地铁盾构施工测量.ppt

盾构施工贯通测量,福州地铁08合同段项目部 2012年11月04日,一、盾构隧道施工测量误差来源及分配二、盾构隧道施工地面控制测量的研究与应用三、地下控制测量 四、盾构姿态测量五、接收井门洞中心位置的确定六、贯通测量实际偏差,目 录,1 盾构隧道施工测量误差来源及分配,为保证贯通测量有足够精度，我测量组针对盾构施工测量的特点进行误差分析，为以后的测量工作在精度控制上有所保证和提高。1、盾构隧道施工测量的误差来源结合盾构施工的特点，地铁隧道贯通测量误差主要来自于以下几个方面：a.地面控制测量；,b.竖井联系测量；c.地下延伸导线测量；d.盾构姿态测量。2、隧道贯通误差限值控制及各阶段对测量误差分配本工程的允许横向贯通测量中误差50mm，高程贯通测量中误差25mm。,（1）平面测量的误差分配,横向贯通误差来源主要由地面控制导线测量误差、近井点联系测量误差，地下延伸导线测量及盾构机本身姿态的定位测量误差等影响因素。其他因素影响较小可以忽略不计。假设各项误差相互独立，则有：mQ2=mq12+mq22+mq32+mq42式中：mq1：地面控制测量横向中误差；mq2：盾构施工竖井联系测量中误差；mq3：地下导线测量中误差；mq4：盾构姿态的定位测量中误差；mQ：隧道平面贯通的横向中误差。,考虑到本工程的实际情况，以及所用测量方法和已建地铁测量工作的实际经验，各种误差对横向贯通精度的影响，采用不等精度分配原则，取值如下：mq1=n mq2=3n mq3=3n mq4=2n代入式中得：mQ=(mq12+mq22+mq32+mq42)1/2=4.8n根据设计要求，本工程允许横向贯通误差为50mm，则其中误差mQ=25mm。n=25/4.8=5.2mm从而可以求得每道工序的测量中误差：mq1=5.2mm mq2=15.6mm mq3=15.6mm mq4=10.4mm,（2）高程测量误差分配,高程测量的误差计算公式为：mH2=mh12+mh22+mh32+mh42式中：mh1：地面高程控制测量中误差；mh2：竖井传递高程的测量中误差；mh3：盾构机姿态高程测量中误差；mh4：地下水准路线测量中误差；mH：区间隧道高程贯通测量中误差。根据地铁测量的经验，高程测量误差采用不等精度分配取值如下：mh1=14mm mh2=10mm mh3=10mm mh4=14mm代入式中得mH=24.3mm25mm,总结:,按上述分配，进行平面和高程控制测量，只要把握每一环节的误差范围，都能满足本工程区间隧道的贯通测量的精度要求。,2 盾构隧道施工地面控制测量的研究与应用,平面控制网测量,高程控制网测量,地面控制测量,2.1 地面平面控制网的布置,盾构机从白湖亭站南端头井出发在葫芦阵站北端头井贯通，盾构隧道掘进示意图如图1,我们根据业主给的福州地铁一号线的GPS导线点和一级导线控制网，在我们分别在白湖亭站始发井和葫芦阵站接收井近井位置设置我们需要往井下传递的导线点，在始发竖井、接收竖井附近各布设4个近井导线点，其中两个点作为坐标起算和起始方向，另两个点作检核方向。盾构施工导线平面控制网，起算于福州地铁1号线首级GPS控制网和一级导线控制网，采用规范规定的四等技术要求进行观测。,盾构隧道掘进示意图,2.2 地面高程控制网的布设,为了方便地下盾构隧道施工及地面的变形监测，在线路沿线布设一条二等加密水准线路，采取往返等距二等水准的施测方法观测，往返闭合差不大于8L1/2，（L为单程水准线路长度，以千米计）。,2.3 地面控制测量实施,根据现场情况，利用业主交给的GPS点和一级精密导线网经复测后，再延伸到每个竖井近井点。延伸的近井导线点必须要满足下一道测量工序的需要，选点的位置必须要保证在现场不被破坏和扰动。下图为福州地铁1号线白湖亭站地面控制网布设形式：,图1 大塘站地面控制网布设示意图,图 白湖亭站地面控制网布设示意图,2.4 竖井联系测量,竖井联系测量是隧道贯通中的一个重要环节，它主要是将地表的平面及高程，通过井筒传至地下导线点及水准点，使洞内、外形成统一的空间坐标系统，以便确定隧道中线的空间位置。因此，竖井联系测量的内容包括：a.投点：将井口点位投影至井底，以便传算坐标和方位；b.定向：将井上定向边的方位角按同一坐标系统传递井下的定向边，以便推算井下导线的起始坐标和方位；c.导高：将井上水准点的高程按同一高程系统传递到井下。,（1）竖井定向方法,根据地下铁道测量的精度等级要求和现有测量仪器的情况，我们在实际工作中利用现有的仪器和现有的条件制定了我们的测量方法，经过分析我们的区间线路最长长度只有1083m，用传统的联系测量方法就能满足我们的精度要求。,（2）竖井联系测量的要求,a.在进行联系测量前，须制定测量方案，根据地面控制测量，建立近井点平面控制和高程控制，在井底车场稳固的地面埋设不小于三个永久导线点和水准点，也可用永久导线点作为水准点。b.联系测量在同阶段、同时期应至少独立进行两次，在互差不超过限差时，取加权或算术平均值。其精度应符合规范要求。c.每次联系测量前，应对近井平面控制点和水准点进行检测，在证实点位没有移动的情况下，才能进行联系测量。d.联系测量方案应根据仪器设备、技术水平及工程情况选定。其基本原则是在满足测量精度的条件下，最大限度的提高工效，优先选用新技术。凡井深大于40m时，应根据横向及高程贯通精度要求进行竖井联系测量技术设计。,（3）竖井联系测量坐标和方位角传递选用的方法：,a.坐标和方位角传递选用下列方法：当井筒不太深（100m以内），井筒直径较大时，可采用联系三角形测量法：当两井间已贯通，可采用两井定向法。,b.高程的传递方法有：井深在40m以内，可以采用钢丝导入法或长钢尺导入法；超过40m，宜采用光电测距法。经确定，白湖亭站联系测量坐标定向采用两井定向方法，高程传递采用长钢尺导入法。,（4）平面联系测量步骤如下:,1、采用地面上的精密导线点，来测量近井点的坐标，按精密导线同等精度来测量近井点坐标，进行两井定向的测量。在车站两端头预留的始发井口处各挂一根钢丝（在通视等条件允许的情况下，可在两个预留井口各挂两根钢丝来加强传点精度），同时测定地下起始边的方位角。近井点应与精密导线点构闭合图形。2、按联系三角形测量的技术要求进行测量，使用LeicaTS02型全站仪（标称精度：测角2、测距2+2ppm）角度观测6个测回，距离测量在钢丝上贴反射片测量4测回，每测回间较差不大于2mm。每次定向应独立进行三次，推算出来的地下起始边方位角的较差应12，方位角平均值中误差8,3、在条件允许的情况下，在车站底板上最好投四个点，保证始发井两端附近都各有两个平面控制点，且尽量保证每次联系测量投点时都投在这四个点上，以便取多次联系测量的加权平均值做为最终的始发控制点坐标。,（5）高程传递测量,联系高程测量主要内容是将地面的高程系统传入井下的高程起算点上。用悬挂钢尺的办法，钢尺需经检定合格，在地面上选好挂钢尺的固定位置系好钢尺，在钢尺的下端挂上钢尺在检定时的标准拉力的重物，井上和井下各安置一台水准仪同时读取在钢尺上的读数。在进行高程传递的过程中每测回均独立观测，测回间应变动仪器高度不小于20cm，每次应观测三测回，三测回测得地上和地下的高程之差不大于3mm。三测回测定的高差应加入钢尺的温度和尺长改正，考虑到本标段两个车站挖深均在20m左右，故自重伸长改正可不考虑。,高程传递示意图,小总结：,经过理论探讨和实践证实：地铁区间线路较短，用联系测量的方法传递方位角和高程可满足我盾构施工贯通精度的需要，是一种较好的竖井定向方法，不仅提高了定向精度和定向的可靠程度，而且大大减少了定向时由于误操作造成的返工，提高了工作效率。,3 地下控制测量,在隧道掘进150m、隧道全长的300400m时、接近贯通面150200 m时必须进行一次包括联系测量在内的地下导线全面复测。a、隧道洞内导线控制测量按城市轨道交通工程平面控制网的二等网技术要求施测。测角中误差m=2.5，导线角度观测6测回，边长往返观测各2个测回，边长往返平均值较差4mm，导线测角中误差2.5，测距角中误差3mm。b、使用莱卡 TS02全站仪（标称精度2，2+2ppm）进行施测，为了减少仪器的对中误差，导线点采用观测桩强制对中；或在每两测回间采取变换棱镜120方向对中置平（即一个测站上六个测回共变换三次，刚好旋转360）。,3.1导线控制测量,c、控制网按照城市轨道交通工程平面控制网的二等网技术要求进行施测，角度测量6测回，边长对向观测2测回，边长测距较差4mm，测角中误差2.5。d、测量方法：前后视点均采用基座置棱镜对点，用Leica TS02全站仪（标称精度：测角2，测距2+2ppm）观测6个测回，左、右角各三测回，左、右角平均值之和与360的差4，导线边长采取对向观测各2测回。e、内业资料处理用严密平差提高精度。,3.2高程控制测量,隧道高程起算点为高程联系测量至车站结构底板的水准点（起算水准点至少2个，便于检校、复核），由于结构刚刚竣工正处于沉降观测期间，所以水准点应定期检测，在隧道掘进至150m和300400m以及接近贯通面150200 m时必须进行包括高程联系测量在内的全面复测。,a、地下水准点的布设因环境条件狭小，运输车辆干扰大，因此水准点的布设与导线点重合，导线点的钢筋头打磨成半圆球形，便于水准标尺的设立。b、地下水准控制点用Leica NA2水准仪配套铟瓦尺进行施测，按照城市轨道交通工程水准控制网的二等水准网标准进行控制。c、洞内水准点每大概160m布设一个点，测量精度指标要求：每千米全中误差4mm/km，往返观测高差的较差8L，L为往返测段的水准路线长度。,4 盾构姿态测量,4.1 盾构施工自动导向测量（1）自动导向系统的作用与优势 盾构施工之前首先要将测量控制点从地面引到井下地板上,检查好洞门的位置,调试好盾构机始发托架,确保盾构机始发前定位的准确性。盾构机掘进过程中的姿态控制是盾构法施工中控制隧道精度的关键，也是盾构施工操作水平的主要反映。因此，测量人员需要实时为盾构机操作手提供盾构机偏离隧道设计中线的数值及盾构机自身的仰俯、旋转和偏航情况，作为纠编的依据，以确保运动中的盾构机始终被控制在理想的偏差范围之内。,福州地铁八标盾构采用德国VMT公司生产的SLS-T自动导向系统进行控制，该系统是目前世界上在地铁盾构法施工领域最为先进的隧道掘进机自动导向系统。加强了施工过程中的管理水平和提高工程自动化控制程度，减轻了人工测量的劳动强度，提高盾构施工的速度，其主要目的就是为了确定各相关点的坐标，通过系统在盾构机操作室的电脑上显示前后参考点的水平和垂直偏离值、里程。使用该系统可以满足盾构法施工测量的需要。SLS-T目前作为国际最先进的盾构测量导向系统，同人工逐环测量导向系统及陀螺加机械装置等方法相比较，主要有以下优点：,a.可以显示盾构机的行进曲线（相对DTA）；实时显示盾构机的位置坐标和相对偏差；实时显示盾构机的俯仰和旋转姿态，可实现远程控制。b.测量复核的频率低。c.工作量相对小,施工过程中的导向测量需要人员少。d.施工控制方便，精度高。e.结合导向功能，实现在管片的拼装和管片环测量方面的应用。,（2）自动导向系统的组成及各部件的功能SLS-T自动掘进导向系统主要由以下部件组成：a:激光全站仪测量角度及距离。,b:电子激光接收靶接收激光全站仪的激光，通过其可测出盾构机的俯仰和旋转姿态。,电子激光接收靶,c:后视棱镜为导向系统提供后视点。,后视棱镜,d:黄盒子 给激光全站仪提供电源，同时也实现PC机和激光全站仪之间的通信。e:电脑,电脑显示器,f:网卡g:电缆卷盘此外要实现该系统的功能，相关联的部件和软件还有：盾构机掘进系统的PLC，要实现一些附加功能的部件如自动测量盾尾间隙的部件、要实现管片环收敛等量测的部件等，隧道掘进软件等。,整个系统的组成情况及各个部件之间的相互关联如图所示：,系统相互关联图,（3）自动导向系统的工作原理,SLS-T导向系统通过人工提供相关坐标，由激光全站仪实时测量盾构机姿态，实现控制盾构掘进姿态的目的。工作原理主要包括人工提供初始坐标和导向系统的建立、盾构施工中的导向作业及数据的处理这几个方面。,初始坐标的取得和导向系统的建立 将地面控制点通过联系测量引至始发竖井内，并以此作为洞内控制测量的依据，也是盾构机自动导向测量的依据。导向测量系统激光全站仪及后视点的初始坐标都是通过人工测量在竖井内控制点的基础上测得的，并输入到计算机中，作为下步施工中盾构机位置及姿态控制的基础，盾构掘进过程中导向测量通过吊篮上的强制对中点传递坐标，并通过洞内导线点对吊篮坐标进行复核，减少误差，确保精度。,安放激光全站仪和后视棱镜的吊篮设置在已安装的管片上，安装吊篮时可利用水平尺使其基本保持水平，并安置牢固。受电缆线及线路曲线的制约，激光全站仪往往需靠前一些，根据长期以来对客大区间管片上浮偏移的统计，激光站可安放在25环以后比较稳定的管片上，确需再靠前安放在尚未稳定的管片上，要特别注意导向系统方位检查的情况，一旦超限，要立即检查原因或进行激光站复测。,盾构掘进中的导向测量 盾构机掘进过程中，安装在盾构机上的电子激光接收靶（ELS靶）不断向前移动，安装在盾构机后方已完成的隧道顶部的激光全站仪发出的激光光束自动跟踪并射在ELS靶上。激光全站仪的坐标由人工给定并提前输入电脑，系统可根据激光入射点在光靶上的位置、角度和距离推算出盾构机前后参考点与线路中线的偏移值，由光靶内内置的倾斜仪可测出盾构机的转角和俯仰角，从而得出盾构机的姿态参数。以图文的形式在操作控制室内显示出来，以指导盾构机的掘进施工。受导向系统电缆长度的影响，需每隔50米左右对激光站及后视靶的位置进行人工前移一次。,对盾构机自动导向系统调试 为了控制盾构机自动导向系统的精度，确保隧道的准确贯通，需定期利用洞内的控制导线，来较核和调整激光全站仪的坐标及人工测定盾构机的位置与SLS-T自动导向系统显示的盾构机的位置是否一致，而对盾构机自动导向系统进行调试。调试工作主要是确保测量控制点稳定、可靠，避免因吊篮控制点位移或导向系统本身的误差引起偏差。,4.2 盾构机的人工复核测量,准确测定盾构机姿态是确保隧道贯通的重要环节。虽然盾构机所配备的测量自动导向系统是很先进的，但是，由于制约导向装置本身精度的主客观因素很多，导向装置提供的数据往往精度不高、数据不可靠。为了使SLS-T系统测出的盾构机姿态精准、可靠，我们必须依靠人工测量方法对盾构机导向系统进行检核，对盾构机姿态进行检核测量。,（1）人工复核的计算原理和方法盾构机的主体和盾尾之间是由铰接连在一起，所以主体和盾尾不一定在同一状态，要想测出盾构机姿态所利用的空间很少。由于这些客观条件的制约，要利用人工测出盾构机的姿态有一定的难度，人工测量盾构机姿态是利用对盾构机盾尾的一些固定点位的测设,通过人工计算，得出盾构机相关的姿态参数，但计算比较繁琐。可以借助于AutoCAD工程绘图软件进行坐标转换，使计算过程简单明了。,盾构机制造时，在盾尾视线较好的位置选择了许多测量点，并精确测得以前参考点为原点的各点的三维坐标做为初始坐标。通过人工测量，可测得其中任意三点在大地坐标系中的三维坐标。利用AutoCAD提供的ALGIN命令将这三点及盾构机前后参考点的出厂初始坐标转换为掘进中的大地坐标。各参数的计算也借助AutoCAD软件，方法如下（客大盾构区间采用的盾构机前后参考点的设计距离为3.9303m）：,a.前后参考点与隧道中心线的水平、垂直偏离值可直接从转换过来的前后参考点实测坐标向设计隧道中心线做垂线，list命令分别显示出两段垂线的属性，X和Z方向的值就是偏离中心线的水平和垂直数值。b.实测里程就是前参考点向隧道设计中心线所做垂足处的里程。c.偏航角=（前参考点的水平偏移值-后参考点的水平偏移值）/3.9303m。d.机体旋转角=（所测的三点中任意两点实测高程之差-该两点设计高程之差）/该两点的三维距离e.仰俯角=（前参考点的实测高程-后参考点的实测高程）/3.9303m.通过以上计算，便可得出盾构机的姿态，与SLS-T导向系统进行比较，我们确保每周人工测量一次盾构机姿态,其计算结果与SLS-T导向系统所测的结果一致。实践证明我们所采取的方法和措施是方便可行的。,（2）人工测量盾构机姿态的具体操作根据“海峡一号”盾构机的构造，在管片拼装机侧面的爬梯顶部安设一个固定点，作为测量的转点。盾构机的人工姿态测量必须在盾构机停止的状态下进行。测量人员利用激光站和后视靶所提供的坐标，测出转点的三维坐标，再将转点与激光站作为初始边，测出在转点处观测视线较好的三个测点，记录其三维坐标，作为内业计算的依据。,4.3 管片环姿态测量,管片环姿态测量主要是测定管片环安装位置是否符合设计要求。自动导向系统的管片环测量一般和盾构机姿态测量同时进行，其所测的管片环状态为管片环背后未注浆前的瞬间状态，随着注浆压力和围岩应力对管片环的作用，管片环的空间位置将发生变化，需要人工进行复核测量，为掘进过程中管片上浮提供依据。客大盾构区间每拼装5环，就逐环测量一次，确认已稳定的管片环可不进行重复测量。方法是利用全站仪和辅助工具测定管片环上或与管片环相关的一些特征点，从而通过几何计算确定管片环安装位置的正确性，衬砌管片环测量内容包括：环中心偏差、环的椭圆度、环的高程和坡度、环两侧纵向超前量以及环的横向旋转等，其中环中心偏差是管片环姿态最主要的控制参数，广州地铁测量规范规定，环中心偏差应控制在5cm以内。,图9 横尺法管片环姿态测量,根据管片测量实践，我们认为横尺法测量管片环姿态方便快捷。即在横尺上找到一个与管片中心有一相对关系的点，利用全站仪测定其坐标，根据该点与环中心的相对关系，推算出环中心的坐标，再与设计坐标相比，即可得出环中心偏差值。,5 接收井门洞中心位置的确定,在接收井葫芦阵站进行联系测量，根据所测井下的控制点及高程，再运用管片测量方法，求得洞门钢环中心的三维坐标（x,y,z）。,七 贯通测量实际偏差,利用吊出井贯通面两侧的平面和高程控制点进行隧道的纵向、横向和方位角贯通误差测量以及高程贯通误差测量。其中平面贯通误差的测量利用两侧控制导线测定贯通面上同一临时点的坐标闭合差确定，把闭合差分别投影到线路中线以及线路中线的法线方向上；方位角贯通误差利用两侧控制导线与贯通面相邻的同一导线边的方位角较差确定；高程贯通测量由两侧控制水准点测定贯通面附近同一水准点的高差较差确定。其限差应符合横向50mm、纵向50mm、高程25mm。,当盾构机出洞时，将切口中心三维坐标与洞门钢环中心坐标相比较，求出差值，即得到盾构贯通实际偏差。,结束语,盾构施工测量工作，是盾构机的眼睛，是否能让一条隧道精确的贯通，是测量的关键，因此从事地下工程测量工作的各位同仁，在施工过程中严格把关，共同努力，才能使误差尽可能减小，使隧道更好的贯通。,