隧道洞身开挖施工放样方法探讨
摘要:文中以广梧高速公路石牙山隧道洞身开挖施工放样为实例,介绍了现阶段隧道洞身开挖的三种不同测量放样方法,并分别通过对这三种不同放样方法所耗费的时间、人工、机械以及放样误差等方面的对比,总结了利用拓普康GPT―7000全站仪放样的免棱镜全断面放样法所具有的卓越性能。 关键词:隧道施工 开挖控制 放样方法 1工程概况 石牙山隧道属广梧高速公路河口至双凤段第五合同段,位于云安县境内,设计左线隧道里程LK53+366.16~LK57+922.07,长4555.91m,右线隧道里程RK53+344.16~RK57+950.61,长4606.45m。本工程为特长隧道,设计为分离式双洞四车道,左、右线间距约40m,设计行车速度为80km/h,采用复合式衬砌,初期支护为锚喷支护、二次衬砌为模筑混凝土曲墙式衬砌。建筑限界净高5m,洞内行车道宽度7.5m,两侧设路缘带。 2施工方法 结合目前国内、外公路、铁路、矿山等隧道洞身开挖的经验和方法,我们根据不同地质情况采用不同的洞身开挖方法: 洞口浅埋地段和Ⅴ级围岩地段,采用留核心土环形上、下台阶开挖法。即全断面分上、中、下三级台阶分段掘进,上台阶掘进一段距离后再进行第二级台阶的掘进,然后是第三级台阶仰拱部分的掘进。三级台阶的掘进过程中要始终保持一定的距离,并预留核心土。下图中标识的②、④部分为核心土区域。中间竖线表示当分台阶掘进仍不能满足围岩稳定时,第二、三级台阶可再分左、右两部分分别掘进。 3测量放样 测量放样的主要作用是通过测量仪器在施工掌子面上放出开挖轮廓线或周边眼轮廓线,开挖轮廓线是以开挖断面中心点为圆心、以设计净空半径+二次衬砌厚度+初期支护厚度+预留沉落量+施工误差的和为半径的圆弧线。现阶段常用的开挖轮廓线放样的方法主要有:开挖面中心点坐标法和开挖面中轴线法。随道测量技术和测量设备的进步,出现了一种全新的轮廓线放样方法:免棱镜全断面法。下面是几种测量放样方法的介绍和总结: 3.1开挖面中心点坐标法 这种放样方法的基本原理是先用测量仪器测量出开挖面的大致桩号,并放出该桩号的开挖面中心点坐标,再以开挖面中心点为圆心、以开挖面轮廓半径为半径,在开挖面上画出的圆弧线即为开挖面轮廓线。 如果说上述误差在隧道开挖施工中还能做为允许误差的话,那么,在以隧道中心点为圆心画出开挖轮廓线时产生的误差就不能简单做为误差处理了。由于以隧道中心点为圆心画出开挖轮廓线是基于开挖面是一个完全垂直于隧道中线的垂直平面的,而上面提到开挖平面偏差可能达1m以上,实际放样轮廓线投影到设计开挖面后就产生了投影误差,以石牙山隧道二衬半径576cm为例,实际产生的误差达:576-(5762-1002)0.5=9cm,且隧道半径越大、开挖面偏差越大,产生的误差也就越大。误差分析如下图: 如上图,在留核心土环形上、下台阶开挖法中的上台阶开挖中,位于下台阶内的隧道中心点还没有开挖出来,无法对隧道中心点进行放样,自然也就无法采用这种放样方法进行测量放样。这就需要下面的放样方法进行铺助放样。 3.2开挖面中轴线法 这种放样方法的基本原理是先用测量仪器测量出开挖面顶部和底部的大致桩号,并分别放出开挖面顶部桩号的中线顶点坐标和底部桩号的中线低点坐标;再将两点连线,并从顶点开始以0.5m为单位将连线分成若干等份(分段长度可根据实际需要确定);经过各等分点画水平线,并以等分点为起点分别在水平线两端量取长度为L的线段,这里的L=(R2-(R-0.5n)2)0.5,R为开挖半径,n为从顶点开始的第n个等分点;在开挖面上逐个连接各线段外端点,其连线即为开挖面轮廓线。放样原理如下图: 这种放样方法叙述起来好像比较复杂,其实在实际放样过程中也是比较省时、省力的。因为这种放样方法也只需用仪器放出隧道中线的上、下两个点,剩下的工作是通过人工在两点间进行连线和划分线段,然后以各等分点为中点、并通过等分点量取2L长度,量出的各线段的端点连线即为放样轮廓线。放样过程比前一种方法多了一道工序,整个放样过程耗时约25min左右的时间,加对点、放点、观测、记录的所有相关技术人员也只用4~5个人。 前面介绍了上一种放样方法因隧道开挖掌子面是一个非常不规则的“平面”,在以隧道中心点为圆心画出开挖轮廓线时会产生很大的误差。同样,在我们以等分点为中点并通过等分点水平量取2L长度时,也存在类似的误差:L-(L2-1002)0.5,且这里的L越小,产生的误差比越大。如下图: 以上两放样方法都存在较大误差,较有测量经验的技术人员会在可能产生较大误差处进行适当的调整。但这种误差属系统误差,且放样值比设计值永远偏小,不能完全消除,造成欠挖。往往在开挖完成后,需要对欠挖部分洞身进行补挖,而补挖控制不好反而又会造成超挖,非常不利于成本控制。下面介绍的第三种放样方法则很好的解决了这方面的误差。 3.3免棱镜全断面法 需要说明的是免棱镜全断面法是本人在此暂时冠名,实际还没有此专业技术名词,这种放样方法的基本原理是利用拓普康GPT―7000全站仪的免棱镜激光测量功能和强大的数据处理软件对每一个放样点进行反复地计算、放样、测量,并使放样结果无限接近设计值。 用拓普康GPT―7000全站仪进行免棱镜全断面放样法的具体操作步骤是:1、将隧道所有曲线要素(包括平曲线和竖曲线)、隧道开挖断面要素(包括隧道轮廓线的各种半径和相应的圆心位置)等输入测量仪器;2、测量技术人员在完成建站后根据需要确定开挖轮廓线的放样点数,并将点数输入仪器;3、测量仪器会自动将设计开挖轮廓线分成相同数量等距轮廓点,并按顺序编号;4、输入想要放样的轮廓点编号,将仪器对准开挖面的任一点并测量;5、测量仪器会通过发射激光和接收反向射测出该点所处横断面的桩号,并计算出到该断面上想要放样的轮廓点,仪器需要转动的角度(测量过程为免棱镜状态);6、按计算结果将仪器转动至相应位置并再测量(由于计算结果是基于断面为完全平面而得出,与实际相差较大。为取得较快的测量速度,经验是转动计算值的2/3较为合适);7、重复5、6项操作,直至仪器计算结果满足允许误差要求;8、输入想要放样的第二个轮廓点,重复操作5、6项直到放样结束。 由于这种放样方法会对每一放样点进行测量并计算相应误差,所以其放样误差可精确至5mm以下,不再存在因测量误差而产生的超、欠挖情况。不但可以补偿相对第一种测量方法所多用的时间,还可以节省在工、料、机等方面提成本。 4测量总结 利用拓普康GPT―7000全站仪放样的免棱镜全断面放样法具有如下几个方面的优势: 4.1放样时间短,缩短工序循环时间 对如熟练操作者而言,整个放样过程只要约25min左右的时间,虽比第一种放样法时间稍长,但与第二种放样方法基本相当。但由于前面两种放样方法存在不可避免的系统误差,且差值偏小,很容易因测量原因造成洞身欠挖。而一次欠挖将导致增加一次工序循环,造成至少5h以上的时间损失。从这方面考虑,三种放样方法,以免棱镜全断面放样法放样时间最短,最能缩短工序循环时间。 4.2放样精度高 由于这种放样方法是对每一放样点进行测量并计算相应误差的,所以其放样误差可精确至5mm以下,与前面两种近10cm误差的放样方法,不可同日而语。这种放样误差在隧道开挖中完全可以忽略不计,即使在隧道二衬施工放样时其精度也能满足规范要求。 4.3节约施工成本 拓普康GPT―7000全站仪或有相当功能的测量仪器按现在的价格是90000元左右,而不具免棱镜激光测量的全站仪价格在60000左右,在价格上成本似乎要比前面的放样方法要高。 但放样过程中所需人员可减少1~2人,且放点工人只需将仪器投射的激光红点处标上标记既可,劳动强度大为减少。 最主要的成本节约是在前面提到过的:不再存在因测量误差而产生的超、欠挖情况。而一次欠挖将导致增加一次工序循环,造成至少5h以上的时间损失,和大量的人工、材料和机械等方面的浪费。 注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文