地铁工程圆形隧道断面测量的一种新方法

袁兆奎

(武汉市政工程设计研究院有限责任公司勘测设计院，湖北 武汉 430023)

地铁工程圆形隧道断面测量的一种新方法

袁兆奎*

(武汉市政工程设计研究院有限责任公司勘测设计院，湖北 武汉 430023)

提出了地铁工程圆形隧道断面测量的一种新方法。本文论述了地铁工程圆形隧道断面常规方法的测量过程，然后详细论述了采用新方法进行断面测量的过程，并推导了相关计算公式。最后以武汉市轨道交通四号线二期工程永安堂站～孟家铺站右线盾构区间为例，对两种方法求得的断面数据进行对比，表明在一般情况下采用新方法能满足规范要求。

地铁工程；圆形隧道；断面测量；盾构机

1 引 言

随着城市交通快速发展，国内越来越多的城市开始建设地铁工程。地铁线路一般分为车站、区间、出入场线和停车场。车站施工一般采用明挖法或者盖挖法；区间施工有高架段、地下段和明挖框架段；出入场线和停车场施工工法较为传统。其中，区间地下段一般采用盾构法施工，常见为圆形隧道结构。

在车站、区间及出入长线完工后，因结构施工误差、后期沉降变形等诸多因素影响，现场实际平、纵断面与施工图相比必定存在差别。为避免贸然施工造成返工及对以后运营造成诸多问题，有必要在铺轨前对实际施工的行车区域进行断面测量，以便根据实际情况设计最适合的轨道平、纵断面，保证工程的合理性。

在断面测量工作中，圆形隧道最为常见。本文对常规测量方法进行分析，指出其不足之处，然后提出一种新方法，在保证精度的情况下，能提高作业效率。

2 断面测量方法

2.1 断面测量要求

以武汉市轨道交通四号线二期工程为例，对于圆形隧道，断面测量的具体要求为：

(1)设计线路中心线处的顶点、底点；

(2)位于轨顶设计高程以上 3 490 mm的左横距及其高程、右横距及其高程，测点编号分别为左上、右上；

(3)位于圆心(在设计线路中心线上)的左横距及其高程、右横距及其高程，测点编号分别为左中1、右中1；

(4)分别位于轨顶设计高程以上 850 mm、0 mm(即轨顶高程处)的左横距及其高程、右横距及其高程，测点编号分别为左中2、右中2、左下、右下。

顶点、底点指测量出该点的高程值。

轨顶设计高程与里程相关，经由相关公式计算出来。

左横距(右横距)指该点与线路中心线的平距。

上述断面测量特征点在圆形隧道中的分布，如图1所示：

图1 圆形隧道断面测量特征点分布图

无特殊要求时，断面测量实施时仅针对管片的小里程端或者大里程端，也即相临管片接合处。

2.2 常规测量方法

按照直线段每隔6 m、曲线段(含曲线以外的 20 m直线)每隔 5 m测量一个断面的要求，内业工作为计算出待测断面中心对应在线路中心线上的坐标；计算出该断面处的轨顶设计高程，并据此推算出左、右两侧共8个特征点的高程值。

外业工作为先在隧道内放样出待测断面中心的准确位置，在该点架设全站仪；然后进行高程放样，将左、右两侧共8个特征点在管片中的位置找出。考虑到隧道为圆形结构，左(右)上、左(右)中1等4点若使用水准尺进行高程放样较为困难，实际工作中可以使用全站仪放样。

当8个特征点放样好后，即可用全站仪直接测得该点与架站点的平距，即其与线路中心线的偏距。

该方法为直接依照断面测量要求，将线路中心线、断面测量特征点在环片上放样出来，并进行偏距测量，可完整、真实反映现场情况，但它存在如下不足之处：

(1)对现场测量条件要求高。隧道内的泥土须清洗干净，否则线路中心线很难放样出来，更难以架站测量。若遇到出土、检修车辆行走，须重新架站测量。

(2)工作量较大。内业须计算出待测里程出的线路中心线点坐标，轨顶设计高程，各待测特征点的高程；外业须在每一个待测断面处架设全站仪，8个特征点必须逐一测量，不能遗漏。

(3)作业人员多。在外业工作中，一般分两个班组，一组进行高程放样及顶高、底高测量，另一组进行偏距测量、数据记录。

不难看出，虽然常规测量方法为严格按照断面测量的要求进行，但其受外在因素影响较大，作业强度较大，工作效率较低，因此有必要加以改进。

2.3 新的测量方法

新的测量方法是在实践工作中，针对常规测量的不足之处提出来的。其外业工作主要为正、倒尺测量管片底点、顶点的高程以及用水平尺测量管片中心平面坐标，其余工作均通过软件完成。

下面以武汉市轨道交通四号线二期工程玉龙路站～永安堂站左线盾构区间为例，具体论述该方法实施过程。

(1)根据管片的设计中心坐标、设计里程以及实测中心坐标，求出实测管片相对隧道中心线的平面偏差、里程偏差。以图2为例。

图2 设计隧道中心线与实测管片中心

如图2所示，首先可根据525环和528环的设计坐标计算出设计方位角α0：

(1)

其中，ATAN2(x，y)是Excel软件中用来计算原点至点(x，y)方位角的函数。

同理，可根据525环的实测中心坐标和设计坐标计算出实测方位角α′：

(2)

二者的差值，即为方位角差：

△α=α0-α′

(3)

另，可根据525环的实测中心坐标和设计坐标计算出平面距离S：

(4)

据此，可计算出525环管片的实测中心与隧道中心线的横向偏差△d：

△d=S×sin(△α)

(5)

以及里程偏差△M：

△M=S×cos(△α)

(6)

为便于数据分析，可规定以里程增大方向为基准，横向偏差△d为负值表示实测管片中心向左偏移，为正值表示向右偏移；里程偏差△M为负值表示实测管片中心里程小于设计里程，为正值表示实测管片中心里程大于设计里程。

(2)求出断面处的实测里程，高程偏差以及与线路中心线的横向偏差。

断面处的实测里程为里程偏差△M加上设计里程即可：

M=M0+△M

(7)

高程偏差为设计高程与实测高程之差：

△H=H0-(H底点+H顶点)/2

(8)

由于实测管片与设计值存在里程差，上式中的设计高程应为实测里程处对应的管片中心设计高程值。

前文(1)中已求出实测管片相对隧道中心线的平面偏差，现可直接利用隧道中心线相对线路中心线的偏移量d求出实测管片相对线路中心线的平面偏差：

△D=△d+d

(9)

d值在直线段为零，在缓和曲线段逐渐变大或变小，在圆曲线段为固定值；具体数值可以在曲线半径、盾构隧道中心线偏移量及隧道超高值关系表等设计文件中根据相关公式计算求得。

上述物理量正负号代表的意义与前文相同。

(3)计算出8个特征点对应的左、右偏距。

如图3所示，在AutoCAD内先绘出设计管片，其中心坐标为(0，0)，半径为管片内径(本工程为 2.7 m)；再绘出实测管片，其中心坐标为(△D，△H)，半径与设计管片相同。

图3 断面偏距推算示意图

以左上点为例，根据勾股定理，其左横距可由下式计算：

(10)

右上点的右横距为：

(11)

同理，可逐个推算出其他6个断面测量点的左、右横距。

2.4 计算时需注意事项

在实际应用中，有几点值得注意：

(1)根据本文所论述的方法，可模拟计算出断面处的里程、平面偏差、高程偏差以及8个断面测点的左、右横距，所有数据均可在Excel中编写公式计算得出，便于使用。

(2)设计方位角α0一般以前后间隔4环计算求得，但在曲率半径较小处，可缩小为3环。为验证计算结果的准确性，可将实测管片中心坐标展点到设计图上，通过量取管片实测中心与隧道中心线的横向偏差值与计算值△d之间的互差，若互差在 5 mm以内可认为差别不大。

3 实际案例对比分析

以武汉市轨道交通四号线二期工程永安堂站～孟家铺站右线盾构区间为例，由于盾构推进过程中操作不当，导致该处管片中心与设计值相差较大，且有平面位置与高程与设计值对比超过 100 mm限差的情形，因此需及时获取断面数据，作为设计人员调线、调坡的依据，指导后期施工。

从里程右DK3+332.56起，至右DK3+374.65处止，共29环管片，对其中21环管片采用常规方法进行测量，并将其成果与新方法进行比较，即比较两种测量方法下8个特征点的横距互差如表1所示：

常规方法与新方法求得的横距互差比较 表1

从上表中可以发现，当水平偏差与垂直偏差均 ≤±100 mm时，两种方法得出的各特征点横距互差均不大，如4环、5环、18环、20环，最大互差为 32 mm，能满足使用要求(≤±50 mm)。

根据《盾构法隧道施工与验收规范》GB50446-2008中的规定，对于施工中的地铁隧道，9.4.4条指出，要求隧道轴线平面位置和高程偏离设计值均 ≤±50 mm。对于成型隧道，17.0.4条规定，验收标准为隧道轴线平面位置与高程偏离设计值均 ≤±100 mm。

一般来说，在施工过程中，若无重大质量问题，较少出现隧道轴线平面位置与高程偏离设计值均超过 100 mm的情形，因此可在大部分情况下用本方法代替常规测量方法。

4 结 论

基于在城市地铁工程测量中的工作经验，作者提出了一种圆形隧道内断面测量的新方法；在隧道轴线平面位置与高程偏离设计值小于 100 mm时，该方法能替代常规测量方法，提高工作效率。

[1] 袁兆奎. 地铁盾构隧道洞门中心的一种求解方法[J]. 城市勘测，2014(6)：139～141.

[2] 李英硕，杨帆，袁兆奎. 空间圆形拟合检测新方法[J]. 测绘科学，2013(6)：147～148.

[3] 贾志强. 地铁盾构隧道洞门钢环圆心坐标的精确测定[J]. 测绘信息与工程，2011(2)：31～33.

[4] 陈大勇. 地铁盾构隧道洞门圈中心坐标测量与数据处理方法的探讨[J]. 城市勘测，2008(2)：86～89.

[5] 张正禄. 工程测量学[M]. 武汉：武汉大学出版社，2005：299～305.

[6] 李峰，刘明晶，牛娜. AutoCAD 2007建筑制图实例导航[M]. 北京：电子工业出版社，2007：102～103.

ANewMethodforMeasuringCrossSectionofCircularTunnelinSubwayEngineering

Yuan Zhaokui

(The Survey and Design Institute of Wuhan Municipal Engineering Design & Research Institute Co.，Ltd，Wuhan 430023，China)

This paper provides a new solution of measuring the cross section of subway circular tunnel. The article first discusses the measurement process of the conventional method，then introduces the method of how to fit the cross-section survey in detail，and the relevant calculation formula. Finally taking the shield tunneling section of Yongantang station to Mengjiapu station in the second phase of Wuhan Metro Line 4 as an example，the cross section data obtained by the two methods are compared，generally using the new method measurement can meet the standard requirements.

subway engineering；circular tunnel；cross section measurement；shield machine

1672-8262(2017)06-131-04

P258

B

2017—01—06

袁兆奎(1984—)，男，硕士，工程师，注册测绘师，主要从事地铁测量监理及第三方监测、基坑监测以及基础测绘等工作。