城市隧道工程测量技术浅析

城市隧道工程测量技术浅析

何龙生

上海市地质调查研究院上海市200072

摘要：城市地下隧道工程开挖施工作业面相对较小、无法保证有效的通视性测量等特性。城市地下隧道施工中线贯通误差主要来源于地面控制网的主要控制测量。

关键词：城市；隧道；工程；测量；技术；

隧道工程测量是地下工程测量的一种，也是一种常规的工程测量方式。由于隧道工程的特殊性，隧道测量的环境比较差，不容易发现误差，并且由于隧道工程属于地下工程，在测量时还需要使用特殊的作业工具和仪器进行辅助测量。采用何种较为精确的方式和方法进行测量具有重要的意义。

一、盾构隧道测量概述

地下工程测量是指建设和运营地表下面工程建筑物需要进行的测量工作，包括地下工程勘察设计、施工和运营各个阶段的测量工作。地下工程测量的任务是保证线状工程在规定误差范围内正确贯通，保证面状工程按设计要求竣工。盾构方法以其独特的施工工艺特点和较高的技术经济优越性，在隧道施工中得到广泛应用，从18世纪末盾构机问世以来，与盾构施工相伴而生的盾构施工测量，一直在为盾构施工起着保驾护航的作用。盾构法隧道工程施工，需要进行的测量工作主要包括以下几点。（1）地面控制测量：在地面上建立平面和高程控制网。（2）联系测量：将地面上的坐标、方向和高程传到地下，建立地面地下统一坐标系统。（3）地下控制测量：包括地下平面和高程控制。（4）隧道施工测量：根据隧道设计进行放样，指导开挖及衬砌的中线和高程测量。所有这些测量工作的作用是以下几点。1）在地下标定出地下工程建筑物的设计中心线和高程，为开挖、衬砌和施工指定方向和位置。2）保证在开挖面的掘进中，施工中线在平面和高程上按设计的要求正确贯通，保证开挖不超过规定的界线，保证所有建筑物在贯通前能正确地修建。3）保证设备的正确安装。4）为设计和管理部门提供竣工测量资料等。盾构施工测量不仅要保障盾构机沿着隧道设计轴线运行，随时提供盾构机掘进的瞬时姿态，为盾构机操作人员提供盾构机姿态修正参数，同时还要对隧道衬砌环的安装质量进行测定。要保证盾构机从始发井经区间隧道准确进入接收井，必须以较高的精度实施盾构法隧道施工测量。

二、隧道测量的要求

隧道测量是对隧道工程在规划、勘测、设计、施工、建造、管理的各个阶段进行的测量。在隧道测量过程中，要特别注意在以上几个阶段中测量的精度，才能最终保证隧道测量的准确性。（1）隧道的规划阶段。在此阶段，隧道测量的工作人员要准备好所选用的地形图、隧道选线有关资料以及地质填图中需要的测绘资料等。（2）隧道勘测及设计阶段。在此阶段，要对隧道沿线进行准确测量，布置测图控制网，并测绘带状地形图，对隧道工程的洞口、中线、控制桩、转折点等进行测绘，并注意绘制好隧道线路平面图、纵断面图及洞身工程地质横断面图、正洞口与辅助洞口的纵断面图等隧道工程设计图。（3）隧道的建设阶段。在此阶段，隧道测量人员应按照隧道施工的要求，仔细对施工的精度进行测量，对施工的程序进行把关，对隧道路线的形状、主洞口、辅助洞口、转折点的位置进行测量计算。再随着隧道延伸处进行隧道施工控制导线的布测及中线施工放样，保证隧道施工贯通后的精度及线路中线等的调整。

三、隧道工程施工测量的具体步骤

1.测量方案的准备。在隧道工程开工前，要详细的阅读有关设计图纸，熟悉设计规范和测量要求，正确领会设计意图，了解隧道施工步骤和工艺，提前将隧道工程的施工放样准备做好，并且制定施工测量方案。

2.闭合测量隧道进出口。按照现场测量交桩和设计技术交底，在正式的实际测量以前，在保证与精度要求相契合后，才能够开展放样工作。精度如果无法满足要求，则必须尽早的通知相关单位予以联合测量。对于相对较短的隧道来说，可以实施全站仪闭合导线测量，而如果是地形复杂或者长大隧道，则需要采用GPS全球定位系统测量。

3.进出洞口的测量。总的来说，进出洞口的测量主要涉及到标高埋深、地貌地形等项目。复测隧道进出口处的地形是至关重要的，关系着今后是否能够安全进洞。复测洞口地形，主要是检查核对是否与设计图纸保持一致，主要包括是否偏压、覆盖厚度、工程量复核以及进洞口桩号等，当出现偏压时，要测量地形影响洞身结构的程度，确定所应采用的洞口变更位置、洞口地貌特征、临时支护形式参数、洞门形式等。进出洞同样是隧道风险点最大的地方，也是隧道测量中的一项重要环节，要时刻保持对地表和隧道内监测点的实时监测，关注沉降量的变化，出现险情及时上报。

4.洞内测量。要想将隧道净空控制好，那么就需要加强洞内施工测量，开挖、支护以及二衬等要严格避免侵入净空，并且还应当控制好过大超挖的问题。根据实际的围岩地质状况或者设计围岩地质状况，具体的测量精度也可以划分成三大级别，也就是开挖轮廓测量、初期支护定位测量和二次衬砌施工测量。

5.监控测量。从隧道工程开工到竣工的整个过程中，隧道施工测量监控工作始终存在，可谓是必须测量的一个项目。监控测量的作用主要就在于：提供信息为安全生产，掌握施工中动态的支护和围岩信息，及时的反馈信息、超前的地质预报，以便于正确的指导施工作业，并且为施工及设计提供有力的依据。

6.关键工序点监测。隧道施工关键工序点主要为盾构进洞、盾构出洞、旁通道施工（旁通道冻结法施工又分为5个关键节点：开钻前、冻结前、开挖前、结构完成后、融沉完成后）三个工序。测量要求参照隧道沉降测量的方法，按照《国家一、二等水准测量规范》（GBT12897-2006）中二等水准要求实施。隧道管径收敛测量采用横径、竖径法：采用全站仪免棱镜极坐标法测量，假定空间直角坐标系，坐标取位精确至0.1mm。极坐标法观测1个测回，盘左盘右坐标互差不大于3mm。计算与设计值的差值。

四、盾构造隧道测量技术现状分析

盾构法是城市隧道工程中常用的机械施工方法。主要将盾构机械运用机械能在地下拼装预制混凝土管件支撑围岩防止坍塌的隧道开挖方法，在开挖系统中主要包括加压顶进系统、出土系统、拼装管片防护系统等部分组成。保证地下工程线性连接在正常的可控制误差范围内是地下隧道测量的主要工作任务。盾构法隧道施工测量主要包括以下几点：（1）地面主要控制测量。主要控制测量是指在施工场地地面建立水平与高程控制网络，用于监测并校对坐标，是城市地下隧道施工中最基本的工程测量项目。（2）联络性测量。主要是将地面做为主要控制测量的点位与高程传到地下施工现场，与施工坐标进行对照性测量，其测量精度是保证地下隧道中线闭合的关键。（3）地下控制测量。主要是进行施工过程中的地下水平与施工高程控制。（4）隧道施工测量。以主要控制测量点为基准，根据设计文件保证隧道开挖及衬砌高程。城市隧道测量工程主要作用是以下几点：1）在城市隧道开挖过程中保证施工中线在水平与高程上的正确性、保证在盾构施工后建筑贯通的正确。2）保证所有城市隧道附属工程及设备的正确安装。3）用城市地下隧道施工标定方法标定地下建筑物及附属工程的水平及高程。4）为盾构机械施工提供修正性参数，保证接入的正确性。

五、始发测量

1.测量盾构机安装。盾构机安装主要包括两个部分，即反力架和始发台，两者可以在盾构机始发时提供初始推力以及初始的空间姿态。在安装反力架和始发台时，需要注意以下几点：反力架左右偏差应控制在±10ｍｍ之内，高程偏差应控制在±5ｍｍ之内，上下偏差应控制在±10ｍｍ之内。始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角偏差应在±２‰范围内，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差应小于±２‰，水平趋势偏差应在±３‰范围内，轴线方位角误差不大于１′３０″。注意一定要保证如上几点，不然会影响盾构机的正常运行，影响工作状态甚至发生危险。

2.测量定位盾构机导轨。测量定位盾构机导轨注意点很多，主要注意事项有：保证原设计的隧道中线与施工中控制导轨的中线偏差不能超限，保证坚实平整的导轨基面。

3.测量初始盾构机姿态。在测量初始盾构机姿态时重点测量盾构机刀盘中心三维坐标以及俯仰角、横摆角、扭转角等方面。盾构机姿态的控制质量直接影响施工精度。若盾构机姿态得不到精确的及时的修正，轻则导致掘进的方向偏失，影响施工质量，重则造成事故，不可轻视。因此，需要严格的精准的及时的控制盾构机姿态，基本要求是：纵摆角应不大于10ｍｍ／ｍ，横摆角应不大于10ｍｍ／ｍ，扭转角不大于20ｍｍ／ｍ。目前盾构机姿态测量有人工测量和自动测量两种。人工测量人力需求量大，测量数据量多，工作量大，又因以人为主体，不可避免的出现测量精度低，误差大的问题。且测量时间周期长，无法做到及时更改修正姿态，造成工期的延误。而自动测量则可以实现实时的精确地数据测量，测量精度高，误差较小，全天候进行测量，得到数据时效性高，速度快，及时精确修正姿态，已经成为了目前的主流发展方向，在未来的应用前景广泛。

4.推进测量。当进入掘进过程中时，对盾构机的测量要求更高，数据时效性和精准性成为主要问题。目前主流的推进测量使用自动导向系统，该系统测量精确度高，数据时效性强，可最大限度保证盾构施工轴线准确性。其主要测量盾构机每环推进的三维姿态及已成型的管片姿态。自动导向系统可以实现大部分的调整要求，但是仍需对管片竣工进行测量。管片竣工主要需要三种测量数据。（1）平面测量数据。在3ｍ的铝合金刮尺中心贴反射片，并在刮尺中间固定一把水平尺，在所要测环的底部放置刮尺，注意保证刮尺水平放置，在井下控制导线点安装全站仪，最后测量这环的中心三维坐标，即可得到数据。（2）高程测量数据。该测量需要得到管片底部和顶部的高程数据。可根据已得到的数据以及测尺反光镜片到隧道底部或中心的相对尺寸来计算得出管片底部和顶部的高程数据。（3）管片测量数据。管片测量数据可直接用手持测距仪分别放在管片底部和腰侧来测量管片的横竖直径，注意需要测量多次，然后取平均值。经过上述操作，可得到实际工程中的测量数据，用这些数据和设计数据进行对比，即可计算出成型管片和设计数据的误差和偏移量，从而对盾构机的姿态进行精确的实时的调整，保证掘进精度。

5.洞门测量。贯通施工阶段是整个工程阶段的后期，为保证盾构机准确出洞，在贯通前需要进行接收井洞门测量。为此我们需要精确测定洞门中心。洞门圈中心坐标为：ｘ０＝（ｘＡ＋ｘＢ）／２，ｙ０＝（ｙＡ＋ｙＢ）／２洞门圈中心高程为：Ｈ０＝（ＨＣ＋ＨＤ）／２洞门中心测量是工程后阶段最重要的测量步骤，应当尽可能保证数据的准确性和精度，为此应采取各种措施减少测量中的误差。例如，使用对中标志，采取多次试验，根据每次试验的测量结果加权平均，避免误差过大的情况。并注意根据施工现场的具体情况，合理采取措施，灵活应用测量方法。在实践中，探求减少误差的合理方法。同时，定向边精度对于贯通测量精确度的影响极大，定向边精度每提升一点，都可以极大得提高贯通测量精度。

六、城市隧道工程贯通测量误差介绍与误差分配

1.城市隧道工程贯通测量误差介绍。城市地下隧道工程开挖施工作业面相对较小、无法保证有效的通视性测量等特性。由于无法保证有效的通视性测量，所以城市地下隧道工程在开挖贯通前无法检测正确性。盾构法城市地下隧道工程贯通后，由于在地面主要控制测量与地下控制测量中放样引起的误差影响到隧道贯通连接，产生的隧道中线闭合不严这种现象被称为贯通误差。贯通误差主要分为纵向误差、横向误差、高程误差三种。贯通误差产生的主要原因是从施工开始进行的测量误差逐步累积产生。贯通误差对城市地下隧道的工程质量影响不大，只对边掘进边铺轨的隧道平顺性有一定的影响。

2.城市地下隧道贯通误差分配，盾构城市隧道工程测量地下工程测量部分通过布设导线进行基本性测量。城市地下隧道施工中线贯通误差主要来源于地面控制网的主要控制测量。地面与地下控制网精度测量主要是通过竖井联系性测量完成。城市地下隧道施工测量由不同的测量单位实施测量，所以贯通误差可以根据分布测量适当分配。城市地下隧道贯通误差分配分为三个单元，分别是地面主要控制测量部分、地下隧道导线测量部分、竖井联系测量部分。地面主要控制测量部分测量条件相对较好，可以采用通视性测量方式。城市地下隧道测量受到洞内烟尘、水气影响无法实施有效的通视性测量。地下隧道洞内测量水准路线短，高差变化较小，受到施工干扰与光亮度影响大。

七、城市地下隧道贯通相遇点在重要方向的误差测量

在城市地下隧道开挖施工中可以采用激光指向仪进行定向指导开挖方向。采用机械化掘进设备施工时，可以在固定位置设置激光指向仪与掘进机上的光电接收装置配合使用保证掘进方向的修正。城市地下隧道贯通后水平位置偏差的测定主要方法是将施工两端中心线延长到隧道贯通面，测量中心线是否实现完全性闭合。竖直面内偏差测量主要是测量两端隧道内已知高程控制点完全闭合差。盾构法是城市隧道工程中常用的机械施工方法，盾构法施工便捷，有着良好的经济性能。隧道施工测量主要包括地面主要控制测量、联络性测量、地下控制测量三部分。盾构法城市隧道工程测量地下工程测量部分通过布设导线进行基本性测量。城市隧道测量工程主要作用是保证施工中线在水平与高程上的正确性、保证所有城市隧道附属工程及设备的正确安装、标定地下建筑物及附属工程的水平及高程为施工提供修正性参数，保证接入的正确性。贯通误差主要分为纵向误差、横向误差、高程误差三种。贯通误差产生的主要原因是从施工开始进行的测量误差逐步累积产生的。

八、隧道测量工作中需注意的问题

1.明确职责，各尽其职。隧道测量技术工作不仅仅是测量人员的工作职责，测量和现场技术人员应密切配合才能更好的完成。另外要认真落实资料的交叉计算和互检制度，技术人员要参与测量放样的过程，以保证施测过程及结果满足现场和施工过程监控的需要。

2.加强沟通，通力协作。测量工作是直接为现场施工和质量监控服务的，是控制工程质量最直接明确的依据。因此，现场技术人员和测量人员必须加强沟通，通力协作，分析和研究测量的数据结果，共同研究、判定工程质量的受控程度及需采取的对策，有效落实隧道工程质量监控工作。

3.坚持桩位的复核与控制点周期性、阶段性复测制度，指导施工的桩橛在施工过程中容易被破坏而失准，洞内埋设的中桩、分布在管区的导线点、加密的控制点、要进行周期性复测，有特殊需要时随时进行，确保导线点、控制点的有效性。

在整个隧道工程测量工作中，在各个阶段都要仔细认真，不管是隧道工程的规划阶段、隧道勘测及设计阶段还是隧道工程的建设阶段，都要在仔细复核点位的情况下核查其资料与数据的准确性，做好各项测量工作。

参考文献：

[1]王平.工程测量技术及应用分析.2016.

[2]沈慧军.城市隧道工程测量技术浅析.2017.