矩形盾构测量技术的研究与探索

俞 靓

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

传统的盾构隧道断面为圆形，主要是圆形隧道断面结构受力合理，但是其利用率低。而矩形隧道断面结构相比圆形结构，具有充分利用断面结构、能节约20%以上的有效使用面积和减少隧道结构施工深度等优势，因此矩形断面结构在我国城市地下隧道建设中得到了越来越多的应用。

当前矩形隧道正朝着大截面、长距离、曲线的方向发展，而已有的矩形顶管在曲线施工、背土效应控制、对周边环境的影响、长距离顶力控制、长距离轴线控制等方面的难度将越来越大甚至难以克服，故矩形盾构设备及建造技术的开发应运而生。

为此，我们通过“产学研合作”攻关，开发了适应城市地下矩形隧道建造的国内首台大断面矩形盾构机及衬砌、施工工艺和控制技术，以求为城市地下空间的开发探索“低碳环保型”的建造方法和设备，为服务城市建设及推动城市转型发展作出贡献。

1 矩形盾构简介

矩形盾构机（图1）宽10.10 m、高5.30 m、长9.05 m，主要由切口环、支承环和盾尾组成，采用Q345B钢板焊接制成。在切口环上装有切削刀盘、驱动、螺旋机等，在支承环上装有推进油缸、电控系统、管路管线等，在盾尾安装管片拼装机及盾尾钢丝刷。后配套台车共有4节，包括驾驶室、注浆系统、盾尾油脂系统、集中润滑系统、注水系统、液压系统和电气系统等，总长28 m。

图1 矩形盾构机外观

2 盾构制作阶段的测量问题

矩形盾构的实际形状为由8段圆弧构成的不规则的类矩形。其中包括4个角的圆弧、上下圆弧及左右圆弧这3种类型。为了保证制作精度，在盾构机制作过程中，我们要对其外壳进行测量。

具体操作方式如下：

将矩形盾构外壳竖向放置于平坦的地面上，利用水准仪测量并将其表面高差控制在5 mm范围之内，这时我们认为其表面处于同一水平面上。在盾构四周设置4个固定观测点，建立相对坐标系，利用这4个点对盾构机上、中、下3个面进行测量（图2）。所测的点须在盾构机外表面进行标注，做到4个角弧线段每5 cm设1个点，左右弧线段每7 cm设1个点，上下弧线段每10 cm设1个点。将所测得3个面的点分别进行曲线拟合，最终根据拟合情况，指导盾构机壳加工[1-2]。

图2 矩形盾构尺寸测量俯视

3 施工准备阶段中的测量问题

除了常规隧道施工中的问题之外，针对矩形盾构的特殊性，主要还需解决以下几个问题[3-4]。

3.1 矩形盾构发射架

由于形状特殊，矩形盾构的发射架不同于常规圆形盾构发射架。结合始发井的情况，要对发射架进行专门的调整。在实际操作中，我们事先在地板上浇筑2段间隔6 m、宽40 cm的混凝土梁，在梁上每隔20 cm埋设预埋钢板。

同时，根据矩形盾构的形状，2段梁需要形成一定的角度，这样才能保证盾构机安放时的稳定性。待梁凝固稳定后，将2根φ14 cm的重轨焊接在预埋件上，钢轨固定后，将矩形盾构机稳固地安放在2根钢轨上。在浇筑混凝土梁、安放钢轨的过程中，测量人员必须反复测量混凝土梁及安放在上面的钢轨的高程及平面位置，保证盾构机在放置稳定时，其几何中心位于设计轴线上。

3.2 限界型钢的安装

矩形盾构的特殊形状使得其在发射架上向前推进时方向很难控制。常规圆形盾构只要将发射架加固稳定，盾构机在发射架上的推进过程中就基本不会出现跑偏的现象。而矩形盾构由于底面较为平坦，若不采取措施，则在发射架上推进时极易出现跑偏现象，为此我们需要在矩形盾构的两侧安装限界型钢（图3）。

安装限界型钢时，须注意保证型钢与盾构机之间的最小距离保持在2 cm，推进时，通过观察限界型钢与盾构机之间的间隙，也可指导盾构机的推进。在实际操作中，限界型钢发挥了较好的作用，跑偏现象得到了控制。

图3 发射架推进阶段限界安装示意

3.3 导线点及吊篮的布置

矩形盾构截面较大，但为了减小管片拼装后的变形量，因此在盾构机尾部设置了尺寸较大的管片保持器。保持器的存在使得隧道内测量视线空间变得十分有限。在矩形盾构正式推进前，应合理地布置固定导线点及安放盾构导向系统仪器的吊篮，最大限度地保证测量的通视。在实际操作中，我们将隧道的导线点及吊篮统一安放在隧道右侧，在非小半径转弯的通常情况下，导线距离可达到200 m，1个吊篮使用距离可达到100 m。

3.4 盾构姿态自动测量系统的安装

矩形盾构自动测量系统要求在盾构机内安装3个目标棱镜，应事先确定这3个棱镜在盾构机中的相对坐标参数。这样就可以通过全站仪对这3个棱镜进行跟踪测量以获取这3个棱镜的三维坐标，通过安装在盾构机内的双轴传感器测得盾构机的倾斜和侧滚角度，计算出盾构机上任一点的x、y、z坐标。然后根据已经预先输入系统的DTA（线路轴线），就可以计算盾构机切口中心和盾尾中心与DTA的偏差值以及盾构机趋势。

系统的硬件组成包括计算机1台，Leica TCA 1200系列全站仪1台，后视棱镜1个，目标棱镜3个，SAMS-A、B、C控制箱各1个和通信电缆1套。其中SAMS-A控制箱内装有倾角传感器，SAMS-B和SAMS-C箱为全站仪通信控制箱。

首先在盾构机内部选取3个视线较好且较为稳定的位置，将3个目标棱镜安装到位。然后将装有倾角传感器的SAMS-A控制箱安装于盾构机内部较为隐蔽且稳固的位置，测出盾构机的初始旋转角度及坡度，在连接于SAMS-A的电脑中把自动测量软件内显示的旋转角度及坡度调整至实测值。在盾构机后方能清楚地观测到盾构机内部3个目标棱镜的位置架设初始测量支架，将全站仪及后视棱镜稳固地安装于初始测量支架之上。连接好各部件之间的通信及电源电缆。

在矩形盾构施工的实际操作过程中，由于盾构机特有的形状导致仪器在后方观测时，无法同时观测到左右两边。为了保证自动测量系统在向左、右转弯时均能保证观测效果，我们需要在盾构机左右两侧安装2套目标棱镜，并分别计算出这2套棱镜与盾构机的相对关系。这样，就能根据隧道设计轴线，合理地选择、使用任意一套棱镜，避免碰到转弯时自动测量系统频繁更换测站所带来的测量误差。

4 矩形盾构施工过程中的测量问题

在完成所有的准备工作后，盾构施工进入到正常推进阶段。矩形盾构与常规圆形盾构相比主要有以下几点问题。

4.1 管片的稳定性问题

矩形盾构为了保证隧道可有效使用的截面积，整个断面呈扁平状。这使得管片上下表面与土体接触面积大，管片极易发生变形。施工过程中，在使用管片形状保持器的同时，对每环管片收敛情况的测量尤为重要。在实际操作中，必须在每一环管片拼装完成的时候对其进行测量。具体测量方法为在管片的固定位置做好标记，计算出此位置的设计尺寸，利用全站仪或手持测距仪对标记点进行测量，将测得的数据与设计数据作比较，从而得出管片拼装质量结果，以指导下一环管片的拼装（图4）。

图4 管片横纵径测量

图4中4条线即为所需测量的尺寸。在实际操作中，我们积累了大量的原始数据，针对每环管片不同的变形情况，及时制订应对措施，很好地控制了管片的变形。

4.2 管片状态测量

管片状态测量包括管片的平面偏差和高程偏差测量以及管片的法面测量。

管片的平面偏差测量即是测量当班施工管片的左右偏差。先找出每环管片的平面中心点，利用全站仪测得管片平面中心点的坐标，将此数据与设计轴线相比较，得出的差值即为管片的左右偏差。上下偏差测量的方法是：放一水准尺于所测环的大里程的底部，根据通道内的高程控制点测出该环大里程的高程，通过与设计高程比较得出该环管片的上下偏差。通过测量此偏差，可以反映出管片的错缝情况、管片在盾构机内和出盾构机尾后的变化情况以及管片最近2 d的偏差变化情况，以便于及时调整注浆、推进速度等施工参数。

4.3 沉降观测问题

由于矩形盾构的断面宽、面积大（本工程所用盾构断面面积约50 m2），断面上土压力的分布亦不均匀，故对掘进过程中开挖面的稳定造成较大影响，进而对周边环境也会产生不利影响。

对于隧道内的沉降监测，我们采用对固定观测点进行沉降测量的方法，即利用水准仪对其进行沉降观测。由于矩形盾构采用了钢管片，其本身不易变形，故采用在管片特定手孔内做记号的方式，每次对同一位置进行沉降观测，得出隧道沉降量。

对于地面沉降，我们在重点部位（高架、桥梁等）采用全自动沉降测量监测的方式。将目标棱镜底座牢固地安装在所需观测部位。

考虑到周边环境，因此采用焊接固定观测支架的方式将自动观测全站仪固定于通视良好的位置，高为1.5 m左右。全站仪安置于支架中，采用电缆进行供电，备有外接储电池可供电10 h，以保证断电时仪器的正常使用。利用全站仪结合自动监测程序，对重点部位地面沉降点进行沉降监测。

在绿化带地面布设监测点时须挖开土层，把监测定做的沉降标杆埋入深60 cm以下土中，标杆底部须用混凝土加固出15 cm×15 cm的底盘用作固定，然后回填泥土并让沉降标杆高出地面绿化植物以方便仪器观望监测。再把监测小棱镜用螺丝紧固或电焊焊接固定（安装过程要注意棱镜面向方向）。

4.4 矩形盾构姿态测量

盾构机姿态测量是实时测量盾构机的现有状态，及时指导盾构机纠偏。盾构姿态测量是通过全站仪对这2个棱镜进行跟踪测量，利用计算机中的自动测量计算程序，将盾构机实时的姿态与设计轴线相比较，得出具体的差值。

与此同时，必须每天对盾构姿态进行人工复核。方法与常规盾构一样，这里就不做过多的叙述了。

5 矩形盾构施工结束阶段的测量问题

为了保证隧道顺利贯通，除去常规的导线测量等内容以外，我们还要注意以下几点。

5.1 洞门测量

矩形盾构洞门形状与常规隧道洞门相比较为复杂，洞门与盾构机之间间隙为15 cm，采用拼装方式安装到位。在测量洞门时，根据其安装情况，在每一个单体块上分别取点，取点原则类似于前面讲到的盾构机制作阶段，对盾构机外壳进行测量时的取点方式。利用全站仪对所取点的三维坐标进行测量，最后拟合成各段圆弧。由于实际的安装误差，故洞门往往有较明显的误差。这时需对测量结果进行分析，尽量避开间隙较小的位置，尽早制订推进方案，使得盾构机进洞时四周缝隙尽可能地均匀，以保证顺利进洞。

5.2 隧道轴线测量

矩形盾构管片横径较常规圆形管片更大，无法利用长尺居中的方法对管片中心坐标进行测量。在矩形盾构轴线测量中，我们采用在管片同一里程左右相对称的位置做标记的方式，对管片平面坐标进行测量。高程仍旧采用常规水准仪测量，但在最后计算时必须结合管片横纵径测量数据，最终得出管片的三维坐标。

6 结语

随着时代的发展，隧道盾构施工也在不断地进步。相较于圆形盾构，矩形盾构掘出的矩形隧道大大地提高了隧道可使用面积，在今后的隧道施工中将会起到极大的作用。

作为服务于盾构施工的测量行业，也必须在其中不断摸索，为今后各种技术革新提供强有力的支持。