盾构施工支导线精度及管片拟合控制研究

刘勃

【内容提要】 结合长沙地铁测量支导线布置及控制测量，研究精度控制办法，及可行性，以及长沙地铁应用中铁重轨集团生产土压平衡盾构机，对区间曲线管片拟合控制研究。

【关 键 词】 土压平衡 盾构 掘进支导线管片拟合

中图分类号：U455文献标识码： A

1．前言

在城市轨道交通工程中，盾构机的使用越来越普遍，技术越来越成熟，另外在输水管道等其他施工领域也发展较快，应用广泛。由于地铁盾构直径较小，而控制测量为隧道正常掘进指引着方向，并且掌控着盾构机掘进的数据准确性，如此，提高控制测量精度是保证隧道顺利贯通的重要条件。其次目前通用管片使用越来越多，相比传统管片，通用楔形环管片具有钢模数量单一，大大简便了管片生产施工，降低了施工成本； 施工动态调整方便，具有即时性，在盾构推进结束后根据测量的结果对管片进行拼装选型，对盾构推进起着良好的导向；不同的楔形量调整有利于施工中盾构姿态与管片姿态的微调，从而提高隧道轴线控制质量；管片成环质量高，踏步小，环面平整，止水效果明显等特点。

控制测量精度以及管片拼装对隧道设计轴线的拟合偏差控制，是检验隧道完成质量的重要标准。，本文就平面控制测量精度和通用管片的拟合做简要探讨。

1.工程简介

长沙市轨道交通2号线一期工程SG-1标位于长沙市岳麓区，含两个区间，望城坡站～金星大道站盾构区间，右线长度1253.3m，左线长度1264.11m，区间设2组曲线，曲线半径350m，线间距13m～15m，线路纵坡设计为“V”型坡，最大坡度5.6‰，最小坡度5‰；金星大道站～西湖公园站盾构区间，区间右线长度1081.6m，左线长度1073.118m，区间设一组曲线，曲线半径800米，线间距13米，线路纵坡为“V”型坡，最大坡度28‰，最小纵坡5‰。

2．控制测量

2.1井上平面控制测量

基准点为建设单位提供的控制点T2012和人工加密点2011-4两个控制点，两点均位于沥青路面通视效果好且地质稳定。我们另布设平面控制点6个，共计井上平面控制点8个，组成闭合导线。通过边角测量的方法，确定井上控制导线。

2.1.1水平角观测技术要求

1.应采用左、右角观测，左、右角平均值之和与360°的较差应小于4″。

2.前后视边长相差较大，观测需调焦时，宜采用同一方向正倒镜同时观测法，此时一个测回中不同方向可不考虑2C较差的限差。

3.水平角观测一测回内2C较差，Ⅰ级全站仪为9″，Ⅱ级全站仪为13″。同一方向值各测回较差，Ⅰ级全站仪为6″，Ⅱ级全站仪为9″。

2.1.3 控制导线成果

2.2联系测量原理

联系三角形定向测量亦称一井定向测量。一井定向是在一个竖井中悬挂两根钢丝，在地面，近井点与钢丝组成三角形，并测定近井点与钢丝的距离和角度，从而算得两钢丝的坐标以及它们之间的方位角。在井下，同样井下近井点也与钢丝构成三角形，并测定近井点与钢丝的距离和角度，由于钢丝处于自由悬挂状态，可以认为钢丝的坐标和方位角与地面一致，通过计算便可获得井下导线起算点的坐标和方位角，这样就把井下与地面的导线联系起来了。

由图可以解算出三角形的相关角度和边长，以及井下控制点的坐标和方位角。先由△CAB解出β、α角，从△C′AB解出β′、α′角。

地面：Sinβ=（Sinγ*b）/ c

Sinα=（Sinγ*α）/ c

井下：Sinβ′=（Sinγ′*b′）/ c

Sinα′=（Sinγ′*α′）/ c

连接三角形三内角和α+β+γ=180°，若尚有微小的残差时，则可将其平均分配给α和β。计算时应对两垂球线间距进行检查。设C丈为两垂线间距离的实际丈量值，C计为其计算值，则：

C计=a+b-2abcosγ

d = C丈 - C计

当地面连接三角形中d < 2mm、地下连接三角形d < 4mm，可在丈量的边上分别加入下列改正数，以消除其差值：νa = -；νb = +；νc = -

然后按D→C→B→A→C′→D′线路推算各边和各点的方位角和坐标（如图2.4）。

2.2.1联系三角形布置条件

1．竖井中悬挂钢丝间的距离c应尽可能长；

2. 联系三角形锐角γ、γ宜小于1°，呈直伸三角形 ；

3. a/c级a/c宜小于1.5，a、a为近井点至悬挂钢丝的最短距离。

2.2.2 精度要求

1.角度观测应采用不低于级Ⅱ全站仪，用方向观测法测六测回，测角中误差应在±2.5″之内。

2.联系三角形定向推算的地下起始边方位角的较差应小于12″，方位角平均值中误差为±8″。

3.联系三角形的边长测量可采用光电测距或经检定的钢尺丈量，每次应独立测量三测回，每测回三次读数，各测回较差应小于1mm。地上于地下丈量的钢丝间距较差应小于2mm。

2.2.3联系测量成果表

2.2.4 注意事项

1. 联系三角形测量，每次定向应独立进行三次，取三次平均值作为定向结果。

2. 钢尺丈量时应施加钢尺鉴定时的拉力，并应进行倾斜、温度、尺长改正。

3．联系三角形测量宜选用Φ0.3mm钢丝，悬挂10kg重锤，重锤应浸没在阻尼液中。

4.地下平面控制点标志，应根据施工方法和隧道结构形状确定，并宜在埋设在隧道地板、顶板、两侧边墙上。

2.3． 洞内平面控制测量

2.3.1导线点技术要求

洞内平面控制点主要由沿隧道施工方向的导线点组成，使用前必须按技术要求进行复测，根据地下导线的测设要求，导线直线段约150m布设一个控制导线点，曲线段控制导线点（包括曲线要素上的控制点）布设间距不小于60m。

2.3.2 控制点安装位置

洞内施工控制导线一般采用在管片最大跨度附近安装牵制对中托架，测量起来非常方便，且可以提高对中精度，还不影响洞内运输。强制对中托架尺寸形状、大小尺寸要根据管片类型要控制好，通过电钻打眼，膨胀螺丝加固的方式安装。

2.3.3提高支导线精度的方法

众所周知，洞内施工导线一般采用支导线的形式向里传递，支导线点的传递次数最多为3次，而且支导线没有检核条件，很容易出错。尤其在隧道距离较长的时候如何确保控制点的精度成了一个重要的难题，对此，我们采取了洞内布设双支导线的办法，通过支导线交接测量的方式，在双支导线的前面连接起来，构成闭合导线形式，保证方位角闭合差，以便平定测量精度，确保洞内控制点的精度满足施工要求，大大提高了支导线传递次数多、精度低的问题。

如图所示：

2.3.4 测设方法

导线的测设方法与闭合导线的测设方法相同，一般的这种导线可单双站交替测设，在重合点上只需设置一次仪器或觇标。计算既可按两条支导线单独进行，也可按闭合导线的方法进行计算（当线路交叉时，只能按双支导线进行计算），此外还可以比较重合点以及终点的坐标值进行比较而得到检核。由此方法测设的隧道内部控制导线精度高、检核方便，极大地提高了盾构掘进方向的准确性，确保了施工精度。

2.3.5 双支导线测设成果

我项目盾构测量支导线控制点计算采用分别计算点位坐标的的形式。

通过双支导线边角测设的方法验证，第一条支导线计算结果为ZYT3（100132.2685,44012.2164），第二条支导线计算结果为ZYT3(100132.2670,44012.2161),。根据实际情况对比分析，两次点位结果相差不到1mm，满足设计要求。

2.3.6注意事项

由于盾构施工一般都是双线隧道错开100环左右掘进，如果错开环数很大，后面掘进的盾构机由于推力很大，会对前面另一个洞的导线点产生影响。特别是在左右线间距较小岩层很软时，影响很大，很容易导致测量出大错。还有就是如果在曲线隧道里，管片上的导线点间的边角关系经常受盾构机的推力和地质条件的影响，所以要经常复测。

3.通用楔形环管片拟合

3.1隧道设计轴线

盾构设计轴线根据环境的因素，设计有竖曲线和平面曲线，另外，由于盾构机施工的特点，由于地质条件的影响，注浆压力控制等等因素，盾构机处于一个蛇形运动轨迹上，按照理想的状态，在直线段，所有环向推进油缸推进距离相同，行程相同，但是由于施工影响，实际施工中是不同，另外由于曲线的存在，掘进中位于曲线内的油缸总比曲线外侧的油缸形成长一些。这就需要通过K（F）环点位拼装实现纠偏或者转弯。

3.2设计概况

长沙地铁采用圆形预制钢筋砼管片衬砌。隧道内径为5400mm，外径6000mm，厚300mm，设计采用通用环管片，采用三块标准块、两块邻接块和一块封顶块，错缝拼装，弯曲螺栓连接（每环16根M27纵向螺栓，12根M27环向螺栓）。

3.3管片拟合的原则

考虑施工方便的问题，封顶快尽量位于隧道的上半圆，确定合理的管片安装点位，使得管片超前量最大的位置应置于盾尾间隙最小或油缸行程最长的位置以确保盾尾间隙及油缸行程差都在合理范围内。管片走向与隧道走向尽量保持一致，减少千斤顶管片偏心压力导致管片破损的影响。

3.4参数计算

3.4.1拼装点位的确认

通過设计轴线的半径获取超前量，然后反推拼装点位，实现通用管片对隧道轴线的拟合。

S=（R外-R内）*1.5/RR外=R+3， R内=R-3

3.4.2盾尾间隙变化量

在拼装本环管片时通过计算得出本环拼装完成后的盾尾间隙以及本环拼装完成后的油缸行程差，进一步对下一环的盾尾间隙进行判断，综合主机方向以及隧道轴线，确定是否需对主机趋势进行改变，以良好的拟合轴线，同时又保证合理的盾尾间隙。

盾尾间隙=管片宽度×上一环管片拼装完成后的油缸行程差 /油缸安装直径

3.4.3主机趋势变化量

当纠偏程度不大时，可已通过控制油缸行程差来改变主机趋势达到小范围纠偏，进而使主机比较精确的沿着轴线前进。主机趋势就是盾构主机前后参考点的坐标差与前后参考点距离的比值。

趋势变化量=1000×油缸行程差的改变量/油缸安装直径 。

3.4.4掘进完成后的行程差

掘进完成后的行程差=掘进前行程差+趋势变化量×油缸安装直径/1000

3.4.5曲线推进

管片走向趋势：CH(水平走向趋势)=Fb—Fd；CV(垂直走向趋势)=Fa-Fc。

其中，Fa=Pa-AaFb=Pb-AbFc=Pc-AcFd=Pd-Ad

当我们用管片的不同楔形量来使CH、CV为0时，管片平面就与盾构机前进平面重合，此时盾构机的千斤顶受力情况最好，便于整个掘进工序，当楔形量不能使CH与CV同时为0时。时，应尽量使其中一个保持最小，使盾构机能获得最大的推进力，并使侧向分力减小，便于盾构机遵循预定线路前进。因此，应优先考虑管片趋势。

4结束语

控制测量是盾构机的眼睛，指引着隧道的掘进，保证着地铁轨道方向的正确性，对地铁准确施工起着至关重要的作用。隧道内的控制测量方法很多也很全面，本文就长沙地铁项目的盾构测量方法作简要概述和探讨，方法简便实用，因地适宜。盾构管片线形拟合，代表着盾构施工的水平，主导者盾构施工的质量，施工过程中控制盾构机轴心和管片轴心基本保持一致，施工过程中主要以推进油缸行程差和盾尾间隙来两个参数来控制；管片拼装遵循由上至下，左右交叉、最后封顶的顺序，尽量调整管片位置与上环管片平顺，镙栓孔位对正，镙栓穿插容易；盾构纠偏过程中保持盾构机姿态不突变，运动轨迹尽量平顺。纠偏和姿态调整盾尾间隙控制为主，线形控制为辅。

张凤祥，傅德明，杨国祥等，盾构隧道施工手册「M」.北京,交通出版社。