盾构施工测量技术

盾构施工测量技术

一、引 言

盾构施工技术以其安全高效、可穿越复杂地层的特点,在地铁、大型引水工程及城市市政建设中被广泛应用，盾构施工采用的工艺不同于传统施工方法,因此其测量手段与传统测量手段既紧密联系又有很多不同。盾构法施工中所采用的有效合理的测量措施,是确保工程施工安全、高效的重要保障。为适应公司快速发展及精细化管理的迫切需求，公司整合相关施工经验，编制盾构施工测量技术，希望能为相关工程提供借鉴。

二、盾构施工测量质量管理目标和质量指标

（一）盾构施工测量质量管理目标是确保在线路上不产生因施工测量超差而引起修改线路设计从而降低行车运营标准。

（二）质量指标为在任何贯通面上，暗、明挖隧道横向贯通中误差小于±50mm，高程贯通中误差小于±25mm。

三、盾构施工测量主要内容

（一）盾构始发前阶段测量工作主要分为：工程交接桩、地面控制网复测、测量及监测方案编制、始发前联系测量、始发洞门环复测、始发托架、反力架定位、导向系统安装等。

1、工程交接桩 交接桩由业主主持，监理及承包商参

加，各方签署交接桩记录（按业主下发表格执行），交接桩点位与相邻标段应至少保证有两个共用点位。

2、地面控制网复测 施测使用仪器设备需保证其各项

误差达到精度指标，施测人员应根据气压、温度等地域环境条件对仪器设备参数进行重置，长距离测边时建议进行高斯投影改正，地面控制网复测成果应满足相关规范要求。

3、测量及监测方案编制 开工前需根据工程特点编制

本工程测量、监测方案，并报监理审查同意后报业主批准执行，技术部分要求合理，有针对性、可操作性，重点应放在保证空间位置正确、与相邻工程的衔接等方面。

4、始发前联系测量 始发前须将经复测合格后的地面

平面、高程控制网传递至井下，做为地下控制测量依据，并报监理、业主复测审核。联系测量应根据实际条件因素选择合理的测量方法，平面控制网宜采用直接传递法、两井定向法、联系三角形法、陀螺经纬仪铅锤仪（钢丝）组合法、投点定向法等，高程控制网宜采用悬挂钢尺法。基坑长度大于100m且具备直接通视条件时（垂直角应小于30°），建议采用直接传递法；不具备直接通视条件且基坑长度大于40m时建议采用两井定向法；基坑长度小于40m时建议采用联系三角形法（即一井定向法）；陀螺经纬仪铅锤仪（钢丝）组合法及投点定向法建议结合其它测量方法共同施测。联系测量控制标准应满足各项规范要求。

5、始发洞门环复测 始发前应测定洞门环的空间位置、

垂直度及椭圆率等情况，宜通过测量洞门环板内圆的三维坐标进行计算，圆周测量应不少于8个点位且平均分布。

6、始发托架、反力架定位 盾构机初始状态主要取决

于始发托架及反力架的安装情况，固应根据实际情况对盾构机始发轴线进行合理的研究后确定。盾构机在直线段始发时可根据洞门环偏差情况确定始发轴线，根据0环位置推算出反力架里程，始发轴线宜平行于线路轴线且两轴线较差小于50mm。盾构机在曲线段始发时宜采用切线或割线始发法，应保证盾构机直线进洞后盾头与设计轴线偏差及盾尾在洞门环处与设计轴线偏差相对适宜且满足规范要求，同时应考虑车站内净空等条件是否满足需要。小半径曲线始发段或其它特殊条件下可根据实际情况报监理、业主在基坑施工时对洞门环净空或位置进行适当调整。

盾构机曲线段切线、割线始发示意图

由于始发托架存在加工误差和多次使用后的变形误差，固始发托架安装前需进行试拼以对其实际状态进行测量，以实际测量尺寸数据计算其相应的定位数据。反力架安装应保证其空间位置及垂直度均满足相应规范要求。

7、导向系统安装 盾构机自动导向系统通过运用测量原理，结合仿真技术，可将在土层中向前掘进的盾构机模拟成清晰可见的图形型式，并辅以文字标识，实时展现在盾构机操作手面前，以达到对盾构机掘进姿态实时监测的目的。现行主要使用的有激光导向系统和多棱镜导向系统，由于其不同的开发模式及较快的改进和完善速度，固要求一线操作人员需对自动导向系统工作原理、计算方法、操作流程、注意事项全面掌握后方可使用。

7.1、德国VMT自动导向系统为主要使用的激光导向系统，其工作原理为：由全站仪发射出一束可见的红色激光束照射到ELS靶面板中心位置，光束相对于ELS靶的位置通过ELS靶上小棱镜精确测定，水平角由全站仪照射到ELS靶的入射角决定的，ELS靶内部安装的双轴传感器来测定ELS靶的上下、左右倾角和入射点相对于ELS靶的中心线的旋转角，再通过ELS靶中心和盾构机轴线的平面几何关系,可得出盾构机轴线，与输入隧道掘进软件的设计中心线比较,即显示出盾构机与隧道设计中心线的关系。

VMT掘进软件输入的数据参数将直接影响盾构机姿态

显示信息的准确性，测量人员应反复核对后予以正确处理。盾构机机体结构参数为固定值且每台盾构机均不同，应根据盾构机图纸予以确定，可与初始数据夹或VMT公司备份文件核对。软件中DTA为设计轴线编辑功能，其数据为盾构机掘进提供方向依据，数据输入错误会致使盾构机按错误的方向掘进。为盾构施工测量质量事故重大风险源，应执行严格的复核程序，需按公司测量管理办法相关规定报公司测量工程师审核，按业主相关规定报监理及业主工程师审核，以保证其数据准确无误。其数据输入信息如下：

初始值栏：

里程：隧道设计轴线上起算点里程，小里程至大里程掘进时 为正值，反之为负值

东向：起算点Y坐标

北向：起算点X坐标

标高：起算点高程值(起算点在平面及垂直面中均需为直线 段点位）

水平角：起算直线段平面方位角，单位为gon，360°=400gon

垂直角：起算直线段垂直角，垂直角=（90°±坡度）/360*400 ，水平方向为90°，单位为gon，360°=400gon

DTA水平元素栏：为平面数据输入栏，可插入直线、缓和曲 线及圆曲线元素

长度：线性长度，按图纸数据输入

角偏差：用于修正DTA主要点间角度转换使用，一般无需考

虑

偏差：由于曲线段存在外轨超高值，固存在线路轴线与隧道 轴线的偏差，地铁正线隧道曲线段应输入其偏差值， 其输入格式为起始缓和曲线起点偏差值为0，圆曲线 起点偏差为偏差值，结束缓和曲线起点为偏差值（按 掘进方向曲线左转为负值，曲线右转为正直）

半径：圆曲线段输入（按掘进方向曲线左转为负值，曲线右 转为正直）

弯曲：缓和曲线段输入（按掘进方向确定其向左、向右） DTA垂直元素栏：为垂直数据输入栏，可插入直线及圆曲线

元素，输入方式同DTA水平元素，半径输 入原则为凸曲线为负值，凹曲线为正值 曲线信息输入完毕后点击“创建DTA”，可在“经创建的关键点”、“经创建的中间点”中查询核对计算结果。

7.2、ROBOTEC（演算工房）导向系统为主要使用的多棱镜导向系统。其原理为利用全站仪自动搜索盾构机内固定安装的三个反射棱镜，对棱镜位置分别测量，然后根据三个棱镜与盾构机中心的相对位置来计算盾构机切口中心和盾尾中心的坐标，以此实现盾构机掘进方向的检测。

演算工房导向系统设计轴线数据可将计算好的轴线坐标用.csv文件方式通过enzan里面的Senkei.exe中转换为系统默认的PinDvlp.csv文件后复制到Mesu里面重启即可。

由于演算工房导向系统三个测量棱镜固定位置存在被碰撞可能性，固应定时对盾构机姿态进行人工测量复核。其人工测量姿态采用平尺法推算，精度受测量条件影响较大，建议人工姿态测量参考VMT导向系统固定参考点复核方式。

导向系统安装完成后应将其设计轴线三维坐标及人工姿态测量复核数据上报监理及业主审核无误后方可使用。

（二）掘进施工阶段测量工作主要分为：管片姿态测量、盾构机姿态人工测量、导向系统换站测量、始发后联系测量等。

1、管片姿态测量 管片姿态测量主要目的为检查成型

隧道空间位置偏差及复核盾构机导向系统准确性。现行主要采用平尺法推算其管片中心左右及垂直偏差，测量方法假设管片为标准圆计算，固需管片姿态准确数据时应通过管片椭圆率予以修正。日常管片测量工作时，应与上次测量范围重叠测量10环以上管片，以检查管片位移情况。

2、盾构机姿态人工测量 在实际施工中常用的盾构机姿态人工测量方法有平尺法及三点法。平尺法基本原理为：测量盾构机中水平摆放的标尺中心处的坐标,根据盾构机组装时确定的几何关系推算盾构机前后胴体中心坐标,与隧道设计轴线比较即可得到偏差。三点法基本原理为:在盾构机组装阶段在盾构机内的合适部位均匀焊接上螺母,将棱镜(或者反射片)固定于螺母上作为盾构机姿态参考点。在盾构机组装阶段建立独立控制网,测得参考点与盾构机前后胴体中心的几何关系,在施工测量中只需测得参考点中的任意三点坐标,根据已有的几何关系就可以得到盾构机前体前后圆心中心坐标，为提高测量精度实际测设中应测量多组点位加以复核。盾构机姿态人工测量应在始发前、贯通前各复核一次，并上报监理相关数据资料，在正常情况下应根据设备稳定性及实际情况在掘进中定期对其检核。

3、导向系统换站测量 导向系统全站仪架设于固定在管片上的托架，随着盾构机掘进不能与固定在盾构机上的激光靶通视时需向前方移动并人工测定其托架三维坐标。导向

系统全站仪受管片位移或震动影响，会产生一定的测量误差，为保证导向系统测量精度在施工中应遵循管片震动较大时及时调校全站仪整平、管片易产生位移段及时复测校核全站仪托架三维坐标、不连续使用导向系统自动移站功能、每次移站重叠测量一个托架原则。

4、始发后联系测量 始发后联系测量宜在隧道掘进至100m、300m以及距贯通面100~200m时分别进行一次，当地下起始边方位角较差小于12"时，可取各次测量成果的平均值作为后续测量的起算数据。可根据隧道长度适当调整联系测量时机，如隧道长度超过1500m时应增加联系测量次数并增加陀螺定向等其他高精度测量方法加以校核。

地下起始边为洞内导线控制网起算依据，要求保护完好，以保证可采集连续性数据，为贯通测量做好数据分析依据，洞内导线控制网建议采用往返测或闭合导线形式施测，以消除由仪器测角引起的固定系统误差。

（三）贯通测量阶段工作主要分为：贯通前联系测量、盾构机姿态人工复核、贯通洞门复测、接收托架定位等。

1、贯通前联系测量 贯通前联系测量单次测量结果不做为指导隧道贯通依据。地下起始边方位数据应结合多单位、多次联系测量成果采用平均值、加权平均值或其它合理平差方法计算，洞内导线精度需采用近期多次测量结果评定，由于管片可能存在位移影响，固洞内导线精度评定时应

经重新复测确认后剔除异常数据。隧道长度超过1500m时应加测陀螺定向等高精度测量方法提高贯通精度，宜在隧道800m后独立施测2次以上，施测标准按相关规范严格执行，施测结果应综合全站仪测量数据共同平差。

2、盾构机姿态人工复测 贯通前盾构机姿态人工复测结果较差大于10mm时，应经多次复测后进行调校，确定盾构机贯通姿态时应予以考虑。

3、贯通洞门复测 贯通洞门复测要求与始发端建立统一精度控制网系统，须将始发端精度传递至贯通洞门，以减弱盾构机洞内定位与贯通洞门测量引起的系统较差。洞门测量要求测量环板内圆的三维坐标进行计算，圆周测量应不少于8个点位且平均分布。

4、接收托架定位 直线贯通段接收托架位置应综合考虑贯通误差数据确定是否按设计轴线定位，曲线贯通段接收托架位置应综合考虑贯通误差数据后按盾构机延伸直线定位。

（四）贯通后阶段测量工作主要分为：贯通测量、断面测量等。

1、贯通测量 贯通测量包括贯通点测量和贯通导线测量，利用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为贯通点测量。在隧道贯通面处，采用坐标法从两端测定同一贯通

点，并归算到预留洞门的断面和中线上，求得其横向贯通误差和纵向贯通误差，横向允许误差为±50mm，纵向允许贯通误差为25mm。

贯通导线测量应利用始发端与贯通端控制点位对区间控制点位重新测量并平差，将新成果作为净空测量起始依据，并报监理工程师审查批准后方可使用。

2、断面测量 断面测量按业主布点及测设要求执行，因测量数据繁多，为避免错误数据，要求施测人员规划清晰、高效、合理便捷的点位标识、数据采集及数据处理方法。