误差按式：mα＝m o×s/ρ得：mα＝±5×500×103/206265＝±12mm 顶进距离1000米时，mα＝±24mm。

顶进距离1500米时，mα＝±36mm。

顶进距离1856米时，mα＝±45mm。

由于此误差在每一次轴线偏差测量中基本是一个定值，是一个系统误差。

每一次偏差测量并不影响到施工中的导向，相反地，偏差测量中后视瞄准误差带来的轴线偏差测量误差是一个偶然误差，且随着顶进距离的延长不断增大，由于该误差是随机性的，对指导顶管施工人员纠偏必定产生影响，为此除了精确布置好指示轴线的后视外，在井内观测台拟采用二测回取平均数的方法测定工具管平面偏差，这样就较好地消除了偶然误差。

另外，随着顶进距离的不断增加，轴线偏差测量需接站观测，从而产生接站误差。

因此，按不同的顶进里程，有必要制定不同的轴线平面偏差测量方法。

顶程0～200m，利用J2激光经纬仪置于顶进轴线上，跟踪工具管内光靶测尺，顶进时，施工人员随时可以直观地看出工具管偏差情况及行进方向，测量人员不必占用顶进时间测量轴线偏差，此时测量误差可忽略。

顶程200～500m，利用T2经纬仪二测回直接在井内观测工具管内平面测尺偏差读数，此时的瞄正误差引起的偏差测量误差可按式：m＝±0.1mm×500m/7m× 4 ＝±3.6mm式中0.1mm为后视瞄正误差，500米为顶距，7米为观测台至后视距离。

顶程500m～1000m，仍采用T2经纬仪二测回，进行直线接站观测，测定工具管平面偏差，此时，测量误差可控制在:m＝± 2 ×0.1mm×1000m/7m× 4 ＝±10.2mm顶程1000～1856米，需在管内利用T2经纬仪直线接站两次测出工具管平面偏差，误差最大可达:m＝± 3 ×0.1mm×1856m/7m× 4 ＝±23mm高程偏差测量采用水准接站测量测得工具管中心标高，再与设计高程比得高程偏差。

另外，指示轴线在顶进过程中，必须利用联系三角形法定期进行复测，以保证整个顶进轴线的一致性。

3.顶进中工具管前进趋势的测定。

为了能较好地解决测量用时问题，一方面通过尽可能减少接站数，转站处利用特殊发光源作为目标，再利用放大倍率较大的瑞士T2经纬仪观测；另一方面测定工具管前进趋势，同样能达到减少测量时间的目的。

顶进中施工人员对工具管的纠偏也迫切需要及时了解工具管走势，以能够较有效的纠偏。

施工人员及时了解工具管走势，如果轴线偏差较小，且走势较好(沿设计方位)，有时就可省去不必要的轴线偏差测量，提供更多的顶进时间，如轴线偏差较小，但工具管前进趋势背离设计轴线方向，施工人员也能够及时进行有效的纠偏，使工具管不致偏离较大。

可见掌握了工具管的走势好处显而易见，为此我们设置了工具管前进趋势测量及计算方法。

在顶管工具管内一前一后布置二把平面测尺，最小刻划1厘米，尺中心置于工具管中心位置，用于平面偏差测量，另在工具管内设置一把水准尺用于工具管高程偏差测量，再在工具管内布置一坡度板，通过观测测出两支平面尺偏差值和水准尺位置的高程偏差，读取工具管坡度值，然后就可以计算出工具管切口、尾端偏离设计轴线的数值，图示及计算方法如下：图中X1、X2分别是前尺、后尺设计轴线偏差值，以偏右为正，偏左为负，则工具管切口、尾端设计轴线偏差值分别为：M切＝X1-a×(X2-X1)/cM尾＝X1+b×(X2-X1)/c高程偏差计算：实量水准尺位置至工具管切口距离为e，至尾端距离为f，坡度板读数为g，水准尺位置高程偏离测定为y，则工具管切口、尾端高程偏差值分别为：H切＝y + e×gH尾＝y－f×g式中正坡g取正，负坡g取负。

通过对工具管切口，尾端平面及高程偏差值测定，工具管与设计轴线的夹角(包括平面与垂直面)也可求得：平面夹角：α＝arctg(M切-M尾)/(a+b)垂直面夹角：α＝arctg(H切-H尾)/(a+b)现在已知了工具管平面高程偏离值及工具管与设计轴线平面及垂直面夹角，整个工具管前进的趋势一目了然，这样对于控制顶管顶进轴线相对就容易得多了。

五、实施结果本次顶管工程98年9月20日开顶，顶进长度1856米，99年1月8日顺利顶进到位，如果扣除整修总结时间，实际顶进时间100天，创国内一次顶进长度之最，顶进速度之最，究其原因相当程度在于顶力控制得较好，不使用中继间一次超过一千米顶进轴线偏差小，直线性好是一个非常有利的因素，整条顶管轴线偏差控制在±50mm左右，达到了前所未有较好的轴线质量。