顶管工程施工中的测量技术探讨

摘要：现代城市地下暗挖工程(如顶管工程)需要高精度的定向技术和自动化导向技

术、而国内传统定向、导向技术比较简单落后。针对这种情况，在分析、比较了现有定向、导向技术的基础上，提出了在顶管施工中采用对称联系三角形定向结合TUMA自动导向系统测量的方法。实践表明这种方法是舍理、可行而有效的。

关键词：对称联系三角形法、定向技术、自动导向系统、顶管、精度分析

随着城市地下空间的开发利用，地下工程施工实践越来越多，特别是在建造穿越水域、沼泽的公路、铁路或水利工程隧道时，顶管法得到比较广泛的采用。目前，国内顶管施工中的测量技术还比较落后，主要体现在：(1)在短距离顶管施工方面，测量工作的主要内容是在顶进过程中的检查测量，正常顶进时每隔60~80cm测量一次，测量误差较大时，每隔30~40cm就要观测一次，因而工作强度大，效率低，较大程度地制约了工程施工进度。(2)地下施工定向方法精度不高，仪器笨重，程序繁琐；导向测量的方法效率低，强度大。而城市地下顶管工程施工路径越来

越长，精度要求越来越高，路线越来越复杂，传统的测量方法和仪器已不能适应现代地下工程的特点。为此有必要在经济合理的前提下，加快国内顶管施工测量技术的精密化、自动化和智能化。

针对当前城市地下工程实际对精密定向导向技术的要求，提出了对称联系三角形定向结合TUMA自动导向测量的方法，并且进行了初步的精度分析和应用研究。

1 竖井定向测量 1．1 对称联系三角形法

联系三角形竖井定向技术是发展较早的一种方法，对称联系三角形法则是在其基础上发展起来的一种误差较小、定向比较可靠的方法。对称联系三角形法主要是在竖井上和竖井下布设两组对称的联系三角形，如图1(a)、图1(b)所示，采用全圆测回法测角和精确丈量对称联系三角形的各条边。

（a）竖井上对称三角形 (b)竖井下对称三角形

由单联系三角形原理，井上边O2O1、O3O1的方位角为； αO2O1= αΑ0A1-ω1+β21±180°(1) αO3O1= αΑ0A1-ω3+β22±180°(2)

由吊锤投点将井上边O2O1、O3O1方位传递到井下边O2’O1’、O3’O1’，即 O2’O1’=αO2O1 (3) O3’O1’=αO3O1 (4)

则井下定向边B0B1的方位角为： αB0B1=αO2’O1’–ω6-β21’±180°(5) αB0B1=αO3’O1’–ω4+β22’±180°(6)

αB0B1= 0.5(αO2’O1’ +αO3’O1’-β21’ +β22’-ω6–ω4)(7) 由式(I)、(2)、(3)、(4)、(7)可得：

αB0B1=αΑ0A1+0.5(β21-β22-β21’+β22’ –ω1–ω3-ω4–ω6) (8) 1．2 对称联系三角形精度分析

在不考虑井上起始方位角误差情况下，地下待定边方位角误差m0包括边长丈量误差的影响(m0)s，角度观测误差的影响(m0)β和吊锤投点误差的影响(m0)p，即m02=(m0)s2+(m0)β2+(m0)p2。现在一深度为30m的竖井上、下布设如图1(a)、(b)所示的对称联系三角形，测角采用T2测六测回。吊锤采用0．3mm锰钢丝、悬挂15kg重锤，浸入盛有机油的油桶中，待稳定后观测。边长丈量的相对精度达1／lOOO，角度观测中误差m为±0．71’，取α=α1=3．24m．b=bl，a／b=0．5，ω2-ω1=60’， ω6-ω5=60’，ρ=206265”。经推导计算可得边长丈量误差的影响：

(m0)s2=ms2ρ2(a2+b2)[tg2(ω2-ω1)+tg2(ω6-ω5)]/2a4(9) 则(m0)=±O．4”；角度观测误差的影响：

(m0)β2=m2[1+b2/a2+(b-a)2/2a2+b12/a12+(b1-a1)2/2a12]2(10) 则(m0)β=±1．2”；吊锤投点误差的影响：

(m0)p2=(m012/2+m022/4+m032/4), m0i2=σ2(ρ”)2/2di2(11)

其中di为两根垂直线间的距离，吊锤偏离值误差为，α为0．3mm时，(m0)p=6．7”，从而对称联系三角形一次定向精度m0为±6．8”。对同一竖井井下待定边多次实测定向，再由中误差估算公式得到的对称联系三角形一次定向精度均≤7”。可见，对称联系三角形定向精度较高，能满足城市地下工程较高精度的要求，其主要误差吊锤投点误差对井下方位角精度的影响，若使用直径＜O．3mm的吊锤线，选择在无风、气温变化小的天气条件，且无振动干扰情况下进行测量，则可减少吊锤投点误差的影响。 1．3 其它定向方法

在竖井定向技术中还可采用陀螺经纬仪定向和竖直导线定向。陀螺经纬仪定向的观测方法很多，其中逆转点法定向精度较高，采用较多，但受到多种误差因素的影响，例如读数误差、跟踪摆动的不规则性、陀螺仪悬带不稳定、转子轴转动频率不稳定、温度变化引起陀螺轴重心漂移、不规则衰减等的影响，使其误差模型的建立比较复杂。陀螺仪定向传递方向而不传递点坐标，而对称联系三角形法不仅传递方位且传递点位坐标。竖直导线定向是一种几何定向方法，定向精度随井深增大而降低，其应用受到一定。因此，对称联系三角形法是城市地下工程中一种较好的竖井定向方法。

2 顶管导向测量

2．1 人工测量和TUMA系统自动测量 顶管工程中，需要实时测定机头各顶偏差值并预测趋势，传统上的人工测量方法主要包括三点移线法、激光测量和经纬仪支导线测量。三点移线法就是在工作井内挂两根垂线，两垂线在设计中心线上由两位测量员拉一细线，使细线与两垂线在同一竖直面内，以判断首节管相对设计中心线水平偏差，该方法顶距越长，精度越低。激光法是采用激光经纬仪来确定设计中心线方向。只能满足顶距在100～200m的测量要求，经纬仪支导线测量则效率很低。 TUMA自动测量系统则是通过一台或数台计算机控制外部仪器，完成数据采集、处理功能，并输出成果信息。该系统主要功能在于：(1)自动整平全站仪；(2)自动有规律地搜寻遥控觇牌；(3)自动观测目标，记录数据；(4)自动给个人计算机传输观测成果；(5)计算机自动检查、处理、计算、评定质量，并显示打印成果。利用系统引导机头，大大提高了施工进度，也将测量人员从恶劣的工作条件中出来。 2．2 高程偏差测量精度

人工测量高程在管道内按二等水准测量要求，往返闭合差<±4L1/2，在路线长为800m时，往返闭合差<3．6mm。自动导向系统采用三角高程测定高差，边长200m时，高程偏差为6mm。可见人工测量测定高差的误差较小。人工测量使用的设计高程根据设计曲线计算，而自动导向系统使用的设计高程通过插值法求得，其测定高程偏差较大的原因主要是第一测

段非对称性折光的影响。 2．3 水平偏差测量精度

自动导向系统测定水平偏差值与人工测量方法相同，布设成同样的近似直伸支导线形式，两种方法测定水平偏差值的精度相同。 但随距离增大，人工测量与自动导向系统测定的水平偏差则相差很大，这主要是由于自动测量时，导向测量和定向测量仪器不同轴误差的影响，全站仪的照准标志为红灯的光斑中心，而产生目标不一致误差的影响，以及大气旁折光的影响。而人工测量时则与定向测量使用同一标志，从而减小了系统性误差。 因此，人工测量精度比自动导向系统测量精度高，在实际工程中，应当以自动导向系统为主，以人工测量为辅，并且导向测量与定向测量使用同一仪器。 3 精密定向导向技术在顶管工程中的实际应用 3．1 工程概况

某顶管工程在黄浦江西岸建有18m深方形深井作为接受井，东岸工作井连续墙入土深度47m，圆形基坑开挖深度33．60m，井径为1lm。顶管为两条2．2m的砼管道，深达30余米，江底最深处至管道相距7m。顶管路线长为763．912m。 3．2 顶管工程定向导向精度要求

根据工程设计要求顶管贯通总误差≤25mm，竖井定向方位误差≤±5”，洞内导向测量的水平偏差中误差≤±10．2mm，洞内导向测量高程偏差中误差≤±10．2mm。 3．3 竖井定向和顶管导向测量与计算 为满足设计要求，在竖井定向中应用了前述的对称联系三角形定向法，观测并计算得在不考虑起始方位误差情况下，一测回定向精度为±6．8”，两测回定向成果如表1所示。实际应用中采用两测回的平均值，其定向精度为±4．8”，满足设计要求。 为保证施工进度和精确贯通，顶管过程中主要利用自动导向系统进行偏差测量，每50m进行一次人工测量校核，在759．776m时，进行最后一次导向测量，测量成果作为最后纠偏依据，TUMA系统测定的水平偏差为-46mm，高程偏差为-40mm，人工测量水平偏差为181mm，高程偏差为56mm，最后采用人工测量成果作为纠偏数据，测定贯通误差为Δ=9mm，h=3mm，可见本工程贯通精度较高，完全达到设计要求。

4 结论

从上述理论分析和工程实践，可以看出以下几点：

(1)对称联系三角形定向方法可以满足城市地下工程高精度定向的要求，只要努力提高吊锤投点精度，会有广泛应用前景：

(2)自动导向系统测量效率高，强度低，势必成为地下工程导向控制主要手段； (3)人工导向测量精度高于TUMA处动导向系统，在工程最后贯通时，应采用人工测量成果。 关于自动导向系统的不足之处，仅作粗略的探讨，未能提出较好的改进措施，今后应进行更为深入的研究。 参考文献

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