7.4盾构隧道施工测量

7.4.1盾构机始发初始状态测量

7.4.1.1盾构机始发初始状态测量的主要内容和目的 (1)盾构机导轨定位测量

盾构机导轨测量主要控制导轨的中线与设计隧道中线偏差不能超限,导轨的前后高程与设计高程不能超限,导轨下面是否坚实平整等。

(2)反力架定位测量

反力架定位测量包括反力架的高度、俯仰度、偏航等,反力架下面是否坚实、平整。反力架的稳定性直接影响到盾构机始发掘进是否能正常按照设计的方位进行。

(3) 演算工房导向系统初始测量盾构机姿态

盾构机姿态初始测量包括测量水平偏航、俯仰度、扭转度。盾构机的水平偏航、俯仰度是用来判断盾构机在以后掘进过程中是否在隧道设计中线上前进,扭转度是用来判断盾构机是否在容许范围内发生扭转。

(4) 人工复测盾构姿态

为了保证导向系统的正确性和可靠性,在盾构机始发前,应进行盾构姿态的人工检测。

7.4.1.2盾构机姿态测量原理 （1）演算工房导向系统 ①导向系统介绍

在掘进隧道的过程中,为了避免盾构机发生意外的运动及方向的突然改变, 必须对盾构机的位置和隧道设计轴线的相对位置关系进行持续地监控测量,使盾构机能够按照设计路线精确地推进。日本株式会社的演算工房就是为此而开发,该系统为使盾构机沿设计轴线(理论轴线)掘进提供所有重要的数据信息。该系统是由激光全站仪(天宝5600) 、中央控制箱、ESL靶、控制盒和计算机及掘进软件组成。其组成见图1。

图1 盾构机导向系统组成

②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尾部右上侧管片的拖架上,后视一基准点(后视靶棱镜)定位后。全站仪自动掉过方向来,搜寻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。盾构机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,就可以确定盾构机在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隧道设计轴线比较,就可以显示盾构机的推进姿态。

（2）人工复测

盾构机作为一个近似的圆柱体，在开挖掘进过程中我们不能直接测量其刀盘的中心坐标，只能用间接法来推算出刀盘中心的坐标。

图2 盾构姿态计算原理图

如图A点是盾构机刀盘中心，E是盾构机中体断面的中心点，即AE连线为盾构机的中心轴线，由A、B、C、D、四点构成一个四面体，测量出B、C、D 三个角点的三维坐标（xi,yi, zi）,根据三个点的三维坐标（xi, yi, zi）分别计算出LAB, LAC, LAD, LBC, LBD,LCD, 四面体中的六条边长，作为以后计算的初始值，在盾构机掘进过程中Li是不变的常量，通过对B、C、D三点的三维坐标测量来计算出A点的三维坐标。同理，B、C、D、E四点也构成一个四面体，相应地求得E点的三维坐标。由A、E两点的三维坐标就能计算出盾构机刀盘中心的水平偏航，垂直偏航，由B、C、D三点的三维坐标就能确定盾构机的仰俯角和滚动角，从而达到检测盾构机姿态的目的。

7.4.1.3盾构机姿态测量的误差分析

使用盾构进行隧道掘进施工时，需要使盾构沿隧道设计曲线掘进，隧道设计曲线以全局坐标系为基准。掘进施工中需要实时测量盾构在全局坐标系中的位置和姿态，通过与隧道设计曲线比较，得到盾构掘进的位置偏差和姿态偏差。实际施工中主要测量盾构切口中心和盾尾中心与设计曲线的水平偏差和垂直偏差，因此测量工作的主要任务是得到切口中心和盾尾中心在全局坐标系中的坐标。

由于标靶加工和装配工艺水平、传感器元件本身精度的限制，各测量参数均存在误差，这些误差经传递后会使得盾构切口中心和盾尾中心的坐标位置产生误差. 因此，准确建立盾构切口中心点位误差与测量参数误差的传递关系，对改善自动测量系统的性能、提高系统的测量精度可以起到重要作用。

（1）切口中心坐标的测量原理模型

图3为标靶在盾构机内的安装位置图。按照测量工程的习惯，将全局坐标系和其他相对坐标系均设置为左手坐标系。

图3 激光标靶的安装位置图

自动测量系统工作时，全站仪固定安装在已拼装好的隧道管片上，标靶固定于盾构内部，标靶与全站仪间无障碍物遮挡。利用全站仪测量标靶棱镜的全局坐标（x0,y0,z0），同时发射激光到标靶平面，测量标靶平面与激光的水平夹角，与全站仪激光的水平角合成得到标靶轴线在全局坐标系中的水平方位角?。利用标靶内置倾角仪可以测量标靶相对于全局坐标系的滚角?和俯仰角?。以标靶棱镜中心为原点，以标靶测量的滚角?、俯仰角?、水平入射角?的零值方向为坐标轴方向，建立相对坐标系o—a b c . 标靶固定在盾构上，坐标系o—a b c中盾构切口中心的坐标（x1,y1,z1）是固定的。为求取盾构切口中心的全局坐标（x,y,z），通过（x1,y1,z1）从坐标系o—a b c旋转平移到全局坐标系O-XYZ中，则有

?xyz???x1y1z1??M??x0y0z0?

sin?cos?00?为相对坐标系o0??1??00??cos?0sin???cos??1????sin?其中 M??0cos??sin????010?????????0sin?cos??sin?0cos???????0—a b c到全局坐标系O-XYZ的旋转变换矩阵.

（2）切口中心与标靶相对位置坐标标定的误差分析

将标靶安装到盾构上后，盾构静止的状态下，通过人工方法测量切口中心的全局坐标（x,y,z），通过全站仪测量标靶棱镜的全局坐标（x0,y0,z0），然后读取标靶的三姿态角读数，通过对式(1)进行矩阵变换，反算相对坐标（x1,y1,z1），可得

?x1其中

?cos?M?1?M??1M??1M??1???sin???0?sin?cos?00???cos??00??1?????sin0?sin???10?0cos10????0cos??????0?sin0? sin???cos???y1z1???x?x0y?y0z?z0?M?1 (2)

利用标靶采集的方位角?、滚角?及俯仰角?都存在测量误差. 设三个姿态角的误差值分别为Δ?、Δ?、Δ?，可视为标靶绕原坐标系轴线旋转了Δ角. 即：

0?1M???1???0cos????0?sin???cos??M???1???0??sin???cos??M???1???sin????0可知存在角度误差时的变换矩阵：

?sin???? cos????00?sin???10?? 0cos?????sin??cos??00?0?? 1??M1?1?M??1M???1M??1M???1M??1M???1

由于角度误差Δ为毫弧度级别，可以视为极小量，故sinΔ≈Δ,cosΔ≈1，上述矩阵可近似表示为：

0?1M???1??1?0??0???0??1?0?1???M? ?????1?????0?????1????110?M? ?????01???0???100?0?? 1??相对坐标(x1,y1,z1)的标定误差为：

??x1?y1?z1???x?x0y?y0z?z0?M1?1??x?x0y?y0z?z0?M?1 (3)

忽略Δα, Δβ和Δγ的高次分量后，表达式（3）可以化简为：

???x?(?cos?sin????sin???cos?)(x?x)?(?sin?sin????cos???cos?)(y?y)00?1??cos???(z?z0)???y1?(sin?sin????cos?cos????cos?sin?cos????cos?cos?sin??????sin?sin?sin???)(x?x0)?(?cos?sin????sin?cos????sin?sin?cos?????sin?cos?sin????cos?sin?sin???)(y?y)?(sin?sin????cos?cos???)(z?z)00???z1?(?sin?cos????cos?sin????cos?sin?sin????cos?cos?cos??????sin?sin?cos???)(x?x0)?(cos?cos????sin?sin????sin?sin?sin??????sin?cos?cos????cos?sin?cos???)(y?y0)?(?cos?sin????sin?cos???)(z?z0) 相对坐标的标定是在盾构进入施工隧道前进行的。此时盾构水平放置，轴线的滚角?和俯仰角?均接近于0。安装标靶时尽量使标靶轴线与盾构轴线平行，可调节标靶的俯仰角?和滚角?读数接近零值，使sin?与sin?

取值为较小量。由于方位角?的实际取值与相对坐标无关，设?=0。Δ?，Δ?与Δ?为极小量，表达式中如有分量同时包含Δ?、Δ?、Δ?和sin?、sin?两类量，则为极小分量，可以忽略。用此方法处理相对坐标的误差表示式即可得

??x1???(y?y0)???(z?z0)???y1????(x?x0)???(z?z0) ??z????(x?x)???(y?y)00?1其中，(x,y,z)和(x0,y0,z0)为切口中心全局坐标和标靶棱镜全局坐标，由全站仪测量得到，误差为毫米级。根据盾构的尺寸和标靶安装位置可知，x-x0，y-y0， z-z0的值为米级。上式中x-x0，y-y0，z-z0毫米级的测量误差与极小量Δ?，Δ?与Δ?的乘积可以忽略，故上述表达式中可以不考虑x-x0，y-y0，z-z0的误差。

此时标靶的?=0，?≈0，?≈0，可知对盾构进行相对位置标定时x-x0

≈x1、y-y0≈y1、z-z0≈z1，则相对坐标位置误差可以修正为

??x1?y1???z1?????y1??x1???z1?? ??z??x???y??11?1从图3中可知，y1和z1近似为标靶到盾构轴线的水平和垂直距离，而x1为切口到标靶所在的盾构横断面距离。盾构外形为一个长圆筒，x1要比y1和z1大很多。从式(4)中可知，滚动角误差Δ?对相对坐标误差的影响较小，俯仰角误差Δ?和方位角误差Δ?对相对坐标误差的影响较大. 标靶在盾构中的安装位置决定了相对坐标(x1,y1,z1)，标靶安装越远离切口和盾构轴线，相对坐标(x1,y1,z1)越大，标定的误差就越大。

7.4.2盾构机姿态、管片测量 7.4.2.1盾构机姿态测量方法及思路

盾构掘进以自动导向系统为主,辅以人工测量校核。演算工房导向系统能够全天候的动态显示盾构机当前位置相对于隧道设计轴线的位置偏差,主司机可根据显示的偏差及时调整盾构机的掘进姿态,使得盾构机能够沿着正确的方向掘进。为了确保导向系统的准确性、确保盾构机能够沿着正确的方向开挖,每周进行2次人工测量复核。

7.4.2.2托架的制作和安装

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，然后可以安装后视棱镜或仪器。托架安装过程中，需注意全站仪托架与盾构机内激光靶以及后视棱镜要通视。

7.4.2.3托架点测量方法与要求

托架上的强制对中点的坐标通过车站底板的导线起始边传递而来，采用2″级全站仪左右角各测两测回，共计四测回。左、右角平均值之和与360°较差应小于2″，测距往返各二测回，往返二测回平均值较差小于2mm。由于管片受水土压力、注浆压力、盾构掘进时的推力等各种外力的影响，不可避免地存在少量的变形的位移，托架坐标是导线系统的基准，为保证托架坐标的准确性，定期对托架坐标进行复测。每周进行1次托架坐标的复测，在特殊情况下，一旦发现托架有较大移动，立即对托架坐标进行复测，确保托架坐标的准确性。

因此盾构在推进过程中，测量人员要牢牢掌握盾构推进方向，让盾构沿着设计中心轴线推进。

7.4.2.4隧道管片测量 （1）衬砌环片安装复核测量

衬砌环测量主要包括衬砌环片环中心偏差、管片椭圆度和环的姿态。衬砌环片必须不少于3～5环测量一次，测量时每环都测量，并测定待测环的前端面。相邻衬砌环重合测定2～3环环片，以便检查环片有没有发生位移。测量资料及时整理，并编制测量成果报表，报送盾构操作人员，及时指导盾构施工。

环片中心偏差测量：将一只5m长的铝合金尺（配水平尺）横在管片环内侧，移动铝合金尺使之水平，在铝合金尺中央2.5m处垂直放置棱镜头，用全站仪直接测定棱镜中心坐标，与设计线路计算出该点的里程和偏移，若偏移为0时，说明环片中心与设计线路中心重合，并规定偏左为负，偏右为正，如图4《管片水平姿态测量示意图》

图4 环片水平姿态测量意示图

（2）环片竖直偏差测量

使用DSZ2自动安平水准仪测出管片前沉底部的高程，根据线路纵断面图推算出该环环片里程的底部设计高程，实测高程以设计高程相比较，既得出环片竖直偏差值。

7.4.2.5测量管片旋转

管片旋转最主要的原因是围岩未能提供足够的摩阻力来阻止盾构滚动的趋势而带动管片旋转。而导致围岩未能提供足够摩阻力的内在原因为：①盾构刀盘左右旋转方向不均衡，刀盘总朝一个方向旋转；②同步注浆效果不理想，造成围岩无法提供足够的摩擦阻力以约束管片的扭转；③管片螺栓未足够紧固，故无法有效地传递力矩。

在管环同一水平方向的左、右侧用红油漆做出标记，盾构掘进过程中用水准仪测定标志点的高差Ah ，用钢尺标志点的水平距离D，从而算出管片扭转角2arctan(Ah／D)。

7.4.3盾构始发环测量（平面、高程）

盾构始发环测量原理参照7.4.2.4隧道管片测量。 7.4.4联系测量 （1）平面联系测量

在施工中有一项很重要的工作就是以井上井下联系三角形几何定向方法控制平面，修正盾构推进的轴线。在施工期间每个区间段依照具体情况进行若干次定向测量，一般第一次在推进150～200米左右,最后一次离进洞大约100米左右，本工程18号盾构区间总共拟定进行12次定向测量。

联系三角形定向是用三根钢丝来传递坐标和方位的，在具体实施时悬挂三

根钢丝，在平面上钢丝绳与井上、井下的观测台组成两个直伸三角形。侧面示意图如下：

井上O3O1O2钢丝绳井上观测台：XO3O2O1井下观测台：Y井下隧道推进方向

图5 定向测量示意图

在布设时使三角形长短边之比值应至少大于2.5倍，而a:b则不应大于1.5倍，同时O2,O3点也不宜离仪器过近。三角形中?角应小于2°，同时，钢丝末端悬挂垂球，为防止钢丝晃动影响观测，将垂球浸在盛满油的油桶内，并且垂球不得与油桶接触。观测时井上、井下联接角及联系三角形观测要求以两台2秒级的全站仪往返测边，测角要求9测回，归零观测、测回差≤9″（最大角与最小角差值），2C差≤13″（正镜与倒镜差值）， 归零差≤6″，测边要求正倒境各四次，观测平均值比较差应小于3mm。联系三角形边长测量采用在钢丝上贴反射片，用对边模式来测边，每次独立测量三次，这三个数据间每次较差≤3mm，并在测边时考虑井上与井下的温度，计算边长改正。以上测量数据分为两组，每组数据包括一个井上方位、四个连接角、五条边长。对三角形解算时，利用三角形闭合差的条件，用简单平差来计算，求得井下方位与井下控制点坐标。然后，再对另一组数据进行如上计算，求得的方位与坐标与第一组的进行检核，以确保不出现差错。

每次独立定向测量的成果应该满足方位角较差≤12″，点位较差≤20mm。 在几何定向的同时应该对于井下控制导线进行复核。在井下布置用以控制隧道的平面偏差的测量导线，它主要分为井下控制导线和井下施工导线。井下施工导线精度较低、边长较短作为一般工作导线，井下控制导线是作为施工首级控

制，用来准确指导掘进方向的边长较长、精度较高的导线，应与每次几何定向配合同步进行井下导线复测，重新计算导线点，并将定向所得的方位传至隧道内最新设置的测量台，修正施工导线的偏差。观测时仪器应采取强制对中，其测量规范采用与井上放样测量相同的规定。井下导线点布置如图6所示。

施工导线点设置（强制对中盘）风管人行道管片洞内控制导线点（强制归心标）

隧道内导线点布置示意图图6 隧道内导点布置示意图

（2）高程导入测量

竖井高程导入的目的是把地面高程传入竖井底。

进行高程传递时，用挂49N（检验时采用的拉力）的钢尺，两台水准仪在井上和井下同步观测（如图7所示），将高程传至井下固定点。共测量三次，每次应变动仪器高度。三次测得地上、地下水准点的高差较差应小于3mm。

图7 竖井高程导入图

实际操作时，从严要求，井上、井下水准仪和水准尺互换位置，再独立测量三次。必须高度注意两水准尺的零点差是否相同，否则应加入此项改正。传入井底的高程，应与井底已有的高程进行检核。

7.4.5地下施工测量

（1）地下施工导线和施工控制导线测量

在盾构始发推进后向前掘进时，应布设施工导线用以进行放样并指引盾构掘进。施工导线边长为25—50m。导线点应设置于洞壁一侧，并及时测定盾构观测台的坐标，为盾构施工测量做准备。当盾构掘进100—200m时，为了检查隧道轴线与设计轴线是否相符合，必须选择部分施工导线点敷设边长较长（50—100m）精度要求较高的基本导线。并且，为了保证隧道贯通的精度，在基本导线中选取敷设边长较长（200—500m）精度要求更高主要导线点，提高测量精度，确保隧道贯通。施工控制导线的测量包括基本导线和主要导线的测量工作。

观测采用左右角各三个测回进行观测，左右角平均值之和与360°的较差小于4″。边长往返测各两测回，一测回三次读数的较差小于3mm，测回间平均值较差小于3mm，往返平均值较差小于5mm。气象数据每条边在一端测定一次。测距边只进行气压、温度等气象改正和倾斜改正，不进行高程归化和投影改正。

由于本区间隧道施工时，两台盾构相隔约一个月的时间前后出洞，则后推进的盾构势必对相隔的另一条隧道的成环管片产生影响，对已经在使用的施工用测量控制点也会造成平面和高程方向的不确定位移，故对于后推进的隧道内控制点在另一条盾构机在超越其相邻管片后，均应对该隧道的控制导线从井口的联系测量用基准方向上复测至盾构施工的最新吊台，这样方可将两条隧道推进的相互影响降至最低。

（2）地下水准测量

地下水准测量包括地下施工水准测量和地下控制水准测量，起算于竖井传递的井下固定点，地下水准点可利用地下导线点测量标志。

井下水准点一般以100m左右埋设固定水准点一点，水准尺必须用装气泡的水准尺，以便减少水准尺的倾斜而造成系统误差。

井下水准测量按城市Ⅱ等水准操作及工程测量GB50026－93规范执行。应采用往返测，往返固定点之间高差≤3mm，全线往返≤3mm×n1/2。（n为测站数）

7.4.6贯通测量 （1）平面贯通测量

①方法：当隧道贯通后，应及时进行平面贯通测量。贯通测量作业时，利用贯通面两边的已知控制导线点，在贯通面两侧设3个左右的导线点，并在贯通面

附近设一点（临时点也可），这些点与洞内已知导线边形成附合导线。按四等导线对边角测量的有关要求测量贯通附合导线。外业资料满足要求后，求算贯通误差，判断贯通是否满足±50mm的要求。

②误差调整：贯通误差求出来后，应进行贯通误差的调整。贯通误差的调整应符合下列要求：方位角贯通误差分配在未衬砌地段的导线角上；计算贯通点坐标闭合差，坐标闭合差在贯通地段导线上，按边长比例分配，闭合差很小时也可按坐标平差处理。

③注意事项：进行贯通前应先检测地下已知控制导线点、边的稳定情况，选用稳定的地下导线边、点作为贯通测量的起始边、点。

（2）高程贯通测量

当隧道贯通后，应及时进行高程贯通测量。高程贯通测量采用的方法及对仪器的要求与地下高程控制测量相同。按GB50308-2008对精密水准测量要求进行。求出高程贯通误差，判断贯通是否满足≤±25mm的要求。

7.4.7平差计算

测量外业采集的数据处理采用严密平差，各相邻点间纵、横向中误差不应超过下述限值：

（1）直线：纵向为±10mm；横向为±5mm。

（2）曲线：纵向为±5mm；曲线段小于50ｍ时横向为±3mm，大于50m时横向为±5mm。

7.4.8中线点检测

（1）在进行隧道中线点检测时，利用车站底板的平面导线控制点与区间施工控制中线点组成附合导线，并进行左右线的附合导线测量。中线点的间距，直线上平均为100m，曲线上除曲线元素点外不应小于50m。

（2）对中线点组成的导线采用Ⅱ级全站仪左右角各测二测回，左、右角平均值之和与360°较差应小于6″，测距往返各二测回，往返二测回平均值较差小于4mm。

7.4.9成果报告

检测均应按照规定的同等级精度作业要求进行，及时地提出成果报告，一般检测互差应小于2倍中误差，可用原测成果，若大于该值或发现粗差，应由监理会同监理部采取专项检测来处理。

检测地面、基坑内导线的坐标互差≤±12mm，≤±20mm；检测地面、基坑内高程点的高程互差≤±3mm，≤±5mm；检测基坑内导线起始边（基线边）方位角的互差 ≤±10″；检测相邻高程点互差≤±3mm；检测导线边的边长互差≤±8mm。