地铁盾构机姿态定位测量技术分析

刘红沪

摘要：地铁隧道修建中盾构法的运用广泛，落实盾构机的姿态测量十分重要，直接关系到最终隧道贯通质量。本文首先对地铁盾构机姿态偏差易导致的问题及其控制必要性进行了简要分析，其后详细探讨了地铁盾构机姿态控制参数与定位测量方法，最后围绕实例具体论述了地铁盾构机姿态定位测量技术的运用情况，以期可供参考。

Abstract： The shield method is widely used in the construction of subway tunnels. It is very important to implement the attitude measurement of the shield machine， which is directly related to the final tunnel penetration quality. This article briefly analyzes the problems caused by the attitude deviation of the subway shield machine and the necessity of control firstly， then discusses the attitude control parameters and positioning measurement methods of the subway shield machine in detail， and finally discusses the application of attitude positioning and measurement technology of subway shield machine in detail around an example to provide reference.

關键词：地铁;盾构机;姿态控制;定位测量;工程案例

Key words： subway;shield machine;attitude control;positioning measurement;engineering case

中图分类号：U231.1                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）27-0131-03

0  引言

目前，盾构工法凭借着机械化程度高、掘进速度快、周边影响小、施工安全性高等诸多优势，在各大城市地铁修建中得到了广泛应用，截止2019年末，我国拥有轨道交通运营里程6172.2km，增加877.1km（其中，拥有地铁线路159条、5480.6km，轻轨线路6条、217.6km）。由此可见，在今后很长一段时间内，地铁盾构工程量将持续增加，如何进一步保证盾构质量、安全性十分关键，本文主要围绕地铁盾构机姿态定位测量技术展开详细分析。

1  地铁盾构机姿态控制概述

21世纪以来，我国城市规模持续扩大，人口大量聚集、交通越加繁忙，为缓解交通拥堵情况，立体式交通逐渐发展起来，地下空间开发、利用规模持续扩大。在地铁盾构施工中，盾构机姿态控制是一大关键问题，实际定位测量是否精确，直接关系到隧道轴线控制情况，另外盾构姿态不良也极易导致过大地层损失，出现较大地表沉降，主要问题如表1所示。

总的来说，地铁盾构机姿态控制不佳极易导致严重的质量、安全隐患，做好姿态定位测量工作十分重要，其是后续调整、控制措施实施的基本前提，直接关系到地铁隧道成型质量与运行安全性、可靠性。

2  地铁盾构机姿态控制参数与定位测量方法

2.1 盾构机姿态控制参数

地铁盾构机推进过程中，受到诸多因素的影响，极易出现盾构机姿态改变、盾构轨迹偏离设计轴线的情况，如：当正面四周阻力差异较大时，推进液压缸推力不均，重心易偏向一侧。根据实践分析可知，盾构施工必然要穿越不同地层，各地层特性、物理指标差异较大，若是控制不当，盾构机会呈蛇行推进状态，出现时起时伏、左右摇摆的情况。

盾构机姿态主要可以用俯仰角、横摆角、扭转角进行描述，如图1所示。

2.2 盾构机姿态定位测量方法

盾构机姿态定位测量主要有两种方法：人工测量方法和自动导向系统测量方法，前者成本低，但是耗时长、精度低，后者效率高、自动化程度高，主要有陀螺仪导向系统、激光导向系统等，具体可根据项目情况选用，切实提高盾构姿态控制精度。

2.2.1 人工测量方法

①标尺法：此方法主要是测量盾构机内水平放置的标尺中心位置坐标，按照盾构机组装时确定的几何关系，对盾构机前、后盾体的中心坐标进行推算，并与隧道设计轴线进行对比，获得偏差值。

②三点法：此方法主要是在组装阶段在盾构机中适当位置均匀焊接螺母，在螺母上固定棱镜（图2），构建独立的控制网，测得测量点C1～8与盾构机前后盾体几何关系，施工测量中只需获得其中任意三点的坐标即可计算获得盾体中心坐标。三点法的操作时间相对较差，且计算程序也较为复杂，多数用于自动测量复核。

2.2.2 自动导向系统测量方法

①陀螺仪法：根据陀螺旋转原理分析可知，匀速自转的陀螺在无任何外力作用的情况下，可维持自身转动惯量，自转轴指向一个固定的方向。盾构机内的空间十分有限，机械陀螺的体积偏大，且定位时间过长，盾构测量中较常使用的是光纤陀螺仪自动测量系统。

②自动全站仪法：此种方法与三点法类似，需在盾构机设置目标靶，盾构机组装过程中测量获得目标靶与盾构机前/后盾体的中心坐标的几何关系。在盾构机掘进过程中，可在盾构机后方管壁固定自动全站仪，实现目标靶连续、实时的监测，采集到的出数传输至中央控制室后显示盾构机轴线与设计轴线偏差情况。此种定位测量方法的运用中，自动全站仪具有操作简单、测量精度高等欧式，可实现动态监测、远程管控，优势显著。

2.3 盾构机姿态纠偏控制策略

结合上文分析可知，盾构机掘进施工中姿态控制是一个关键任务，借助上述各种定位测量方法，有利于及时掌握盾构姿态误差，通过姿态输出器获得纠偏向量增量，建立纠偏向量与纠偏机构关系。姿态控制器输入、输出信息如表2所示。

在工程实践中，应根据上述信息有计划、有步骤的进行纠偏控制，主要措施如下：

①掘进中，注意滚角变化情况监测，依据盾构机滚角值对刀盘转动方向进行调整;

②結合每段的地质情况，调整掘进参数;

③纠偏过程中放慢掘进速度，防止纠偏时单侧千斤顶受力过大，导致管片破损;

④合理选择管片类型，防止因为管片拼装质量不合格引起盾构机姿态调整;

⑤纠偏过程中密切监测盾构机姿态、管片选型、盾尾间隙，注意盾尾与管片四周间隙必须均匀;

⑥若是盾构机与设计轴线的偏差值较大，严禁猛纠猛调，以免出现纠偏幅度过大的情况。

3 实例探析地铁盾构机姿态定位测量技术的运用

3.1 工程概况

本项目为某城市地铁二号线区间段，左线区间长度为958.135m，共计有797环。此盾构区间位于市区交通要道，施工难度较大，且对安全文明管理要求较高。本项目新引进的盾构机重量达300t，是为此次盾构施工定做的，预计每个月可掘进约400m，可按期完成施工作业。

3.2 施工测量

为满足本项目盾构施工需要，具体施工测量工作如下：

①地面导线、高程控制测量：车站旁设2个加密导线点CK146、CK147，使用强制对中观测装置，与车站周边4个高级控制点进行联测，形成附合导线（图3）。本项目车站周边业主提供了2个精密水准点，与附合导线中的2个精密导线点构成附合水准路线（图4）。车站附近选择1个近井水准点，将高程传递至车站附近。

②联系测量：包括竖井定向、高程传递两大部分，其中，竖井定向采用双井定向方法，采用增大2根钢丝距离的方法减小钢丝投向误差，提高起始边方位角精度;高程采用竖井传递，采用钢尺导入法，高程传递需独立进行3次。

3.3 盾构机始发测量

盾构机始发阶段需做好测量工作，主要项目如下：

①始发托架定位测量：测量目标是保证导轨中线与设计隧道中线偏差、导轨前后高程与设计高程不超限、导轨下坚实平整，利用地下导线点再导轨前后两端分别放样得到隧道中线中心点，并通过这两个中线点对导轨平面位置进行控制（图5）;使用水准仪利用地下水准点测定始发托架高程，每条导轨均测6个点，确保托架方向、坡度、高程与设计值的偏差在2mm以内。

②反力架定位测量：此部分包括平面定位、高程定位，前者通过地下导线点对反力架轴线进行精确定位，后者通过地下高程控制点对底板预埋钢板顶高程进行测定，推算预埋钢板设计顶高程，偏差≤3mm。

3.4 地下控制测量

盾构隧道地下控制测量如下：

3.4.1 地下导线控制测量

①施工控制导线：由洞外联系测量确定的1#、2#导线延伸而来（图6）。施工控制导线平均边长150m，整个隧道设置6个控制导线点，施工过程中利用隧道内第4、5个（SDN4、SDN5）导线点构成的边，指导盾构贯通，必须保证方位、坐标精确，采用闭合导线处理方法进行角度、距离的平差，在与贯通面相距50m处测量3次，加权平均后得到最后的结构，指导盾构机入洞。

②施工导线：此为隧道掘进依据，施工导线精度直接关系到盾构推进姿态、隧道贯通，其主要是由控制导线点敷设获得，直接受到施工控制导线的控制。盾构施工中，施工导线悬挂固定在隧道顶部吊篮，确保ROBOTEC系统测量机器人和盾构机目标靶通视。施工导线边长直线段、曲线段分别为60～80m、20～50m，盾构机掘进过程中，施工导点持续迁移，每次换站后对盾构机姿态实施人工检测。

3.4.2 地下高程控制测量

盾构掘进至70～80环，把高程引至隧道内高程控制点，伴随隧道的掘进，水准路线持续向前延伸，布设5个水准点，每布设1个新水准点均要从井下水准点测出新水准点的高程;盾构施工中，利用第5个水准点（BM605）指导贯通。

3.5 盾构机姿态测量

本项目采用ROBOTEC 导向系统，具体姿态测量情况如下：

①盾构机初始姿态测量：本项目在盾构机千斤顶处支撑环面适当位置，均匀粘贴13个棱镜贴片，并使用全站仪测定13个贴片坐标，通过程序计算获得圆心坐标、圆法面向量，据此计算出盾首、尾坐标，所有测量结果输入导向系统，明确3个目标棱镜与盾构机位置关系，为掘进施工提供基础数据，盾构机姿态测量如图7所示。

②盾构掘进姿态测量：采用ROBOTEC自动导向系统，主要组成部分包括Trim-ble5603 全站仪、RMT 棱镜，在适当位置设3个目标靶（图8），在盾构机调整阶段确定其与盾构机前后盾体几何关系。盾构过程中，自动全站仪连续、实时监测目标靶，所有采集到的数据传输至中央控制室，经软件处理后实施显示各项偏差、坡度以及里程数据等，一旦偏差过大直接报警，为及时纠偏奠定坚实基础。为保证隧道顺利贯通，本项目采用人工复测方法，每换站后检测1次。

3.6 衬砌环片测量

衬砌环片测量包括环片中心平面位置、标高的确定，前者利用1根长4m的精制铝合金尺+水准器确定环片中心平面位置，使用全站仪获得坐标;后者利用1根长5m的塔尺+水准仪进行测量。通过管片姿态测量，为盾构机的掘进提供可靠参考，可用于验证盾构机姿态，保证隧道顺利贯通。

4  结语

综上所述，在地铁隧道盾构施工中，盾构机姿态控制是否精确直接关系到隧道掘进质量与安全性。目前，我国盾构机姿态定位测量技术主要分为人工测量与自动导向系统测量两种，各有优缺点，具体可根据工程实际情况合理选择，可采取自动导向系统测量+人工复测方法，切实保证盾构机姿态定位测量精确性，为后期纠偏控制提供可靠数据支撑，保证隧道顺利贯通。

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