西藏南路越江隧道施工测量方案

1西藏南路隧道施工测量技术方案余永明1概述上海西藏南路越江隧道工程江中段圆隧道分东线和西线2条隧道，东线约为1151m,西线约为1171.5m，共计2322.5m。是上海越江交通的重要组成部分，预计2007年4月30日开始西线隧道盾构掘进，至2007年10月30日结束。于2007年7月25日开始东线盾构推进，至2008年1月23日推进结束。本工程隧道外径为11316mm，内径为10316mm，采取错缝拼装形式。采用两台直径为12570mm的超大型泥水平衡式盾构机进行掘进施工。本工程采用的平面坐标系统是上海平面坐标系统，高程系统是吴淞高程系统。由于隧道的直径大且穿越黄浦江，对于测量工作而言，如何做好地面控制测量、隧道内部控制测量、盾构姿态控制测量，确保隧道顺利贯通是工程的一大难点。在总结上海市其他特大越江隧道（上海市上中路隧道、翔殷路隧道、长江隧道），我们对该工程的测量工作进行了精心部署。2测量控制技术本工程的测量控制技术有平面控制测量、竖井联系测量、井下控制测量、盾构机姿态控制、管片姿态测量以及隧道贯通误差预计。2.1地面控制测量地面控制测量的主要目的是建立的测量控制系统，提供可靠的平面和高程控制点。本工程的始法井和接收井之间虽然横陈着黄浦江江面，但可以布设可通视控制点。可以采用传统的控制测量手段，利用1″或0.5″的全站仪（如TCA1201、TCA2003）。必要时可采用GPS测量。GPS是新一代空间卫星定位导航系统，与传统测量手段比，具有革命性的进展。其定位精度可达毫米级。本工程建设单位应提供至少4～6个平面控制点控制点分布见图1。图1工程导线控制点示意图2平面控制测量成果必须采用拟稳平差形式进行统一平差，以建设方提供的平面控制点引测的坐标均作为拟稳点。同时，建设单位应提供了2～4个二等水准控制点(浦东与浦西各1～2个)，建立1个横跨黄浦江的高程控制网。该高程控制网必须定期采用过江水准进行联测，最终通过平差确定。测量方法：采用短视距(视距≤30M)精密水准测量方式施测，仪器采用徕卡精密电子水准仪，搭配精密铟钢条码水准尺。往返观测，检核取中值，2.2竖井联系测量竖井联系测量是隧道测量中的一个重要环节，它主要是通过竖井将地面和地下控制网联系到一个统一的坐标系中。就是将地面上的坐标、方位角、高程传递到地下隧道中去，并依此指导隧道内盾构掘进和同步施工，并确保顺利贯通。2.2.1平面联系测量平面联系测量我们采用深化几何定向法，即应用经典的联系三角形定向，采用3根钢3丝（Φ0.3mm），以两组方位传递至井下固定起始边，固定边长度≥500m，如图1所示。东线、西线必须各进行至少3次定向测量。即盾构出洞前、越江过程中、隧道贯通前50m处。下面为定向成果示意图。2.2.2高程竖井传递通过工作竖井传递高程测量，用经检验后的钢尺，挂重锤10kg，用2台水准仪同步观4测，用3至4个视线高，最大高差不大于1mm，见图3。图3竖井传递高程测量示意图2.3井下控制测量井下控制测量的基础是由联系测量所得到的地下导线起始点坐标、方位和高程。2.3.1井下平面测量井下平面测量布设两级支导线：施工支导线和控制平行导线，由于盾构直径大，通视情况良好，所以控制平行导线可以设置到150～300m。以平面联系测量的起始边为地下导线的起始点，布设2条平行直伸导线，导线点均采用强制对中。因为点与点之间距离长，导线采用左右角12测回观测，圆周角闭合差不得大于2″～3″，重复测定测角总和不得大于2″×n1/2(n为测站数)。施工支导线采用普通地铁支导线即可，主要用于控制日常盾构推进。导线测量要求如下：1）施工导线点：以基本导线点为基准，一般的±2″级以内全站仪。2）基本导线点：以复测传递导线点为基准，一般的±2″级以内全站仪。3）复测传递导线点：双导线形式（吊篮点为主导线，路面点另为辅），确定一些必要的联测点（横向距离，或坐标），在施工好的连接通道处可进行两个隧道的联测。转点间的长度现场根据通视状况，尽量拉大。2.3.2井下高程测量井下埋设的固定水准点间距为80m，采用二等水准，用DNA电子水准仪观测，按高程测量规范Ⅱ等执行，并定期对水准控制点进行复测，用最新的测量成果对数据进行更正。5水准测量要求如下：1）施工测量：施工水准点及施工测量采用S3级水准仪,以基本水准点为已知点。精度:中误差≤±5mm2）基本水准点的测量：采用短视距(视距≤30M)精密水准测量方式施测，仪器采用徕卡精密电子水准仪，搭配精密铟钢条码水准尺。往返观测，检核取中值，中误差≤±1.5Lmm（L为路线长度,单位KM）。3盾构姿态控制测量盾构法隧道施工区别与一般的土木工程，对施工的精度要求非常高，管片的制造精度接近于机械制造的程度。施工时对设计的掘进断面不能随意调整，对隧道轴线的偏离、管片型拼装的精度都有很高的要求。掘进过程中的盾构姿态控制除了与隧道贯通有直接影响外，还与隧道设计、施工的质量要求以及围岩的扰动、地层的沉降有关。因此，准确的盾构姿态控制，是平稳推进，保证施工质量与安全，减少对周围环境影响的关键。3.1盾构初始化测量在盾构出发之前，必须精确建立盾构切口、盾尾中心与盾构内部测量棱镜的相互关系。这样才能根据测量盾构内部测量棱镜的城市坐标而反算出盾构在推进过程中的切口盾尾的城市坐标。我们通过两种测量方法（支导线法和后方交会法）精确求得盾构切口盾尾中心的平面位置和横向尺寸。并以切口为原点，盾构中轴线为X轴，横断面方向为Y轴，垂直与XY平面为Z轴，建立了一个盾构相对坐标系统。见图5。图5棱镜相对位置示意图同时利用专业盾构测量软件计算相对坐标如下表1：6表1盾构初始化测量坐标表点号城市坐标系盾构坐标系XYZXYZ切口8707.99520278.091-11.008000盾尾8695.455720271.9302-10.648-13.9760.0000.000A18704.22120276.4983-4.692-4.2510.2356.208A28700.60920275.923-4.321-7.7551.3116.489A38701.79820273.483-4.362-7.763-1.4036.4483.2人工盾构姿态控制如图6所示，在盾构内沿盾构中心线方向布置3个小棱镜（棱镜的距离尽量长），在盾构内的左右部各安装1块坡度板，测量盾构的转角和坡度。根据测量的数据，用专业盾构测量软件计算出盾构切口和盾尾的三维坐标，与隧道设计中心线进行比较，就可得出盾构机的姿态。见图7。图7盾构姿态示意图3.3盾构测量软件简介该软件结合目前国际最先进盾构测量技术，通过对日本Robotec系统、法国Phyxis系统，德国VMT系统等隧道自动导向系统的剖析与研究，结合国内多条盾构法隧道施工测量技术研发而成。该软件集盾构姿态计算、管片姿态计算、轴线偏差比较、偏差图表显示等功能于一身，能够精确地计算出盾构姿态、管片姿态，永远地避免了盾构推偏的情况发生。1）、初始化计算模块72）、坐标计算模块3）、测量数据输入与结果显示模块84）、设计轴线自动计算数据5）、轴线偏差数据表6）、偏差图表显示94管片测量管片成环后主要测量其与隧道设计轴线的偏离情况、整圆度、环面平整度、旋转度等，若这些指标不符合要求，特别是对于特大盾构，将会影响到盾构推进轴线的控制、后续管片的拼装、管片开裂等。4.1管片姿态测量管片姿态测量是指成环后的管片中心偏离隧道设计轴线的关系，以及管片的整圆度情况。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。管片姿态报表如图9所示。图9管片姿态报表4.2环面平整度测量同一环管片在拼装完成后，面向千斤顶一侧的环面若不在同一平面上，或不同块之间有凹凸不平的现象存在，则会给下一环的拼装带来困难，甚至会导致管片的开裂。通过测量环面的平整度，可指导加贴楔子来纠正环面，使其平整。当全站仪架设在底部时，由于受管片拼装机及联系梁的影响，不能直接进行断面扫描，因此，采用上下架设2个站的方法，分别扫描每环管片的两端及两腰，得出它们与仪器照准面的差值，然后将上下观测数据联系成一个统一的系统，最后按照管片环的坡度换算出环面的平整度（见图10）。10图10环面平整度测量4.3管片整圆度管片成环后，必须测量其整圆度是否符合设计要求，同时根据测量结果对后续管片拼装进行指导，从而保证隧道施工的质量。如4.1小节所述，日常推进是通过测量盾尾间隙来求“米”字型的，而盾尾形状在推进中是不断变化的，因此我们必须经常实测管片的整圆度与盾尾整圆度之间的关系，使得盾尾间隙测量能够如实反映管片的整圆度。4.4管片沉降、收敛变形及旋转度测量管片沉降是隧道沉降的直接反映，影响隧道建设的质量；管片旋转度过大，会使盾构的后续车架及路面的铺设不平整，影响设备的运行，同时增加了封顶成环的拼装难度。⑴采取三角高程和普通水准测量，均能监测到管片的沉降，它是通过测量管片顶部沉降的方式来完成的。为了监测盾构推进过程中隧道的沉降变化情况，应在隧道管片上设立一定数量的隧道沉降观测标志点，进出洞段、连接通道段每环设1个点，正常段推进每2环设1点（监测点布设在管片顶部）。若遇特殊施工情况则根据工程需要酌情增加测点。同时，为了隧道贯通后的后续工作，应每隔500m布设一个永久监测点。测量方法：采用三角高程测量和三等水准测量相结合的方法，测量布设在管片顶部监测点的高差变化情况，从而得出隧道的沉降观测值。⑵隧道收敛变形观测为了监测盾构推进过程中隧道的隧道收敛变形情况，主要是管片的横竖径变化情况，应在隧道管片上设立一定数量的隧道隧道收敛变形监测标志点，进出洞段、连接通道段每环设监测标志点，正常段推进每隔5环设监测标志点（监测点布设在管片两腰及管片顶部）。若11遇特殊施工情况则根据工程需要酌情增加测点。测量方法：采用水准测量方法，测量布设在管片顶部和底部的实际高程，然后通过计算高差得出管片的竖径。采用对边测量的方法和用测距仪直接测量隧道的横径。⑶管片旋转度是指成环后的管片与设计要求相比旋转了一定的角度。用水平尺找到实际拼装后的管片中心（在管片顶部预留设计的管片中心）后，量取其与设计中心的距离D，即能反映出管片的旋转度（见图12）。通过测量值的大小，以指导施工。图12管片旋转度测量5贯通测量及误差预计5.1贯通测量为保证隧道后阶段盾构推进贯通，应在贯通前进行专门的贯通测量。其内容应包括：地面控制网复测、接收井门洞中心位置测定、竖井联系测量和井下导线测量。其中利用坐标法测定洞门中心，其它几项采用方法与前几节相同。最后，为了确保盾构顺利进洞，建议在盾构机上岸后距离贯通面500～600m左右对隧道进行垂直钻孔，并用联系测量的方法对地下平面和高程控制点进行测定，并采用本次测量的成果指导贯通。5.2贯通误差预计⑴横向误差分配及精度分析洞内横向中误差精度公式：m²(洞内)=（mβ×L/ρ）²×（n+3）/12按照mβ=0.7″，L=1.5km，ρ=206265″，n=8计算，得出m(洞内)=±11mm由于洞内是布设两条平行导线，同时在旁通道将两条隧道的四条单导线相连接，则根据误差传播理论双平行导线比单导线在精度上至少提高了√3倍，即m(内)=m(洞内)/√3=±19mm。预计洞外控制网点对横向贯通影响的中误差为：m(外)=±5mm,则根据下式：m²(总)=m²(内)+m²(外)得：m(总)=±13mm取双倍中误差±26mm为贯通限差，则满足隧道测量规范中贯通误差小于100mm的要求。⑵高程控制测量在贯通面上的误差预计根据误差公式m△h=±m△√L，其中L取1.5km，m△=±1mm。则m△h（洞内）=12±2.74mm,而洞外高程控制测量中误差根据预计m△h（洞外）=±5mm。则在贯通面上高程总中误差为：m△h（总）²=m△h（洞内）²+m△h（洞外）²即m△h（总）=±5.70mm，取双倍中误差为限差11.4mm,远小于规范要求。6竣工测量隧道推进过程中，随