1、地鐵盾構施工測量技術作者：佚名  出處：山東嘉祥  更新時間： 2007年05月21日 內容提要：通過廣州軌道交通四號線大學城專線【侖頭大學城盾構區間】隧道盾構掘進的實踐，介紹了地鐵盾構施工中的控制測量、聯系測量、VMT導向系統、盾構姿態人工檢測、管環檢測的技術和經驗，其中VMT導向系統的應用和維護及經驗教訓是本文介紹的重點。關鍵詞：平面控制、高程控制、聯系測量、導向系統、盾構姿態、管環檢測1控制測量1.1平面控制測量:平面控制測量概述: 地鐵施工領域里平面控制網分兩級布設，首級為GPS控制網，二級為精密導線網。施工前業主會提供一定數量的GPS

2、點和精密導線點以滿足施工單位的需要。施工單位需要做的是在業主給定的平面控制點上加密地面精密導線點，然后是為了向洞內投點定向而做聯系測量，最后是在洞內為了保證隧道的掘進而做施工控制導線測量。不管是地面精密導線還是洞內施工控制導線都是精密導線測量，雖然邊長不滿足四等導線的要求，但是基本上是采用四等導線的技術要求施測，其中具體技術要求在地下鐵道、輕軌交通工程測量規范都有規定。地面平面控制測量：在業主交接樁后，施工單位要馬上對所交樁位進行復測。業主交樁數量有限，不一定能很好地滿足施工的需要，所以經常要在業主所交樁的基礎上加密精密導線點，以方便施工。特別是在始發井附近，一定要保證有足夠數量的控制點，不少

3、于個。其具體技術要求在地下鐵道、輕軌交通工程測量規范都有規定。 洞內平面控制測量洞內施工控制導線一般采用支導線的形式向里傳遞。但是支導線沒有檢核條件，很容易出錯，所以最好采用雙支導線的形式向前傳遞。然后在雙支導線的前面連接起來，構成附合導線的形式，以便平定測量精度。洞內施工控制導線一般采用在管片最大跨度附近安裝牽制對中托架，測量起來非常方便，且可以提高對中精度，還不影響洞內運輸。強制對中托架尺寸形狀要控制好，以便可以直接安裝在管片的螺栓上面，不需要電鉆打眼安裝。由于盾構施工一般都是雙線隧道錯開50環左右掘進，如果錯開環數很大，后面掘進的盾構機由于推力很大，會對前面另一個洞的導線點產生影響。特別

4、是在左右線間距較小巖層很軟時，影響很大，很容易導致測量出大錯。還有就是如果在曲線隧道里，管片上的導線點間的邊角關系經常受盾構機的推力和地質條件的影響，所以要經常復測。1.2 高程控制測量：高程控制測量概述：高程控制測量主要包括地面精密水準測量和高程傳遞測量及洞內精密水準測量，在廣州地鐵領域里的精密水準測量也就是城市二等水準測量。不管是地面還是洞內都采用的是城市二等水準測量。其技術要求在地下鐵道、輕軌交通工程測量規范都有規定。 地面高程控制測量地面水準測量按城市二等水準的要求施測。洞內高程控制測量洞內由于軌道上鋼枕太多，軌道下的泥水經常蓋到鋼枕上來了，立尺很不方便，用水準儀配因鋼尺測量非常麻煩。

5、而采用全站儀三角高程測高差的辦法傳遞高程就很方便。見圖1。當然此時一定要保證前后視的棱鏡高要不變，由于不需要量儀器高，而是通過測量前后兩個點的高差來傳遞高程，所以往返觀測取平均值精度可以滿足施工的需要。這在我們侖官區間左、右線都得到證實，侖官區間約1.5公里，高程貫通誤差左線是8、右線都在11左右。圖1全站儀三角高程測量傳遞高程1.3 聯系測量 定向測量地鐵施工規定，在任何貫通面上，地下測量控制網的貫通中誤差，橫向不超過±，豎向不超過±。聯系測量主要有一井定向（聯系三角形定向）、兩井定向、鉛垂儀陀螺經緯儀聯合定向、導線定向四中方式，其中我們施工單位一般都沒有陀螺經緯儀，所以

6、很少采用鉛垂儀陀螺經緯儀聯合定向。用導線定向精度最好且最方便，但是用導線定向受始發井的長度和深度制約，一般也很少用。所以一般都采用一井定向（聯系三角形定向）或兩井定向，其中用兩井定向受地面及洞內各種因素的制約要少，很方便，但是在同樣的始發井長度和深度的情況下最好采用一井定向（聯系三角形定向），這樣有利于提高井下定向的精度。這在我們侖大始發井的多次聯系測量中得到證實。雖然一井定向（聯系三角形定向）對場地要求較高，做起來也很麻煩，但是定向精度很有保證。聯系測量向洞內投點時把點間距盡量拉大些，在始發井底板，最好投四個點，保證始發井兩端都各有兩個控制點。且盡量保證每次聯系測量投點時都投在這四個點上。以

7、便取多次聯系測量的加權平均值做為最終的始發控制點坐標。圖2一井定向聯系測量示意圖圖3兩井定向聯系測量示意圖 高程傳遞測量向洞內傳遞高程一般采用懸掛鋼尺的方法，一定要注意加溫度和尺長改正，才能保證導入井下的水準點的精度。如果有斜井或通道，也可以用水準測量的方法向井下傳遞高程。如果全站儀的仰俯角不大的話還可以直接用全站儀三角高程測高差的辦法傳遞高程。圖4鋼尺導入法傳遞高程2導向系統:2.1導向系統介紹VMT導向系統概述：在掘進隧道的過程中,為了避免隧道掘進機(TBM)發生意外的運動及方向的突然改變, 必須對TBM的位置和DTA(隧道設計軸線)的相對位置關系進行持續地監控測量。TBM能夠按照設計路線

8、精確地掘進，則對掘進各個方面都有好處（計劃更精確，施工質量更高）。這就是TBM采用“導向系統”（SLS）的原因。德國VMT公司的SLS-T系統就是為此而開發，該系統為使TBM沿設計軸線（理論軸線）掘進提供所有重要的數據信息。SLS-T系統功能完美，操作簡單。導向系統基本組成與功能導向系統是由激光全站儀（TCA）、中央控制箱、ESL靶、黃盒子和計算機及掘進軟件組成。其組成見下圖：圖5導向系統組成.1全站儀(TCA)具有伺服馬達，可以自動照準目標和跟蹤，并可發射激光束，主要用于后視定向，測量距離、水平角和豎直角，并將測量結果傳輸到計算機。.2ESL靶也稱光靶板，是一臺智能性型的傳感器。ELS接收全

9、站儀發射的激光束，測定水平和垂直方向的入射點。偏角由ELS上激光的入射角確認，坡度由該系統內的傾斜儀測量。ELS在盾構機體上的位置是確定的，即對TBM坐標系的位置是確定的。.3中央控制箱主要的接口箱，它為黃盒子（繼而為激光全站儀）及ELS靶提供電源。.4黃盒子它主要為全站儀供電，保證全站儀工作和與計算機之間的通信和數據傳輸。.5計算機及掘進軟件SLS-T軟件是自動導向系統數據處理和自動控制的核心，通過計算機分別與全站儀和ELS通信接收數據，盾構機在線路平、剖面上的位置計算出來后，以數字和圖形在計算機上顯示出來。如下圖所示：圖6 VMT導向系統盾構姿態顯示導向基本原理洞內控制導線是支持盾構機掘進

10、導向定位的基礎。激光全站儀安裝在位于盾構機的右上側管片上的拖架上，后視一基準點（后視靶棱鏡）定位后。全站儀自動掉過方向來，收尋ELS靶， ELS接收入射的激光定向光束，即可獲取激光站至ELS靶間的方位角、豎直角，通過ELS棱鏡和激光全站儀就可以測量出激光站至ELS靶間的距離。TBM的仰俯角和滾動角通過ELS靶內的傾斜計來測定。ELS靶將各項測量數據傳向主控計算機，計算機將所有測量數據匯總，就可以確定TBM在全球坐標系統中的精確位置。將前后兩個參考點的三維坐標與事先輸入計算機的DTA（隧道設計軸線）比較，就可以顯示盾構機的姿態了。2.2導向系統應用 始發托架和反力架定位盾構機初始狀態主要決定于始

11、發托架和反力架的安裝，因此始發托架的定位在整個盾構施工測量過程中顯得格外重要。盾構機在曲線段始發方式通常有兩種：切線始發和割線始發，兩種始發方式示意圖見下圖7：圖7 切線和割線始發示意圖始發托架的高程要比設計提高約15，以消除盾構機入洞后“栽頭”的影響。反力架的安裝位置由始發托架來決定，反力架的支撐面要與隧道的中心軸線的法線平行，其傾角要與線路坡度保持一致。 移站.1激光站人工移站盾構機的掘進時的姿態控制是通過全站儀的實時測設ELS的坐標，反算出盾構機盾首、盾尾的實際三維坐標，通過比較實測三維坐標與DTA三維坐標，從而得出盾構姿態參數。隨著盾構機的往前推進，每隔規定的距離就必須進行激光站的移站

12、。激光站的支架用角鋼和鋼板做成可以安裝在管片螺栓的托架形似, 托架的底板采用400×400×10mm鋼板，底板中心焊上儀器連接螺栓,長1。采取強制對中，減少儀器對中誤差。托架安裝位置在隧道右側頂部不受行車的影響和破壞的地方。安裝時，用水平尺大致調平托架底板后，將其固定好，然后可以安裝前視棱鏡或儀器。托架示意圖如下圖8：圖8 激光站的托架示意圖一般在后視靶托架即將脫出盾構機最后一節臺車后進行，這樣就可以直接站在盾構機上移站，不需要搭樓梯，既安全又方便。把前視棱鏡安裝在后視托架后，測量出棱鏡中心到托架底板的高程，然后直接從下面的測站采用極坐標測量方式測出托架的三維坐標。然后在后

13、視靶托架上設站，前視直接采用極坐標測量方式測出激光站托架的三維坐標。然后把后視棱鏡安裝在后視靶托架上，把激光全站儀安裝在激光站托架上整平，把黃盒子固定好，給全站儀接上電源，手動把全站儀瞄準后視棱鏡，瞄準的精度在±10左右，然后把全站儀電源關閉。接著在主空室里，啟動SLS-T，按“編輯器F2”進入編輯器窗口，進入激光站編輯窗口，輸入激光全站儀中心和后視靶棱鏡中心的三維坐標。按“保存”鍵保存，然后關閉編輯器窗口。再按“定位F5”鍵，給激光全站儀定位。定位完成后，再按“方位檢查F5”鍵，檢查激光站和后視棱鏡的坐標有沒有錯誤。如果超限，將會顯示差值，如果不超限，那么將不顯示。最后再按“推進F

14、4”就完成了激光站的人工移站的全過程。.2激光站自動移站VMT導向軟件SLST有激光站自動移站功能，移站的過程除了托架和全站儀及后視棱鏡的安裝，其它測量工作都可以通過此功能完成。操作流程為：  程序的啟動及后續測量工作在主控室進行。此時SLS-T軟件處于“管片拼裝”狀態，按功能鍵F3，關閉測量后，通過功能鍵“激光站移站F6”來啟動程序。在初始窗口中，按下按鈕“測量開始F2”，啟動方位檢測程序。方位檢測被成功的執行后，顯示檢測結果，在得到理想的結果后，按下F2確認后方位檢測的結果。在測定新激光站點坐標前，事先在信息輸入窗口中輸入如下信息：水平與垂直方向上偏移的近似值及新激光站點的大致里

15、程；當前棱鏡的高度及儀器的高度；新站點的點位編碼。在信息輸入窗口下，按下F2鍵啟動程序。全站儀自動搜索到前視棱鏡（即新激光站點）后，自動瞄準棱鏡進行測量。屏幕顯示計算出來的新激光站點坐標。在測定新激光站坐標時，為避免獲得錯誤的數據，須遮蓋住其他的反射棱鏡。新激光站點的坐標測定后，將全站儀和后視棱鏡轉移到新的位置。全站儀和后視棱鏡轉移到新的位置后，主控室按功能鍵F2進行確認，新的信息窗口會顯示新激光站點三維坐標，然后將新激光站點上的全站儀手動轉向新的后視點即原先的激光站，按下F2，重新調整定位全站儀上的刻度。成功執行上述的步驟后，出現一新的信息窗口。通過按下F2功能鍵完成激光站移站程序。.3激光

16、站的人工檢查在推進的過程中，可能會由于安裝托架的管片出現沉降、位移或托架被碰動，使激光站點或后視靶的位置發生變化，從而全站儀測得錯誤的盾構機姿態信息。為了保證激光全站儀的準確定位，在SLS-T軟件的狀態為“推進”時，通過功能鍵F5對全站儀的定位進行檢查，如果測得的后視靶的值超過了在編輯器中設定的限值時，需要對激光站進行人工檢查。檢查方法是利用洞內精密導線點對激光站點及后視靶點位置進行測量，重新確定兩點的三維坐標。設站導線點盡量選擇在右側管片側壁上的強制對中導線點，這樣建測站時能夠一次建站測算出兩個點位的坐標，避免誤差的積累。當不滿足上述建站條件時，從隧道內主控制導線點引測至后視靶托架上，在托架

17、上建立測站，測定激光站點的三維坐標。2.3 導向系統維護與檢修導向系統維護.1ELS靶：1.由于ELS靶的安裝位置附近有注漿管，在注漿的過程中很容易被人碰到，而前面板是玻璃作成的，容易被破壞特別是ELS棱鏡更是容易被工人碰動，在沒有對ELS靶進行保護之前，我們的ELS棱鏡曾多次被工人碰掉，對掘進造成不小影響。后來我們在ELS靶的四周用4塊木板保護起來后，就再也沒有人碰掉ELS棱鏡了；2.ELS靶前面板保護屏要經常擦干凈，防止激光接收靶接收的信號太弱；3. ELS靶附近不能有強光，強光會使VMT姿態顯示不正常。.2電纜：在前期我們按常規安裝好導向系統傳輸電纜卷后，在盾構機向前推進的過程中，經常把

18、傳輸電纜拉斷。嚴重的時候，甚至把激光站托架都拉動，把黃盒子拉掉，還威脅到激光全站儀的安全，極大地破壞了導向系統。為了克服這個問題，我們采用了三種辦法。1.把在導向系統的傳輸電纜卷安裝在激光站的前面，這樣盾構機推進時，電纜一直是順著拉；2.在盾構機電纜經過的地方用安全網覆蓋，把盾構機上的各個突起物蓋住，防止勾斷電纜；3.通過加強平時的巡視，經常整理傳輸電纜。通過以上辦法后，電纜再也沒有被拉斷過。.3激光站和黃盒子：1.在始發時，由于激光站托架是安裝在豎井里面，激光全站儀和黃盒子容易被雨水淋濕，一定要加以保護。2.在隧道里面時，由于工人沖洗管片時，容易被水澆濕，需要經常提醒掘進工人。激光全站儀和黃

19、盒子要經常擦干凈、涼干。導向系統故障處理.1ELS靶：1. ELS靶的前面板被注漿的漿液覆蓋，ELS靶接收到的激光信號不夠強，導致不工作，處理辦法是把前面板的覆蓋物清理干凈；2.ELS靶的前面板附近有很強的光源，嚴重干擾了ELS靶對激光信號的接收，導致VMT顯示不正常，處理辦法是把光源移開；3.ELS靶的溫度太高，導致ELS靶不工作，處理辦法是用濕毛巾冷敷ELS靶降溫。4.ELS靶和激光站之間空間被人或其他東西擋了，導致ELS靶接收不到激光信號，處理辦法把障礙物移開，如果移不動，就移激光站，把激光站向前移到適當位置。.2激光全站儀：1.激光全站儀被水淋了，不能正常工作，處理辦法是把全站儀卸下來

20、，擦干凈涼干；2. 全站儀的氣泡偏了，VMT顯示姿態偏差變大，處理辦法是把全站儀再次整平，然后做一下全站儀方位檢查，如果檢查超限，就需要重新測定激光站的坐標，千萬不要在不測定變動后的激光站坐標的情況下重新定位測量。這樣只能誤導VMT導向系統給出錯誤導向。如果檢查未超限，就直接重新整平儀器，重新定位測量。3.全站儀在定位時沒有關掉全站儀的電源，定不了位，處理辦法是把全站儀的電源關掉，重新啟動定位程序。4.全站儀找不到ELS靶，處理辦法是首先看全站儀與ELS靶之間的空間有沒有障礙物擋，如果有，將其移開。如果還收尋不到，就人工測量出激光站至ELS靶的方位，手動輸入到激光站編輯器里的方位當前值里。.3

21、電纜：電纜被拉斷，導致不能傳輸數據或電流。處理辦法是沿著線路一直排查，直到找到斷裂出，把電纜接好。3.盾構姿態人工復測3.1盾構姿態人工檢測概述在盾構施工的過程中，為了保證導向系統的正確性和可靠性，在盾構機掘進一定的長度或時間之后，應通過洞內的獨立導線獨立的檢測盾構機的姿態，即進行盾構姿態的人工檢測。盾構施工中所用到的坐標系統有三種：全球坐標系統、 DTA坐標系、TBM坐標系。 3.2盾構機參考點的測量在進行盾構機組裝時，VMT公司的測量工程師就已經在盾體上布置了盾構姿態測量的參考點(共21個)，如圖9。并精確測定了各參考點在TBM坐標系中的三維坐標。我們在進行盾構姿態的人工檢測時，可以直接利

22、用VMT公司提供的相關數據來進行計算。其中盾體前參考點及后參考點是虛擬的，實際是不存在的): 圖9 S267盾構機參考點的布置盾構姿態人工檢測的測站位置選在盾構機第一節臺車的連接橋上,此處通視條件非常理想,而且很好架設全站儀。只要在連接橋上的中部焊上一個全站儀的連接螺栓就可以了。測量時，應根據現場條件盡量使所選參考點之間連線距離大一些，以保證計算時的精度，最好保證左、中、右各測量一兩個點，這樣就可以提高測量計算的精度。例如在我們在選擇S267盾構機的參考點時，即是選擇的1、10、21三點作為盾構姿態人工檢測的參考點。3.3 盾構姿態的計算盾構姿態的計算原理盾構機作為一個近似的圓柱體，在開挖掘進

23、過程中我們不能直接測量其刀盤的中心坐標，只能用間接法來推算出刀盤中心的坐標。圖10盾構姿態計算原理圖如圖A點是盾構機刀盤中心，E是盾構機中體斷面的中心點，即AE連線為盾構機的中心軸線，由A、B、C、D、四點構成一個四面體，測量出B、C、D 三個角點的三維坐標（xi,yi, zi）,根據三個點的三維坐標（xi, yi, zi）分別計算出LAB, LAC, LAD, LBC, LBD,LCD, 四面體中的六條邊長，作為以后計算的初始值，在盾構機掘進過程中Li是不變的常量，通過對B、C、D三點的三維坐標測量來計算出A點的三維坐標。同理，B、C、D、E四點也構成一個四面體，相應地求得E點的三維坐標。由

24、A、E兩點的三維坐標就能計算出盾構機刀盤中心的水平偏航，垂直偏航，由B、C、D三點的三維坐標就能確定盾構機的仰俯角和滾動角，從而達到檢測盾構機姿態的目的。通過AutoCAD作圖求解盾構姿態通過幾何解算盾構姿態方法的缺點是在內業計算時，如果用人工手算，其工作量相當大，而且難免出錯，因此我們在進行解算時，是利用AutoCAD進行作圖求解，相對于用幾何方法解算，速度要快很多。其操作過程如下：首先是把隧道中心線（三維坐標）通過建立CAD腳本文件輸入CAD中，這個工作一個工地只要做一次。然后是把所測參考點1、10、21的坐標（三維）輸入到CAD里面。分別以1、10、21為球心，以1、10、21到前點的距

25、離為半徑畫球，求三個球的交集。用鼠標左鍵點擊交集后的體，就可以找到兩個端點，這兩個端點到1、10、21的距離就分別等于1、10、21到前點的距離。然后根據盾構掘進的方向，舍去其中一個點。同樣方法把后點在CAD里畫出來。由于后點通過求交集的方法求出的兩個端點距離很近，通過盾構機的掘進方向很南判斷，于是通過前點到后點的距離是3.9491米來判斷。畫出前后點的位置后，通過前后點向隧道中線做垂線，通過測量垂線在水平和垂直方向上偏離值來求解盾構機前后點的姿態。盾構機的坡度=（為盾體前后參考點連線長度）。根據測量平差理論可知，實際測量時，需要觀測至少4個點位以上，觀測的參考點越多，多余觀測就越多，因此計算

26、的精度就越高。比較VMT導向系統測得的盾構姿態值和人工檢測的盾構姿態值，其精度基本上能達到±5mm之內。圖11盾構姿態CAD計算示意圖4.管環檢測4.1管環測量概述由于在盾構掘進過程中，剛拼裝的管環還沒有來得及注入雙液漿加固，因此還不穩定，經常發生管環位移現象。有時位移量很大，特別是上浮，位移量大常常引起管環限界超限。因為地鐵施工中規定，拼裝好的管環允許最大限界值是±10。為了防止管環的侵限，我們首先是提高控制測量的精度外，其次是提高導線系統的精度，最后就是通過每天的管環測量，實測出管環的位移趨勢，采取措施盡量減小位移量。當然，管環測量還起到復核導向系統的作用。4.2管環測量方法根據管環的內徑是2.7米, 采用鋁合金制作一鋁合金尺,鋁合金尺長3.8米（可根據實際情況調整長度）。在鋁合金尺正中央，貼上一個反射貼片。根據管環、鋁合金尺、反射貼片的尺寸，就可以計算出實際上的管環中心與鋁合金尺上反射貼片中心的高差。測量時，首先用水平尺把鋁合金尺精確整平，然后用全站儀測量出鋁合金尺上反射貼片中心的三維坐標