某盾构隧道测量技术
1 工程概况
某隧道位工程从xx 江南岸的出发井开始掘进, 至北岸的到达井结束, 隧道全长1 387 m。盾构穿越过江工期为10 个月, 要经历洪水期和枯水期。必须保证盾构穿越时的安全性, 尤其是在南北防洪大堤穿越时严禁超欠挖, 及时壁后注浆并严格控制注浆压力, 防止压力过大造成劈裂或压力过小造成充填不饱满, 导致地表沉陷, 确保长江大堤的安全。
盾构穿越在地表下40 m 深处, 经过粉砂岩、粘土质粉砂岩、砂砾层、卵石层、土层等多种不同的岩层, 江底最小土层厚度12 m ,最大水压0. 4 MPa 。工程要求盾构隧道轴线贯通误差±50 mm ,地表沉降
2 测量概述
盾构隧道工程施工测量的主要任务是确定盾构掘进方位与高程, 正确标定隧道轴线, 使隧道沿着设计轴线延伸、贯通, 以及隧道衬砌的三维位置符合设计要求。此外还应使与工程有关的其它建筑物准确地建造在其设计位置上, 不侵入规定的界限。
盾构隧道工程施工测量包括以下内容:地面控制测量(平面及高程控制) 、竖井施工测量、井上井下联系测量、地下控制测量(平面及高程控制) 、盾构推进施工测量、隧道沉降测量、贯通测量以及竣工测量。
测量方式分为人工测量和自动测量两种, 彼此相辅相成, 缺一不可。在测量工作开始前, 首先要做好各项准备工作, 包括把各种测量仪器、设备及工具配备齐全, 并按照国家测量规范要求做好仪器的检验校正工作以及测量技术人员的配备。然后根据工程设计要求, 收集事先的各种有关资料, 再结合详尽的现场踏勘资料分筑龙网 W W W . Z H U L O N G . C O M
析, 制定出一个合理、可行的测量技术方案。
3 测量设计
3. 1 地面控制测量设计
(1) 隧道地面平面控制测量设计
隧道地面平面控制测量的主要作用是保证地下相向开挖的工作面能正确贯通, 其精度在很大程度上决定了隧道贯通的精度要求。本工程地面平面控制测量拟采用四等闭合导线测量, 用全站仪同时进行量边和测角的工作, 仪器的测边精度为1 mm + 2×10 - 6 。
按照工程测量规范, 采用四等闭合导线测量, 测角精度为m β= ±2. 5″, 导线测量使用的全站仪为徕卡TCA1 800 ,测边精度取为1/ 100 000 ,对于1 mm + 2 ×10 - 6精度的仪器是很容易达到要求的。
导线测角误差引起的横向贯通中误差:my β= ± 2. 5206 ×103 ×
2906400 = ±20. 7 (mm)导线测边误差引起的横向贯通中误差:myl = ± 1100 000 × 1250400 = ±11. 2 (mm)导线测量误差对横向贯通精度的总影响值: m = ± 20. 72 + 11. 22 = ±23. 5 (mm)该导线方案可以满足洞外横向中误差m w = 30 m的精度要求。
(2) 地面高程控制测量设计
地面高程贯通中误差为15 mm。设整个地面高程测量路线长度为S , 则地面每公里高程测量中误差:m km = 15/ S = 15/ 3. 6 = 8. 0 (mm)本工程地面高程控制测量计划采用水准测量和光电测距三角高程侧量相结合的测量方法, 即江南、 江北段采用水准测量, 过江段采用光电测距三角高程测量。按照工程测量规范, 采用四等水准测量和四等光电测距三角高程测量施测可以满足要求(四等水准测量每公里水准测量高差中误差为±5 mm ,四等光电测距三角高程测量每公里水准筑龙网 W W W . Z H U L O N G . C O M
测量高差中误差为±7 mm) 。
3. 2 洞内控制测量设计
(1) 洞内平面控制测量设计
出于隧道形状狭长, 且施工和测量几乎是同时进行, 因此洞内平面控制只能采用支导线的形式, 并随隧道的开挖而向前延伸。同时为了保证横向贯通误差不超过限差, 应减少导线转折角数, 即导线边应越长越好, 但为了利用导线点进行方向监控, 边长又不能太长。所以, 在布设地下导线时采用分级布设的方法, 即施工导线边长直线隧道80 rn ,曲线隧道40 m;主要导线边长直线隧道400 m ,曲线隧道200 m(图1) 。主要导线是选择一部分施工导线点布设而成, 因此是在施工导线布设到一定长度后布设。
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(2) 洞内高程控制测量设计
水准测量高差中误差为±5 mm) 。
3. 3 竖井联系测量设计 . Z 在地下导线测量中, 量边误差对横向贯通影响甚微, 因此通常仅考虑测角误差的影响。地下导线的测角误差设计值为:m β≤m n ・ρSn + 1. 5对于此隧道工程, S = 1. 4 km ,平均边长60 m , n = 25 , m n = 40 mm ,代入上式可得: m β = 2. 5″。按照工程测量规范, 采用四等导线测量可以满足要求。 洞内高程贯通中误差为15 mm。设整个洞内水准路线长度为S (一般以隧道全长来代替) ,则洞内每公里水准测量中误差: m km = 15/ S = 15/ 1. 4 =12. 7 mm。按照工程测量规范, 采用四等水准测量施测可以满足要求(四等水准测量每公里筑龙网 W H U L O N G . C O M
(1) 定向测量设计
本工程计划采用联系三角形定向。按照铁路隧道测量规范规定, 定向边定向中误差为2 ,5″, 采用J1级全站仪测角, 钢尺精密测距可以满足此要求。
(2) 导高测量设计
本工程计划采用钢尺法导入高程。按照铁路隧道测量规范规定, 两次独立导入高程的误差为5mm ,采用钢尺精密导高可以满足此项要求。
4 贯通误差估计及误差分配
由于盾构法隧道工程施工是由一侧竖井出发, 掘进至另一侧竖井, 这就必然会在线路的纵、横、竖向出现贯通误差, 其中以横向、高程贯通误差对工程影响最大, 纵向贯通误差影响隧道中线的长度, 但只要它不大于定测中线的误差即可。因此隧道控制测量的整个工作, 从地面及地下控制测量的设计到进洞测量的各项工作, 都必须紧密地围绕着如何保证贯通误差, 特别是横向及高程贯通误差, 在设计图纸及工程使用要求所允许的范围内。
4. 1 贯通误差的限差要求
按照铁路隧道测量规范规定, 各项贯通误差的限差取为中误差的两倍。对于长度小于4 km 隧道的限差为100 mm ,高程贯通误差的限差为50 mm。
4. 2 洞内外横向贯通中误差的分配
平面控制测量误差对横向贯通误差的影响由三个方面因素组成: ①洞外控制导线的测量误差; ②洞内控制导线的测量误差; ③竖井的定向误差。因此, 应将上述的容许误差加以适当分配。对于平面控制测量而言, 地面上的条件要较洞内好, 故对地面控制测量的精度要求较高些。按照“控制点误差不使放样误差产生显著影响”的原则, 地面控制网误差的影响应为总的横向贯通误差的0. 4 倍。在此基础上制定出洞内、洞外控制测量误差对横向贯通精度的影响值, 其分别为:筑龙网 W W W . Z H U L O N G . C O M
总的横向中误差为m = 50 mm ,洞外横向中误差为m w = 30 mm ,洞内横向中误差m n =40 mm。
4. 3 高程贯通中误差的分配
高程贯通中误差为25 mm。对于高程控制测量, 洞内的水准路线短, 高差变化小, 这些条件比地面好; 但洞内也有烟尘、水气、光亮度差等不利因素, 所以将地面与地下按等影响分配。地上、地下高程贯通中误差均为15 mm。
5 测量方案
5. 1 地面控制测量
在地面上建立平面控制网和高程控制网, 以保证对地面上平面及高程的控制。
(1) 建立地面控制网
南岸出发井施工结束后, 重新检测工程施工图提供的测量资料包括水准点、控制点、导线及设计定线的正确性, 根据业主提供的平面和高程的起始点以及现场条件和工程要求, 设置水准点、中心桩、地界桩, 实施施工测量作业, 建立地面上平面控制网和高程控制网, 并对控制点定期维护、检测, 确保正确性。地面平面控制网按三角网形式布置, 控制网的布设与精度必须满足规范与设计要求。
(2) 对地面控制点加密
南岸出发井竖井附近至少布设3 个平面控制点和2 个水准点, 作为向隧道内传递坐标和高程的依据。
5. 2 竖井施工测量
本工程竖井采用沉井法施工, 施工时需进行以下测量工作, 以保证施工的正常进行。
(1) 必须以现场附近的测量起始点或加密控制点作为基准, 并应立即进行复筑龙网 W W W . Z H U L O N G . C O M
测及修整工作。
(2) 沉井预留盾构进出洞口的定位, 应采用井位的设计纵轴线以及洞口的设计高程值进行测量。
(3) 沉井脱模后应抓紧在井壁外侧设置相应的测量标尺, 一般应使用四把竖向标尺, 零点处于选定的基准平面上, 并以刃脚底面为参考面用水准仪进行观测和调整, 所有观测点应布置于沉井可能产生的沉降影响范围之外。
(4) 沉井横向标尺的零点宜与所在井壁刃脚的中点处于同一竖面。应将刃脚中点垂直投影至沉井顶部, 按沉井的倾斜状况作修正并标定横向标尺零点位置。
(5) 沉井下沉观测的限差为:两个重叠角刃脚高程之差不得大于4 mm;两条对角线两端偏差值之和应相等, 两者差值不得大于5 mm。
(6) 根据环境保护要求, 凡可能受施工影响而产生沉降的重要建构(筑) 物及主要地下管线等应进行沉降观测, 并提供沉降观测点的平面图和观测结果报送给有关部门。
(7) 沉井封井竣工后, 应在沉井顶部设置标志, 不定期观测沉井的沉降情况。隧道始发井和接收井更应重视这项工作。
5. 3 竖井联系测量
通过竖井, 将方位、坐标及高程从地面上的控制点传递到地下导线点和地下水准点, 从而组成地下控制测量的起始点。联系测量采用联系三角形定向测量的方法进行。通过出发井竖井井口, 用垂线投影法将地面控制点的坐标和方位传递到井下隧道施工面。其方法为在出发井井口架设两个固定垂线点, 采用15 kg 重锤向井下投影, 钢丝直径0. 7 mm ,为使重球尽快稳定, 将其浸没于油桶中, 减小摆动阻尼。地面中心线引入井内的方法见图2。使用经纬仪测定隧道中心线上井口处的两点, 设置两个固定测量基准点, 两点间拉一水平线, 并从水平线上吊两 筑龙网 W W W . Z H U L O N G . C O M
个垂线至工作面使其完全静止, 将经纬仪移至工作井内, 将地面中心通过垂线引入井壁上, 作为检查测量隧道中心线的基准点。
5. 4 隧道内控制测量
(1) 隧道内平面控制测量
采用支导线法, 测量精度采用四等导线测量。随着隧道延伸, 支导线不断扩展。中心线与高程每组装一组环片自动测量一次, 并根据施工实际情况人工复测, 发现误差及时纠正。中心线测量依据地面控制点定向测量传递, 在掘进50 m、100 m 、曲线隧道前、曲线掘进后、出洞100 m前进行5 次定向传递测量。控制点应不定期复核与修正。
(2) 隧道内高程控制测量
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隧道内高程测量采用支导线水准测量方式往返测量, 测量精度采用四等水准测量。水准点应不定期复核与修正。
5. 5 盾构推进施工测量 W W . Z H U L O N G . C O M
(1) 自动测量
自动测量采用盾构机所配套的VMT 自动测量系统, 将设计掘进路线参数预先输入计算机, 在推进过程中跟踪测量, 将测量参数实时传递到计算机自动处理, 比较实际掘进路线与设计路线, 并将处理结果以直观方式反馈到盾构操作台。自动测量需与人工测量紧密结合。隧道内支导线人工测量高程及方位、坐标每班进行一次, 根据测量结果对隧道内控制点及自动测量进行校正。由地面向隧道进行的传递测量在隧道掘进开始后50 m、100 m、曲线隧道前、曲线掘进后、出洞100 m 前进行5 次, 以避免由于人工移动经纬仪时造成的自动测量产生误差, 提高隧道贯通精度。人工测量应根据施工实际情况适当提高测量频率。
①在定问测量的基准点架设激光经纬仪, 在盾构机盾尾上安装配置电位仪的光靶接收激光束, 随时显示盾构机平面和高程偏差, 使盾构推进始终在
直观监测下进行。
②为减小隧道施工环境所造成的测量误差, 经纬仪与盾尾间距直线段隧道拟为80 m ,以保证隧道初期沉降或震动不影响测量基点; 曲线段间距40 m ,并根据实际情况调整。
③测量基点移动时以原测量点后方的基点(导线点) 为基准点。隧道内的测量基准点根据人工测量结果进行相应调校。
(2) 盾构姿态测量
盾构姿态测量包括纵向坡度、横向转角、平面偏离、高程偏离及切口里程等。每次测量提供切口、拼装机中心和盾尾三个部位的偏离值。盾构姿态测量需每环测量, 必要时测量频率还可加密。
(3) 管片成环状态测量
其包括衬砌环的水平直径、竖直直径、椭圆度、管片中心的平面偏离值和高筑龙网 W W W . Z H U L O N G . C O M
程偏离值以及管片组装测量等。可根据每环推进后的盾构实测位置及盾构与管片间的相对关系来测定。
5. 6 隧道沉降测量
(1) 隧道内的沉降观测
本工程拟每5～10 环设一沉降观测点, 观测周期前密后疏, 盾尾后100 m 以内每4 天监测一次,100 m以外每周观测一次, 趋于稳定后再拉长监测周期, 但必要时可加密测量频率。
(2) 地面沉降观测
盾构推进前, 要先埋好地面沉降观测点。在出洞口附近和重要建筑物处, 如本工程的防洪大堤附近, 纵向2～5 m 设一观测断面, 横向观测范围30 m以上(按复土厚H 加盾构外径D 计算) ,横向点距2～5 m。在盾构切口距测量断面( H + D) 时开始测量, 测量频率为每天1～2 次。在盾构前后各3～6 m处, 侧量频率还应增加。环片脱离盾尾3 天后, 测量频率可随沉降速率下降而减少, 直至稳定。其他地 段的沉降观测点布设与观测频率, 可根据要求专门研究确定。上述所有监测数据均须用专门表格、图表, 每次、每班及时上报, 供盾构推进、纠偏、管片安装、注 浆等作为依据, 以便及时调整有关参数, 保证工程质量。
5. 7 贯通测量
(1) 隧道贯通后, 施工单位及时提交竣工测量资料, 经建设单位审核确认后提供给施工单位。后者应及时进行复测, 其结果应与提交的资料一致, 否则应查明原因。
(2) 除盾构推进中日常性和阶段性复测外, 隧道贯通前应有选择地对关键性测量环节进行复测。
(3) 复测过程中应特别注重角度观测精度、高程控制系统的复测, 通常是对筑龙网 W W W . Z H U L O N G . C O M
地下水准路线进行全面复测, 必要时提高水准测量的精度等级。
(4) 隧道贯通应包括地面控制测量、定向测量、地下导线测量、接收井筒中心位置测定等贯通复测。
5. 8 竣工测量
(1) 隧道贯通后应及时测定实际的横向、纵向和竖向贯通误差。
(2) 贯通后的竣工测量应包括隧道横向偏离值、高程偏离值、水平直径、竖直直径、椭圆度及纵、横断面数据内容, 其规模及测点数量等按隧道的使 用要求而定。
(3) 隧道竣工测量的同时, 应会同建段、监理、第三方质量检测及政府监督单位设立永久性沉降观测标志, 为隧道使用阶段的长期观测做准备, 并及时与施工过程中的沉降观测成果建立联系。
6 测量质量和控制措施
6. 1 质量方针
坚持用户至上、质量第一、以质量求发展、以质量创效益的方针。质量方针的基本涵义是:不断提高本公司人员的技术素质与管理水平, 优化质量体系, 改善技术装备, 用先进的工艺与方法科学地组织施工, 严格管理, 走“技术- 质量- 效益”型发展道路。严格遵守设计文件和规范、标准与规程, 密切与建设单位及各 相关单位配合, 使工程施工、服务全过程处于受控状态。认真履行合同, 实现对顾客的承诺, 为顾客创造一流的工程产品, 提供一流的服务。
6. 2 测量设备的控制
(1) 为了保证在施工过程中使用的测量仪器、设备及工具的准确性, 从而保证工程质量, 项目经理部须严格控制测量仪器、设备及工具的准确性。
(2) 项目经理部质检计量员须对所有测量仪器、设备及工具进行编号、登记, 筑龙网 W W W . Z H U L O N G . C O M
建立健全台帐, 保证帐、卡、物相一致。
(3) 质检计量员须制定测量仪器、设备及工具周检计划, 并按周检计划送至有关部门检定。
(4) 项目经理部应确保所有用于工程施工的测量仪器、设备及工具处于检定有效期内, 并在使用过程中注意维护和保养。
6. 3 测量质量监督与检查
6. 3. 1 测量放线定位
(1) 根据施工图纸要求, 出发井建立固定测量坐标点, 坐标点位置离施工点的中心轴20～40 m 范围内, 每端不少于两个点, 两点间距为30～40 m ,并对中心标志点采取保护措施, 防止损坏。
(2) 地面测量采用三角测量方法布设平面控制网, 测量中误差精度不得低于±2. 0 秒, 地面高程控制网每公里误差小于±3. 0 mm。
(3) 测量仪器采用激光经纬仪, 精度等级±2秒。
(4) 依据作业施工要求, 作好施工平面图, 其中应包括生产、生活、材料、交通等场所。
6. 3. 2 测量控制
(1) 测量精度控制:设计隧道轴线高程误差在0～ + 100 mm ,轴线平面误差在±50 mm 以内。
(2) 隧道测量精度控制方法:采用全自动激光测量, 自校自调, 同时结合人工测量修正。
(3) 联系测量采用定向测量方法。每次定向测量至少观测2～4 组独立成果并结合实际情况分析处理, 减小测站和目标的偏心误差。盾构掘进过程中, 至少在掘进的50～100 m、进入曲线段前、曲线段掘进结束后、出洞100 m前进行四次定筑龙网 W W W . Z H U L O N G . C O M
向测量, 并根据工程实际情况增加定向测量次数。
(4) 地下控制测量中, 地下平面控制网采用支导线形式, 支导线随掘进过程延伸, 并采用多线独立观测成果作检查校核; 地下高程控制采用几何水准测量, 水准测量必须往返观测, 水准路线必须根据实际情况进行复测、修正。
(5) 测点间隔:曲线段为20～30 m ,直线段为50m 左右。
(6) 向前移动测量点时, 应对后方原有的2～个点进行复测校验后再决定新点的位置。必须经常检查地面基准点与洞内测点的关系, 作为检测测点的主要方法, 确认地面基准与洞内测点位置的正确性。
(7) 用于各基准测点的设置应具有耐久性, 不致因受其它作业的影响而移动或损坏。
6. 3. 3 竣工测量
(1) 隧道完成后应进行轴线及环片衬砌竣工剖面测量, 测量应按2 条闭合线的测量结果为准。
(2) 竣工测量主要测定竣工的隧道断面净空、中心线、高程等。
(3) 隧道内断面测量:直线段每20 m、曲线段5～10 m 测量一个点。
(4) 隧道中心线测量及高程测量方法与上面条款一致, 将隧道测量的数据绘制竣工图。
(5) 竣工测量完成后, 依据业主的要求格式送交测量结果, 供业主核查。
(6) 隧道掘进长度计算按隧道中心线测量长度计算为准。该长度将作为隧道掘进长度的依据。
(7) 竣工测量图的绘制。
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