多曲率长距离隧道施工测量技术研究

1、多曲率长距离隧道施工测量技术研究1 研究背景及方向6 多曲率长距离盾构隧道轴线控制测量技术的研究5 狭小深井联系测量技术的研究4 地面控制网测量3 测量工作筹划以及贯通精度控制2 工程概况7 盾构曲线段施工姿态控制测量技术8 长距离贯通测量技术的研究目录9 结论11.前 言1.1隧道施工测量技术研究现状 在盾构法隧道施工中，由于受井口及洞内恶劣条件的限制，隧道施工测量受干扰大，产生误差的因素多，测量精度难以提高。现行盾构施工规范中将隧道施工测量精度等级和隧道轴线允许误差及贯通误差等要求予以了适当放宽，且只对2km的隧道作了要求，贯通距离大于2公里时贯通测量中误差应由设计、施工、测量人员共同确定

2、。是顾及地下工程施工领域在现有的仪器设备和测量方法的条件下，施工过程的控制测量精度很难有效再提高。 平均边长（m）导线长度（km）每边测距中误差（mm）测距相对中误差（mm）测角中误 差()测 回 数方位角闭合差（）相邻点的相对点位中误差(mm)DJ1DJ23503561/600002.5465n8盾构隧道施工规范中精密导线测量的主要技术要求 青草沙水源地原水工程中岛域段10.5km的输水管线均采用盾构法施工，单向贯通距离最长2.8km、设计曲线较多、竖井深36m宽度仅有25米，由此带来了中长隧道推进过程中的狭小深井联系测量，复杂井下条件的高精度导线测量、贯通测量，多曲线施工盾构姿态控制测量等

3、难点。洞内排风困难，局部有雾气，测量受气流、热浪、旁折光等的影响较大，给地下控制导线的高精度测量带来了很大困难；在盾构姿态测量中，轴线弯曲多，平曲线最小半径达到了450m，使得盾构机在转弯时姿态控制难度大。1.2本工程施工测量的难点1.3本隧道施工测量所要研究的重点 狭小深井联系测量技术的研究多曲率长距离盾构隧道贯通测量技术的研究曲线施工盾构姿态测量控制技术 2.工程概况工程简介 长兴岛域输水管线工程位于长兴岛上，起点于青草沙水库出水输水闸井；终止于长江原水过江管工作井。该工程是连接青草沙水库出水输水闸井和长江过江管工程的重要设施；输水管线由内径为5.5m ，外径6.4m。工程简介 工程线路概

4、况区间隧道起止里程区段长度(m)最小平曲线(m)最大纵坡()顶覆土(m)原水过江管工作井中间盾构工作井EDK5280.993EDK2828.541东线2452.4525008.911.3729.7西线2456.518中间盾构工作井水库出水输水闸井EDK2800.941EDK0000东线2803.34145018.011.374西线2800.594区间隧道曲线个数半径(m)贯通长度(m)曲线长占比原水过江管工作井中间盾构工作井6500; 1000; 500; 500; 2000; 30002452.45261中间盾构工作井水库出水输水闸井2500; 4502803.34126施工区间曲线统计表工

5、程简介 3. 测量工作筹划及贯通精度控制 测量工作总体筹划误差指标分解本工程设计横向贯通误差为75mm，为满足设计要求，误差分解如下： m1：地面控制测量中误差，取值为10mm； m2：联系测量中误差，经计算为27mm； m3：地下贯通导线测量中误差，经计算为23mm； m4：盾构姿态测量中误差，取值为20mm； m5：接收井洞门中心测量中误差， 取值为10mm；误差估算：MQ=(m12+ m22+ m32+ m42+ m52)1/2=43mm 测量工作中严格控制上述各项测量误差，足以保证隧道最终的横向贯通误差小于75mm的贯通限差要求，确保隧道顺利贯通。 测量所使用的仪器 仪器名称数量备注L

6、EICA TCA1200全站仪一台1秒，11ppmLEICA TCA2003全站仪一台0.5秒，11ppm苏一光电子经纬仪二台2秒LEICA 配套棱镜二套GYROMET2000陀螺经纬仪一台日本工房自动导向系统一套苏一光DSZ2水准仪二台水准测微仪一台3米铟钢水准尺一对用于地面水准网复测脚架三副3米双面木质水准尺一对5米铝合金伸缩水准尺一把 4.地面控制网测量4.1平面控制网测量平面控制网设计 由于受现场条件限制，测绘单位提供的本工程首级平面控制网是以支导线形式布设的精密GPS点，其精度满足相邻点位中误差10mm，最弱边相对中误差1/90000。如下图所示CX01CX07，JY2；首级平面控制

7、网4.1平面控制网测量 平面控制网测量平面控制点检测 对首级平面控制点的复测按二等导线精度进行，使用高精度的leica2003（0.5，1+1ppm）全站仪，各测站测角观测九测回，其中以奇数测回观测左角，偶数测回观测右角，测距四测回并往返观测，测量成果按严密平差法计算。平面控制点加密控制网复测成果符合规范要求后应建立直接可以到达端头井的平面控制网加密点，如上图所示ZD21，D1D6。近井点与外部点成三角形布置，桩点统一采用强制对中固定台，近井点要求能直接用于联系测量的传递控制台。加密点与首级控制网同精度测量，并纳入首级控制网一起平差计算。4.2高程控制网测量高程控制网测量(1)水准控制点检测

8、对水准控制点要进行定期检测，并按照二等水准的要求对接收井和出发井两端的水准控制点进行联测。(2)地面到井下高程传递 地面到井下高程传递的目的是把交桩的高等级水准控制点引测到近工作井的水准点或井下的水准控制点上。 在控制水准网下布设施工用水准点，布设成支水准路线，并采用往返测，连接到高等级水准点上。主要技术要求为： 地面段时，按照精密水准的要求实施，前后视距小于50m，往返较差、 附合或环线闭合差8 mm，L以km计。 5.狭小深井联系测量技术的研究 原水过江管工作井中间工作井东线为例，多次联系测量的基线边方位角均值中误差允许值仅为+2秒，工作井长21米；深36米，贯通距离为2.5km。其精度要

9、求高、测量条件差是本工程测量中的最大难点。联系测量难点悬挂钢丝支架使用仪器TCRA20035.1定向测量 定向测量 定向测量工作采用双三角联系测量。双联系三角形三丝法是用三根钢丝来传递坐标和方位，在具体实施时悬挂三根钢丝，在平面上钢丝绳与井上、井下的观测台组成两个直伸三角形，将井上的坐标点及方位角通过三根钢丝传递到地下。 如下图所示。定向测量侧面示意图双联系三角形平面示意图5.1定向测量 5.1定向测量 精度保证措施（1）严格的测量限差要求（2）创造良好的定向环境（3）优化双联系三角形图形强度（4）改进观测方法（5）增加定向次数（6）高精度陀螺经纬仪在提高定向精度中的应用测量成果与精度分析双联

10、系三角形较单三角联系三角形进行竖井联系测量，不仅在精度上有一定提高，而且能起到重要的检核作用，有效地减少了错误的发生。采用三丝法双三角联系测量，稳定性较好，操作简单使用方便，适用于类似本工程这样宽敞的井筒。5.1定向测量 图1图8井上图形井上图形观测值观测值1(O2-O1)-0.150162(O3-O1)0.16073O1O221.20724O1O321.22182XO18.72444XO18.72444XO229.93172XO329.94621计算结果计算结果01501.601607.300610.900637.71793847.51793715.0a21.20729a21.22185b8

11、.72449b8.72447c29.93167c29.94618fs-0.00016fs-0.00009本工程联系三角形解算结果5.1定向测量导线计算5.1定向测量 方 向测角中误差()中误差均值()备注O1(4月3日)1.450.48井上观测O2(4月3日)1.30.44井上观测O3(4月3日)0.90.29井上观测O1(4月29日)1.00.33井上观测O2(4月29日)1.20.39井上观测O3(4月29日)1.10.36井上观测O1(5月31日)0.80.28井下观测O2(5月31日)1.30.42井下观测O3(5月31日)1.50.51井下观测O1(6月25日)1.40.45井下观测

12、O2(6月25日)1.30.44井下观测O3(6月25日)1.450.48井下观测均 值1.230.41单次联系测量各方向观测值 5.1定向测量 不同次数联系测量联系测量结果与均值较差备注1230441.5-0.82230440.0-2.353230441.5-0.84230446.34.05230441.8-0.56230443.00.6均值230442.351.5各次联系测量方位角值 5.2高程导入测量高程导入测量本工程中，使用钢尺法传递高程。具体测量时，使用的仪器有两台苏一光DSZ2水准仪，两根3米铟钢水准尺和一把钢尺(已检定)来进行。如下图所示。5.2高程导入测量 精度保证措施（1）在

13、进行高程传递之前，应对地面控制点的高程进行校核，否则会将地上控制点的高程误差传递到井下控制点。（2）注意对尺长进行温度修正。（3）高程传递测量共测量三次，每次应变动仪器高度。三次测得地上、地下水准点的高差较差应小于3mm。实际操作时，从严要求，井上、井下水准仪和水准尺互换位置，再独立测量三次。 6 多曲率长距离盾构隧道轴线控制测量技术的研究本工程地下导线测量的难点所在 原水工作井到中间工作井这一区间长度达到2500米，洞内有6个不同半径曲线，且小半径曲线多数设置在盾构掘进的起始端1km以内。由于线路弯曲多，整条隧道共需设置18个地下导线点，导线起始边只能做到85米长，短边测量的测站误差对于横向

14、贯通误差影响很大。洞内排风困难，局部有雾气，测量受气流、热浪、旁折光等的影响较大，给地下控制导线的高精度测量带来了很大困难。线路示意图（原水过江管工作井至中间工作井）6.1洞内控制测量地下施工导线和地下控制导线的测量 本工程的地下导线是一只支导线，在盾构始发后向前掘进时，地下导线用以进行放样并指引盾构掘进，分为地下控制导线和地下施工导线。随着盾构的推进，应首先布设施工导线，再用控制导线来检核施工导线。两种导线布设成跳点导线，如下图所示。图中的1-2-3-4-5为施工导线， 1-3-5主控制导线隧道内控制点示意图6.1洞内控制测量6.2导线测量的精度选择 导线测量精度的选择a) 水平角观测按照国

15、家精密工程测量规范二级测角控制技术要求施测，(测角中误差0.71)。为有效控制观测精度,除按照规范进行施测外,针对狭长导线控制特点,将观测总测回以奇数测回和偶数测回分别观测导线前进方向的左角和右角，左、右角之和应等于360度，其误差值不应大于2倍的测角中误差。b) 边长观测技术要求见下表。一测回读数次数测回数一测回读数间互差(mm)单程测回间互差同一水平面上往返测往返4221+1D10-6（1+1D10-6）2（1+1D10-6）边长观测的各项限差要求仪器等级观测方式测回数左右角平均值之和与360o较差TC2003左右测角9小于1.42水平角观测的各项限差要求6.3提高导线测量精度的措施 提高

16、测量精度的措施（1）提高仪器精度（2）强制对中法（3）加强通风（4）保证照明条件（5）多测回测角技术的应用手电筒增强反光拱顶控制导线“吊篮”强制归心仪器观测台“腰台” 本工程中选用了测角精度0.5；测距精度1+1ppm并配备多测回测角自动观测功能的leicaTCA2003高精度全站仪。全站仪多测回测角功能是仪器生产商针对高精度仪器开发的一款全自动智能测量软件，要求仪器配置有旋转马达和自动搜索照准目标的ATR1功能和CCD相机，并配置一款专用的电脑数据交换处理软件。根据此功能，测角按每次左角5测回、右角5测回进行观测，并进行多次观测以求得最或是值。 高精度仪器多测回测角功能操作简便，观测速度快、

17、精度高，减轻了观测人员的劳动强度，便于测量人员对导线进行多次重复观测，为取得测点的最或是值提供了更多的观测量。避免了传统人工测量中因观测人员视差，仪器调焦差等误差因素，有效提高了观测精度。多测回测角功能的优点7 盾构曲线段施工姿态控制测量技术 1、原水工作井到中间工作井这一区间长度达到2500米，洞内有6个不同半径曲线，甚至有半径为500m的S型曲线。 2、 在盾构姿态测量中，轴线弯曲多，使得盾构机在转弯时姿态控制难度大等。本工程盾构姿态测量难点多曲率半径盾构隧道推进测量技术 盾构在曲线上推进时，受其自身构造特点、工作原理以及曲线的半径和盾构顶面覆土层厚度、地层土质、地下水等多方面的影响，其行

18、进路线较难控制，尤其是在小曲率半径或“S”型曲线中更为突出。本项目使用的是我国自行研制生产的863直筒式盾构机，机身长10米，外径6.62米、设计最小转变半径为350米，其转弯灵活性虽然不如带铰接的盾构机好，但在施工过程中如能把握其特性，控制得当一样能获得很好的效果。7.1盾构姿态日常测量工作 盾构姿态日常测量工作（1）盾构姿态测量在本工程中，盾构姿态测量采用的是以自动导向系统为主，人工测量为辅的测量方法，从精度、可操作性等方面考虑选择自动测量方法进行施工测量，采用人工测量方法来校核自动导向系统的准确性。在确保测量精度的前提下，人工测量侧重于控制测量部分，自动测量侧重于施工测量部分，两种方法有

19、机结合，确保盾构隧道高精度贯通。 （2）管片姿态测量 管片姿态测量包括测定成环后的管片中心偏离隧道设计轴线的偏值，以及管片的圆整度情况。管片在盾尾内部拼装完成后，根据测量管片与盾尾之间上下左右的间隙以及管片拼装位置与盾构的关系，可以求得管片中心的实际坐标和横竖直径。同时测量左上、左下、右上、右下的间隙，可以求得管片“米”字型直径。 7.1盾构姿态日常测量工作 7.2保证盾构姿态高精度测量的措施 保证措施 现在科技还没发展到可以让自动导向系统完全替代人工测量的地步，现有自动导向系统已经具有很高的可靠性，但是难免也会偶尔出现故障，而在盾构工程中，即使很小的导向错误也将会带来很大工程事故和经济损失，

20、因此有必要进行人工复测。（1）对棱镜坐标进行复核。（2）对倾斜仪进行复核。（3）对全站仪坐标进行复核。盾构推进测量姿态监控界面7.3自动导向系统精度和可靠性分析 盾构水平偏差(前端) 盾构水平偏差(后端) 盾构垂直偏差(前端) 盾构垂直偏差(后端) 影响曲线段施工测量精度的几个因素 相对于直线掘进而言，盾构在曲线段的掘进轴线较难控制，主要因素有以下几点：(1)、受制于上述的几点曲线推进的不利特点，管片容易发生位移。(2)、盾构后方曲线隧道被动位移会造成指导推进的测量控制点偏差。(3)、在转弯半径较小的曲线段，测量控制点边长受到限制，视线条件很差，不利提高观测精度。施工措施:(1)、预偏量的设置

21、：在结合设计及规范要求的基础上，可以考虑将盾构行进轴线向曲线内侧预设适当的偏移量，(2)、增加对实时盾构姿态的测量复核频率(3)、加强盾尾间隙和管片旋转的测量(4)曲线段控制点测量预偏量的设置 盾构在掘进过程中，管片在推进侧向分力和内侧土压力的作用下将向曲线外侧位移，位移量受同步注浆质量和注浆压力等多方面影响而不同。为将成环隧道的最终轴线控制在设计和规范允许的要求范围内，在结合设计及规范要求的基础上，可以考虑将盾构行进轴线向曲线内侧预设适当的偏移量，并在盾构切口进入曲线前大约两个盾构长度的距离内逐渐过渡。预置多少偏移量应根据盾构长度、曲线半径、曲线超挖宽度、设计允许偏差等综合考虑。以下是本工程

22、中不同半径曲线施工段的预置偏移量：曲线半径(m)过渡段长度(m)预置偏移量(m)500200.03800200.021000150.0152000100.01 经过对本工程的曲线隧道轴线跟踪观测，在不考虑测量控制点误差的情况下，不同曲线段的管片最终位移量情况统计如下：曲线半径(m)管片稳定前向曲线外侧的位移量(m)5000.0150.0218000.0050.015100000.009200000.003 从以上统计可见预置偏移量的方法和数值在本工程的运用是适当的，成功的。预偏量可行性检验 由于盾构在曲线段施工的特殊性，盾构行进路线受外力因素干扰较多，不确定因素也较多。对于测量方面要加强复测，

23、增加测量频率，做好监控量测。测量成果要及时提供给施工负责人，以强化信息施工，为施工决策提供可靠的参考依据。曲线段施工测量控制要点总结 8 长距离贯通测量技术的研究8.1贯通测量工作概况 当盾构掘进距接收井还有100m200m时，须进行盾构贯通测量工作。它是确保盾构正确进入接收井门洞的一项重要的测量工作。包括地下控制网联测，接收井门洞中心位置测定，竖井联系测量和井下导线测量等，以进行贯通前误差估算。其中，竖井联系测量和井下导线测量前面已叙述，这里主要分析接收井门洞中心位置测定方法。 贯通后精确测定横、纵向误差。8.2接收井门洞中心位置测定 圆心归算法以3号井为例，先通过竖井联系测量的方法将地面控

24、制点的坐标引到竖井里的控制点上，在洞门圈上设置13个点位(点数可调整)，通过全站仪和竖井里的控制点坐标方位角，可以算出13个点的坐标来。由于门洞圈在制作加工过程中存在误差及安装钢圈存在误差，必然使门洞圈存在误差，此时，13个点到门洞中心的距离必然是不相等的。通过使用专业计算软件，利用最小二乘原理来令误差平方之和为最小计算拟合出洞门圈的圆参数与点面距中误差、点圆距中误差。如下图所示。 8.2接收井门洞中心位置测定 圆心归算法洞门圈测量成果测量次数X（m）较差Y（m）较差Z（m）较差119991.6161-0.000522708.0332-0.0004-9.01320.0005219991.617

25、90.001322708.03470.0010-9.0146-0.0009319991.6155-0.001122708.0326-0.0011-9.01270.0010419991.61680.000222708.03410.0004-9.0143-0.0006平均值19991.616622708.0337-9.0137中误差0.001030.000930.000908.2接收井门洞中心位置测定 标尺法在本工程中，还使用了标尺法来对前面所使用的圆心归算法的精度进行比较。采用的标尺长度为5m，并在标尺中心粘贴一反射片；将铝合金标尺横在洞门圈前沿钢圈两侧，并借助水准器使标杆置于水平位置，量取反射

26、片至钢圈底的距离L，通过全站仪测定反射片的三维坐标，那么反射片的平面坐标即为洞门圈中心平面坐标，而洞门圈中心高程=反射片高程-L+洞门圈半径。标尺法如下图所示。 8.2接收井门洞中心位置测定 标尺法洞门圈测量成果测量次数X（m）较差Y（m）较差Z(m)较差119991.61820.000022708.03560.0016-9.01420.0001219991.6164-0.001922708.0331-0.0009-9.0159-0.0016319991.61970.001422708.03490.0009-9.01260.0017419991.61870.000422708.0323-0.0017-9.0144-0.0001平均值19991.618322708.0340-9.0143中误差0.001380.001530.00135两种方法精度的比较使用圆心归算法时，13个点均匀分布在圆上，它能够反映出整个圆的圆整状况，由此拟合出的圆心坐标会更接近真值。而使用标尺法时，则假设了洞门圈为绝对的圆形，得出的数据是以铝合金尺下面圆弧部分的圆整度为基础的，因此，铝合金尺上面圆的曲率并不能得到真实的反应。圆心归算法得出的圆心坐标为（19991.6166，22708.0337，