盾构施工测量教程

摘要: 盾构法隧道施工是一项综合性的施工技术,它是将隧道的定向掘进、运输、衬砌、安装等各工种组合成一体的施工方法。其

08-29 20:22 首页 测量

盾构法隧道施工是一项综合性的施工技术,它是将隧道的定向掘进、运输、衬砌、安装等各工种组合成一体的施工方法。其埋设深度可以很深,不受地面建筑、天气和交通等的影响,机械化和自动化程度很高,是一种先进的土层隧道施工方法,广泛应用于城市地铁、越江隧道等的施工中。

盾构施工测量主要是控制盾构的位置和推进方向,目的是确保盾构按照设计轴线推进,管片拼装后型后满足隧道轴线误差控制要求。利用洞内导线点测定盾构机的位置(当前空间位置和轴线方向),通过推进油缸施以不同的推力,调整盾构的位置和推进方向,使盾构机的掘进按照设计的线路方向推进。盾构推进只是盾构施工技术的一部分,在整个施工过程中,施工测量还包括地面测量(地面控制测量﹑沉降观测和井位放样等)﹑联系测量(方位传递﹑坐标传递和高程传递等)以及地下施工测量(地下导线点的测设、洞门钢环的安装、始发台的定位、反力架的定位、盾构始发测量﹑盾构掘进过程中的测量、隧道沉降测量﹑联络通道的施工测量、盾构到达测量、贯通测量、断面测量以及竣工测量等)。每一步的测量工作都十分重要,直接影响下一步的施工。在各项工作中,最为重要的是地面控制测量﹑联系测量﹑地下控制测量和盾构施工测量。这些工作决定着隧道能否达到设计要求,盾构机能否准确进入接受井并确保隧道准确贯通。

一、 地面控制测量

1、 地面平面控制测量

对于隧道工程,地面控制测量的主要任务是建立合适的测量控制系统,提供可靠的地面控制点,为联系测量和地下控制测量提供起算依据,同时也作为以后复核测量和竣工测量的起算数据。地面测量控制网的点位和起算数据由建设单位负责提供,一般要求暗挖隧道的地面控制网精度不应低于国家四等三角网测量的技术指标及精度要求,同时要根据盾构隧道的贯通长度、联系测量和地下控制导线的精度等条件,估算地面控制网应达到的精度。施测时,以现有平面GPS控制点为依据布置平面控制点,建立地面导线控制网。

2、 地面高程控制测量

以现有的二等水准点从工作井至接收井布设水准线路,用此精密水准点来控制隧道的施工高程。在施工前、施工中和进洞前分三次复核水准路线。

二、 联系测量

为了保证地下工程的正确贯通,使得=地下控制与地面控制建立一定的几何联系,形成一个统一的坐标系统,必须将地面控制网中的坐标、方位角和高程通过联系测来那个传递下去。对于盾构法隧道工程,联系测量是通过施工 竖井将方位、坐标及高程由地面上的控制点传递至地下控制点以及地下水准点,从而确定地下控制测量的起算点。

1、平面坐标和方位角传递

联系测量的方法主要有一井定向法、两井定向法、陀螺定向法等。但在具体实施时,由于现场条件的限制,应用最多的是一井定向。一井定向法实施方便,但容易受到投点误差、井口大小和竖井深度等因素的影响。为了减小一井定向时垂线投影的误差,条件允许时可以采用两井定向。两井定向能显著的提高无定向地下导线最后一条边的方向角的精度。陀螺经纬仪定向速度快、操作简便,但在使用时其精度可能受到隧道施工环境中电磁波的影响,必须注意陀螺方位角与坐标方位角之间的差异。

一井定向示意图

两井定向示意图

2、 高程传递

高程传递一般采用悬挂钢尺法,即将钢卷尺悬挂于竖井内,钢尺下面悬挂一定重量的重物,两台水准仪在井上和井下同步观测(如下图所示)。导入时,改变仪器高或适当错动钢卷尺,共测量三次,测定的高差必须进行温度、尺长改正,三次高差较差小于3mm时取其平均值作为洞内高程传递的依据。

高程传递示意图

一、 地下控制测量

1、洞内平面控制测量

由于隧道呈狭长形状,在加上盾构掘进和测量几乎同时进行,因此洞内平面控制只能采用支导线的形式。因为支导线是随着隧道的开挖面而向前延伸的,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,变长又不能太长,所以,在布设地下导线时最好采用分级布设的方法布设两种导线:主导线和施工导线。因为主控导线是选择一部分施工导线点布设而成的,因此只能在施工导线布设到一定程度时才能布设。随着盾构的掘进,应首先布设施工导线,再用主控导线来检核施工导线。两种导线应布设成跳点式导线(如下图)。

ABC为主控导线   123456为施工导线

2、洞内高程控制测量

以竖井传递的水准点为基准点,沿隧道直线段每150m左右布设一固定水准点,曲线段每100m左右布设一个水准点。其闭合差≤±8LmmL为全程长度,单位:km)。

地下控制水准测量在隧道贯通前独立进行三次,并与高程联系测量同步;重复测量的高程与原测高程之差5mm时,取其加权平均值做为下次水准控制测量的起算值。

地下施工测量

一、 洞门钢环的安装定位

洞门钢环的安装包括始发洞门钢环和到达洞门钢环的安装,它是盾构机始发和到达的一个重要组成部分。洞门钢环内圆设计半径为3.25米,外圆半径为3.40米,在内圆和外圆之间有螺栓孔,螺栓孔圆心与钢环圆心距离为3.31米,相邻螺栓孔间距0.174米,弧度为3度。洞门钢环通常是整体安装,但根据施工工艺的不同,有时候会采用分块安装的形式。

1、 对于整体钢环,在安装前需要把钢环放在地面上,用水准仪抄平钢板面,在不同的位置用钢卷尺检查洞门钢环的直径,保证直径没有大的偏差。在吊装前需要对检查好的钢环进行加固,防止在吊装过程中出现大的变形。安装时,测量人员只需控制住AB(如图1-1)两点的高程和里程,同时保证CD两点的里程就可以。

2、 对于分两块安装的洞门钢环来说,通常是先安装下面的一块,下板块钢环的安装直接影响整个钢环的安装。在安装时保证BCD(如图1-2)三点的高程和里程, BC两点一定要在同一个高度上。如果BC两点高程有较大的出入,则洞门钢环的中心会出现偏移,直接影响盾构机进洞时的姿态。下半部分固定好以后,就可以将下半部分直接放上去。上半部分放上去以后,测量AC′、D′(如图1-3)的里程和高程,若A点的高程低于设计高程,则在C′与C或者D′与D 之间加焊钢板,保证洞门钢环的净空。

对于从上往下分层安装洞门钢环并浇筑混凝土的情况来说,最关键的是第一层和最后一层的钢环。第一层钢环安装时同样是要控制住AEF(如图1-4)三点的高程和里程,保证EF两点在同一高度;第二层钢环可在第一层的基础上直接安装;第三层钢环安装时要用倒链将GH两点的弦长拉长2公分(目的是为第四层钢环的安装预留空间),将钢环加固好后再浇铸混凝土;第四层钢环安装时可根据GHG′H′的实际弦长来调整,如LGH>LG′H′,则在两层钢环之间加焊一块钢条,如LGH<LG′H′,则需将G′H′向内拉紧,保证洞门钢环的净空要求。

洞门钢环安装的总体原则是保证洞门的净空,就大不就小,为盾构机进洞和出洞提供足够的空间。洞门钢环安装时,我们可以将线路的大地坐标转化为施工坐标,X是里程,Y是偏轴,Z是高程。洞门中心坐标为(X,Y,Z,钢环上任意点坐标为(X2,Y2,Z2,通过计算(Y,Z)和(Y2,Z2)的距离与半径相比较,就可以知道钢环的净空。

一、 始发台的安装定位

始发台既是盾构机进洞的平台,也是盾构机出洞的承接台。盾构始发的时候定位尤其关键。盾构始发分直线和曲线两种情况,直线始发比较简单,曲线始发相对复杂。

1、 直线始发

直线上始发台定位时,我们仍然可以将线路的大地坐标转化为施工坐标,X是里程,Y是偏轴,Z是高程。只需控制好ZQZH(如图2-1)的里程和偏距,然后调整导轨Z1Y1Z2Y2到设计标高,整个始发台的定位工作基本上完成。通常情况下为了转动盾构机刀盘,检查刀盘,始发台前端和洞门钢环之间有0.8-1米的空间。

2-1

始发台导轨的高程通过如下关系换算,以海瑞克S-261(如图2-2)为例:

现场量取始发台导轨(中对中)之间的距离为2.66米,盾构机刀盘直径6.28米。

2-2

则盾构机前体圆心到始发台导轨的垂直距离为:

OA=√(OB2-AB2=2.8444m

导轨中心B点标高=圆心标高-2.8444m

1、 曲线上始发

曲线上始发通常有两种方式:切线始发和割线始发(如下图)。

最需要关注的是盾构机进洞时在始发台上没法调向(图2-3),如果曲线半径过小,盾构机进洞后姿态很容易超限。盾构始发时既要保证进洞的姿态,同时还要给盾构机一个转弯的趋势,使得盾构机完全进洞后能平滑的沿着隧道线路中线前进,因此在始发台定位时就需要固定住始发台前端,把始发台后端往线路转弯的反方向偏移一定的距离(如图2-4),因此,曲线上始发时,始发台前中心点和线路中心重合,而始发台后的中心与线路中线不重合。

由于洞门钢环的位置已经确定,始发台前端的里程和中线点也就跟着确定下来,所以M点的坐标就是固定的。我们假设盾构机离开始发台后到达隧道中线的设计位置Q,那么Q、M两点就决定一个方向,可以做为盾构机进洞的方向。有始发台前端中线坐标、始发台的长度,始发台的方向,通过坐标正算,我们就得到始发台后端的中线坐标S。可以看出,相对于始发台偏移前(用绿色表示),后端产生了一个偏移值SS。偏移值我们不予考虑,只需将始发台后端中心定位到S点即可。

曲线上始发台高程的定位可以参考直线上始发台高程定位的计算方法。

始发台定位时需要注意的几个问题:

1、 根据始发的方式和盾构机的不同,始发台的尺寸也不相同,再加上始发台加工的精度,经过多次始发等因素,始发台有可能变形,因此定位前需要人工现场量取导轨中对中的尺寸;

2、 由于盾构机主机前体重量大,重心在前体,因此始发台前端就容易变形下沉,盾构进洞时容易发生“低头”现象,尤其是大坡度始发时,这种现象更为明显。为了减缓出现“低头”现象,给盾构机一个向上抬头的趋势,始发台前端高程应当在设计高程上抬高2-3cm。为了使盾构进洞时与洞门钢环的相对关系美观,我们也可以在做洞门的时候就将洞门圆心标高抬高2-3cm

3、 始发台底部一定要垫密实,固定牢固,以免盾构机放上去之后始发台发生大的变形,造成盾构机放样姿态与实际姿态产生大的出入。

三、反力架的安装定位

一般情况下,反力架的长度为6.6米,宽度为1.1米。反力架的定位里程往往跟联络通道有关系,正常情况下,联络通道的中线里程正好在相邻两环管片的环缝上。这就要求反力架定位时考虑0环管片外漏洞门钢环的长度。只有这个长度确定了,我们才知道反力架前端的里程,反力架前端的里程确定下来后,对应的高程也就确定了。

以重庆轨道交通6号线二期蔡家站盾构始发为例,设计始发里程为YDK43+442.031,第一个联络通道的里程为YDK43+200,两个里程相差242.031米,可以安装161.35环管片(管片宽度为1.5米)。也就是说联络通道中心里程在第162环管片上,距161环和162环管片环缝0.35*1.5=0.53米,那么0环管片就要外漏1.5-0.53=0.97米;再加上安装的6环负环,最终得到反力架前端的里程为43442.031+1.5*6+0.97=43452米。

根据反力架前端的里程,我们可以算出该里程对应的圆心标高H,则反力架底部D点的高程为H-2.7米(如图3-1)。

反力架为盾构始发时提供反推力,在安装反力架时,反力架端面应与始发台水平轴垂直,以便盾构轴线与隧道设计轴线保持平行(即我们可以根据线路坡度放样出反力架的俯仰角)。反力架定位好以后,我们还需要检查盾构机尾端上下两点SX以及左右点距反力架前端的距离是否相等或接近(如图3-2-13-2-2)。

3-2-2盾构下坡始发、

四﹑盾构机始发姿态的测量

以联测后地下平面和高程控制点为基准,精确测定盾构机零参考面的58个点的坐标,选取其中的三个点作为基点(这三个点形成的空间三角形尽可能的接近等边三角形,各点间距离尽量远)。已知盾构机主机长度L的情况下,我们可以得到盾构机刀盘切口A的坐标为(L00),盾尾B坐标为(000),后点右边1米点C的坐标为(010)在AUTOCAD中,通过修改三维操作三维对齐后,就可以捕捉上述三个点的实际坐标,最终得到盾构机刀盘切口、盾尾的里程、平面和竖直方向的偏差值以及盾构机的滚动值,有盾构机的长度,我们进而可以求得盾构机在水平方向和竖直方向上的趋势。

将盾构机导线系统的各项参数输入到系统中,DTA 数据文件在输入前需要经过两人独立计算或者是不同的的软件进行复核,确保DTA数据的正确性。将测站坐标和后视点坐标输入导向系统,检查系统显示的数据与人工计算的盾构机姿态是否一致。如果在误差范围内,就启用系统来指导掘进方向。

五、盾构施工中的施工测量

盾构机正常掘进后,施工测量就变得比较重复,测量人员的主要工作如下:

1)测定全站仪站点坐标、后视棱镜的坐标。

2)随着隧道向前掘进,盾构导向系统前移(通常说的测量搬站)。

由于只有当全站仪的激光束垂直射入激光靶屏幕时,入射光才有效,而激光靶里面的感光屏幕的角度参数是有一定限制的,如下所示:

旋转角(Max .roll)±4

上下倾角(Max.yaw angle)±5°

左右倾角(Max.pitch)±15°

所以,激光全站仪的位置在曲线上不能与激光靶距离太长,一般为50米到80米,在直线段时与洞内的施工环境有关,一般为120米到200米之间。具体可通过反射激光的强度和激光靶面板上激光斑点的大小来决定。

3)定期检查隧道边墙上控制点的稳定性。

由于盾构机刀盘开挖直径比管片外径大28公分,这个空隙通常采用管片壁后注浆的方法来填充,砂浆凝固需要一个时间过程,再加上盾构机掘进时的震动、电瓶车运动、隧道线路转向、二次注浆、管片上浮下沉及旋转等因素,管片的稳定需要一个较长的时间。根据经验,管片在拖出盾尾后100米左右时基本上已经稳定下来。因此,定期检查洞内控制点的稳定性非常必要。

4)确保导向系统正常工作(保证全站仪与目标棱镜间的通视,防止人员或物体遮挡棱镜;定期检查数据传输电缆,保证数据能正常传输;定期除去全站仪、激光靶面板、目标棱镜和后视棱镜上面的灰尘,保证全站仪能正常观测目标棱镜和后视棱镜;随时对全站仪托架和后视托架以及电缆线进行巡视和维护,避免发生刮擦、碰撞,电缆线被拉断等情况)。

5)盾构掘进姿态测量

盾构(TBM)掘进实时姿态测量内容应包括盾构(TBM)轴线与线路设计轴线(DTA)之间的平面夹角、相对纵向坡度差、横向滚动角度的测量和靶平面处盾构(TBM)轴线相对于线路设计轴线(DTA)的方向偏差、高程偏差以及里程,并由此计算出刀盘中心处相对于线路设计轴线(DTA)的方向偏差、高程偏差以及里程。

    各项测量误差应满足下表:

                   盾构(TBM)姿态测量误差技术要求

测量项目

测量误差

靶平面方向偏差

±5mm

靶平面高程偏差

±5mm

靶平面里程偏差

±10mm

两轴线间平面夹角

±1mm/m

纵向坡度

±1mm/m

横向旋转角

±1mm/m

    刀盘处的位置测量误差根据上表考虑靶平面到刀盘中心的距离按照下式计算:

        C=

        其中  C  为刀盘处的位置误差(mm)

              A  为靶平面处的位置误差(mm)

              L  为靶平面到刀盘中心的里程差(m)

              θ 为轴线夹角测量误差(mm/m)

应建立独立的人工测量盾构(TBM)位置的方法,作为自动导向系统的检查和备用系统。人工测量方法的起始数据宜从洞内已经稳定的控制点引用,也可引用导向系统中的部分已知数据。但人工测量时应对这些已知数据进行检查。人工测量方法的误差不超过上表的倍。

    定期采用独立的人工测量方法对盾构(TBM)的姿态进行测量,并与导向系统测出的结果进行对比,两者较差的误差为上表项误差的倍,如超过该值,应根据人工测量结果对导向系统的各项原始值进行修正。

6)管片测量

管片安装后,应及时对管片位置进行检测,检测是对导向系统显示姿态的一个复核,内容主要包括管片的横向和高程变化。监测间隔为每掘进5环一次。当管片的姿态与导向系统显示的姿态有较大出入时,应人工复测全站仪和后视棱镜的坐标,人工复测盾构机姿态,找出偏差的原因,避免隧道轴线与设计轴线产生大的偏差。管片的总位移量大于20mm时,应提高监测频率,每掘进2环监测一次。管片的监测到每天的变形量不大于1mm时为止。

管片净空测量应包括管片中心偏差、管片的椭圆度、和管片的姿态。管片测量间隔执行相关规范或技术标准要求。

7)联络通道施工测量

在联络通道处附近加密导线点,与原有地面控制点组成附合导线进行联测,平差后作为联络通道放线的平面控制点。其精度要求同地面控制测量。高程由附近控制高程点按三等水准引洞内。洞内联络通道放线由洞内控制点在联络通道口加密后引入方向和高程。

管片在安装时,管片之间有1-2mm的环缝,造成左右线联络通道处管片环缝不在一条直线上,如果单从左线向右线开挖或者是从右线向左线开挖,就会造成通道开挖之后与对面管片的环缝对接不上。在开挖之前,要人工测量左右线联络通道相邻两块管片环缝的坐标(如联络通道开挖示意图ABCD点)。人工计算环缝的里程,也可以在AUTOCAD上将上面测的四个点展出来。从右线向左线开挖时,如果按照DC两点决定的方向开挖的话,开挖到左线隧道右侧时,就会与AB两点环缝环缝方向相差0.4米。由于联络通道开挖时洞门中线为相邻两块管片的环缝(如联络通道洞门图),因此,必须将BC两点的连线作为联络通道的中线。可以通过BCCD的边长关系,将E点在管片上标识出来,EC的连线方向即为联络通道的中线。

    联络通道洞门图

8)贯通前的测量

盾构机在进入到达段前100米要进行一次贯通前的测量。在到达段掘进时,应将盾构机姿态逐步调整至到达洞口允许偏差范围内。同时,应减慢推进速度以维持盾构机姿态的稳定,水平偏差值应控制在±10mm之内,同时将垂直偏差放在20-30mm之间(特别是盾构机需要上导台接着始发推进的情况下,将高程抬高2-3公分非常必要,确保盾构机顺利上导台)。在到达前,应减小盾构机的推力,同时减慢刀盘转速,以减小对洞门维护结构及周围土体的扰动。

9)贯通测量

隧道贯通后应进行贯通测量,将地面和洞内控制点联测后进行平差,平差后的数据作为隧道中线测量、断面测量和线路调整的基准。贯通测量包括隧道的纵横向贯通误差、方位误差和高程贯通误差。

相向开挖的两条施工中线,具有贯通面里程的中线点不重合性,两点连线的空间线段成为贯通误差。实际的贯通误差只能在隧道贯通后才能确定;测定贯通误差时,应在盾构接收井的贯通面做导线相遇点。

贯通误差在水平面上的正射投影称为平面贯通误差,在铅垂面上的正射投影称为高程贯通误差,简称高程误差。平面贯通误差在水平面内可分解为两个分量:与贯通面平行的分量称为横向贯通误差;与贯通面垂直的分量,称为纵向贯通误差。

隧道的横向和纵向贯通误差,可利用隧道贯通面两侧的平面控制点来测定贯通面导线相遇点的坐标闭合差确定,也可以通过隧道贯通面两侧中线在贯通相遇点的间距测定。横向贯通误差是由平面控制测量误差引起的,这主要有三方面:地面控制导线的测量误差、联系测量的误差和地下控制导线的测量误差。因此,应将上述的中误差加以适当的分配,每个环节的中误差为贯通误差中误差的0.58倍,即±29mm。但不能把该原则绝对话,因为不同误差源的影响实际上是不相等的。例如,对于平面控制测量而言,地面上的条件要比洞内要好,故地面控制测量的精度要求应高于±29mm

纵向贯通误差影响线路中线的长度和线路的设计坡度;横向误差影响线路的方向,如果超过一定的范围,就会引起隧道设计几何形状的变化,甚至造成侵入建筑界限而迫使大段衬砌拆除重建(或者调线),因此必须对隧道横向贯通误差加以限制;高程贯通误差主要影响线路的坡度。

控制测量对横向贯通误差的限制

方位角贯通误差可利用两侧平面控制点测定相邻贯通面同一导线边方位角较差确定。隧道的纵、横向贯通误差应投影到线路的法线方向上。

隧道高程贯通误差,可利用隧道贯通面两侧高程控制点测定与贯通面邻近水准点的高程较差确定。高程贯通误差是由高程控制测量误差引起的,对于高程控制测量,洞内的水准线路短,高差变化小,这些条件比地面好;但洞内也有烟尘、水气、温差等不利因素;竖井传递高程时也会受到高差、空气流动、尺长改正等不利因素的影响,所以也按等影响原则来分配,即每个环节的中误差为贯通误差的0.58倍,即±14mm

10)竣工测量

隧道贯通后,以始发井和接收井内的控制点为起算点,对隧道内的导线点和水准点分别重新组成附和线路或者是附和网,进行竣工测量,平差后的成果作为以后建设工作的测量依据。应包括隧道的平面偏差值、高程偏差值、椭圆度以及纵横断面测量等。

地铁、铁路隧道一般直线段每6米,曲线段每4.5米测量一个净空断面,断面上的测点位置以及数量应按设计要求来做。断面测量可采用断面仪或者是全站仪极坐标等测量方法。断面点测量误差在±10mm以内。

竣工测量资料按要求整理归档,作为隧道验收的依据。

 

常用的盾构施工全站仪托架及附件图片

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