复杂小空间两井定向联系测量方案研究

崔 晓 许 锋 孙明峰 杨定强

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

近年来，随着城市化进程的快速发展，地铁建设难度越来越大。特别是在老城区，地铁施工易受场地及周边环境的多重约束。为缩短工期，常选择在盾构井内进行盾构机始发。此时，需将地面控制点坐标和方位角通过盾构井传递至井下[1]。为提高测量精度和工作效率，国内众多学者对联系测量方法进行研究。吴世明等通过工程实例对联系三角形的最优形状和数据解算取位进行探讨[2]；戴小松等以大东湖深隧工程为依托，通过采用激光投点和传统吊钢丝相结合的办法，提高联系测量精度[3]；许锋等以某隧道为研究对象，采用多点后方交会法进行井上和井下坐标的传递工作[4]；纪万坤等以天津地铁某盾构区间为依托，根据现场具体情况，先后运用了导线直传法、双三角形法、两井定向法、钻孔投点定向法等进行测量，保证了测量精度和贯通效果[5]。综上所述，地铁工程联系测量方法众多，在实际工作中应根据现场条件选择最合适的方法。其中，两井定向法联系测量灵活性高、操作性强、测量误差小，被广泛应用于地铁隧道联系测量工作中[6-7]。

地铁测量规范中，规定测量基线边长一般应大于120 m[8]，在空间受限条件下，部分城市地铁测量管理办法中，规定测量基线边长一般应大于60 m，而盾构井长仅为40 m左右，远小于规范要求。因此，在盾构井等受限空间内，如何有效开展联系测量工作、提高测量精度、减小坐标传递误差，更好指导隧道施工，成为了地铁测量关注的焦点与难点。

依托广州市轨道交通14号线支线工程知识城站—识城南站盾构区间测量项目，在复杂小空间盾构井内通过对两井定向联系测量方案进行优化和设计，并采取一系列误差控制措施，减小误差，提高测量精度，以期达到更好的指导隧道施工、提升隧道贯通质量的目的。

1 工程概况

广州市轨道交通14号线支线工程知识城站—知识城南站区间总长约2 353 m，采用盾构法施工，区间中部设置有盾构井。其中，知识城站—盾构井区间长约1 193 m，盾构井—知识城南站区间长约1 120 m；盾构井长40 m，端头井宽21.1 m。根据施工计划，盾构机首先从盾构井往知识城南站方向掘进，在知识城南站接收后，进行拆卸并运至盾构井，再重新进行组装，然后二次始发掘进至知识城站。知识城站—知识城南站盾构区间施工顺序见图1。

图1 知识城站—知识城南站盾构区间施工顺序

2 方案设计

以知识城站—知识城南站区间左线为例，为确保隧道掘进和高效贯通，区间采用两井定向法联系测量方案进行坐标、方位角传递工作。

2.1 盾构井—知识城南站区间

在受限空间内，盾构始发阶段先采用两井定向法确定两条短基线边；当盾构掘进150 m后，重新布设控制点，增长基线边，采用两井定向确定两条稳定的长基线边指导现场施工[9]。

2.2 知识城站—盾构井区间

盾构始发阶段，在盾构井和盾构井—知识城南站区间隧道内，利用原控制点或布设新控制点确定两条长基线边；当盾构掘进150 m后，根据现场情况，利用原控制点或布设新控制点采用两井定向法确定两条稳定的长基线指导隧道掘进。

3 方案实施

3.1 测量准备

(1)根据现场条件，在盾构井周边合理位置设置近井点，近井点宜采用强制对中装置；近井导线边数不宜超过5条，近井导线边长宜大于50 m。平面控制点作为起算点前应先进行稳定性检核，边长及角度检核均无误后方可使用[10]。

(2)根据盾构井空间情况，在盾构井内悬挂2根φ0.3 mm钢丝，钢丝下部挂有10 kg左右铅锤。2根钢丝连线应与基线边方向保持一致，钢丝间距应尽量拉大，其下方应张贴数张不同方向的反射贴片，便与现场距离和角度观测。

(3)根据联系测量工作特点，安排两组测量人员和2台高精度Leica TS60全站仪及配套设施同时进行井上和井下测量工作，施测前应对仪器设备进行检查，以确保测量期间仪器性能稳定可靠。

3.2 盾构井—知识城南站区间

(1)盾构始发阶段

地面导线以边Z039～Z040、Z042～Z043为起算边，经过DG1、JJD1、JJD2、Z041构成附合导线。采用左右角法进行角度和距离测量，内业采用“科傻”平差软件处理观测数据。根据现场条件，在井下布设ZDG1、ZDG2、YDG2三个点控制点，形成主辅两条始发基线边，井下形成相互检核条件。盾构井—知识城南站区间始发联系测量见图2。

图2 盾构井—知识城南站区间始发联系测量网

在地面JJD1、JJD2和井下ZDG1、ZDG2、YDG2设站，分别后视DG1、Z041和ZDG2、YDG2、ZDG1观测两根钢丝(GS1、GS2)，得到第1组距离和角度观测数据，移动2根钢丝，重复上述步骤，得到第2、第3组距离和角度观测数据。输入控制点坐标，利用平差软件对3组观测数据进行精密平差，得到两条基线边ZDG1-ZDG2、ZDG1-YDG2成果。

根据规范要求，地下控制点坐标互差应满足不大于±16 mm、基线边方位角互差不大于±12″、边长互差不大于±8 mm。依次比较3组基线成果，结果显示，X坐标差值最大为-1.9 mm、Y坐标差值最大为-1.0 mm(控制点YDG2第1组与第2组差值)，基线边方位角较差最大为6.3″(基线ZDG1-YDG2第1组与第2组差值)，边长较差最大为-0.6 mm(基线边ZDG1-ZDG2第2组与第3组差值)。差值满足规范要求，取3组成果平均值作为最终成果。盾构井—知识城南站区间始发联系测量成果见表1。

表1 盾构井—知识城南站区间始发联系测量基线成果

(2)盾构掘进至150～200 m

随着盾构机的不断掘进，盾构井及隧道洞内可操作空间不断增加。在稳定位置重新布设新的控制点ZD1、ZD60、ZD65，形成2条新的测量基线边ZD1～ZD60、ZD1～ZD65，从而实现短基线变长基线，以长基线控制盾构掘进方向的目的。盾构井—知识城南站区间150～200 m联系测量网见图3。

图3 盾构井—知识城南站区间150～200m联系测量网

在地面和井下控制点同时设站观测2根钢丝，得到第1组基线成果，重复上述步骤，得到第2、第3组基线成果。依次比较3组基线成果，结果显示，X坐标差值最大为6.5 mm、Y坐标差值最大为1.7 mm(控制点ZD60第1组与第2组差值)，基线边方位角较差最大为-11.32″(基线ZD1-ZD60第1组与第2组差值)，边长较差最大为0.3 mm(基线边ZD1-ZD65第2组与第3组差值)。差值满足规范要求，取3组成果均值作为最终成果。盾构井—知识城南站区间150～200 m联系测量成果如表2。

表2 盾构井—知识城南站区间150～200 m联系测量成果

盾构井—知识城南站区间掘进150～200 m后，地下形成稳定的测量基线边ZD1-ZD60、ZD1-ZD65，下一阶段联系测量工作按上述测量方案同步实施。

(3)洞内导线测量

根据隧道掘进情况及时布设洞内控制点，洞内控制网形采用导线结点网的形式，结点网间角度个数不超过8个。洞内导线点只有2个观测方向时，采用左右角法进行测量，导线点有3个观测方向时，采用方向观测法进行测量[11]。洞内导线平差计算以ZD1、ZD60、ZD65为起算点。盾构井—知识城南站区间洞内导线测量示意见图4。

图4 盾构井—知识城南站区间洞内导线测量示意

3.3 知识城站—盾构井区间

(1)盾构始发阶段

盾构井—知识城南站区间贯通后，盾构机拆卸运至盾构井进行二次始发，结合现场条件，在盾构井及成型隧道洞内利用原控制点或布设新控制点确定两条长基线指导施工。

(2)盾构掘进至150～200 m

当盾构掘进150 m后，利用盾构井—知识城南站区间原有控制点ZD1、ZD65和新布设控制点ZD32，形成两条长基线边ZD1～ZD32、ZD1～ZD65指导现场施工。知识城站—盾构井区间150～200 m联系测量网见图5。

图5 知识城站—盾构井区间150～200 m联系测量网

依次比较3组基线成果，结果显示，X坐标差值最大为-0.5 mm、Y坐标差值最大为0.9 mm(控制点ZD1第1组与第2组差值)，基线边方位角较差最大为-0.8″(基线ZD1～ZD65第1组与第2组差值)，边长较差最大为0.2 mm(基线边ZD1～ZD32第1组与第2组差值)。差值满足规范要求，取3组成果均值作为最终成果。知识城站—盾构井区间150～200 m联系测量成果如表3。

表3 知识城站—盾构井区间150～200 m联系测量成果

隧道掘进至150～200 m后，地下形成稳定的基线边ZD1～ZD32、ZD1～ZD65，后续联系测量工作根据施工进度按上述测量方案同步实施。

(3)洞内导线测量

洞内控制网采用导线结点网的形式进行布设并根据隧道掘进情况不断延伸。洞内导线平差计算以ZD1、ZD32、ZD65为起算点。

3.4 误差控制措施

(1)钢丝的悬吊应采用焊接好的固定支架，避开震源、吊装作业区域；钢丝在悬吊过程中应避免碰壁、打结；铅锤需全部没入浓度适中的阻尼液中，以利于钢丝的复位[12]。短边直接影响测角精度和方位角传递，故钢丝距近井点的距离不宜过短。

(2)钢丝观测宜在无风状态下采用2个作业组井上、井下同时进行。测前应检查钢丝的稳定状态，保证钢丝的垂直度良好，钢丝观测过程中应采用长边作为定向边观测钢丝的方向值，测距过程中应注意更改棱镜、反射贴片的常数，确保测距准确。

(3)地下控制网采用导线结点网形式布设，由于对控制网中所有边长、角度进行了测量，增加了图形条件和多余检核条件，剔除了粗差，可有效提高测量精度。采用双基线和导线网形式增加复核点，可使隧道在各施工阶段中，有更多的边长、角度、坐标检核条件，以避免测量事故发生。

(4)隧道现场环境极其恶劣，同时导线边长普遍较短，仪器的对中误差和目标偏心误差对测角影响较大，强制对中装置可有效减少全站仪、棱镜的对中误差，提高测量精度，因此地下控制点布设成强制对中装置[13]。导线点应确保稳定并不被破坏，外业观测时测量数据可进行现场对比，避免粗差出现。导线测量时，还应密切注意气压、温度、湿度等因素对距离的影响。

(5)导线边长应尽量增长，减少洞内控制点数量[14]；内业数据处理时，应将所测的三组钢丝数据纳入地面导线和井下导线进行整体平差。盾构掘进150 m后，井下形成稳定的基线边，多阶段联系测量成果应进行比较分析，差值满足要求情况下可进行加权平均，增加数据稳定性[15]。

4 成果与分析

4.1 阶段成果比较

知识城站—知识城南站区间以左线测量主基线边ZD1～ZD65为例，将盾构井—知识城南站区间盾构掘进150～200 m、350～400 m、贯通前150～200 m以及知识城站—盾构井区间盾构掘进150～200 m、350～400 m、贯通前150～200 m 6个阶段联系测量成果进行比较。测量结果显示，基线边方位角较差最大为-9.1″，边长较差最大为2.5 mm。测量各阶段基线成果较差均满足限差要求，测量成果可靠。各阶段基线成果比较见表4。

表4 各阶段基线成果比较

4.2 贯通测量成果

隧道贯通误差测量采用坐标法进行，一端从知识城站和知识城南站方向已知点测至贯通点，另一端从盾构井方向已知点测至贯通点，通过比较贯通点坐标差值得到贯通误差成果。贯通测量成果显示，知识城站—盾构井区间、盾构井—知识城南站区间左右线4条隧道贯通测量成果见表5。

表5 隧道贯通测量成果

由表5可知，隧道纵向最大贯通误差为23 mm，横向最大贯通误差为46 mm，远小于贯通限差±100 mm，误差满足规范要求。隧道贯通测量成果良好。

5 结论

在复杂小空间盾构始发井中，采用两井定向法联系测量方案确定两条短基线边初步指导隧道施工；待隧道掘进后在隧道内重新布设控制点，形成2条稳定的长基线边进一步指导隧道施工；隧道一端掘进完成后，可利用盾构井原有测量基线指导隧道另一端施工；隧道洞内导线点采用强制对中装置，同时导线设置成结点网形式，通过多阶段联系测量成果数据分析对比，可以较好实现井上和井下坐标、方位角传递。