大直径盾构法施工中隧道轴线测量及控制技术

大直径盾构法施工中隧道轴线测量及控制技术徐伟忠岳秀平(上海市第二市政工程有限公司上海200065)摘要：本文论述了大直径盾构隧道衬砌环的轴线测量方法，分析推导了不同线形的实际轴线偏差计算公式，并据此对上海市复兴东路越江隧道工程施工过程中的隧道轴线监测数据进行分析,总结出的实际经验为今后同类工程提供了有价值的参考。关键词：隧道；轴线测量；盾构姿态；管片姿态；监测；隧道上浮Abstract:Thearticlecommentsonaxislinesurveymethodforthelininginlargediametershielddriventunnel,byanalyzingandderivingcalculationformulaforactualaxislinedeviationapplicabletodifferenttunnelprofiles.Then,basedontheformula,analysesweremadetomonitoreddataoftunnelaxislineinFuxingDongLucrossingunderconstructioninShanghai,resultinginsummarisingtheactualexperienceexpectedtoprovidethefuturesimilarprojectswithvaluablereference.Keywords:tunnelaxisline；shieldattitude；segmentattitude；monitoring；tunneluplift1引言为了保障盾构机沿着隧道设计轴线推进，盾构施工测量要随时提供盾构机掘进的瞬时姿态，如盾构机所处位置与设计线路中线平面偏离值、高程偏离值、纵向坡度、横向旋转角度和切口里程（或坐标）等。同时，对隧道衬砌环的安装质量，如衬砌环中心偏差和环的椭圆度、衬砌环的姿态（环的旋转、左右和前后超前量）等进行测定，以便为盾构机操作人员提供盾构姿态的一些修正参数来进行更好控制。2隧道轴线测量隧道轴线测量主要是标定整个隧道设计轴线及高程位置，其目的是控制隧道沿设计轴线延伸和顺利贯通，使衬砌环的偏差符合设计要求。2.1隧道设计轴线隧道轴线(见图1)是由各自独立的平曲线和竖曲线组合而成。平曲线包括直线、缓曲线、圆曲线等3种，竖曲线包括直线、凸曲线、凹曲线等3种。根据业主提供控制点和水准点，按照设定的隧道设计轴线和工作井建立地面与地下的测量控制系统，见图2。控制点和水准点应设在不易扰动，视线清楚，方便校核的地方。为确保整个施工期间不被破坏，设置保护记号。按规定定期复核，以避免系统误差。隧道贯通测量中的地下导线是一条支导线，这条支导线是指示盾构的掘进方向，它必须是十分准确的。对此，一般至少布设两条导线来相互检核。导线点一般设置在隧道的顶部吊篮上或侧面的仪器台上，仪器都采用强制归心，仪器台和观测平台都是完全分离的，以确保仪器的稳定性。为确保测量数据的准确性，要定期对地面控制点和地下导线点进行复核。设计轴线设计轴线实际线路图1轴线偏差(水平)盾尾管片OO1O2δ1δ2ｄ右图2三中心相互关系ｄ左2.2隧道中的轴线控制主要是以控制盾构姿态为主要手段。盾构姿态确定主要是依据地下导线点来精确确定盾构掘进的方向位置。盾构隧道支导线的基准点与基准线由固定在两个吊篮上的一台自动全站仪T和一个后视点Ba组成，通过测站的前后视转角和水平距离的测量，最后测得盾构机内棱镜的坐标，再通过三维向量归算求得当前盾构机切口中心O1和盾尾中心O2的三维坐标，与隧道设计轴线进行比较。只有控制好盾构姿态，同时也就控制了衬砌环姿态，从而很好的保证隧道实际轴线。3衬砌环姿态的测量在盾构掘进过程中，一般每推一环，测定一次盾构姿态和衬砌环姿态，供盾构司机参考。根据隧道内的施工导线点，测定盾构在三维空间的位置并推算出衬砌环的位置。3.1准确测定衬砌环姿态（平面偏差，以下简称“平偏”）的计算方法如下：如图２用一根1m长的钢尺分别测量出衬砌环左、右与盾尾内壁间隙d左、d右，得出衬砌环中心点与盾构中心点的偏离量。O是隧道设计轴线点，O1是盾构中心点，O2是衬砌环中心点所示。C2A2AC2A2A1CB隧道设计线AbaB1C1图3轴线偏差盾构机掘进中线盾构机衬砌环见图3，环片前端中心与盾构机切口偏量和盾尾偏量差的计算：CCCC1Dδ3隧道设计线ROBA图4圆曲线偏差盾构机掘进中线衬砌环盾构机3.3环片平偏：+3.4在设计圆曲线中管片平偏的计算要考虑半径改正数δ3，见图４，D是盾构机掘进中线的中点，A是切口中心，B是盾尾中心，C是衬砌环前端中心。此图中所示为盾构姿态无平偏。=例如：以复兴东路南线隧道的盾构机参数为例。盾构机长度(AB)是11.140m,盾尾至环片前端（BC）是2.69m。半径R（m）半径改正数(mmm)50023800141000111200915008表１从表1可知，在设计圆曲线中半径R<1000m，半径改正数δ3>10mm，计算环片姿态时需考虑半径改正数δ3的存在；反之，半径R>1000m，半径改正数δ3<10mm，可无需考虑。管片平偏：+=+同理，管片高程偏差（以下简称“高偏”）计算公式如下：管片高偏：+=+此式中a是切口高偏，b是盾尾高偏。由于隧道轴线的测量偏差为右正左负，上式中线路右转时，取“＋”；线路左转时，取“－”。不管盾构机切口中心A和盾尾中心B在设计圆曲线的同侧或异侧，计算环片姿态的偏差可用以上公式。以复兴东路南线隧道例：管片平偏：+管片高偏：+隧道轴线控制完全达到设计和规范要求是非常难的，要尽量严格按照设计轴线掘进，在高程上比设计轴线偏低一点（考虑大直径的上浮效应），并很好的控制盾构姿态，才可能确保隧道轴线在控制范围内；如不然，就要进行纠偏。由于盾构机是一个刚体，控制它的主轴沿设计轴线掘进那只是理想状态，圆曲线上推进要按照上述计算值来指导对盾构机的控制操作，以使得纠偏平稳。一般平面和高程不同时进行纠偏，为了回到设计轴线上去，要根据掘进趋势，平面和高程分开，逐步慢慢进行纠偏。所以盾构操作人员要对每一个工作环节都要严格控制。4隧道复测在盾构掘进过程中，对隧道中已拼装成环，并脱出整个车架的每100环为一段，每5环为一个测点，进行复测。复测结果与盾构姿态数据比较，看100环轴线推进趋势是否和环片姿态趋势一致，检核每100环的隧道轴线是否准确，能更好的使盾构操作人员及时来采取一定的措施控制整条隧道轴线。隧道复测的测量方法如下：隧道设计线R水平尺5m铝合金隧道设计线R水平尺5m铝合金△隧道管片图5测量横断中心点的确定办法是将一根自制的5m长精致铝合金尺横放在管片内壁上，尺的两端分别安置一水平尺使标杆置于水平位置。这时标杆中央的标志就是管片的中央，再用全站仪测定其中心位置，从而算得坐标，见图５。4.2确定衬砌环中心标高用一根5m长的塔尺，置于管片的最底位置，再借助于Leica红外线测距仪测出管片的竖径（对公路越江隧道而言）。通过将各环的底部高程加上竖径的一半，算得各环的高程。4.3根据测算出的各衬砌环的三维坐标（X、Y、H）与隧道设计线进行比较，计算出偏离值。计算过程比较繁琐，一般通过编写程序来进行计算。5隧道轴线控制技术及数据分析上海市复兴东路越江隧道工程位于黄浦区、浦东新区内，其中江中圆隧道由近距离并行的北线和南线两部分组成。本越江工程设计线路总长度为2282.52m，设二条隧道，圆隧道隧道轴线平面呈反“S”形，纵剖面呈“U”形，南、北线线型基本一致，起自设于外咸瓜街与复兴东路交叉处的浦西工作井,终止于张杨路、福康路口以东的浦东工作井，隧道长1161m（江中段399m）。工程采用从日本三菱重工引进的Ф11220mm泥水加压平衡式盾构进行施工。复兴东路南线隧道是市政二公司全面负责施工的第一条超大直径隧道。从南线隧道200环内盾构掘进中的获得每5环的环片姿态、隧道轴线复测数据进行监测分析。5.1环片姿态测量数据分析表2偏差值平偏(mm)高偏(mm)最大值+35+48最小值-55-56由于施工方精心组织施工，0～200环隧道轴线得到了较好的控制。在施工中隧道平偏、高偏（管片在拼装后脱出盾尾之前）都控制在允许范围之内（±100mm），最大、最小的衬砌环平偏、高偏见表2。从以往工程来看，盾构出洞进入地层中容易出现磕头的现象。复兴东路南线隧道出洞，0环（最小高偏）到35环（最大高偏）这一段数值来看控制得较好，说明整个盾构出洞阶段的地基处理加固较好，使土体因盾构出洞流失少，从而避免了盾构磕头。切口泥水压力控制，以及盾构操作司机进行及时的纠偏（高程），修正好千斤顶的参数进行盾构姿态控制等因素，使得在35环推进中隧道轴线上升幅度达104mm。可见，盾构出洞的地基处理加固的好坏，是盾构避免磕头现象发生的主要因素，见图6。图6复兴东路南线隧道0～200环的环片平偏、高偏图表5.2隧道轴线复测数据通常盾构在出洞段施工引起隧道轴线较大偏离的因素较多，在采用泥水加压平衡盾构时，对隧道轴线控制显得更为困难，既要考虑泥水作用对拼装成环中的轴线控制，又要防止因已成隧道段的不稳定而影响总体隧道轴线的偏移。在盾构机掘进到250环时，对0～200环衬砌环脱出盾尾后进行隧道轴线复测。复测结果显示被测的数据，从线路的趋势来看符合盾构姿态的趋势走向（和图4比较），发现平偏在-75～+78mm范围内波动。但高偏就波动的较厉害（20～125环），基本上隧道整体都往上浮。从隧道上浮数据来看，大约平均30~50mm。据此，我们认为应将盾构掘进时与衬砌环的轴线控制在比设计标高低30~50mm左右的水平。针对上述情况调整同步注浆和二次注浆配比和注浆量，从130环开始，上浮量超标情况开始好转，直至200环，就很好的控制了隧道上浮问题。5.3隧道抗浮分析泥水加压平衡盾构在掘进过程中，由于切口泥水在一定压力作用下，泥水易回窜到盾构尾部，在盾构壳体与隧道衬砌环之间形成的建筑空隙内占有不同程度数量的泥水。这部分的泥水使隧道衬砌的外周与土体相互隔离，使隧道失去抗浮作用，从而引起隧道上浮。如果隧道位置处于浅覆土层或覆土层受过扰动，这种上浮现象就会显得更加严重。为此，泥水加压平衡盾构一旦出洞后应及时采取同步双液注浆，以防止隧道上浮。为了达到满足有效防止隧道上浮的要求，在出洞段，隧道还需进行两次以上的补压浆，必要时可采用聚胺脂材料补压浆，补压浆的部位以布置在隧道上半部较好。根据盾构出洞段隧道的上浮趋势，盾构在推进时宜控制在设计轴线偏下的姿态较为有利，同时适当增大已建隧道环面的上超前量。因此衬砌环脱出盾尾后，隧道轴线在左右方面上波动不是很大，左右还能较控制；但在高低方面上隧道上浮的较厉害，高低难以控制的好，所以一定要根据实际情况而定，才能更好的控制隧道轴线，见图7。图7复兴东路南线隧道0～200环轴线复测成果数据表5.4牛腿测量数据分析由于本工程为国内首次采用带牛腿的管片，考虑到以后同步道路施工道路板架设精度要求，相邻环牛腿及左右牛腿高差，均要求控制在±5cm以内。作为双层式隧道，管片牛腿位置控制至关重要。为了更好的控制牛腿的旋转量，通过讨论、分析在盾构机里安放连通管，对每环的牛腿旋转量用水位量进行测量，并且该方法对盾构拼装人员来说比较直观，能够及时调整管片的旋转量，这样大大减少了测量人员的工作量，只是对牛腿的标高进行定期复测，结果是完全一致的。从0～200环牛腿旋转量数据来看，最大的是-70mm，有2个点超限，占了4.9％。说明拼装人员在拼装第一块管片时定位是很关键的，若位置没有定位好，就会超出设计规范要求。后在盾构千斤顶的后肋板处做标记，用于管片的定位，以保证管片的旋转量得到控制，还采用同步监视设备对管片的旋转量进行及时显示、报警。通过上述施工措施，管片的旋转量得到了有效的控制，基本上全都在设计要求之内，见图8。图8牛腿旋转量6