长距离过海地铁盾构隧道控制测量关键技术研究

徐秀川 刘运明 王 磊 郭 明 张 伟

(1. 北京城建勘测设计研究院有限责任公司, 北京 100101;2. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430079;3. 北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院, 北京 100044)

0 引言

厦门市轨道交通2号线为厦门市东西骨架线,构建了厦门本岛与海沧区快速跨海连接通道,是厦门地铁第二条开通运营的线路,其中海沧大道站—东渡路站区间(以下简称“海东区间”)下穿厦门西海域,为国内首条地铁盾构海底隧道[1],全长2 784 m,为全线控制性工程。隧道穿越地层地质情况复杂多变,有“地质博物馆”之称,是整条线路中施工难度最大、风险最高、对施工测量要求最高的施工区域。

海东区间为长距离过海盾构区间,布设精度高、稳定性好及实用性强的控制网至关重要。由于区间精密导线点无法布设,该区段平面控制网采用卫星定位测量方法进行布设,并根据实际需要进行网形优化设计,同时从外业选点、外业施测、内业数据处理等方面采取综合技术措施提高全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)控制网的实用性及可靠性。同时,该区间下穿海域跨度大(超过2 km),必须采用跨河水准测量的方法,将精度等级满足规范要求的本岸高程传递到对岸,统一两岸过海隧道高程控制基准,实现隧道的顺利贯通,本工程采用高精度全站仪基于电磁波测距三角高程法,并特制了观测觇板,实现了高精度的跨海水准测量,为长距离过海隧道的顺利贯通建立了稳定的高程基准。此外,对于长距离盾构隧道,为弥补常规支导线测量随站数增多测角误差累计的缺陷,采用陀螺定向的方式对地下方位进行多次复核校正,同时研制了基于手机的陀螺定向测量数据处理系统[2],大大提高测量定向效率;针对该区间地质情况异常复杂、盾构姿态控制困难的问题,采取了一系列盾构姿态控制措施,保证盾构机沿设计轴线掘进并最终顺利接收。历时1 113 d,本区间于2019年3月完成全线洞通。

本文对过海段GNSS控制网优化布设、跨海水准测量实施以及盾构施工控制测量等关键技术分别进行介绍。

1 GNSS控制网优化布设

地铁工程施工前需首先建立指导工程施工的测量控制网,控制网的精度直接影响地铁隧道的贯通和精度[3],控制网包括平面控制网与高程控制网。对于平面控制网,城市轨道交通线路控制网为二等网,采用卫星定位方法布设,三等网为线路加密控制网,采用精密导线形式布设。

对于海东区间,由于区间穿越大面积海域,不具备布设精密导线的条件,故本区间平面控制网采用卫星定位方式布设。本项目从控制网网形布设、点位选取、外业施测及内业数据处理等方面采取多种技术手段,建立了稳定可靠的过海段平面控制网。

1)将厦门市CORS站数据纳入2号线GNSS控制网进行平差计算,提高平面控制网的整体精度。

CORS基准站数据作为GNSS控制网起算基准具有较高的实时性且覆盖率高、观测数据质量好,点位坐标数据稳定,且可以有效地减少测量外业工作量等优点[4]。厦门地铁2号线首次将高精度CORS站数据纳入GNSS控制网中。在2号线沿线均匀选取GB32、GB39、GB51、GB55、GB57、GB68共6个连续运行参考站,作为GNSS静态控制网的起算数据,对GNSS网进行整体平差解算,提高了控制网的整体精度。

2)对过海段GNSS网形进行局部优化设计,提高其实用性及可靠性。

(1)控制网以同步三角形连接,用边连式扩展成空间GNSS锁网,保证了控制网的网形强度,同时全网包括多个非同步独立边构成的多边形闭合环,具有良好的粗差检测能力[5]。

(2)在始发竖井(车站基坑)周边布设可以直接用于联系测量的GNSS通视基线边,为提高方位角精度,基线边尽量拉长(约1 km)。

(3)考虑到跨海段实际情况,取消区间精密导线点,在线路附近的大兔屿与火烧屿上布设一对通视GNSS控制点,提高控制网网形强度及实用性。

3)多路径误差作为GNSS测量的主要误差来源,无法通过改正模型或差分技术进行消除或减弱,因此,为减弱多路径效应的影响,控制点在满足通视的情况下,尽量选埋在远离水域的位置,同时适当延长观测时间也可以一定程度上减弱多路径效应的影响[6]。

4)为减少仪器对中误差,GNSS控制点均以强制对中形式埋设。

5)由于厦门地处低纬度地区,电离层闪烁频发,影响卫星定位精度[7],外业观测前,参考TEC电离层,了解厦门地区电离层活动规律,避开电离层活跃时段,合理制定外业静态观测计划,减少电离层影响。此外,本项目实施过程中,建立了静态数据后处理模型,该模型提出电离层高阶影响建模修正方法,引入全球地磁场模型对二阶和三阶电离层影响进行建模,一定程度上减少了电离层对GNSS成果精度的影响[8]。

6)考虑到该区间长度较长(超过2 km),外业测量时,延长跨海段部分GNSS基线边观测时长,提高局部相对精度。

7)为提高解算精度,基线解算采用精密星历,采用多基线解算模式进行解算。

8)为验证控制网成果的可靠性,对2号线与既有1号线重合控制点坐标进行比较分析,结果如表1所示。

表1 重合控制点坐标比较表

通过对比分析,2号线与1号线重合GNSS控制点坐标较差较小,表明2号线与1号线GNSS控制网成果有较好的兼容性,成果可靠。

2 跨海水准测量

海东区间过海段长度超过2 km,超过常规高精度几何水准测程。根据《城市轨道工程测量规范：GB/T 50308—2017》规定,水准路线跨越视线长度大于100 m时,应进行跨河水准测量。依据《国家一、二等水准测量规范：GB/T 12897》对跨河水准测量的相关规定,本项目采用同步对向观测的电磁波测距三角高程法进行跨海水准测量[9],采用并特制了一种观测觇牌,实现了海东区间两岸高程的高精度传递,为区间的顺利贯通提供了稳定的高程基准。电磁波测距三角高程法测量装置示意图如图1所示。

图1 电磁波测距三角高程法测量装置示意图

如图1所示,A与B位于海域两侧,其中B为已知高程控制点,A为待测高程控制点,则根据电磁波测距三角高程测量原理可知：

(1)

式中,HB为已知点高程;h2可通过全站仪读取;h3为标志线中心与待定点A的高差;α、β为竖直角;S1、S2分别为全站仪与已知点、待定点的水平距离,该方法无须测量全站仪仪器高。其中,由于全站仪与已知点距离近,h2、S1、β测量精度较高,提高h3、S2、α的精度是影响跨河水准测量的关键。为此,特制跨河水准测量装置,如图2所示。主要特点如下：

(1)为精确获取竖直角α,特制电子觇牌,如图2中12所示,其自身背景与标志线(图2中A所示)的颜色和亮度可调节,标志线粗细大小也可根据视线长度调整,保证在跨海超远测程的情况下,十字丝可以精准地瞄准标志线,获取精确的竖直角α。如图3所示。

图2 特制跨河水准测量装置

图3 全站仪准确瞄准标志线

(2)为提高h3精度,中心轴杆上每10 cm设置一个卡扣,该卡扣可通过紧固螺栓与觇牌精准连接,该刻度读数即为h3,与常规的通过米尺量取h3相比,便捷且精度高。

(3)为精确测量S2,在支撑架顶部设置棱镜,同时支撑架下部设置有圆水准气泡,确保支撑架在竖直状态下,通过全站仪测量棱镜精确获取S2的数值。

表2 跨海水准精度统计

3 过海盾构施工控制测量

海东区间采用盾构法+矿山法组合施工方案,盾构单向掘进长度超过2.5 km,由于地下空间有限、施工环境差,长距离隧道贯通误差难以保证[11],如何提高地下控制测量精度保证隧道的准确贯通是本工程测量的一大难点,另外,海东区间海底隧道工程穿越地层集软土、硬岩、上软下硬、上硬下软、拱部砂层侵入、两条断裂带等,堪称“地质博物馆”,复杂的地质条件导致盾构机姿态控制困难,需采用测量手段对盾构机姿态进行监控,保证盾构沿隧道设计轴线掘进[12]。本项目采取的盾构施工控制测量措施包括以下方面：

(1)根据具体测量条件,选择合理的平面联系测量方式。区间自海沧大道站始发,车站两端竖井可悬吊钢丝,钢丝间距近200 m,采用两井定向方法,同时为提高定向精度,地下起始基线边应尽量拉长。盾构在东渡路站接收,由于接收端竖井口小,钢丝间距不足5 m,且深度达40 m,不具备两井定向及导线直接传递的条件,故接收端暗挖段采用一井定向方法进行测量控制。

(2)测量采用测量机器人自动采集数据,利用专业软件进行严密平差,测量速度快,观测数据质量高[13]。海东区间使用双导线网形式进行洞内导线布设,如图4所示。为减少对中误差,洞内控制点均埋设强制对中形式。此外,借鉴并优化了铺轨控制网CPIII测量系统的布点方案、观测方法及数据处理,引入自由设站边角交会法进行应用研究,如图5所示。该方法图形强度高,检核条件多,与洞内双导线网互相验证,共同构成地下控制测量系统,保证了盾构隧道的准确贯通。

(3)海东区间单向掘进长度超过2 km,由于隧道内没有可附合的已知点,洞内延伸控制测量属于支导线范畴,随着隧道掘进的延伸,距离和角度测量累积误差逐步增大,为减少误差累计,一方面隧道内尽量增加导线边长减少测站数,另一方面,在隧道掘进超过1.2 km后,采用加测陀螺方位角的方法控制导线方位误差的累计[14],保证盾构机沿轴线掘进并顺利接收。

图4 双导线网示意图

图5 自由设站边角交会导线网示意图

针对在陀螺定向施测过程中不便使用纸笔记录定向数据、判断陀螺定向数据互差烦琐复杂浪费时间人力、计算坐标方位角需要自行笔算等问题,根据陀螺定向过程设计开发了基于普通商用Android智能手机的陀螺定向测量数据处理系统,该系统有效避免了实际隧道工程测量中由于精度不满足要求而需要反复测量的弊端,极大提升了测量工作效率,该系统在本项目中进行了成功应用,验证了其有效性与准确性[2]。

(4)采用多种测量手段控制盾构隧道掘进轴线偏差,具体包括：①设计数据导入盾构机之前进行多级复核,确保相关参数准确无误,需重点注意盾构线路中心与隧道中心的区别;②建立远程监控系统,对盾构掘进相关参数进行监控;③每天采用人工测量方法对盾尾成型管片姿态进行测量,可使用全站仪+水平尺采用极坐标法获取管片中心坐标及管片顶底高程,检核隧道轴线偏差;④由于盾构机自动导向系统只能检核自身系统精度,不能满足绝对精度检测,无法发现因系统错误导致的轴线实际偏差[15]，因此,需要定期(至少1次/月)采用人工测量方法对导向系统进行检核,确保其准确可用性，主要方法是人工测量盾构机姿态参数与导向系统进行对比,具体包括平面偏差、高程偏差、俯仰角、方位角、滚动角、切口里程等参数。

4 结束语

作为国内首条过海地铁盾构隧道,厦门地铁2号线海东区间过海段超过2 km,本项目测量实施过程中,从平面控制网优化布设、跨河水准实施、地下施工测量控制等方面制定针对性的专项测量实施方案,建立了长距离跨海段地面控制基准,形成了一套完整的地下控制测量体系,保证了盾构隧道的准确贯通,为地铁2号线的顺利通车奠定了扎实的测量基础。由于属于国内首次,希望能为类似项目提供参考。