CN114198093B - 一种地铁盾构隧道的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例涉及一种地铁盾构隧道的测量方法，其中该方法主要包括：针对待测量的地铁盾构隧道进行打孔定向测量；采用深孔监测点对所述地铁盾构隧道对应的地层进行深层监测；基于预设的长度间隔确定所述地铁盾构隧道中的多个陀螺仪定向测量位置，并在每个所述陀螺仪定向测量位置分别执行陀螺仪定向测量。上述方式可以较好适用于长大隧道的测量。
Description
技术领域
本公开涉及隧道测量技术领域，尤其涉及一种地铁盾构隧道的测量方法。
背景技术
目前技术中，盾构施工隧道传统贯通测量距离大多2Km以内，断面以6.2m居多，因而目前的地铁盾构隧道测量技术主要适用于短距离、小断面的隧道。现在也陆续出现了诸如盾构区间单向长度大致4.04Km、8.8m断面的长大隧道，现有的地铁盾构隧道测量技术难以适用于此类长大隧道。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种地铁盾构隧道的测量方法。
本公开实施例提供了一种地铁盾构隧道的测量方法，所述方法包括：针对待测量的地铁盾构隧道进行打孔定向测量；采用深孔监测点对所述地铁盾构隧道对应的地层进行深层监测；基于预设的长度间隔确定所述地铁盾构隧道中的多个陀螺仪定向测量位置，并在每个所述陀螺仪定向测量位置分别执行陀螺仪定向测量。
可选的，所述针对待测量的地铁盾构隧道进行打孔定向测量的步骤，包括：确定待测量的地铁盾构隧道的地面垂直钻孔点位，并在所述地面垂直钻孔点位打孔；基于所述地面垂直钻孔点位进行打孔定向测量。
可选的，所述基于所述地面垂直钻孔点位进行打孔定向测量的步骤，包括：基于所述地面垂直钻孔点位进行两井定向联系测量，将地面上的坐标和坐标方位角传递到隧道内，以统一地面测量控制系统与地下测量控制系统。
可选的，所述基于所述地面垂直钻孔点位进行两井定向联系测量的步骤，包括：在所述地铁盾构隧道的始发端头井吊第一钢丝，在所述地面垂直钻孔点位的成孔位置吊第二钢丝；基于所述第一钢丝、所述第二钢丝以及导线点闭合环联方式进行两井定向联系测量。
可选的，所述基于所述第一钢丝、所述第二钢丝以及导线点闭合环联方式进行两井定向联系测量的步骤，包括：确定地面导线点和隧道内导线点；基于所述第一钢丝、所述第二钢丝、所述地面导线点、所述隧道内导线点以及导线点闭合环联方式进行两井定向联系测量。
可选的，所述采用深孔监测点对所述地铁盾构隧道对应的地层进行深层监测的步骤，包括：根据当前施工环境确定深层监测点以及每个所述深层监测点对应的深度；所述施工环境包括建构筑物、管线、区间岩层中的一种或多种；通过所述深层监测点的观测管对所述地铁盾构隧道对应的地层进行监测，以得到所述地层的沉降信息。
可选的，所述通过所述深层监测点的观测管对所述地铁盾构隧道对应的地层进行监测的步骤，包括：通过所述深层监测点的观测管对所述地铁盾构隧道对应的地层进行二等水准法监测。
可选的，所述观测管为镀锌钢管；所述观测管穿入至所述深层监测点对应的监测孔内，且所述观测管上按照指定间隔嵌套有多个中空垫片。
可选的，所述在每个所述陀螺仪定向测量位置分别执行陀螺仪定向测量的步骤，包括：对于每个所述陀螺仪定向测量位置，采用陀螺经纬仪和全站仪执行该位置的定向测量；所述定向测量包括粗略定向测量和精密定向测量。
可选的，所述全站仪设置于所述陀螺经纬仪上，所述全站仪和所述陀螺经纬仪结合形成一体化结构；所述采用陀螺经纬仪和全站仪执行该位置的定向测量的步骤，包括：通过所述陀螺经纬仪执行该位置的第一定位测量，以及通过所述全站仪执行该位置的第二定位测量；基于所述第一定位测量结果和所述第二定位测量结果，确定该位置的最终定向测量结果。
本公开实施例提供的上述技术方案，在对地铁盾构隧道进行测量时，主要采用的方式包括：针对待测量的地铁盾构隧道进行打孔定向测量；采用深孔监测点对地铁盾构隧道对应的地层进行深层监测；基于预设的长度间隔确定地铁盾构隧道中的多个陀螺仪定向测量位置，并在每个陀螺仪定向测量位置分别执行陀螺仪定向测量。通过上述打孔定向、深层检测以及陀螺定向测量的方式，可以较好适用于长大隧道的测量。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例提供的一种地铁盾构隧道的测量方法的流程示意图；
图2为本公开实施例提供的一种施工技术流程图；
图3为本公开实施例提供的一种钻孔示意图；
图4为本公开实施例提供的一种平面导线示意图；
图5为本公开实施例提供的一种隧道闭合导线示意图；
图6为本公开实施例提供的一种两井定向联系测量的平面导线布设示意图；
图7为本公开实施例提供的一种两井定向联系测量示意图；
图8为本公开实施例提供的一种观测管施工工艺示意图；
图9为本公开实施例提供的一种观测管的仰视图；
图10为本公开实施例提供的一种全站仪和陀螺经纬仪的一体化结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
考虑到现有的地铁盾构隧道测量技术大多仅适用于较短隧道，为改善此问题，本公开实施例提供了一种地铁盾构隧道的测量方法，可以有效适用于诸如城市轨道交通工程，盾构隧道长度超过2Km的长距离、8.8米大断面的施工测量、贯通测量、隧道导线测量等工程，为便于理解，详细说明如下：
图1为本公开实施例提供的一种地铁盾构隧道的测量方法的流程示意图，该方法主要包括如下步骤S102～步骤S106：
步骤S102，针对待测量的地铁盾构隧道进行打孔定向测量。
在一些实施方式中，步骤S102主要包括如下步骤：
(1)确定待测量的地铁盾构隧道的地面垂直钻孔点位，并在地面垂直钻孔点位打孔。在一些具体实施方式中，确定地面垂直钻孔点位的准则包括但不限于以下中的一种或多种：地面垂直钻孔点位与隧道的始发井相距预设距离范围、地面空旷以便于实施打孔作业、地质条件良好，打孔不会出现坍缩；诸如，假设5#联络通道钻孔位置距离始发井1510.541m，满足距离上的要求；且该联络通道上方为某大道，地面空旷，而且地质条件良好，此时则可在5#联络通道上确定地面垂直钻孔点位。
(2)基于地面垂直钻孔点位进行打孔定向测量。在具体实施时，可以基于地面垂直钻孔点位进行两井定向联系测量，将地面上的坐标和坐标方位角传递到隧道内，以统一地面测量控制系统与地下测量控制系统。
本公开实施例进一步给出了基于地面垂直钻孔点位进行两井定向联系测量的具体方式，可以首先在地铁盾构隧道的始发端头井吊第一钢丝，在地面垂直钻孔点位的成孔位置吊第二钢丝；然后基于第一钢丝、第二钢丝以及导线点闭合环联方式进行两井定向联系测量。
在基于第一钢丝、第二钢丝以及导线点闭合环联方式进行两井定向联系测量时，可以首先确定地面导线点和隧道内导线点；然后基于第一钢丝、第二钢丝、地面导线点、隧道内导线点以及导线点闭合环联方式进行两井定向联系测量。
通过上述方式，可以有效应用于诸如4.04Km等长度的长距离隧道的测量，进一步，通过合理确定地面垂直钻孔点位，以及合理利用长距离隧道的端头井，结合两井定向联系测量方法，有助于保证测量精度和可靠性，便于方便快捷地实现长距离隧道测量。
步骤S104，采用深孔监测点对地铁盾构隧道对应的地层进行深层监测。
在一些实施方式中，步骤S104主要包括如下步骤：
(1)根据当前施工环境确定深层监测点以及每个深层监测点对应的深度；施工环境包括建构筑物、管线、区间岩层中的一种或多种；
(2)通过深层监测点的观测管对地铁盾构隧道对应的地层进行监测，以得到地层的沉降信息。
具体实现时，可以通过深层监测点的观测管对地铁盾构隧道对应的地层进行二等水准法监测。在本公开实施例中，观测管为镀锌钢管；观测管穿入至深层监测点对应的监测孔内，且观测管上按照指定间隔嵌套有多个中空垫片。
通过上述方式，能够更直观、直接、精确地实时获取地表变形与深层地层数据，有助于保障隧道测量的精确性。
步骤S106，基于预设的长度间隔确定地铁盾构隧道中的多个陀螺仪定向测量位置，并在每个陀螺仪定向测量位置分别执行陀螺仪定向测量。示例性地，该长度间隔可以为800米。
对于每个陀螺仪定向测量位置，可以采用陀螺经纬仪和全站仪执行该位置的定向测量；定向测量包括粗略定向测量和精密定向测量。
在本公开实施例中，可以将全站仪设置于陀螺经纬仪上，全站仪和陀螺经纬仪结合形成一体化结构；在此基础上，采用陀螺经纬仪和全站仪执行该位置的定向测量的步骤，包括：通过陀螺经纬仪执行该位置的第一定位测量，以及通过全站仪执行该位置的第二定位测量；基于第一定位测量结果和第二定位测量结果，确定该位置的最终定向测量结果。通过陀螺经纬仪和全站仪各自的定位测量结果进行综合分析以及相互校验，进而可有效提高定位精准性。
通过上述陀螺仪定向测量方式，不受时间、环境限制，观测简单方便、效率早，保证较高的精度，尤其是在大型的贯通测量场景，利用陀螺定向能确保较高精度。进一步，通过将全站仪设置于陀螺经纬仪上，全站仪和陀螺经纬仪结合形成一体化结构，进一步提升了测量便利性和准确性。
综上所述，通过同时采用本公开实施例提供的上述打孔定向测量技术、地表深层监测技术及陀螺仪定向测量技术，可以有效应用于长大隧道测量，并能够较好地保障测量可靠性。为便于理解，在本公开实施例提供的地铁盾构隧道的测量方法的基础上，以下结合图2所示的施工技术流程图，进一步详细说明：
1，根据区间实际情况优化测量方案。
在该步骤中，可以根据实际情况预先调整并优化测量方案，可参照如下关键点实现：
(1)根据区间隧道的长度合理选择长度分割点位，在有条件的情况下，最好选择在区间隧道的中部位置。
(2)根据区间地质剖面图选择合理长度分割点位，可优先选择在粘土层及以上地层，确保钻孔的过程中地表及隧道安全可控。
(3)按照《城市轨道交通工程测量规范》的要求布设地表控制点位。
如图2所示，在对长距离地铁盾构隧道进行测量时，首先根据区间实际情况优化测量方案，之后基于该测量方案，可并行执行或者根据实际情况先后执行打孔定向流程、深层监测流程以及陀螺定向流程。结合图2，以下针对每个环节分别进行阐述。
2，钻孔施工前的准备工作。
在该步骤中，可以参照如下关键点实现：
(1)选择施工经验丰富的施工队伍，确保孔位的垂直度。
(2)根据打设点位的地理位置，提前进行围挡封闭，合理先择施工作业时间，避免扰民。
(3)材料准备充分，避免因为材料短缺导致不连续施工。
3，钻孔施工。其中，盾构区间可大于2Km，也即可适用长距离盾构隧道。
在该步骤中，可以参照如下关键点实现：
(1)施工放样，具体可根据优化后的方案进行准确放样定位。
(2)钻孔施工，根据地质条件情况进行钻孔，并进行注浆封堵。为便于理解，可参见图3所示的一种钻孔示意图。在图3中示意出了无缝钢管与钻机同时下放至原状土内，其中无缝钢管底端封闭，在开挖时打开，且箭头表示浆液填充。
在进行钻孔施工时，可参照如下注意点：
1)根据地质情况选择钢管埋设深度。
2)根据施工队伍施工技术水平选择钻孔直径，根据钢管口径的大小确认垂直度，直径做大于300mm，后续联络通道施工可以兼做混凝土下料口。
3)针对软弱地层变化界面，要注意控制到孔位的垂直度，防止在钻杆钻探的过程中偏离设计位置，导致钢丝无法垂直吊放无法测量。
4)在封孔注浆的过程中，严格把控注浆质量、数量，确保隧道内开挖完成后无水通过钢管壁流入隧道内。
5)在垂吊钢丝的过程中，禁止钢丝刮碰钢管壁。
4，地面控制点测量
在该步骤中，可以布设加密导线，在始发处于两端端头井位置布设观测墩点号分别为JJD1、JJD2，再在5号联络通道投点位置布设加密点JD4。经起算点检核无误后，以点JM2、JM3、J082、J083构成起算边，经点D2、JJD1、JJD2、JD3、JD4构成附合导线。在一些实施方式中，外业水平角观测四测回，往返测距各两测回。内业采用诸如南方平差易2005软件等软件对以上观测数据进行平差计算，以确保精度满足规范要求。为便于理解，可参见图4所示的平面导线示意图。
本公开实施例进一步给出了地面加密点布设原则，可参照如下：
1)平面控制应先从整体考虑，遵循先整体、后局部、高精度控制低精度的原则。
2)平面控制网的坐标系统与工程设计所采用的坐标系统相一致。
3)根据设计总平面图、现场施工平面布置图布设平面控制网。
4)选点应在通视条件良好、安全、易保护的地方。
5)桩位必须加强保护,需要时用钢管进行围护,并用红油漆作好标记。
6)根据工程的特点及考虑施工精度的要求，首级施工精密导线控制网以经复测精度满足要求的业主测量队提供精密控制导线点为布控基点。
5，地下控制点测量。
上述步骤也可称为洞内控制点测量或者隧道内控制点测量。在具体实施时，在洞内进行隧道内控制导线测量，左、右方向分别布设导线网。在线路中线两侧平移一定距离的管片底部布设一般导线点，在管片拱腰位置安装牵制对中托架布置强制对中导线点，导线网布设成若干个彼此交叉相连的闭合导线环，确保导线环不超过8条边进行闭合导线。为便于理解，可参见图5所示的隧道闭合导线示意图，示意出了一种隧道内导线布置情况，图5中诸如Y19、JX等都表示导线点的标识号，在此不再一一赘述。
在一些实施方式中，直线段保证平均边长在300m以上，曲线上也不少于240m，角度观测可采用莱卡TS60全站仪,此外，精度可以为(0.5″，0.6mm+1ppm)，按三等导线的技术要求施测，网中所有边和角都全部观测，采用严密平差方法计算，这样可以提高精度并有检核条件。在实际应用中，每次延伸施工控制导线测量前，对已有的施工控制导线前三个点进行检测，无误后再向前延伸。施工控制导线在隧道贯通前测量，其测量时间与两井定向同步。当重合点重复测量的坐标值与原测量的坐标值较差小于10mm时，采用逐次的加权平均值作为施工控制导线延伸测量的起算值，各阶段的报验工作可以按业主的相关文件执行，在此不再限制。
在实际应用中，地面趋近导线的测设、联系测量、洞内控制测量均可按精密导线测量标准进行。其中，精密导线测量观测主要技术指标可参照如下所示：
1)精密导线只有两个方向时，则按左右角观测，左右角平均值之和与360度的较差小于4″。
2)在水平角观测时，如遇到长、短边需要调焦，应采用盘左长边调焦，盘右长边不调焦；盘右短边调焦，盘左短边不调焦的观测顺序观测。
3)每条导线边应往返观测各两个测回，每测回间应重新照准目标，每测回三次读数。示例性地，测距时一测回三次读数的较差小于3mm，测回间平均值的较差应小于3mm，小于5mm。水准线路往返较差，附和或闭合差为测量结果经严密平差，方可采用。
6，两井定向测量。
通常情况下，两井定向是在两个有巷道连通的竖井井筒内，各悬挂一根重锤线(或各铅垂地发射一条可见光束)，根据地面控制网测定两根重锤线中心(或光束轴心)的平面坐标，并在巷道内用导线对两重锤线中心(或光束轴心)进行联测，从而将地面控制网的平面坐标和方向，传递给井下的控制点和导线边，从而使地面与地下的测量进行统一。在本公开实施例中充分利用了两井定向测量技术，并适应性改良。具体而言，本公开实施例可以首先确定待测量的地铁盾构隧道的地面垂直钻孔点位，并在地面垂直钻孔点位打孔，然后基于地面垂直钻孔点位进行两井定向联系测量，将地面上的坐标和坐标方位角传递到隧道内，以统一地面测量控制系统与地下测量控制系统。具体实现时，在地铁盾构隧道的始发端头井吊第一钢丝，在地面垂直钻孔点位的成孔位置吊第二钢丝；基于第一钢丝、第二钢丝以及导线点闭合环联方式进行两井定向联系测量。为便于理解，以下对两井定向测量方法、两井定向控制以及钻孔后采用两井定向测量的三方面内容进行分别介绍。
6.1)两井定向测量方法(可简称两井定向法)。
在本公开实施例中，两井定向法是在井上吊两根钢丝，分别为GS1、GS2，具体实现时，可以用地面近井点分别测取距离角度并计算相应坐标，然后分别在底板布设两条基线边，导线点点号分别为JX、Y19、ZY3、ZY1组成无定向导线网进行严密平差并作为测量导线点。必要时可在端头井再增加一根钢丝，作为两条基线边相互检核。为便于理解，可参见图6所示的一种两井定向联系测量的平面导线布设示意图。在图6中，GS1、GS2为两端端头井口吊下的钢丝，ZY3、ZY1为复核基线边，JX、Y19为控制基线边。
6.2)两井定向控制
在本公开实施例进行两井定向控制时，可以参照如下关键点：
a.在两井定向时，独立进行三组数据互相校核，每组数据分别计算基线点坐标，坐标闭合差满足规范要求，最后取三次的平均值作为该次的定向最终测量成果。
b.角度观测采用I级全站仪，观测四测回，各测回间观测值互差不超过±6"。
c.基线边方位角互差满足相关规范要求。
d.由联系测量所测定的基线方位角中误差在±8"之内。
6.3)钻孔后采用两井定向测量
在一些实施方式中，可以在始发端头井吊一根钢丝为GS1，再确定地面垂直钻孔点位，假设地面垂直钻孔点位设置在某联络通道上，取该联络通道上成孔的位置吊一根钢丝为GS2。中间点采用导线点闭合环联测形成无定向导线，用地面近井点分别测取距离角度其计算坐标，无定向导线网进行严密平差作为测量导线基线点。具体而言，导线点闭合环联是一种从已知控制点和已知方向出发，测量若干个边长和夹角后又闭合到已知边的导线测量方法，通过计算平差后，可计算得到经过的未知点的平面坐标，且由于需要严密的几何条件，因此具有检核作用。为便于理解，可参见如图7所示的两井定向联系测量示意图，也即，在具体应用时，在地铁盾构隧道的始发端头井吊第一钢丝(GS1)，在地面垂直钻孔点位的成孔位置吊第二钢丝(GS2)；然后确定地面导线点和隧道内导线点，并基于第一钢丝、第二钢丝、地面导线点、隧道内导线点以及导线点闭合环联方式(如图7所示形成闭环)进行两井定向联系测量。
两井定向联系测量方法在保证盾构隧道顺利贯通中起到了关键的作用，本公开实施例针对两井定向联系测量的原理、观测过程、计算方法等进行改进，并结合地铁隧道的测量实践，给出的上述两井定向施工流程更加方便快捷。
7，数据平差处理。
为便于理解，示例性地，以下根据地面控制测量误差、始发井联系测量误差、地下导线测量误差、盾构姿态的定位测量误差、吊出井联系测量的误差分别示例性阐述说明。
1)地面控制测量误差
地面导线测量对横向贯通的影响实质是测角误差和测边误差的共同影响。导线测角误差引起的横向贯通中误差为在实际应用中，上述诸如RX等数值可参照如表1所示的测量数据平差分析表：
| 测角点 | RX | RX2 | 导线边 | dy | dy2 |
| J082 | 2506 | 6280036 | 391 | 2549 | 6497401 |
| J083 | 2231 | 4977361 | 1243 | 2298 | 5280804 |
| JM2 | 3648 | 13307904 | 845 | 3796 | 14409616 |
| JM3 | 3462 | 11985444 | / | / | / |
| / | / | ∑RX2 | / | / | ∑dy2 |
| / | / | 1250745 | / | / | 224638564 |
表1
始发井与吊出井地面导线测量的测角中误差mβ＝1.18″，测距相对中误差mS/S＝1/1164515，因此由上表中的数据求得，myb＝6.4mm，mys＝12.9mm，
应当理解的是，以上仅为示例性说明，不应当被视为限制。
2)始发井联系测量误差
在一些实施例中，是在始发井通过两井定向联系测量的方法导入地面坐标，而通常两井定向联系测量的定向误差要求都在2～4"，假设始发井的井口长达100米以上，做联系测量布网时，可以保证达到非常有利的条件，这样就可以大大减小了定向误差。本公开实施例利用一般的定向误差值ma＝2"，推算一次定向误差对横向贯通误差的影响为:m'横＝ma*L/206265。其中此处的L是盾构施工段线路长；而钢丝投点的点位中误差借鉴经验值10m，假设此误差完全传递给横向贯通，则两井测投点的点位中误差引起的横向贯通误差为m"横2＝±1mm。假设投点的坐标误差和定向误差都独立的，则联系测引起的横向贯通误差为在贯通前将在始发独立做三次联系测量，则/>
3)地下导线测量误差
地下导线测量误差主要是由角度测量误差引起，本公开实施例在洞内沿线路布置导线网，测距精度很高，所以按等边直伸符合导线的贯通来估算，等边直伸符合导线的终点的横向中误差计算为：
4)盾构姿态的定位测量误差
在一些实施方式中，盾构机姿态测量误差可以借鉴《城市轨道交通工程测量规范》(GB50308-2017)盾构机姿态测量误差技术要求，m横4采用其允许的平面偏离值5mm即m横4＝±5mm。
5)吊出井联系测量的误差
进一步，本公开实施例还提供了吊出井联系测量的误差的计算方式，在一些实施方式中，需要在吊出井通过联系三角形定向的方法导入平面坐标，钢丝投点的点位中误差借鉴经验值10mm，它也会引起贯通测量误差，假设其误差完全传递给贯通误差，则吊出井联系测量钢丝投点的坐标误差引起贯通测量误差m横5＝±10mm。
8，打孔定向测量的其它控制要点。
前述2～7主要阐述了打孔定向测量的具体实施方式，为了进一步保障打孔定向测量的精度，本部分示例性给出如下控制要点：
1)平面控制应先从整体考虑，遵循先整体、后局部、高精度控制低精度的原则。
2)平面控制网的坐标系统与工程设计所采用的坐标系统相一致。
3)布设平面控制网首先根据设计总平面图、现场施工平面布置图。
4)选点应在通视条件良好、安全、易保护的地方。
5)桩位加强保护,需要时用钢管进行围护，并用红油漆等方式作好标记。
6)根据工程的特点及考虑施工精度的要求，首级施工精密导线控制网以经复测精度满足要求的业主测量队提供精密控制导线点为布控基点。
7)通过两井定向法传递到始发井下与基线导线点，以导线网布设成若干个彼此相连的交叉式导线闭合环，测至钻孔位置的导线点上，以无定向导线网进行严密平差计算。
8)钻孔点位置以后洞内线路中线两侧平移一定距离的管片底部布设一般导线点，在管片拱腰位置安装牵制对中托架布置强制对中导线点，以左、右方向进行导线网布设成若干个彼此相连的交叉式导线闭合环，确保导线环不超过8条边进行闭合导线严密平差计算满足规范要求。
此外，盾构法隧道施工过程中的一些实施方式中，地面监测点常规布设原则为每5米做隧道中心线监测点、每10米一个小断面(6个监测点)、每30米一个大断面(14个监测点)。监测点钢筋布设深度为1.5m，完全打进原状土。通过监测点钢筋的高程变化来判断地面的沉降数据。
9.地表深层监测施工技术
在本公开实施例中，采用深孔监测点对地铁盾构隧道对应的地层进行深层监测；具体实现时，首先根据当前施工环境确定深层监测点以及每个深层监测点对应的深度；施工环境包括建构筑物、管线、区间岩层中的一种或多种；然后通过深层监测点的观测管对地铁盾构隧道对应的地层进行监测，以得到地层的沉降信息。也即，对于深层监测点测量地层，与现有技术相比，本公开实施例将部分传统监测点替换为深层监测点，最深打至地表以下长度，需要根据施工概况和区间岩层分配来确定，原则上需要打至完全进入盾构机掌子面上方的全风化岩或者粘土层中。
在本公开实施例中，观测管为镀锌钢管，通过镀锌钢管替换现有技术中传统监测点内的钢筋，然后将观测管放入筒内，下放至打设好的监测孔内。在实际应用中，以某地铁盾构隧道区间为例，在该区间长距离下穿1200米密集建筑群和高压燃气管线期间，将地表监测点替换为深孔监测点来判断地层延迟沉降，最深点打至地表以下8米，完全进入盾构机掌子面上方的岩层中，为便于理解，可参见图8所示的一种观测管施工工艺示意图，在该图中示意出了观测管从地表穿入至深层监测点对应的监测孔内，且观测管上按照指定间隔嵌套有多个中空垫片，且观测管穿入至套筒内，中空垫片有助于将观测管固定在套筒中，避免观测管发生相对移动而影响结果，也即，可防止观测管在监测孔内晃动，影响监测数据的准确性。另外，参见图9所示的观测管的仰视图，观测管为空心管，因此仰视时底部为圆环状，且测管底部以“十字”形焊接四个矩形垫片，垫片尺寸根据观测管尺寸和套筒尺寸确定，目的同样是增加观测管在套筒内的稳定性。此外，相比于现有技术中的钢筋，本公开实施例选择的镀锌钢管更耐腐蚀，因而更加耐用。
另外，本公开实施例给出了地表深层监测施工技术的如下ABC三个关键环节，详细阐述如下：
A，根据建构筑物及管线情况选择监测点位。
具体而言，可参照如下注意点：
1)根据管线设计提供资料、物探资料，对风险较大的建构筑物及管线进行分类列表。
2)管线深层监测点布设原则在管线前方1.5D洞泾距离位置。
3)建构筑物深层监测点布设原则在下穿大面积建筑全时，监测点位不设在主要街道上，把建筑全分割成若干个小建筑群区域，对于单独的建筑物布设监测点在建筑物前方1.5D洞泾距离位置。
B，施工监测点位。
具体而言，可以参照如下注意点：
1)观测管需要配套的中空垫片，每隔1～1.5米放置一个垫片，目的是防止观测管在监测孔内晃动，影响监测数据的准确性。
2)测管底部以“十字”形焊接四个矩形垫片，垫片尺寸根据观测管尺寸和套筒尺寸确定，目的同样是增加观测管在套筒内的稳定性。
3)根据地质情况选择打设深度，避免由于在盾构机掘进过程中土压力过大，导致泡沫通过深层监测点流入地表，从而造成不良影响。
4)“十字”板在打入土层的过程中，在设计深度以上30cm停止钻入，此段距离需人工打入，确保“十字”板与原状地层紧密连接。
5)对中垫片与钢管内壁之间留3mm，以确保钢筋监测点位居中的同时不与监测孔位摩擦，致使监测数据的真实性受到影响。
C，监测方法及数据采集，也可称为测量点位并进行数据分析。
在本公开实施例中，主要采用二等水准法进行沉降监测，二等水准法就是对设置的每一个监测点都进行监测，最后通过统计其具体的高度值，并且对监测的结果进行比对，从而判定出具体的沉降程度。具体实施时，可以使用S1电子水准仪观测，采用电子水准仪自带记录程序，记录外业观测数据文件。监测点观测可以按《工程测量规范》GB50026-2007二等垂直位移监测网技术要求进行观测，诸如参照规范中的主要技术指标及要求等，在此不再赘述。
10.陀螺仪定向观测
在本公开实施例中，主要基于预设的长度间隔(诸如800米)确定地铁盾构隧道中的多个陀螺仪定向测量位置，并在每个陀螺仪定向测量位置分别执行陀螺仪定向测量。如图2所示，地面已知边陀螺观测(对面观测)之后，可进行盾构施工巷陀螺边定向(对边6测回)，相隔800米再进行地面已知边陀螺观测(对面观测)，直至多个陀螺仪定向测量位置均执行陀螺仪定向测量为止。
对于每个陀螺仪定向测量位置，采用陀螺经纬仪和全站仪执行该位置的定向测量；定向测量包括粗略定向测量和精密定向测量。
在一些实施例中，全站仪设置于陀螺经纬仪上，全站仪和陀螺经纬仪结合形成一体化结构，为便于理解，可参见图10所示的全站仪和陀螺经纬仪的一体化结构示意图。应当注意的是，图10仅为示例性说明，不应当被视为限制。在此基础上，采用陀螺经纬仪和全站仪执行该位置的定向测量的步骤，包括：通过陀螺经纬仪执行该位置的第一定位测量，以及通过全站仪执行该位置的第二定位测量；基于第一定位测量结果和第二定位测量结果，确定该位置的最终定向测量结果。通过上述方式，可极大提升陀螺仪定位的准确性、可靠性和便捷性。另外，为了便于理解，以下首先针对陀螺仪悬带零位观测进行说明。
悬带零位是指陀螺马达不转时，陀螺灵敏部受悬挂带和导流丝扭力作用而引起扭摆的平衡位置，就是扭力矩为零的位置。这个位置应在目镜分划板的零刻划线上。在陀螺仪观测工作开始之前和结束后，要作悬带零位观测，相应称为测前零位和测后零位观测。
测定悬带零位时，先将经纬仪整平并固定照准部，下放陀螺灵敏部从读数目镜中观测灵敏部的摆动，在分划板上连续读三个逆转点读数，估读到0.1格(当陀螺仪较长时间未运转时，测定零位之前，应将马达开动几分钟，然后切断电源，待马达停止转动后再下放灵敏部)。按下式计算零位：
式中的a1、a2、a3为逆转点读数，以格计。
同时还需用秒表测定周期，即光标像穿过分划板零刻画线的瞬间启动秒表，待光标像摆动一周又穿过零刻划线的瞬间制动秒表，其读数称为自由摆动周期T3。零位观测完毕，锁紧灵敏部。如测前与测后悬挂零位变化在±0.5格以内，且自摆周期不变，则不必进行零位校正和加入改正。
如零位变化超过±0.5格就要进行校正。因为这时用“零”线来跟踪灵敏部时悬挂带上的扭矩不完全等于零，会使灵敏部的摆动中心发生偏移。如陀螺定向时井上、下所测得的零位变化超过0.3格时，应加入改正数。零位改正值的计算公式为：Δα＝λ·Δa。
其中，Δα表示零位变动，Δa＝mh，m为目镜分划板分划值，h为零位格数；λ表示零位改正系数，其中，T1，T2分别为跟踪和不跟踪摆动周期。
进一步，本公开实施例给出了基于陀螺仪进行粗略定向和精密定向的实现方式，具体参照如下所示：
(1)粗略定向
在测定已知边和定向边的陀螺方位角之前，需要把经纬仪望远镜视准轴置于近似北方，也就是所谓的粗略定向。采用配有粗略定向罗盘的陀螺仪，可用罗盘来达到粗略定向的目的。诸如，在已知边上测定仪器常数时，可利用已知边的坐标方位角及仪器站的子午线收敛角来直接寻找近似北方。当在未知边上定向，且仪器本身又无粗定向罗盘附件时，则可利用仪器本身来寻找北方。
在本公开实施例中，采用两个逆转点法实现粗略定向。具体而言，仪器在测站安置好后，将经纬仪视准轴大致摆在北方向后，启动马达，达到额定转速后，下放陀螺灵敏部，松开经纬仪水平制动螺旋，用手转动照准部跟踪灵敏部的摆动，使陀螺仪目镜视场中移动着的光标像与分划板零刻划线随时重合。当接近摆动逆转点时，光标像移动慢下来，此时制动照准部，改用水平微动螺旋继续跟踪，达到逆转点时，读取水平度盘读数u1；松开制动螺旋，按上述方法继续向反方向跟踪，到达另一逆转点时，再读取水平度盘读数u2。锁紧灵敏部，制动陀螺马达，按下式近似北方在水平度盘上的读数：
转动照准部，把望远镜摆在N’读数位置，在加上仪器常数和子午线收敛角，这时视准轴就指向了近似北方。此法大约在10min内完成，指北精度可达到±3′。
(2)精密定向
精密定向就是精确测定已知边和定向边的陀螺方位角。精密定向方法可分为两大类：一类是仪器照准部处于跟踪状态，即为逆转点法；另一类是仪器照准部固定不动。本公开实施例主要使用第一类方法，即逆转点法。
采用逆转点法观测时，陀螺经纬仪在一个测站的操作程序如下：
1)严格整置经纬仪，架上陀螺仪，以一个测回定待定或已知测线的方向值，然后将仪器大致对正北方。
2)锁紧摆动系统，启动陀螺马达，待达到额定转速后，下放陀螺灵敏部，进行粗略定向。制动陀螺并托起锁紧，将望远镜视准轴转到近似北方位置，固定照准部。把水平微动螺旋调整到行程范围的中间位置。
3)打开陀螺照明，下放陀螺灵敏部，进行测前悬带零位观测，同时用秒表记录自摆周期。零位观测完毕，托起并锁紧灵敏部。
4)启动陀螺马达，达到额定转速后，缓慢地下放灵敏部到半脱离位置，稍停数秒钟，再全部下放。如果光标像移动过快，再使用半脱离阻尼限幅，使摆幅大约在1°到3°范围为宜。用水平微动螺旋微动照准部，让光标像与分划板零刻划线随时重合，即跟踪。跟踪要做到平稳和连续，切忌跟踪不及时，例如时而落后于灵敏部的摆动，时而又很快赶上或超前很多，这些情况都会影响结果的精度。在摆动到达逆转点时，连续读取5个逆转点读数u1、u2…u5，然后锁紧灵敏部，制动陀螺马达。在跟踪时，还需要用秒表测定连续两次同一方向经过逆转点的时间，称为跟踪摆动周期T1。摆动平衡位置在水平度盘上的平均读数NT，称为陀螺北方向值，用下式计算：
陀螺仪相临摆动中值及间隔摆动中值的互差，具体可根据规范确定。
5)测后零位观测，方法同测前零位观测。
6)以一测回测定待定或已知测线的方向值，测前测后两次观测结果的互差满足要求后取测前测后两测回的平均值作为测线方向值。
除此之外，示例性地，本公开实施例还给出了如下在采用陀螺仪定位技术时可以参照的注意事项，以便进一步提升定位精度。
1)采用轨道交通独有的对向观测能够较大提高定向精度；
2)合理确定陀螺边长度、间隔与位置能够提高贯通精度；
3)避免由于计算错误、点位不清等引起的粗差。
结合以上内容，本公开实施例又给出一种精密定向施测方法的具体实施示例，由于精密定向就是精密测定已知边或定向边的陀螺方位角，在该实施示例中也采用的是逆转点法，重点阐述测定己知边或定向边时的操作程序如下：
1)整置经纬仪，大致对正北方，以一个测回测定测线的方向值，仪器应严格整平、对中，观测过程中水准气泡偏离没有超过0.5格；
2)开动陀螺马达几分钟，切断电源待马达停止转动后，打开陀螺照明，下放摆动系统，按摆幅法检查测定了悬挂带零位；
3)锁紧摆动系统，启动陀螺，待达到额定转数后，下放摆动系统，进行粗略定向；
4)经纬仪旋转到粗定向方向位置，限幅，用微动螺旋跟踪，读取五个逆转点读数，求出摆动中值N(陀螺北方向值)，其互差没有超过12″达到了规程要求；
5)锁紧陀螺并制动，按摆幅法检测悬挂带零位；
6)以一个测回测定测线的方向值，前后两次观测结果的互差6″。
综上所述，本公开实施例提供的上述地铁盾构隧道的测量方法，主要采用了长大隧道打孔定向、地表深层监测、陀螺仪定向等三项盾构隧道测量施工技术实现，通过上述方式可以较好适用于长大隧道测量。具体而言：
在长大隧道打孔定向技术中，可首先确定待测量的地铁盾构隧道的地面垂直钻孔点位，并在地面垂直钻孔点位打孔(诸如，在与始发井相距指定长度范围、地面空旷、地质条件良好的联络通道处打孔)，在地铁盾构隧道的始发端头井吊第一钢丝(GS1)，在地面垂直钻孔点位的成孔位置吊第二钢丝(GS2)，基于第一钢丝、第二钢丝以及导线点闭合环联方式进行两井定向联系测量。具体实现时，中间点采用导线点闭合环联测形成无定向导线，用地面近井点分别测取距离角度并计算相应坐标，无定向导线网进行严密平差作为测量导线基线点，进而指导区间隧道的过程中及贯通测量。这种方式可有效应用于诸如4Km长距离隧道测量，可较好保证测量精度，简便快捷、可靠性强地完成长距离隧道测量。
在地表深层监测施工技术中，将地表监测点替换为深孔监测点来判断地层延迟沉降。示例性地，最深点打至地表以下8米，完全进入盾构机掌子面上方的岩层中。深孔监测点可以将地层沉降还没有反应到地面和房屋的时候，就已经通过日常监测数据分析出来，从而采取对应的应急处理措施，也即，可通过深层监测点的超前预报，数据的提前分析，进一步确保盾构掘进参数的稳定，确保建构筑物及管线的安全。通过对施工区域建构筑物及管线布设情况进行分析，选择合理位置进行监测点布设，布设深度至开挖面上部粘土层或全风化岩层，通过地质沉降的滞后性，可以超前预测建构筑物及管线的沉降情况。也即，深孔监测点可以将地层沉降影响到地面建构筑物前进行报警与控制，因此制定相关的应急措施，可以把应急处置做到前面，避免大面积沉降后才开始围蔽、注浆等施工难题。另外，采用深孔监测点也可更为直观、直接、精确的实时获取地表变形与深层地层数据，进一步保障施工测量的可靠性，较好确保施工及地表建构筑物安全。
在陀螺仪定向技术中，基于预设的长度间隔确定地铁盾构隧道中的多个陀螺仪定向测量位置，并在每个陀螺仪定向测量位置分别执行陀螺仪定向测量。诸如，在盾构区间，每800米进行1次陀螺仪定向。在实际应用中，可以将全站仪设置于所述陀螺经纬仪上，全站仪和陀螺经纬仪结合形成一体化结构，测定长距离盾构隧道的真北方向。此外，在施工中为左、右线进行分别定向,控制导线测量方向误差的积累,校核导线测量中测角粗差,实施轨道交通地下工程大型巷道贯通的定向。通过对陀螺定向的应用实例分析，能够确定出陀螺边的最佳位置，尽量减小贯通误差。通过将陀螺仪和全站仪结合使用，测量过程更为高效快捷，不受时间、环境限制，观测简单方便、提升效率的同时也可保证较高的精度，尤其是在大型的贯通测量，利用陀螺定向能确保较高精度。
上述方式可较好适用于长大隧道测量，而且精度较高，可靠性较好，能够提供准确数据，可有效减小误差，有助于精细化控制，因此也可进一步提升盾构隧道测量施工效率，缩短工期以及节约诸如人工成本、工程延误成本等。
本公开实施例提供的上述地铁盾构隧道的测量方法，可以有效适用于诸如城市轨道交通工程，盾构隧道长度超过2Km的长距离、8.8米大断面的施工测量、贯通测量、隧道导线测量等工程。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种地铁盾构隧道的测量方法，其特征在于，包括：
针对待测量的地铁盾构隧道进行打孔定向测量；
采用深孔监测点对所述地铁盾构隧道对应的地层进行深层监测；
基于预设的长度间隔确定所述地铁盾构隧道中的多个陀螺仪定向测量位置，并在每个所述陀螺仪定向测量位置分别执行陀螺仪定向测量；其中：
所述针对待测量的地铁盾构隧道进行打孔定向测量的步骤，包括：确定待测量的地铁盾构隧道的地面垂直钻孔点位，并在所述地面垂直钻孔点位打孔；基于所述地面垂直钻孔点位进行打孔定向测量；
所述基于所述地面垂直钻孔点位进行打孔定向测量的步骤，包括：基于所述地面垂直钻孔点位进行两井定向联系测量，将地面上的坐标和坐标方位角传递到隧道内，以统一地面测量控制系统与地下测量控制系统；
所述基于所述地面垂直钻孔点位进行两井定向联系测量的步骤，包括：在所述地铁盾构隧道的始发端头井吊第一钢丝，在所述地面垂直钻孔点位的成孔位置吊第二钢丝；基于所述第一钢丝、所述第二钢丝以及导线点闭合环联方式进行两井定向联系测量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一钢丝、所述第二钢丝以及导线点闭合环联方式进行两井定向联系测量的步骤，包括：
确定地面导线点和隧道内导线点；
基于所述第一钢丝、所述第二钢丝、所述地面导线点、所述隧道内导线点以及导线点闭合环联方式进行两井定向联系测量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用深孔监测点对所述地铁盾构隧道对应的地层进行深层监测的步骤，包括：
根据当前施工环境确定深层监测点以及每个所述深层监测点对应的深度；所述施工环境包括建构筑物、管线、区间岩层中的一种或多种；
通过所述深层监测点的观测管对所述地铁盾构隧道对应的地层进行监测，以得到所述地层的沉降信息。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过所述深层监测点的观测管对所述地铁盾构隧道对应的地层进行监测的步骤，包括：
通过所述深层监测点的观测管对所述地铁盾构隧道对应的地层进行二等水准法监测。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述观测管为镀锌钢管；所述观测管穿入至所述深层监测点对应的监测孔内，且所述观测管上按照指定间隔嵌套有多个中空垫片。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在每个所述陀螺仪定向测量位置分别执行陀螺仪定向测量的步骤，包括：
对于每个所述陀螺仪定向测量位置，采用陀螺经纬仪和全站仪执行该位置的定向测量；所述定向测量包括粗略定向测量和精密定向测量。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述全站仪设置于所述陀螺经纬仪上，所述全站仪和所述陀螺经纬仪结合形成一体化结构；
所述采用陀螺经纬仪和全站仪执行该位置的定向测量的步骤，包括：
通过所述陀螺经纬仪执行该位置的第一定位测量，以及通过所述全站仪执行该位置的第二定位测量；基于所述第一定位测量结果和所述第二定位测量结果，确定该位置的最终定向测量结果。
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- 2021-10-29 CN CN202111275805.3A patent/CN114198093B/zh active Active
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