工法一顶管工程中利用激光直线定向测量工法

1、顶管工程中利用激光直线定向测量工法陕西华山路桥工程有限公司 宋召军 杨永锋 仵甲奇 李向宁 姬文渊1、 前言市政工程的雨污水工程中管道敷设，一般采用全断面开挖施工，随着城市化进程的加快，污水管道的敷设越来越深，开挖施工随着管道的埋置深度的加深越来越不经济。加之城市基础设施十分拥挤繁杂，排水管线往往会穿越既有公路、铁路等交通设施，开挖施工往往会严重制约。在这些条件的限制下无论是设计还是施工单位均在寻求一种便捷的新型技术。从经济、工期、质量方面顶管工程技术都有着无可比拟的优越性，当在地下水位以下或者地层易沉降的不稳定地层施工时，这种施工方法更加具有竞争优势，目前，非开挖技术应用十分广泛，一次性敷设

2、管道长度记录不断被刷新，对于各种地层的适应能力越来越强，施工质量和速度可以得到更好的保证，已成为市政工程中不可或缺的施工手段，但是目前，国内顶管施工中的测量技术还比较落后，主要体现在：(1)在短距离顶管施工方面，测量工作的主要内容是在顶进过程中的检查测量，正常顶进时每隔6080cm测量一次，测量误差较大时，每隔3040cm就要观测一次，因而工作强度大，效率低，较大程度地制约了工程施工进度。(2)地下施工定向方法精度不高，仪器笨重，程序繁琐；导向测量的方法效率低，强度大。而城市地下顶管工程施工路径越来越长，精度要求越来越高，路线越来越复杂，传统的测量方法和仪器已不能适应现代地下工程的特点。为此有

3、必要在经济合理的前提下，加快国内顶管施工测量技术的精密化、自动化和智能化。 陕西华山路桥工程有限公司经过长期探索和实践，总结形成了顶管工程中利用激光直线定向测量工法。本工法在西咸新区空港新城第一大道、新城五路、第五大道等工程中多次应用。本工法绿色环保、节能减排，具有显著的经济效益和社会效益，简单易懂应用前景广阔。2、工法特点2.1 激光扫平仪作为直线顶管工作中的定向测量仪器，可以改变传统意义上的激光单点定位，由原来的单点定位变为激光平面定位，更加直观的反映顶管过程中的轴线偏差，可以及时的纠正错误。2.2 利用激光扫平仪可以做到对顶管施工不间断提供导向依据，缩短测量时间，提高工作效，消减部分记录

4、误差。2.3 从经济方面考虑，将激光扫平仪引进到顶管工程中，不仅仅是省去了频繁的复测工作，简化了测量原理，对复测人员的专业素质要求更低，操作便捷、只需要与塔尺相配合，任何人员只需要短暂培训讲解即可完全掌握测量要领。大大缩减了人力物力的投入。2.4 可以做到技术先进，经济合理，安全可靠，确保施工质量，使顶管施工直线定向测量简单化、流程化。2.5 在顶管工程中由于测量环境的限制测量，仪器在管道内易受到施工环境，如粉尘、温度、湿度等的影响，采光不足造成管内照明全部采用灯光，传统测量仪器难以读数等难题。激光扫平仪可以消除以上问题，为顶管提供准确的轴线方向。 3、适用范围适用于机械顶管、人工顶管、微型隧

5、道等，适应的断面有圆形、长方形以及其他不规则形状非开挖敷设直线管道工程。 4、工艺原理本工法在顶管工程中改变了以往的测量思路，将传统激光束单点定向改为激光十字平面定向，对顶管施工不间断提供导向依据，及时发现顶进管道中心与设计轴线偏差，更加直观的确定开挖掌子面的范围，挺高了施工精准度。同时也减少了繁杂的测量工作和简化了测量流程。4.1 准确计算顶管轴线坐标采用全站仪进行布置控制点，在工作井与接收井顶面布置控制点，并通过激光全站仪将控制点布置于理论顶进轴线上，控制点的布置应位于工作井顶面以下两米位置，且工作井四壁均以此法布置顶进轴线平行线和对应法线，以法线作为二级控制。坐标计算采用CAD结合方法，

6、通过绘图计算得出直观的测量方案及任意点的坐标值。4.2 利用扫平仪将两线交汇点经过瞄直原理，将其准确定位于临时工作平台上，通过扫平仪投射至井底，并埋好控制桩。4.3 依据徕卡RUGBY400DG激光扫平仪向其五向投线，首先用铅垂激光点对准轴线交汇点，并且整平。旋转机头使得四条激光线准确经过四个控制点。4.4 高程控制，利用水准仪将水准点布设在顶管工作井壁上方，利用钢尺丈量其至顶管坑深度，将高程引致坑底，并在扫平仪投线的激光线上做好高程标记，计算出水平激光线高程。依据扫平仪上的水平激光线控制管线的流水坡度。4.5 依据激光线布置导轨，使其与激光相平行，并依据管径计算轨距，导轨依据激光线称轴线对称

7、布置，采用管底流水坡度计算轨道高程。并用锚固导轨用C30水泥混凝土将其浇筑，导轨外漏高度由具体管径而定。4.6 每次下管之前迅速进行方向定位，如管中心位置发生偏移及时采取相应的纠偏措施。5 工艺流程及操作要点5.1 工艺流程：平面控制点布设竖井护壁布置导向点竖井坐标传递架设激光扫平仪高程基准线布置布置导轨5.2 施工操作要点 平面控制点布设1) 对甲方提供的控制点进行复测校核，校核采用中纬Zenith10GPS，动态校核确保甲方提供的控制点精度满足规范要求，在满足规范要求。控制点位图2) 依据甲方提供控制点作为首级及控制点，进行控制点加密，控制点之间距离不宜大于500m，距顶管线轴线两侧502

8、00m以内，点之间至少有两个点通视。对所有GPS控制点的埋设选好位置后，先挖30CM深的桩孔，然后将带20CM长十字丝的铜质标芯固定在桩孔内，用长30CM直径为10CM的钢护筒加以保护，浇筑混凝土，保证标芯高于混凝土面5-10MM，养护保护。3) 制定详细的GPS静态布控方案，加密点外业观测时间不小于120min，测量完成后采用专业的GPS数据处理软件进行处理，在加密网中最弱相对误差控制在1/100 000，基线边方向中误差不大于1.7，空间三维无约束平差后，全网最弱边边长相对中误差为小于5ppm，平面二维约束平差后，全网最弱边边长相对误差小于10ppm。高程采用苏式DSZ2型水准仪进行测设闭

9、合差不大于±20。竖井护壁布置导向点 查看图纸准，确读图理解设计意图，计算顶管轴平面坐标，以此在CAD中绘制轴线上的任何一点坐标，也可以通过方位角计算出轴线坐标，并放样与竖井护壁上，利用全站仪或者激光经纬仪瞄直法定向是几何定向，使得激光点投射于竖井护臂之上，投射四点中相互为90°夹角，其两点位于轴线面上，两点位于法线面，投射的激光点位置用冲击钻将其打眼，用木制楔子紧紧楔入，并且利用带有十字丝的螺丝钉将其准确定位。导向点的距地面不宜过高，应在地面以下12m，方便地上人员观测，能使得激光扫平仪的激光线准确经过每一点，确保其定向精度。在此要注意法线方向上的两点要根据实际工作井尺寸

10、、设备、操作顺序等，在免干扰或者干扰较小的位置形成交汇点。5.2.4、竖井坐标传递在工作井内管道顶进轴线方向上架设一台激光扫平仪，并要求底座平台与工作井底板单独连接，除此之外不能与其他任何设备有接触，以免其他设备的震动或移动导致底座平台的震动，否则会间接导致激光扫平仪的不稳定，从而导致测量数据的不准确。在工作井底板浇筑时利用激光扫平仪竖向激光线同时穿过四个护壁控制点，并向下竖向投射控制点， 根据激光点位置做好标记，利用冲击钻在标记位置植入钢筋，并再次架设仪器，调整仪器，找出激光点在钢筋上的具体位置，利用钢锯在其上准确刻出十字丝。5.2.6布置导轨1、在顶进管道入土前，导轨承担导向功能，以保证管

11、节按照设计高程和前进方向和坡度前进。依据激光线布置导轨，使其与激光相平行，并依据管径计算轨距，导轨依据激光线呈轴线对称布置，采用管底流水坡度计算轨道高程。并用C30砼将导轨浇筑在底板上，导轨外漏高度由具体管径而定。2、两导轨应顺直、平行、等高，其坡度应与管道设计坡度一致。当坡度小于1%时，导轨可按平坡铺设。3、导轨安装允许偏差应为：轴线位置3mm；顶面高程03mm；两导轨内距：±2mm。4、安装后的导轨必须稳固，在顶进中承受各种负载时不产生位移、不沉降、不变形。5.2.5、高程基准线布置 计算竖井的深度，将地面标高引入井下，利用激光扫平仪的水平线制定基准水平面，在工作井护壁上做好标记

12、，利用该水平线的高程值，计算管内底标高差值，利用刻度尺时刻测量水平和竖向的刻度，以此计算顶管的方向是否偏离设计轴线。将每次复测时间控制在几分钟以内，时刻监测顶管走向，及时发现顶管工程是否有低头、抬头、水平偏离等现象。6 测量仪器设备6.1 仪器 激光扫平仪徕卡RUGBY400DG激光扫平仪特征：可提供旋转水平面、4条垂直线、1个下铅锤点组成(旋转水平面与4条垂直线相交成4个十字线,4条垂直线在天花板相交成十字交叉点，电子传感器自动安平,精度高,具有失衡报警功能，保证仪器的输出线精度,仪器可360° 旋转并可微调角度,三爪基座5/8螺孔可与三脚架连接,超出安平范围激光线同时闪烁,具有精

13、度自校功能 功能遥控器操作方便。型号RUGBY 400DG工作范围750m自动调平精度±1.6mm 80m自协调平范围H+等级防护等级IP67等级功能-5至+25%在其中一个轴内1.5mm轴内-5至+25%在两个轴内工作环境温度-20°c - +50°c重量5kg 激光扫平仪6.1.2 全站仪ZTS602S性能特点型号全站仪ZTS602S技术指标角度测量（Hz、V）测角原理绝对编码最小读数1"测角标准2"望远镜放大倍数30x视场角1°30(26m/1km)最短视距1.7m十字丝照明补偿器系统电子双轴液体补偿器工作范围±4补偿

14、精度1"距离测量（IR）测程 使用单棱镜 大气一般/好3000m/3500m使用反射片(60mm×60mm)250m测距精度(精测/粗测/跟踪)2mm+2ppm/5mm+2ppm/5mm+2ppm测距时间(精测/粗测/跟踪)2mm+2ppm/5mm+2ppm/5mm+2ppm 6.1.3中纬 Zenith10 GPS全球定位系统，产品参数：，中纬 Zenith10GPS全球定位系统实时动态(RTK)高程精度 ±(20+1×10-6×D)mm ，再捕获 L1<0.5s ; L2<1s，中纬 Zenith10GPS全球定位系统输入电压：

15、7.4V/2.2AH可充电锂电池两节，工作时可自动切换，且在工作时外可接12V直流电源，通道传输速率：19200bps ，GLONASS：L1 C/A, L1 P, L2C/A, L2 P， GPS定位输出：1 Hz、2Hz、5 Hz、10 Hz、20Hz 和 50 Hz 定位输出（默认10Hz），中纬 Zenith10 GPS全球定位系统I/O接口蓝牙，USB，RS232 数据链电台 功率1-25W可调节，信道可设置 CDMA/GPRS 内置通讯模块 ， 220通道 GPS：L1C/A, L2E, L2C, L5 ，中纬 Zenith10 GPS全球定位系统L-band: OmniSTAR,

16、QZSS（日本准天顶卫星系统）北斗Compass 。 水准仪、塔尺、三脚架、尺垫7 质量控制7.1 规范与标准 工程测量规范(GB50026-2007)；城市测量规范（CJJ/T8-2011）2011版城市测量规范；7.1.3 全球定位系统（GPS）测量规范 GB/T 183142001；7.1.4 国家三、四等水准测量规范 GB 12898-91；给水排水管道工程施工及验收规范GB 50268-2008；光电测距高程导线测量规范（DZ.T0034-92）7.2 质量控制措施 对测量仪器进行校验检核，经过鉴定合格后方可使用。7.2.2利用GPS静态加密控制点，控制点的精度控制在规范允许误差内。

17、水准测量时，采用水准闭合路线。经过水准平差将高程值引致加密点，其允许误差不大于2mm。 在埋置控制点时，要考虑通视及测量距离，最大限度内缩小放样点的误差。并考虑仪器的架设位置，是否合理与方便。7.2.4及时测量管内激光线的长度和高度，以此计算轴线的偏差量。8 安全措施 在护臂四周埋置控制点时间，应控制在顶管工作井第一板混凝土浇筑完成，此时坑内底距离控制点不高，便于操作。 顶管坑四周应设置防护措施，设立护栏，护栏高度不小于1.2m。 施工用电要符合国家现行标准施工现场临时用电安全技术规范JGJ46-2012的有关规定。 顶管机械、油顶压力、测量人员、均要经过严格的培训技术，通过考试持有相关机械操

18、作证书，方可上岗。9 环保措施在施工过程中，项目部全部施工人员要严格遵守国家和地方有关保护环境的法律、规定和规章。对施工活动界限之外的植物必须尽力维持原状，不得将有害物质（如：燃料、油料、化学品、粉尘、噪音、弃料等）等污染大气、土地与河川。加强开工前的教育，通过专题会议和生产例会，对全体职工进行环保教育，提高环保意识，做到动工前明确化，施工过程中管理制度化、标准化，环境保护实施具体化。施工现场环保工作措施如下：9.1 对各种机械设备做好保养、勤检修。9.2 触变泥浆池四周设置沉淀池、排水沟，废水经沉淀后排放，搅拌人员要戴防护口罩。9.3顶管出土、泥应及时覆盖，场地不足则到夜间车流量减少时，集中

19、运输出场，场地足够时可视天气采取晾晒，减少土体含水量，用之其他填方路段等。9.4顶管的起吊设备、顶进设备中所用的附属油缸等如有漏油现象，应当集中处理，不应随地堆放，导致大面积施工场地出现油渍污染现象。9.5做好顶管工作井与接收井现场的排水设施，场地硬化，以防雨水渗入引起顶管坑不均匀沉降。10 效益分析10.1 经济效益采用本工法可提高顶管施工定向测量的实用性，有利于其大范围推广和应用，具体表现为：10.1.1减少测量人员的投入，缩短测量时间，提高测量效率。人员投入由原来34人，降低到12人；测量时间由原来的1530min，缩减到45min，如果操作人员掌握技巧熟练操作，甚至可以在两分钟内完成所有复测工作，测量设备由原来的全站仪、经纬仪、增加了GPS、激光扫平仪。我们从人、机、料等多个角度难以分析直接经济效益，如果控制不到位导致顶管无法到达预定位置，则造成的损失难以估量。不但会造成巨大的经济损失，还会制约整个工程的工期，以及对管道的排水功能也有很大的影响。10.2 社会与环保效益将激光扫平仪引进到顶管工程中，不仅仅