34 中、长隧道盾构法施工测量技术(岳川)

测量控制技术

----【天元西路站～清水亭西路站】盾构区间测量技术总结

岳 川

（广州轨道交通建设监理有限责任公司 广州 510010 ）

摘 要：本文针对国内近年来中、长盾构法隧道日益增多的背景下，依托目前中、长盾构法隧道施工控制测量的相关经验，根据工程实践及目前在工程应用中的效果，总结了一套基于中、长盾构法隧道测量技术及方法，并提供了理论计算验证依据，提高了测量控制精度，确保中、长盾构法隧道的贯通准确性。 关键词：中、长隧道 盾构法 测量技术 贯通误差

1概述

盾构法隧道以其自身的优越性正被广泛的应用到各项隧道施工当中，传统测控技术已无法满足长距离盾构法隧道轴线精确控制和盾构施工测量的要求。根据规范要求，盾构法隧道轴线横向贯通中误差±50mm、高程贯通中误差±25mm，这必然要求盾构机在长距离掘进过程中要采用科学的方法从而提高施工控制测量的精度，确保盾构机能够精准的进洞，避免发生隧道轴线偏差过大而影响隧道的使用功能。

本文结合目前在南京地铁三号线的工程中的实践，针对中、长区间地铁隧道的施工特点和贯通精度要求，以及对施工过程中采用的一些测量方法的分析，按照工程测量误差不等精度分配原则，对贯通误差进行合理的分配，从而验证了所采用测量控制方法的正确性和可靠性。

2工程概况

2.1天元西路站～清水亭西路站盾构区间

本区间里程范围为K36+392.058～K38+515.654，长约2123.596m。区间隧道共设置两个联络通道和一个区间风机房兼联络通道和泵站，联络通道设置在K36+925、K38+120，风机房设置在K37+526.706处。线路出天元西路站后沿利源南路、苏源大道向南，下穿牛首山河，九龙湖后向东转向清水亭西路。区间平面设R=800、350、550、450m四组曲线，竖向设V形坡，线路先以6‰下坡，然后以3‰上坡。区间主要穿过②-2b4淤泥质粉质粘土、③-1b1-2粉质粘土、③-2b2-3粉质粘土，土质较差。区间风机房采用明挖法施工。围护结构选择钻孔灌注桩+旋喷桩止水帷幕。 2.2清水亭西路站～诚信大道站盾构区。

本区间设计里程范围为K38+800.504～K39+965.764，长约1165.26m。区间隧道共设置1个联络通道兼排水泵站，联络通道中心里程为K39+430。线路出清水亭西路站后沿清水亭西路向东，到双龙大道后向南拐向双龙大道，至诚信大道站。区间平面设R=350、700m两组曲线，竖向设V形坡，线路先以23‰下坡，然后以25‰上坡。区间主要穿过③-1b1-2粉质粘土。

隧道衬砌采用预制的钢筋混凝土管片，管片外径6200mm、厚度350mm、宽度1.2m，采用错缝拼装。

3中、长隧道贯通误差规定

首先因明确测量控制的目的：一是要确保盾构顺利进洞，二是满足地铁隧道贯通的限差要求。为确保盾构顺利进洞，施工中一般将进口洞门尺寸半径（Φ6700mm）略比盾构半径（Φ6340mm）

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增大180mm，盾构顺利进洞的安全系数较大。故测量控制主要考虑隧道贯通的限差。（GB 50308-2008《城市轨道交通工程测量规范》要求贯通误差限差为中误差的2倍:即横向为±100mm，高程为±50mm。

4测量内容和误差分配

4.1 本工程项目主要包含以下测量内容： （1）施工控制测量桩的检测；

（2）施工平面控制网的加密测量；

（3）施工高程控制网的加密测量；

（4）联系测量，包括趋近测量、竖井联系测量、高程传递测量； （5）地下施工控制测量； （6）盾构施工测量； （7）隧道贯通测量；

（8）竣工测量，包含隧道轴线检测、隧道净空断面测量。 4.2贯通误差的分析

测量是盾构施工的“眼睛”，是确保工程质量的前提和基础。地铁隧道属于地下工程施工，施工测量的施测环境和条件复杂。受城市施工条件的限制，洞口的趋近导线测量一般只能以短边控制长距离隧道的掘进；洞内的导线点及吊篮点经常受管片的沉降、位移，以及电瓶车运行产生的震动等因素的影响而移动；测量条件差，受到天气、洞内光线(主要是大气折光、旁折光、大气密度、光线强弱)的影响。然而对于盾构施工而言，对测量贯通精度要求又相当高，故必须对贯通误差进行系统分析，并预计最弱点误差值，以利于在实际测量中减少和削弱关键误差的影响，保证盾构轴线控制的精度。

隧道贯通误差一般指横向、纵向和高程三个方面的误差。由于纵向贯通误差只对线路长度略有影响，而随着现代仪器精度的提高，纵向贯通误差在实际工作中已能准确掌控，且对隧道贯通影响不大，故不考虑其影响；地面高程控制测量采用二等精密水准测量，高程贯通误差的来源主要在高程联系测量中，故高程贯通误差容易控制；所以在实际工作中影响隧道贯通的最大的因素是横向贯通误差的影响。

⑴影响隧道横向贯通的误差来源主要有以下几个方面:地面控制测量误差、趋近导线测量误差、竖井联系测量误差、盾构进出洞门中心坐标测量误差、地下导线测量误差、盾构姿态的定位误差。

(2)横向贯通误差的分析根据本工程盾构法施工和掘进区间较长的特点，为了提高贯通精度，根据施工测量经验，采取一些减小测量传递误差的措施和方法；首先，地面平面控制测量采用精密导线测量方法，地面高程控制测量采用精密水准测量方法；其次，考虑到竖井联系测量环节的测量误差较大，在竖井内设置了强制归心导线点，将趋近导线和竖井联系测量统一采用精密导线测量方法，从而有效地规避了竖井联系测量环节误差较大的风险。地下导线测量也采用精密导线测量的方法，全部地下导线点均采用强制归心标志。

根据以上测量控制设计，在进行横向贯通误差分析时，主要按照地面控制测量、联系（包括趋近〉测量、地下精密导线测量三部分不等精度来考虑。

设三部分测量误差影响互相独立，则由误差传播定律得

M2q= M2q1+ M2q2+M2q3 式中Mq1―地面控制测量误差对横向贯通的影响；

Mq2―联系（包括趋近〉测量误差对横向贯通的影响 ；

Mq3―地下导线测量误差对横向贯通的影响。

地面控制测量条件好、精度高，误差分配可小一些，参照规范的要求，Mq1=±10mm；联系（包括趋近）精密导线测量中有超短边影响（最短边边长预计30m左右对贯通误差的影响定为最大，Mq2=±30mm；地下导线测量条件差，其对横向贯通误差

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的影响定为中等，取Mq3=±25mm。将它们代入公式

2222Mq= Mq1+ Mq2+Mq3 得：Mq= ±44.1mm<±50mm。

结果表明，误差分配满足规范要求。

5主要测量方法及其精度控制

5.1地面控制测量方法及精度要求

施工首级控制网是隧道贯通的依据。受施工、地基 沉降及其他外界因素等影响，有些点可能发生变化。为满足盾构施工的需要，隧道施工前需对业主提供的首级控制点进行复测并定期进行检核，并符合首级控制网检测限差要求（见下表），合格后方可根据现场实际情况进行导线点的加密布设（如下表）。

首级控制点天元西路工作井首级控制点首级控制点天元西路水准点测量加密控制点首级控制点清水亭西路工作井清水亭西路水准点本工程的精密导线网布设图示

首级控制网检测限差要求

相邻点夹角检测限差 5\" 相邻点边长检测限差 1/90000 相邻高程控制点检测限差 ≤±8Lmm （1）平面控制测量复测精度要求:最弱点的点位中误差≤±12mm，相邻点的相对点位中误差≤±10mm，最弱边的相对中误差≤1/90000。

（2）高程控制测量复测精度要求:按二等水准精度要求施测，每公里水准测量的偶然中误差≤±1mm全长中误差≤±12mm。

5.2联系（包括趋近）测量方法及精度要求 5.2.1趋近测量方法及精度要求

通常地面精密导线的密度及数量都不能满足施工测量的要求，应根据现场的实际情况，进一步加密施工控制网，以满足施工放样、竖井联系测量、隧道贯通测 量的需要。

平面控制网采用1级全站仪进行测量，测角4测回（左、右角各2测回，左、右角平均值之和360º较差应小于4″，测边往返观测各4测回，用严密平差 进行数据处理，点位中误差小于±10mm。地面趋近导线应附合在精密导线点上。近井点与点或精密导线点通视，并应使定向具有最有利的图形，测量精度要求如下表：

精密导线网测量精度要求

平均边长/mm 导线总长度/km 每边测距中误差/mm 测距相对中误差/mm 测角中误差/（″） 测回数 6 角度闭合差/（″） 全长相对闭合差 相邻点点位中误差/mm 350

3～5 ±6 1/60000 ±2.5 3

5N 1/35000 ±8 据实际情况，将高程控制点引入施工现场，并沿线路走向加密高程控制点。水准基点（高程控制点）必须布设在沉降影响区域外且保证稳定。水准测量采用精密水准测量方法和要求进行施测。测段间往返观测。视线长度不大于60m,前后视距差不大于1m,累计前后视距差不大于3m，严格按照下列规范要求。

精密水准网测量精度要求

每千米高差中数中误差/mm 偶然中误差 ±2 全长中误差 ±4 2～4 DS1 铟瓦尺 附附和水准路线平均长度/km 水准仪等级 水准尺 与已知联测 往返各一次 附和或环线 往返各一次 ±8观测次数 往返较差、附和或环闭合差/mm 平坦地 山地 L ±N 备注：L为往返测段、附和或环线的线路长度（以KM计），N为单程测站数。

5.2.1联系测量方法及精度要求

盾构出洞前端头井地上、地下导线点的联系测量：受场地限制，导线点的布设较难，在测量中会受到诸如短边、光线差、折角数多以及俯仰角偏大等因素的影 响。为此，通过不同测量方法或路径，增加测回数，加大复测频率，测量成果取平均值等方式减小误差。

联系测量的形式很多，根据各种不同工况和施工单位具备的设备和人员条件，可以选择适合自己的联系测量方式，本工程主要采用一井定向+陀螺仪定向方法。

一井定向法：也是我们常说的竖井联系测量的一种，它是利用盾构出发的工作井或结构预留孔，从地面上向井下投放三根钢丝，同时从井上和井下用两台仪器观测钢丝，通过数据筛选和复杂的平差计算得到井下起始边的准确方位角见下图。

联系三角形边长可采用光电测距仪或经鉴定的钢尺丈量，每次测量应独立测量三测回，每测回三次读数，各测回较差应小于1mm，地上与地下丈量的钢丝间距较差应小于2mm，钢尺丈量时应施加鉴定时的拉力，并进行倾斜、稳定、尺长改正。

角度观测不低于II级全站仪，用方向观测法观测六测回，测角中误差在±2.5″之内，联系三角形定向推算的地下起始边方位角的较差小于12″方位角平均中误差未±8″。

陀螺仪定向法：是利用高精度陀螺经纬仪，精确测定井下起始边的绝对方位角，再与全站仪测定的起始边的起点坐标，来提供盾构掘进方向指导盾构施工。据了解，国内目前可以用于民用的精度最高的陀螺仪是GYROMET2000，它的方位角中误差也只能达到+4秒，参照上述的表可以看出，对于3公里长的隧道造成的贯通偏差将达到6厘米，但由于其稳定性高因此陀螺仪的定向结果与一井定向一起使用，因此陀螺仪定向法具有参考和比对价值，但不能完全相信其结果。

隧道贯通前同一定向边陀螺方位角测量应独立进行三次，三次定向陀螺方位角较差小于

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12″，三次定向陀螺方位角平均中误差未±8″。

陀螺方位角测量应符合以下规定：

1、 绝对零位偏移大于0.5格时，应进行零位校正，观测中的测前、测后零位平均值大于

0.05格时，应该进行零位改正。 2、 测前、测后各三测回测定的陀螺仪常数平均值较差不应大于15″。

3、两条定向边陀螺方位角之差的角度值与全站仪实测角度值较差小于10″。

两井定向法：是我们常说的竖井联系测量的一种，它是利用已经完成的车站井下已有的较长起始边，在地面上从两端 挂两根钢丝，同时从井上和井下用两台仪器观测钢丝，通过计算来得到井下起始边的准确方位角。它的局限性在于：需要车 站或出发井提供尽量长的距离和空间（至少50米），而由于现场条件的制约和工期 的限制，各项目往往无法创造这样的条件。

仪器仪器井下控制点仪器井下控制点仪器直传法：就是直接通过若干个固定观测墩（强制对中），用全站仪直接将地面控制网直接传递至隧道内的一种联系测量方法。直传法的特点是简单，实用，不需要很多人员配合，不占用工作井的空间。但是要确保直传成果的精度。

5.3地下精密导线测量方法及技术要求

本区间线路较长(大于2000m），地下导线分两级布设，即施工导线（根据掘进测量视线而定)和地下控制导线(平均边长120m以上)，施工导线及地下控制导线点设置见下图。

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5.3.1平行导线控制网技术

隧道平面控制网是盾构掘进的基准，长隧道施工对洞内平面控制网提出更高要求，一般地铁隧道施工中常用的支导线已经不能满足贯通精度的要求。本区间针对隧道长的特点，采用平行导线控制网技术，在盾构机长距离掘进过程中比传统方法提高了

2倍的精度。

5.3.2导线网的布设

井下平行导线控制点视隧道环境和设计尺寸可以设置在300m～900m之间。以定向测量的起始边（或直接传递边）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。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)。平行导线布设见下图。

平行导线控制网

5.3.3同站双测技术

由于隧道很长，限于隧道环境和施工条件局部位置存在双导线布设困难的情况，为了保证导线布设的整体性及确保精度稳定，本项目采用了“同站双测”的方法，即同一测量站采用两台仪器由不同人员分别测量，模拟实现平行导线，见下图。

同站双测技术

5.3.4高精度盾构姿态测量技术

盾构法隧道施工对隧道轴线的偏离、管片成型拼装的精度都有很高的要求。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。根据严密的盾构姿态计算数学模型，克服了各类自动导向系统和人工测量法中需要倾斜仪的弊端，完全消除由倾斜仪误差引起的盾构姿态误差，大大提高了精度。 5.3.4.1建立盾构初始化坐标系

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。在盾构内部安装用于全站仪观测的棱镜，棱镜数至少3个，5至9个为最佳，可以参与平差，同时在某个棱镜位置破坏后可以重新定位，同时在部分棱镜被阻挡时，仍能观测到至少3个棱镜。初始化坐标系下图所示。

棱镜布设图

5.3.4.2 盾构姿态严密计算数学模型

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x在隧道施工过程中，利用盾构停机的间隙，在施工导线点上，测量棱镜坐标ixxiyyihhiTyihiT（i1,2,3），该坐标表示在工程坐标系中。它与关系测量时得到的棱镜初始坐标

（i1,2,3）之间的转换关系为：

xxx0yyy0R1R2R3hhh0xy （1） hx其中0y0h0T为平移量参数，、、为旋转角参数，R1、R2、R3三个旋

转矩阵，对3个或以上棱镜，可分别列出误差方程：

vxivyivhix0yR1R2R30h0xiyihixxiyyi hhi （2）

式中的

对（2）式线性化：

vxvyvhT为转换残差。对六个参数取近似值

x0y0h0x00、

y00、

h00、、、，

0

00vxivyivhix0viy0h0Tvivivil i（3）

将所有观测棱镜点的误差方程（3）组成法方程，求解，迭代至收敛，便解出（1）式中的平移量和旋转角。

xxi将关系测量时得到的盾构特征点O、FO、R的坐标

yyihhiT（iO,FO,R），利用

x（1）式，求得其在当前位置的实测坐标iyihiT（iO,FO,R）

xxxx0TTTyR3R2R1yyy0 hhhh0 （4）

将O、FO点的实测坐标投影到设计中线上，得到这两点的设计坐标，比较实测坐标和设计坐标，便可得到盾构当前前后偏离设计线的值，由O、R点的实测坐标，可以得到当前盾构沿中轴线旋转的角度。

结束语：从工程实际出发，对盾构法长区间地铁隧道施工 测量方法进行了探讨，经过对贯通测量误差进行合理分配，减小施工测量过程中的误差，满足施工贯通的最终目的。

本条隧道应业主的要求，第三方也用陀螺经纬仪分别在定向起始边，盾构隧道1/2处，隧道最后一条导线边处都做了陀螺仪定向，得到的方位角绝对值也印证了一井定向结果的准确，两者之间的互差在4秒左右，但是总的说来陀螺经纬仪只能提供大的方向，或者说发现测量的粗差和验证一井定向的结果，两种方法结合起来使用，可以达到更好的效果。

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