地铁盾构施工测量技术

1.控制测量

1.1平面控制测量

1.1.1平面控制测量概述:

地铁施工领域里平面控制网分两级布设，首级为GPS控制网，二级为精密导线网。施工前业主会提供一定数量的GPS点和精密导线点以满足施工单位的需要。施工单位需要做的是在业主给定的平面控制点上加密地面精密导线点，然后是为了向洞内投点定向而做联系测量，最后是在洞内为了保证隧道的掘进而做施工控制导线测量。不管是地面精密导线还是洞内施工控制导线都是精密导线测量，虽然边长不满足四等导线的要求，但是基本上是采用四等导线的技术要求施测，其中具体技术要求在《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》都有规定。

1.1.2地面平面控制测量：

在业主交接桩后，施工单位要马上对所交桩位进行复测。业主交桩数量有限，不一定能很好地满足施工的需要，所以经常要在业主所交桩的基础上加密精密导线点，以方便施工。特别是在始发井附近，一定要保证有足够数量的控制点，不少于３个。其具体技术要求在《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》都有规定。

1.1.3 洞内平面控制测量

洞内施工控制导线一般采用支导线的形式向里传递。但是支导线没有检核条件，很容易出错，所以最好采用双支导线的形式向前传递。然后在双支导线的前面连接起来，构成附合导线的形式，以便平定测量精度。洞内施工控制导线一般采用在管片最大跨度附近安装牵制对中托架，测量起来非常方便，且可以提高对中精度，还不影响洞内运输。强制对中托架尺寸形状要控制好，以便可以直接安装在管片的螺栓上面，不需要电钻打眼安装。由于盾构施工一般都是双线隧道错开50环左右掘进，如果错开环数很大，后面掘进的盾构机由于推力很大，会对前面另一个洞的导线点产生影响。特别是在左右线间距较小岩层很软时，影响很大，很容易导致测量出大错。还有就是如果在曲线隧道里，管片上的导线点间的边角关系经常受盾构机的推力和地质条件的影响，所以要经常复测。

1.2高程控制测量

1.2.1高程控制测量概述：

高程控制测量主要包括地面精密水准测量和高程传递测量及洞内精密水准测量，在广州地铁领域里的精密水准测量也就是城市二等水准测量。不管是地面还是洞内都采用的是城市二等水准测量。其技术要求在《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》都有规定。

1.2.2 地面高程控制测量

地面水准测量按城市二等水准的要求施测。

1.2.3洞内高程控制测量

洞内由于轨道上钢枕太多，轨道下的泥水经常盖到钢枕上来了，立尺很不方便，用水准仪配因钢尺测量非常麻烦。而采用全站仪三角高程测高差的办法传递高程就很方便。见图1。当然此时一定要保证前后视的棱镜高要不变，由于不需要量仪器高，而是通过测量前后两个点的高差来传递高程，所以往返观测取平均值精度可以满足施工的需要。这在我们仑官区间左、右线都得到证实，仑官区间约1.5公里，高程贯通误差左线是8、右线都在11左右。

图1全站仪三角高程测量传递高程

1.3联系测量

1.3.1 定向测量

地铁施工规定，在任何贯通面上，地下测量控制网的贯通中误差，横向不超过±５０，竖向不超过±２５。联系测量主要有一井定向（联系三角形定向）、两井定向、铅垂仪陀螺经纬仪联合定向、导线定向四中方式，其中我们施工单位一般都没有陀螺经纬仪，所以很少采用铅垂仪陀螺经纬仪联合定向。用导线定向精度最好且最方便，但是用导线定向受始发井的长度和深度制约，一般也很少用。所以一般都采用一井定向（联系三角形定向）或两井定向，其中用两井定向受地面及洞内各种因素的制约要少，很方便，但是在同样的始发井长度和深度的情况下最好采用一井定向（联系三角形定向），这样有利于提高井下定向的精度。这在我们仑大始发井的多次联系测量中得到证实。虽然一井定向（联系三角形定向）对场地要求较高，做起来也很麻烦，但是定向精度很有保证。联系测量向洞内投点时把点间距尽量拉大些，在始发井底板，最好投四个点，保证始发井两端都各有两个控制点。且尽量保证每次联系测量投点时都投在这四个点上。以便取多次联系测量的加权平均值做为最终的始发控制点坐标。

图2一井定向联系测量示意图

图3两井定向联系测量示意图

1.3.2 高程传递测量

向洞内传递高程一般采用悬挂钢尺的方法，一定要注意加温度和尺长改正，才能保证导入井下的水准点的精度。如果有斜井或通道，也可以用水准测量的方法向井下传递高程。如果全站仪的仰俯角不大的话还可以直接用全站仪三角高程测高差的办法传递高程。

图4钢尺导入法传递高程

2、导向系统

2.1导向系统介绍

2.1.1VMT导向系统概述：

在掘进隧道的过程中,为了避免隧道掘进机(TBM)发生意外的运动及方向的突然改变, 必须对TBM的位置和DTA(隧道设计轴线)的相对位置关系进行持续地监控测量。TBM能够按照设计路线精确地掘进，则对掘进各个方面都有好处（计划更精确，施工质量更高）。这就是TBM采用“导向系统”（SLS）的原因。德国VMT公司的SLS-T系统就是为此而开发，该系统为使TBM沿设计轴线（理论轴线）掘进提供所有重要的数据信息。SLS-T系统功能完美，操作简单。

2.1.2导向系统基本组成与功能

导向系统是由激光全站仪（TCA）、中央控制箱、ESL靶、黄盒子和计算机及掘进软件组成。其组成见下图：

图5导向系统组成

2.1.2.1全站仪(TCA)

具有伺服马达，可以自动照准目标和跟踪，并可发射激光束，主要用于后视定向，测量距离、水平角和竖直角，并将测量结果传输到计算机。

2.1.2.2ESL靶

也称光靶板，是一台智能性型的传感器。ELS接收全站仪发射的激光束，测定水平和垂直方向的入射点。偏角由ELS上激光的入射角确认，坡度由该系统内的倾斜仪测量。ELS在盾构机体上的位置是确定的，即对TBM坐标系的位置是确定的。

2.1.2.3中央控制箱

主要的接口箱，它为黄盒子（继而为激光全站仪）及ELS靶提供电源。

2.1.2.4黄盒子

它主要为全站仪供电，保证全站仪工作和与计算机之间的通信和数据传输。

2.1.2.5计算机及掘进软件

SLS-T软件是自动导向系统数据处理和自动控制的核心，通过计算机分别与全站仪和ELS通信接收数据，盾构机在线路平、剖面上的位置计算出来后，以数字和图形在计算机上显示出来。如下图所示：

图6 VMT导向系统盾构姿态显示

2.1.3导向基本原理

洞内控制导线是支持盾构机掘进导向定位的基础。激光全站仪安装在位于盾构机的右上侧管片上的拖架上，后视一基准点（后视靶棱镜）定位后。全站仪自动掉过方向来，收寻ELS靶， ELS接收入射的激光定向光束，即可获取激光站至ELS靶间的方位角、竖直角，通过ELS棱镜和激光全站仪就可以测量出激光站至ELS靶间的距离。TBM的仰俯角和滚动角通过ELS靶内的倾斜计来测定。ELS靶将各项测量数据传向主控计算机，计算机将所有测量数据汇总，就可以确定TBM在全球坐标系统中的精确位置。将前后两个参考点的三维坐标与事先输入计算机的DTA（隧道设计轴线）比较，就可以显示盾构机的姿态了。

2.2导向系统应用

2.2.1 始发托架和反力架定位

盾构机初始状态主要决定于始发托架和反力架的安装，因此始发托架的定位在整个盾构施工测量过程中显得格外重要。盾构机在曲线段始发方式通常有两种：切线始发和割线始发。

始发托架的高程要比设计提高约1~5，以消除盾构机入洞后“栽头”的影响。反力架的安装位置由始发托架来决定，反力架的支撑面要与隧道的中心轴线的法线平行，其倾角要与线路坡度保持一致。

2.2.2 移站

2.2.2.1激光站人工移站

盾构机的掘进时的姿态控制是通过全站仪的实时测设ELS的坐标，反算出盾构机盾首、盾尾的实际三维坐标，通过比较实测三维坐标与DTA三维坐标，从而得出盾构姿态参数。随着盾构机的往前推进，每隔规定的距离就必须进行激光站的移站。激光站的支架用角钢和钢板做成可以安装在管片螺栓的托架形似, 托架的底板采用400×400×10mm钢板，底板中心焊上仪器连接螺栓,长1。采取强制对中，减少仪器对中误差。托架安装位置在隧道右侧顶部不受行车的影响和破坏的地方。安装时，用水平尺大致调平托架底板后，将其固定好，然后可以安装前视棱镜或仪器。托架示意图如下图8：

图8 激光站的托架示意图