城市地铁建设中的测量技术

江󰀁󰀁西󰀁󰀁科󰀁󰀁学

JIANGXI󰀁SCIENCE

Vol.24No.4Aug.2006

󰀁󰀁文章编号:1001-3679(2006)04-0205-04

城市地铁建设中的测量技术

潘国荣,车建仁

1,2

1,2

(1.同济大学测量与国土信息工程系,上海󰀁200092;2.现代工程测量国家测绘局重点实验室,上海󰀁200092)摘要:城市的地铁建设中的盾构施工测量和地面施工测量相比,难度大、精度要求高。本文详细介绍了测量在城市地铁建设中的应用及其特点,并结合实际施工精度需求给出了相应的施工测量方法,从而保证整个地铁建设工程顺利竣工。关键词:测量;盾构;地铁

中图分类号:TB22;TU198+.6󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

TheMeasurement-technologyintheConstructionofSubway

PANGuo󰀁rong

1,2

,CHEJian󰀁ren

1,2

(1.DepartmentofSurveyingandGeoinformatics,TongjiUniversity,Shanghai200092PRC;

2.KeyLaboratoryofModernEngineeringSurveying,StateBureauofSurveyingandMapping,Shanghai200029PRC)

Abstract:Intheconstructionofcity-subway,themeasurementofshieldconstructionismoredifficultandcomplicatedcomparedwiththatofground.Thearticlediscussesitsappli󰀁cationandfeaturesandgivessomemethodstosatisfythedemandsofprecisioninthecon󰀁structionofsubway.

Keywords:Measurement,Shield,Subway

0󰀁概述

为了缓解城市地面交通的严重拥挤状态,全国大型城市相继兴建地下铁道,其中大多采用盾构法区间隧道建设方法,而且盾构法隧道施工在诸如地下供水隧道、合流污水管道、供电和通讯电缆隧道、煤气管道等方面的应用也日渐普及。盾构法以其独特的可以直接穿越障碍物,而且可以不破坏现状结构的优越性,在城市交通及市政工程中发挥着作用。测量作为盾构施工中的一部分,是盾构施工的关键技术之一,直接关系到整个工程的成败,其主要目的就是确保隧道能按照预定路线施工,进而确保其能正确贯通,顺利完成隧

收稿日期:2006-05-23;修订日期:2006-06-20

道的建设。因此,鉴于测量在盾构施工中的重要性,本文论述了地铁施工中的测量技术。

1󰀁地下铁道测量

1.1󰀁地下铁道测量的内容

地铁施工测量按服务性质可分为施工控制测量、细部放样测量、竣工测量、环境监测和其它测量等。

1.1.1󰀁施工控制测量󰀁施工控制测量包括以下3部分。

(1)地面控制测量。主要任务是建立平面控制网施工控制测量并提供可靠的平面控制点。根据隧道的长度、联系测量及地下施工测量精度要

作者简介:潘国荣(1960-),男,上海人,1999年毕业于同济大学结构工程专业,获博士学位。主要从事精密工程测量和测量数据处理的研究工作。∃206∃江󰀁西󰀁科󰀁学2006年第24卷

求等初始条件,估算出地面控制点的精度要求,并根据此条件建立控制网并制定施测方案,保证达到所需最底精度要求,从而确保工程的质量和整个工程的顺利竣工。平面控制点作为联系测量的起始数据,应设在施工井或接收井附近,且不能受施工影响,这样才能保证控制点精度的可靠性。除此之外,还需要维护施工期间地面的平面、高程主控制网完整,确保其可靠、可用,作为加密地面控制点(包括地面工程、车站等)的起始数据。(2)联系测量。主要任务是将地面上的坐标、高程传递到地下隧道内,使地下控制和地面控制建立一定的几何联系,应用坐标传递方法确定地下一个点的坐标值和一条边的方位角,作为地下导线的起始数据。联系测量的目的就是为地下施工测量提供起始数据。(3)地下控制测量。其主要目的是控制地下主导线、地下主水准网、顾及各段工程间的衔接和确保各区间隧道贯通。

1.1.2󰀁细部放样测量󰀁指的是各个细部的坐标和方位的测定,主要是为施工导向、盾构机定位、纠偏和装配式衬砌的拼装等而进行的测量作业。1.1.3󰀁竣工测量󰀁指根据贯通后地下导线平差成果调整中线后,按规定间距和断面总数进行的断面净空测量和其它为积累竣工图素材和编制竣工图而进行的测绘工作。

1.1.4󰀁变形监测󰀁指隧道开挖期间对受施工影响的地上、地下及周围建筑物的变形进行测量作业。其作用是为了有效地监测施工时对周围的影响,及时发现和纠正问题,确保施工的安全进行。1.2󰀁地下铁道测量特点

地下铁道测量和一般的建设工程施工测量不同,其特殊性表现为以下几个方面。

1.2.1󰀁全部解析设计、定线󰀁因为地铁建在建筑物密集、地下管网和地下建筑物繁多的城市环境里,其设计只能利用大比例尺地形图和大量实测󰀂控制点 的三维坐标来进行,施工放样也是根据设计资料以三维坐标放点,而不像一般道路和铁路施测中采用转角、量边放点。1.2.2󰀁地铁专用控制网作用大󰀁地铁专用平面、高程控制网是施工时按照设计坐标在实地复现设计的唯一根据。它建立在城市控制网的基础上,相对精度又高于城市控制网。它既保证全线首尾的平顺衔接,又避免工程放样时与设计使用的大量城市测量资料数据产生矛盾。

1.2.3󰀁总体规划、分期建设󰀁地下铁道建设工程量大、投资大、工期长,一项城市地铁工程要根据

近期、远期客流量先作总体规划、分期建设。测量工作不仅要考虑全局,既要沿每条线路布设控制网,又要在线路交叉处有一定数量的控制点重合,以保证各相关线路准确衔接。

1.2.4󰀁工程分段短,且分段多󰀁地铁工程受工期要求和尽量缩短对城市生活干扰的制约,全线要分成若干小段实施,而且开工时间、方法不同,结构形式多种多样,又分别由不同的承包商施工。要求达到准确的贯通,完整实现设计要求,不仅要求每个承包商的测量人员完成好本段的测量任务,还要顾及邻接工程项目的衔接,并且需要一支专业测量队伍来负责全线的控制点检查及贯通检核工作。

1.2.5󰀁地上、地下联系密切󰀁测量内容多,与地面既有建筑结合紧密。各测量体和线路联接密切,地上、地下测量工作要保证万无一失。1.2.6󰀁限界裕量小󰀁轨道交通工程有严格的限量规定。为保证限界要求,对结构轮廓应考虑一定施工误差作为裕量。从降低工程成本的原则出发,裕量较小,所以对施工测量精度要求较高。1.2.7󰀁环境监测任务重󰀁地铁工程盾构掘进会对周围城市环境产生影响,其中至少要对工程正上方及邻近地表建筑物的沉陷、倾斜或位移进行观测。对某些从地下穿越居民区、水域、桩基的工程地段,此项观测内容多、数量大,精度要求高,如盾构推进对地表沉降监测的精度!∀1mm。在隧道建设中及建成后对洞体的沉降和位移应进行变形监测。

2󰀁地铁施工测量的精度要求及应

对措施

2.1󰀁地铁施工测量的误差来源和精度要求

为了确保隧道的正确贯通,对测量的精度要求非常高。根据经验,地铁施工中的主要误差来源和大小分别为:

(1)地面控制测量误差m1=m;

(2)盾构出洞处竖井联系测量误差m2=2m;(3)盾构进洞处洞口中心坐标测量误差m3=m;

(4)地下导线测量误差m4=3m;(5)盾构姿态的定位测量误差m5=2m;则最后的测量误差为:M=2222m21+m2+m3+m4+m5=19m#4.4m第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁潘国荣等:城市地铁建设中的测量技术∃207∃

因为地铁隧道允许横向和高程贯通的极限误差为∀50mm,则m=50/4.4=11.4mm,从而可求得每道工序的极限误差:

(1)地面控制测量允许的极限误差为:m1!11.4mm;

(2)竖井联系测量允许的极限误差为m2!22.8mm;

(3)洞口中心坐标测量允许的极限误差为m3

!11.4mm;

(4)地下导线测量允许的极限误差为m4!34.2mm;

(5)盾构姿态定位测量允许的极限误差为m5!22.8mm。

以上这些数据就是各测量步骤中的精度要求,是采用各项测量方法的基本依据。2.2󰀁各项测量施工精度控制的方法

2.2.1󰀁地面控制测量󰀁在车站施工期间,地面导线必须定期复测。根据复测结果发现,有的导线点位移量达10mm~30mm,这就给各次联系测量结果的互相比较产生困难。为此,在复测时,都与较远的导线点进行联测,只有确认地面导线点没有移位的情况下,才可取各次联系测量的平均值,作为地下导线的起算数据。否则必须分别处理各次结果。

2.2.2󰀁竖井联系测量󰀁把地面坐标、方位和高程传递到地下的测量工作为竖井联系测量。设地铁隧道长为1000m,则联系测量传递方位的允许误差为:ma=m2/s∃r=4.7\"。

联系测量有下面3种方法。

(1)联系测量钢丝法。通过竖井悬挂两根钢丝,由井上导线点测定与钢丝的距离和角度,从而算得钢丝的坐标以及它们之间的方位角,然后在井下,认为钢丝的坐标和方位角已知,通过测量和计算便可得出地下导线点的坐标和方位角;这样就把地上与地下导线联系起来了。

(2)投点仪方法。利用车站两端竖井,将井上点位投影到井下,作为地下导线的起始点。本法的工作条件是:井上井下通视条件良好,并且井下可直接通向隧道方向。投点仪法是利用车站两端的出土竖井,在两个井上端各搭架一个观测台(A,B),由地面导线测得观测台的坐标和方位,然后用垂直投影仪,将观测台坐标直接投到井下,作为井上两点在井下的投影点,其坐标和方位就是地下导线的起算数据。(3)全站仪直接传递法。在井中适当位置砌造固定观测墩,如不能一次传入隧道内,则再经站厅砌造固定观测墩传至隧道内。此方法必须解决下面2个问题:仪器纵轴倾斜误差影响和短边上的对中误差影响。

当高度角󰀁=35%时,如果照准气泡偏0.2格(4&),则对水平角观测的影响∋󰀂=∀3&。必须指出,这项误差是属于系统误差,不能通过盘左盘右或多个测回数来消除。这种传递方法,由于高差大,对仪器结构完善要求高。目前,全站仪均有纵轴倾斜自动改正装置,经过实践,全站仪的这种补偿功能的作用是有效的。在短边上对中误差一般要求不大于0.1mm。这个误差大多是由于觇牌变形所致,因此,对觇牌必须事先进行检验。2.2.3󰀁盾构进洞处洞口中心坐标测量󰀁隧道中心坐标的测量方法,其难度并不很高,但较复杂。隧道瓦形环衬砌洞壁,环中心在洞壁上没有明显标志,所以测量方法通常是测定一个圆周上若干点的坐标,然后按最小二乘拟合的方法计算环的椭圆度和环中心坐标。也试用一种简便的方法,用长5m的特制标杆,借助水准器使标杆置于水平位置,这时标杆的标志就是环片的,如图1。

图1󰀁洞口测量示意图

2.2.4󰀁地下导线测量󰀁地下导线点随着盾构掘进而建立。导线点通常建在管片顶部的仪器台上,仪器采用强制归心,测量人员可在吊篮上观测并与仪器台完全分离,从而确保仪器的稳定性,见图2。直线部分一般每100m,设一个吊篮和仪器台,曲线部分视曲线半径大小,以控制盾构轴线测量的需要而定,一般控制在30m~60m之间。地下导线对贯通测量误差的影响主要由角度测量

图2󰀁吊篮观测示意图

∃208∃

误差引起,则其横向误差为:

m4=m󰀂/ (L(

江󰀁西󰀁科󰀁学2006年第24卷

(n+1.5)/3,设m󰀂=1.5&,

L=1km,n=15,则m4=17mm。

2.2.5󰀁盾构定位姿态的测量󰀁盾构定位姿态测量就是依据地下导线点坐标精确确定盾构掘进的方位和位置,使盾构中心轴线与理论轴线相一致,以使盾构机在推进过程中偏差不超过22.8mm。盾构机向前行进的距离靠千斤顶伸出的行程量控制,对于直线段和曲线路径需要导出公式,求出盾构机切口和尾部对理论轴线行径的改正数,因此对盾构机的控制就必须根据推算公式,控制好盾构机切口和盾尾的平面及高程偏差,使推进后每一环管片的偏差控制在精度范围之内。让盾构机沿着设计里程、轴线、高程掘进,并正确进入接收井的预留门洞。至少要在隧道每推进一环(即1m)测定盾构中心的位置以纠正盾构定位的姿态。对盾构机姿态定位采取以下方法和措施。

在盾构机顶部中心轴线上,固定一水平前尺和水平后尺,并量取距离,见图3,以控制盾构横向偏差。盾构推进方向中心轴左方水平尺刻划为

图4󰀁盾构误差的来源

令坡度为i,则:∋切口=i(4.012+∋h;∋盾尾=-i(2.538+∋h,式中:仰为󰀂+ ,俯为󰀂- ;∋h=r-rcos󰀁为盾构转角󰀁引起竖直标尺位置改变的改正数。

根据该推算公式,控制好盾构机切口和盾尾的平面及高程偏差,推进后每一环管片的偏差必将控制在精度范围之内。

3󰀁结束语

上海地铁二号线东方路至东昌路区间隧道、东昌路至陆家嘴路区间隧道、静安寺至江苏路区间隧道、陆家嘴路至河南中路区间隧道均已全线贯通。应用所述技术和方法进行施工,经过验收,4个区间所有隧道的横向和竖向贯通误差均小于3cm,深受建设单位和委托单位的好评。实践证明,经以上分析和研究所采取的相应技术措施是有效的,同时也为今后的地铁隧道贯通测量提供和积累了经验。

图3󰀁盾构机测量示意图

红色,右方刻划黑色注记。仪器拨角指向水平红色,读数为󰀂+ ,黑色读数为󰀂- 。在水平后尺中心固定一根水准尺,尺底指向盾构中心3.130m处引测中心高程。

由于盾构机自身转角改正为:e=

前尺:2.475∃sin󰀁

参考文献:

[1]󰀁潘国荣,黄加惠.地铁隧道盾构掘进的定向与贯通

[J].铁路航测,1997,(2):36-38.[2][3][4][5][6]

康󰀁明,崔吉前.盾构施工中导线测量垂直传递的方法与控制[J].东北测绘,1998,21(3):42-43.张涿娃.盾构测量施工方法浅谈[J].市政技术,2002,(1):40-43.

李孝荣,杨秀权,许燕峰.土压平衡盾构在地铁施工中的应用[J].西部探矿工程,2003,15(9):81-83.白󰀁云.盾构施工引起的土体扰动和变形分析[C].软土隧道及地下工程技术文集,2000.

王如路.电子水平尺在地铁监护工程中的应用[J].地下工程与隧道,2003,(2):30-32.

后尺:2.0∃sin󰀁

其中:󰀁为转角,右转为负号,左转为正号。则设计轴线与推进轴线不平行偏差计算见图4。

切口偏差:x=-2.605(a+b)–a+e尾部偏差:y=+2.8(a+b)–b+e