浅谈测量技术在盾构隧道施工中的应用

浅谈测量技术在盾构隧道施工中的应用

朱改成

（广东省源天工程公司）

摘

质量、高效的一项重要的保障工作。本文对地下铁道盾构法施工测量的全要：盾构法施工中的测量工作，是确保工程施工安全、

过程进行分析，可供大家参考！

测量技术；导向系统关键词：盾构法施工；

１前言

隧道盾构法施工是以盾构在地下暗挖隧道的一种施工方法。盾构是一个既可以支承地层压力又可以在地层中推进的活动钢筒结构。盾构的前端设有支撑和开挖土体的装置，盾构的中

段设有顶进所需的千斤顶，盾构尾部拼装预制的管片或现浇挤压混凝土衬砌环。在我国地下铁道施工中，盾构法已在广州取得了成功的经验；与传统地铁施工方法（如明挖法、盖挖法、浅埋暗速度快、不影响地面交挖法等）相比较，盾构法的优点是安全、通、不受气候条件影响和适用于各种不同软硬程度的含水或不水文地质条件进行有针对含水的不同地层（盾构可按不同地质、

性的专门设计），它是加速发展城市地下铁道的有效手段。而盾质量、高效的一构法施工中的测量工作，是确保工程施工安全、项重要的保障工作。

现以广州市轨道交通五号线（潭村站￣员村站）土建工程为例，介绍盾构法施工测量的全过程。该区间采用盾构法施工，首人员、废弃物和材先从地面向下明挖一个中间竖井，作为机械、

料的出入口，然后在井下安装２套海瑞克盾构设备，分别由潭村历时１３个月完成站向员村站开挖施工。整条线路全长１７３５ｍ，隧道贯通。

地下导线分基本导线（边长１２０ｍ）和施工导线（边长３０～５０ｍ）两级布设，测角中误差≤±３＂，导线全长相对闭合差≤１１２００００。每掘进３００ｍ进行一次联测。导线点交替地布置在隧道两侧，以减少折光对水平角的影响。在掘进１０００的时候，在隧道内进行陀螺仪定向，符合隧道内支导线的方位角。地下高程按二等水准要求操作。

２．４贯通测量

按照测量规范和精度指标进行贯通测量的误差预计。该地铁一期工程施工测量技术规定，横向贯通中误差不大于±５０ｍｍ；竖向贯通中误差不大于±２５ｍｍ。贯通预计表明，测量工程设计完全

能满足贯通精度要求。

２．５盾构掘进的测量工作

盾构掘进中的测量包括掘进工作的导向、盾构（即隧道掘进衬砌的拼装等各项工作，其中包括断面净空测机）的定位和纠偏、量、编制竣工文件等。

３隧道掘进自动激光导向系统的结构

在地铁盾构法施工中，有光学法和陀螺法两种自动导向方法。我们在该地铁施工中，应用了ＶＭＴ公司提供的ＳＬＳ－Ｔ

现把几个（ＳｔｅｕｒｌｅｉｔｓｙｓｔｅｍＴｕｂｂｌｉｎｇａｕｓｂａｕ）隧道掘进机的导向系统。重要部分介绍如下：

２测量保障工作的内容与精度要求

按照地下铁道施工测量有关规范，首先设计测量方案，配备（ＴＣＡ１８００两台、一整套精密测量仪器，包括全站仪ＴＣＡ１１０３两台）、陀螺仪、精密水准仪（徕卡ＮＡ２＋ＧＰＭ３测微器）测量方案内

容叙述如下：

３．１全站仪ＴＣＡ１１０３ｐｌｕｓ

此仪器为瑞士ＬＥＩＣＡ公司所生产，望远镜视准轴与激光光轴为同轴，照准部的水平转动借助于伺服电机受程序控制，测距精度为（２＋２×１０－６）ｍｍ，测角精度为１＂，对中精度０．３ｍｍ。由１２Ｖ直流电供电。通过ＲＳ２３２接口与电脑相连接，并受其控制。全站仪内有数码相机，能检测来自反射棱镜的反射光束，计算得出水平和垂直距离（称为ＡＴＲ模式）。

ＬＥＩＣＡＧＶＳ７４型激光发生器安置在全站仪ＴＣＡ１１０３ｐｌｕｓ上，发射波长为６７０ｍｍ，光束发散角０１０９×１０－３ｒａｄ，最大输出功率４．７５×１０－３Ｗ。

２．１地面控制测量

在广州市二等三角网的基础上，建立ＧＰＳ网，并由此测设精密导线，一共有９个点，其中２个为ＧＰＳ点。要求ＧＰＳ点的点位中误差不大于４ｍｍ，最弱边相对中误差不大于１１８００００。导线平均边长为３５０ｍ，并要求测角中误差≤±２．５＂；最弱点点位中误差≤±地面高程按国家５ｍｍ；相邻点的相对点位中误差≤±５ｍｍ。二等水准测量标准控制。

３．２托架

托架用金属制成，它固定在隧道的混凝土支护上，用以安置全站仪与黄盒子。

２．２联系测量

平面联系测量时，采用全能自动陀螺仪进行定向测量，用逆转点法地进行三次定向，每次定向的中误差≤±３＂，用精密投点仪把坐标导入地下。高程联系测量则是用悬挂钢尺法导入标高，复测三次相差小于３ｍｍ。近井点埋设镶入铜芯的钢板桩，要求埋设稳固。

３．３ＥＬＳ（电子激光系统）

电子激光系统的觇标安置在盾构上，它是一个由硬铝材料做成的箱子，其作用是测定入射激光束的Ｘ、Ｙ坐标。与觇标箱前端板相平行的为隐蔽屏幕。当向ＥＬＳ觇标供电时，它绕着一点旋转。当激光束入射到屏幕时，或多或少的光透过屏幕，屏幕的后面是光敏电子元件，测定入射激光的强度。当强度达到最大时，就会记

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２．３地下导线测量

勘察、测绘与测试技术

录下屏幕的角位置。这个角位置精确地与激光束射到觇标上的入射角（偏转角）相关。

在ＥＬＳ觇标上装有测斜仪，一个为纵向，另一个为横向。测斜仪能最终地提供隧道掘进机（ＴＢＭ）的绝对侧倾和绝对倾斜角。借助于光敏板测定激光入射点，即激光位置相对于ＥＬＳ觇标中心的Ｘ、Ｙ坐标。ＥＬＳ觇标到全站仪的距离的测定就利用了全站仪的测距（ＥＤＭ）功能，为此在ＥＬＳ觇标上安置了一个毛玻璃的反射棱镜。能够测定的最大偏转角±５°；最大倾斜（纵倾）角±１５°；最大横倾角±。４０°

建材与装饰２００８年２月中旬刊

任何测量工作的基础是坐标系统。ＳＬＳ－Ｔ系统的应用有三种坐标系统：一是国家统一坐标系统，测量工程师用它计算全部控制点、放样点的坐标；二是隧道掘进机（ＴＢＭ）坐标系统，以ＴＢＭ的轴为基准，计算ＥＬＳ觇标、控制点和基准点的坐标；三是隧道设

计轴线（ＤＴＡ）坐标系统，确定里程以及水平和垂直支距。十分重要的是如何解决三个坐标系统的相对定位和转换。

４．２．２ＴＢＭ在开始掘进前的定位

其中包括机器的起始位置。基准点应设置在盾构上，测得其统一坐标，并转换为ＤＴＡ坐标。

４．２．３ＴＢＭ在掘进中的定位

ＴＢＭ的位置是根据已知国家统一坐标的全站仪控制点确定的，这个点至基准点的方位角为已知。然后全站仪的激光束射向ＥＬＳ，由此求得偏转角。直接利用安置在ＥＬＳ里的测斜仪测定侧倾角和纵倾角。用光电测距得到的激光经纬仪至ＥＬＳ的距离就可获得ＴＢＭ沿着隧道设计轴线推进的里程。用这些量测的数据可计算ＴＢＭ的统一坐标位置。

４．２．４衬砌环的定位

根据ＴＢＭ的位置和所测得的千斤顶伸长量，进行末尾环的安装。

４．２．５衬砌环排序和ＴＢＭ掘进的计算

在ＴＢＭ定位后，测定了末尾安装了的衬砌环，这样就能计算下一个推进。如果改正数达到几ｃｍ，就需要计算改正曲线，并得出所要求的千斤顶伸长量，通过计算机来达到所需要的压力，从而很快使ＴＢＭ转向ＤＴＡ方向。

４．２．６推进数据的记录

衬砌环与盾构的测量数据都被存储起来，在任何时候都可显示或打印出来，同样也可打印出隧道掘进过程和衬砌环安装过程的曲线图。

４．２．７把数据传输到地面办公室

ＴＢＭ的位置一般通过已有的电话线连接传输到地面办公室，隧道的掘进也就同步地通过地面监视器进行跟踪。４．２．８全站仪与托架的移动

激光经纬仪的移动在软件的指引下进行，只需要熟练的测量人员就能解决问题。一般这种移动是在衬砌环装配时进行的。４．２．９ＴＢＭ操纵的检查

对ＴＢＭ的位置用正规的测量方法进行检查，它于ＳＬＳ－Ｔ系统之外。一般每掘进１５～２０ｍ进行一次检查，这主要取决于隧道的条件，特别是折光对导向的影响，折光是由于温度梯度所引起的。为了对ＴＢＭ位置进行检查，在盾构上焊Ｍ８ｍｍ螺母，用一个专门的联接螺栓拧在螺母上，安置棱镜。这样就可以在基准点对它进行检查。如有偏差就可及时排除，使ＴＢＭ沿着ＤＴＡ方向推进。

３．４个人电脑

电脑安置在地面的控制室内，有４８．０７ｃｍ（１９英寸）监视器、控制箱；控制箱主要起中继作用，它在外部把电能通到黄盒子，然后再送到全站仪和ＥＬＳ觇标；在内部则把电能送给调制解调器。它同样也是数据转换装置，把来自全站仪和ＥＬＳ觇标的数据转换为文本进入计算机。来自计算机的控制数据输出到全站仪与调制器也必须靠它转换为适当的数据文本。

３．５黄盒子

黄盒子是一个２５８ｍｍ×１５８ｍｍ×９５ｍｍ的仪器盒，其作用有二：一是向全站仪和激光器等供电（１２Ｖ与２４Ｖ直流电）；二是较长距离（约１１５ｋｍ）的数据传输，设有ＲＳ２３２和ＲＳ４２２Ｐ４８５接口。它放置在经纬仪附近。

３．６ＭＯＤＥＭ（调制解调器）

调制解调器的作用是通过普通的电话线路对作业进行遥控或进行检查。此外，隧道掘进机的位置可以显示在地面办公室的屏幕上。

３．７ＰＬＣ（程序逻辑控制器）

隧道掘进机的数据（例如千斤顶的伸长）从控制电脑中输出。这种控制就称为ＰＬＣ，它于ＳＬＳ－Ｔ，由隧道掘进机的制造厂家提供。

３．８ＳＬｕＭ（盾尾壳体间隙的自动测量装置）

它借助于安装在升降架上的电子测距装置进行盾尾间隙的自动测量。

４激光自动导向系统的作用与操作过程

４．１激光自动导向系统（ＳＬＳ－Ｔ）的作用

在隧道掘进中需要对隧道掘进机相对于隧道设计轴线

而在实际上隧道掘进机的运行受到很多（ＤＴＡ）位置作经常检查。

因素的影响，如岩土的硬度；当掘进曲线地段时，又要调整隧道掘进机的掘进方向。此外，盾尾间隙大小对管片的安装也是至关重

要的。ＳＬＳ－Ｔ导向系统为隧道掘进机高精度地沿着设计路线推进，并提供全部必需的信息和资料文件起重要作用。ＳＬＳ－Ｔ系统的特点在于能计算出隧道掘进机与衬砌环的位置，并以图形与数字形式显示在屏幕上；计算与显示隧道掘进机的运动方向，如果是曲线段，则计算出设计路线的切线方向；按照计算的修正曲线显示设计的千斤顶伸长量；盾尾壳体间隙的自动测量；激光方位的自动检验。总之，隧道掘进实现了全过程自动控制，在地面办公室进行指挥。

５结束语

采用盾构进行城市地铁隧道施工在我国的历史还不长，目前还没有适用的测量工作规范，自动激光导向系统的掌握也需要一定的时间。相信经过实践与探索，在不久的将来一定会总结

出更加成熟的经验，为我国的地铁建设服务。

４．２激光自动导向系统操作过程

４．２．１坐标系统的确定・１３６・