盾构机姿态精度控制技术

吕向红  
（北京市政建设集团有限责任公司 第四工程处， 北京  100055）

摘  要：随着盾构隧道长度的增加，对施工控制测量的精度提出了更高的要求。结合北京市南水北调配套南干渠工程某标段施工经验，总结出影响盾构机姿态精度的主要因素，并提出了地面控制点（平面和高程）复核、竖井联系测量，洞内控制导线（水准点）的布设，自动测量系统站点、后视点，盾构机观测棱镜等关键环节的注意事项和误差分配原则，提高了盾构机姿态控制的精度。
关键词：盾构机；姿态精度；导线精度；测量误差分配；导线布设 
中图分类号：U 452.14      文献标志码：B     文章编号：1009－7767（2012）04－0000－00

Technology Research of Attitude Control Accuracy of Shield Machine

Lü Xianghong

1  研究背景
    北京市南水北调南干渠工程某标段工程，输水隧洞全长3067m，采用盾构法施工，附属7个工作井明挖施工。隧洞设计线形多变，含有5个平面曲线、3个竖曲线段，最小曲线半径R=450m，最大纵坡i=0.019；此外，除了盾构始发和接收外，掘进过程中需要穿越中间5座工作井的预留洞口，这对盾构姿态控制的精度要求非常严格。针对工程特点、难点，应在盾构掘进施工前，制定一套严谨、科学、实用的施工测量方案，严格控制每个环节的测量误差，提高盾构进出洞口的精度，减小盾构机推进过程中蛇形偏移量。
    在影响盾构姿态精度的各个因素中，提高洞内导线精度是最重要的。在导线布设过程中，通过规范观测、陀螺经纬仪定向以及两井定向的方法进行校核，从而提高控制盾构机姿态精度，减小成型隧洞偏差值。

    该工程盾构机出洞的水平偏差为18mm，高程偏差为8mm，隧洞质量完全满足规范和设计要求。
2  控制测量
2.1 平面控制网
    工程建设的首级控制网一般是由建设单位委托设计院（测绘院）进行布设，多为C级或D级GPS控制网或精密控制导线，作为施工测量的起算数据。GPS点应埋设永久性的标石，并绘制点之记。GPS控制点应有1～2个方向通视，便于常规测量方法加密控制网。观测前应对GPS接收机和天线等设备进行全面检验，满足各项检测条件后方可进行观测。
    按照建设单位交桩资料进行测量复核、加密控制点。一般应在盾构始发井口和盾构接收井口附近设置控制点，纳入平面控制网进行平差处理。加密导线测量根据现场实际情况选点、沿工程线路设置，与GPS控制点形成局部附合导线，技术指标满足GB 50308-2008《城市轨道交通工程测量规范》中精密导线测量技术要求。精密导线测量技术要求详见表1。

 

 2.2 高程控制网
    地面高程控制点与平面控制相同，通常由建设单位委托设计院（测绘院）进行交桩，施工单位按照城市二等水准测量的技术要求进行加密（见表2），加密布设的高程控制网一般与平面控制点相同，沿工程线路布设成附合路线、闭合路线或结点网形，便于施工期间进行校核。根据盾构施工的特点，应在盾构始发井、接收井附近设置2个以上水准点，方便校核以及进行竖井联系测量。水准点应选在地基稳定、不受施工影响、容易保护、便于观测的地方，并做好现场标识。

 

2.3 洞内控制测量
    控制盾构机姿态精度的主环节就是提高洞内控制导线的精度、减小测量误差的积累，其最重要的环节就是改善洞内观测条件、加强井上、井下的联系测量工作，在满足规范要求的基础上，提高洞内控制导线的精度。
    该盾构隧洞全长3067.0m，而且线形多变，穿越重要设施、竖井预留洞口多，仅靠始发井将地面控制点导入隧道内，即使规范作业、精度符合要求，盾构机姿态精度也不会很理想。因此，在隧道掘进500～600m时进行了陀螺定向，利用中间施工竖井进行两井定向；在贯通前200～300m时，再次进行陀螺定向，及时对控制点的坐标、最前方导线边方位角进行综合平差处理，提高盾构机姿态精度，取得盾构机高精度贯通进洞的良好效果。
3  盾构姿态控制测量精度分析
3.1  测量误差的来源
    根据相关工程测量规范要求，结合盾构施工的测量控制特点，总结以前施工经验，应从以下几个方面，做好盾构施工控制测量工作，减小测量误差的积累，提高掘进过程中盾构机姿态控制的精度。
    1）地面控制测量；                        
    2）竖井联系测量；
    3）自动测量系统测站、后视点测量；
    4）地下控制测量；
    5）盾构姿态测量。
3.2 贯通误差限值控制及误差分配
    根据测量误差的特性、工程项目设计文件的技术要求，以及多年盾构施工测量经验，影响盾构贯通的主要是横向中误差和高程误差，控制指标见表3 。

    1）平面控制测量的误差分配
    横向贯通误差主要来源于地面控制导线测量误差、竖井联系测量误差，地下延伸导线测量及盾构机姿态的定位测量误差等影响因素。其他因素影响较小，可以忽略不计。假设各项测量误差相互独立，则根据误差传播定律得出：

m_q²=m_q1²+m_q2²+m_q3²+m_q4² +m_q5²

式中：mQ为隧道贯通平面横向中误差；mq1为地面控制测量中误差；mq2为盾构施工竖井联系测量中误差；mq3为洞内导线测量中误差；mq4为测站、后视吊篮测量中误差；mq5为盾构机、观测棱角的定位测量中误差。 
    由于地面和洞内观测条件不同，以及所用测量方法等因素，各种误差来源对横向贯通精度的影响程度不同，应采用不等精度观测分配原则进行复核，取值如下：

m_q1=n ，m_q2=3n ，m_q3=4n ，m_q4=3n ，m_q5=2n 。

    代入式中得：

    m_q=( m_q1²+m_q2²+m_q3²+m_q4² +m_q5²)^1/2=6.3n

    该工程允许横向贯通误差为±50mm，则其中误差m_q=±25mm。

n=±25/6.3=±4.0mm

    从而可以得出每个控制环节的测量中误差值：m_q1=±4.0mm， m_q2=±12mm ，m_q3=±16mm，m_q4=±12mm ，m_q5=±8.0mm。
    地面控制测量中误差mq1是施工测量的起算数据，已经进行过平差处理，而测站（后视）吊篮测量误差mq4以及盾构机、观测棱角的定位测量中误差mq5均是偶然误差，只要精心观测就可有效减小。因此，竖井联系测量中误差mq2，洞内导线测量中误差mq3，是测量控制的重点，也是提高盾构机姿态控制精度的重要环节。
    2)高程测量误差分配
    高程测量误差主要来源与平面控制测量相同，有以下5个方面，根据误差传播定律计算公式为：

m_h²=m_h1²+m_h2²+m_h3²+m_h4²+m_h5²

式中：m_h为隧道高程贯通测量中误差；m_h1为地面高程控制测量中误差；m_h2为竖井传递高程的测量中误差；m_h3为由盾构进洞处到隧道贯通处地下水准测量中误差；m_h4为洞内测站高程测量中误差；m_h5为盾构机姿态高程测量中误差。
    根据盾构施工测量的经验，高程测量误差采用不等精度分配，取值如下：

m_h1=±14mm ，m_h2=±10mm ，m_h3=±10mm ，m_h4=±5mm ，m_h5=±14mm

代入式中得m_h=±24.8mm〈±25mm
    按上述分配精度指标，进行平面和高程控制测量，只要控制好每一环节的误差值，就能满足盾构隧洞贯通测量精度要求。
3.3 联系测量精度分析
    竖井联系测量是隧道施工测量中的一个重要环节，它主要是将地表的平面及高程，通过井筒传至地下导线点及水准点，使洞内、外形成统一的坐标系，以便确定洞内控制导线的起始方位角和坐标值。通常采用以下方法进行施测：
    1） 观测条件允许的情况下，可以采用全站仪直传法将控制点引测到盾构隧洞内，但应注意洞口内、
外气流以及全站仪竖角过大对观测精度的影响，最短边长不宜小于80m。
    2） 常规联系三角形法。其误差包括测量边长所引起的计算角度的误差、角度观测误差以及投点（吊
钢丝）产生的误差。在进行竖井定向时，都要移动吊锤线，观测不同的3组联系三角形，取3次观测平均值作为一次定向值。在实际施测过程中，一般取5″作为洞内导线起始边的中误差。
    3） 根据施工现场条件，也可选用精度达标的激光铅锤仪直接投点，作为洞内导线起算数据。
    随着盾构隧洞不断延长，洞内导线的误差也会累积增大，应经常采用两种或两种以上的方法进行互校，提高洞内控制精度，也可增加陀螺经纬仪定向边，提高洞内控制网的强度。
3.4 洞内单导线终点位置误差估算
    由于洞内观测条件所限，一般盾构隧道控制测量都采用单导线、或双导线检测的布设形式，为了减小观测误差，我们把导线布设成等边直伸形导线。我们都知道横向误差是制约盾构隧道贯通的主要因素，主要由测角误差和起始方位角误差引起；纵向贯通误差很小，可以忽略不计。为了提高控制导线边的方位角精度，支导线过长时应在其终端加测起始方位角。按等边直伸形导线估算，支导线与方位附合导线终点位置误差的估算可用下面公式计算：
    1）支导线终点位置误差：

                                       (1)

    2）方位附合支导线终点位置误差：

                                            (2)

式中： 为测角中误差； 为起始边方位角中误差；L为支导线长度；n为支导线边数；D 为平均边长。
3.5 南干渠某标段盾构掘进测量偏差分析
    盾构掘进到约2260m位置，需要穿越工作竖井，根据现场盾构出洞的实际偏差情况，对洞内控制导线精度进行分析。因隧道线路有多处曲线段，导线布设为双导线形式，平均边长D=150m，测角中误差为2.5″，起始方位角中误差取5.0″，根据公式(1)、(2)可以计算导线任意一点的横向点位误差，随着导线长度不断增大而增大，见图1。

    

    
    根据平面控制测量的误差分配方案，洞内控制导线的中误差为±16mm，则限差为±32mm，对照图1可以看出，当隧道长度小于1500m时，两种导线敷设形式均可满足限差要求；等于1800m时，支导线已不能满足要求；等于2100m时，符合导线已接近限差要求；当隧道超过2400m时，导线终点偏差值已经超过限差值。
    根据分析结果，在盾构穿越该工作井后，采用两井定向的方法对洞内控制导线进行校核，大大提高了隧洞内控制导线的精度，为盾构机最后精准进洞贯通提供了准确无误、精确的控制数据。
4  结论
    结合南水北调某标段盾构隧洞工程实践，通过测量误差来源的分析计算，得出以下几点结论：
    1)地面控制测量数据经过严密平差计算，观测棱镜与盾构机位置关系误差是偶然误差，这些误差对控制盾构机姿态精度影响很小，主要是竖井联系测量和洞内控制导线测量误差的影响。
    2)从图1可以看出，在一定的观测精度条件下，误差值与导线总长L、导线边长D有关；导线最远点横向误差主要取决于导线总长L，两者之间接近于正比例关系。
    3)采用多种测量方法进行测量结果的校核，可以有效提高控制网的精度。

参考文献：

[1] 北京城建勘测设计研究院有限责任公司．GB 50308-2008城市轨道交通工程测量规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2008． 

收稿日期：2012－03－02
作者简介：吕向红，男，测绘工程师，学士，主要从事市政工程施工测量工作。

注：本文刊载于《市政技术》2012年第4期，第108页至第111页。