盾构施工测量方案.docx
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盾构施工测量方案
一、VMT导向系统1
1、盾构施工的坐标系统1
2、定向系统的基本组成及功能2
3、定向基本原理3
二、盾构机始发掘进阶段测量4
1、始发定向测量4
2、观测要求及精度5
３、盾构机始发托架及反力架安装测量7
1）始发托架的高程控制7
2）始发托架的平面位置控制8
3）始发托架、基准环及反力架的检查9
4、始发掘进阶段测量9
1）、盾构机姿态人工复测10
２）、环片测量11
３）、盾构机姿态测量的误差分析12
三、隧道洞内施工测量12
1、激光站的移站12
1）、移站距离的确定13
2）、激光站的移站14
2、激光站的人工检查15
3、洞内精密导线网和水准网的测设16
4、盾构机姿态人工复测18
5、隧道环片测量18
四、贯通误差预计19
1．平面贯通误差分析19
⑴平面贯通误差的主要来源19
⑵各项误差源的分析19
⑶平面贯通测量误差预计23
2．高程贯通误差分析23
（1）高程贯通误差来源23
（2）各种误差源的分析24
（3）高程贯通误差的预计25
五、竣工测量25
1、贯通测量：
25
2、竣工验收测量：
26
六、测量技术保证措施26
一、VMT导向系统
在掘进隧道的过程中,为了避免隧道掘进机（TBM）发生意外的运动及方向的突然改变,必须对TBM的位置和DTA（隧道设计轴线）的相对位置关系进行持续地监控测量。
TBM能够按照设计路线精确地掘进，则对掘进各个方面都有好处（计划更精确，施工质量更高）。
这就是TBM采用“导向系统”（SLS）的原因。
德国VMT公司的SLS-T系统就是为此而开发，该系统为使TBM沿设计轴线（理论轴线）掘进提供所有重要的数据信息。
1、盾构施工的坐标系统
（1）DTA坐标系
DTA坐标系是盾构施工坐标系统，它是以线路设计中线为参照的一种三维坐标。
只要将盾构始发站开始的线路设计资料输入，掘进中任意点里程点的平面坐标和高程，以及线路的平面、纵剖面状态，通过计算机处理后，均为已知并可显示出来。
盾构机掘进中某一时刻的里程位置，则是通过设置在导线点上的激光自动全站仪、自动跟踪盾构机上的光靶进行测量获取的。
（2）TBM坐标系
TBM坐标系是盾构机本身的一种局部坐标系统，它主要用来检测盾构机的姿态，也是三维坐标。
2、定向系统的基本组成及功能
导向系统是由自动全站仪、电子激光系统、计算机及掘进软件和电源组成。
其组成见下图：
1、自动全站仪（TCA）
具有伺服马达，可以自动照准目标和跟踪，并可发射激光束，主要用于后视定向，测量距离、水平角和竖直角，并将测量结果传输到计算机。
2、电子激光系统（ELS）
也称光靶板，是一台智能性型的传感器。
ELS接收全站仪发射的激光束，测定水平和垂直方向的入射点。
偏角由ELS上激光的入射角确认，坡度由该系统内的倾斜仪测量。
ELS在盾构机体上的位置是确定的，即对TBM坐标系的位置是确定的。
3、计算机及掘进软件
SLS-T软件是自动导向系统数据处理和自动控制的核心，通过计算机分别及全站仪和ELS通信接收数据，盾构机在线路平、剖面上的位置计算出来后，以数字和图形在计算机上显示出来。
如下图所示：
4、电源
即所谓黄箱子。
它主要为全站仪供电，保证全站仪工作和及计算机之间的通信和数据传输。
3、定向基本原理
洞内控制导线是支持盾构机掘进导向定位的基础。
全站仪设置在掘进机附近（不大于150m）的一个导线点上，该点三维坐标已知，后视另一导线点定向。
全站仪测量测站至ELS棱镜间的距离、方位角和竖直角，ELS棱镜的三维坐标和掘进里程即可获得。
ELS接收入射的激光定向光束，可获取实时的TBM轴线方向，并通过计算机及已知该里程的线路设计位置（DTA）相比较，得出偏差值并显示在屏幕上，这就是盾构姿态的实时检测导向。
只要掘进中控制好盾构姿态，使TBM轴线及线路设计中线符合在允许的偏差之内，隧道的正确掘进及衬砌就得到保证。
为保证导向系统的正确性和可靠性，在掘进一定长度或时间之后，需要通过洞内导线独立的检测盾构机的姿态。
二、盾构机始发掘进阶段测量
1、始发定向测量
盾构机的始发定向，采取两井定向测量，利用始发井两端盾构预留井，长度在80米左右，在地面测设近井点，两端井口吊钢丝，在底板上布设五个控制点（SL1、SL2、SR1、SR2、SR3）及GPS6（北山村）和精密导线控制点IVJ122、GPS7（仑头村）、IVJ121构成闭合导线。
为了保证地下定向精度，点位均采用埋设观测墩强制对中，以减少仪器对中误差。
见下图：
2、观测要求及精度
1、执行规范标准：
《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》（GB5038-1999）
《工程测量规范》（GB50026-93）
《铁路工程测量规范》
2、导线点的布设导线点间的垂直角小于30°。
3、视线离障碍物的距离不小于0.3m，以减少旁折光的影响。
4、导线转折角用Leica1101型全站仪进行施测，角度用全圆测回法观测6测回。
当测站上只有一个方向时，左、右角各三测回，左、右角平均值之和及360°之较差小于3″，导线边长均对向观测6测回取其平均值，测回间边长较差不大于2mm。
5、为了保证观测精度要求，选择良好的天气和时间段进行施测，以减少大气折光的影响。
6、导线角度闭合差按下式计算，
wf=±2mβSQR（n）
n:
导线的角度个数。
7、导线方位角闭合差计算测角中误差按
m0=±SQR（（[fβ．fβ]/n）/N）
fβ：
导线方位角闭合差,
n：
导线转折角个数，
N：
闭合导线环的个数。
8、测角中误差不大于2.5″，测距中误差不大于1/6000，方位角闭合差≤±5SQR（n），导线全长相对闭合差不大于1/35000，相邻点的点位中误差不大于8mm。
9、导线的成果计算和精度评定用南方测绘公司PA2002平差易软件进行严密平差。
10、使用Leica1101型全站仪施测，标称精度1.5″，2+2ppm。
11、高程传递测量，从地Ⅱ２—38引测至车站井口处，往返观测其往返观测高差不符值小于fh=±8SQR（L），L：
往返测线距离。
12、从井口临时点向下传递，用悬挂钢尺的方法进行测量，钢尺须经检定合格，钢尺悬挂后在下部吊上钢尺检定时标准拉力的重物（5.1KG）。
观测时独立观测三测回，三测回测得的高程较差不大于3mm，高差测定后加入尺长和温度改正；测量仪器用苏一光生产的DSZ2精密水准仪及配套测微器铟瓦合金水准标尺和经检定合格的30m卷尺进行施测。
见下图：
３、盾构机始发托架及反力架安装测量
盾构机初始状态主要决定于始发托架和反力架的安装，因此始发托架的定位在整个盾构施工测量过程中显得格外重要。
主要安装精度指标为：
① 高程偏差≤±５mm
② 左右偏差≤±10mm
③ 竖直趋势≤±２‰
④水平趋势≤±３‰
1）始发托架的高程控制
盾构机在曲线段始发方式通常有两种：
切线始发和割线始发。
线路设计在始发井内为一半径5000m的竖曲线。
由于始发推进负环选取为标准环，使得盾构机在井内很难按照线路的设计资料来纠偏，因此始发方式在竖直面内选择为切线始发。
切线点选择在盾构机破除洞门后入洞点。
两种始发方式示意图见下图：
先计算出入洞点切线坡度，由竖曲线设计资料计算出入洞点的轨顶高程，按照所推出入洞点的切线坡度确定出始发托架头尾对应里程点的轨顶高程，作为始发托架高程及反力架的倾角调整的依据。
实际放样时，使盾体的实际坡度略大于设计坡度，以消除盾构机入洞后“栽头”的影响。
盾体及始发托架横断面图如下：
2）始发托架的平面位置控制
由于线路设计在始发井内为直线，所以始发托架的平面定位直接按照线路设计放样出隧道设计中心线来控制。
在盾构机始发托架安装前，利用井下控制点精确在地面标定出隧道设计中心线及盾构托架支撑导轨的中心线，作为盾构托架和反力架的平面位置定位依据。
盾构托架支撑导轨及隧道中心线位置示意图见下图。
3）始发托架、基准环及反力架的检查
在始发托架、基准环以及反力架安装完毕后，对安装结果进行检查。
检查结果满足以下条件时，方认为安装合格，否则重新进行调整。
1）基准环和反力架的倾角及隧道的中心轴线的法线平行；
2）基准环和反力架的中心线及隧道的轴线一致。
3）始发托架中心线及线路中心一致
4、始发掘进阶段测量
盾构机初始状态测量的主要内容是：
水平偏移、俯仰角、扭转角的测量。
测量的目的是确认盾构机在掘进过程中是否沿隧道的设计中心线掘进。
1）、盾构机姿态人工复测
盾构机作为一个近似的圆柱体，在开挖掘进过程中我们不能直接测量其刀盘的中心坐标，只能用间接法来推算出刀盘中心的坐标。
在盾构机的机壳体内适当位置选择测量的观测点就成为非常重要的工作，所选观测点既要有利于观测，又利于点位的保护，并且相对位置不能发生变化。
如图中A点是盾构机刀盘中心，E是盾构机中体断面的中心点，即AE连线为盾构机的中心轴线，由A、B、C、D、四点构成一个四面体，测量出每个角点的三维坐标（xi,yi,zi）,根据四个点的三维坐标（xi,yi,zi）分别计算出LAB,LAC,LAD,LBC,LBD,LCD,四面体中的六条边长，作为以后计算的初始值，在盾构机掘进过程中Li是不变的常量，通过对B、C、D三点的三维坐标测量来计算出A点的三维坐标。
同理，B、C、D、E四点也构成一个四面体，相应地求得E点的三维坐标。
由A、E两点的三维坐标和盾构机的绞折角就能计算出盾构机刀盘中心的水平偏航，垂直偏航，由B、C、D三点的三维坐标就能确定盾构机的扭转角度，从而达到检测盾构机的目的。
始发掘进前，在主体结构中板适当位置安装激光测站及后视棱镜吊蓝，利用井下控制点和井下高程控制点引测出激光站点和后视棱镜三维坐标，引测时仰角不大于8°，高程测量独立测量三次，测得的高差较差≤±5mm。
始发掘进阶段，利用井下控制点对盾构姿态进行人工复测，及时将人工复测的数据及VMT导向系统记录的数据进行比较，当差值较大时，用全站仪对激光站和后视棱镜点坐标进行检查，修改VMT中的设置参数，以确保掘进过程中盾构姿态的正确。
盾构姿态人工复测每5—10环进行复测一次。
在掘进到150m时，进行一次包括联系测量在内的地下导线复测及地下水准复测。
２）、环片测量
隧道环片测量方法：
按环片的直径计算出弦长5米的矢距，水准测量出环片底部的高程，环底高程加上矢距即为水平尺的高程，用全站仪大致定出一个方向线，计算出方向线及隧道中心线的偏移量，量取方向线及水平尺零点的偏移值，用水平尺上的偏移值减去计算出的理论偏移量即为环片中心及隧道中心线的偏移值，测量位置定在每环接缝处。
水准尺用铝合金型材加工制成，规格50mm×50mm×5000mm，在中部安装水准汽泡，并以汽泡零点左、右刻出刻度线，水准尺定期用水准仪进行校正。
３）、盾构机姿态测量的误差分析
由于盾构机的结构原因，B、C两点的间距2m左右，AB、AC的水平距离4m左右，测站点至B、C点的距离5m左右，由B、C点来推算A点的坐标，B、C两点的中误差传递给A点，由误差椭圆的原理可知它产生的纵向误差对里程有影响，产生的横向误差是很小的，横向误差的产生主要是测角的影响。
用Leica1101型1.5″级全站仪进行角度、距离测量可以将A点的横向点位误差控制在10mm内。
三、隧道洞内施工测量
1、激光站的移站
盾构机的掘进时的姿态控制是通过全站仪的实时测设ELS的坐标，反算出盾构机盾首、盾尾的实际三维坐标，通过比较实测三维坐标及DTA三维坐标，从而得出盾构姿态参数。
随着盾构机的往前推进，每隔规定的距离就必须进行激光站的移站。
为了避免移站工作对掘进的影响，移站工作选在管片拼装时进行。
1）、移站距离的确定
移站距离的确定主要取决于通视条件及全站仪及主控室电脑之间连接电缆的长度。
通视条件主要取决于线路曲线元的设计半径；连接电缆的长度为100米，在通视条件良好的情况下，进行激光站移站的最大距离选为90米。
在我项目部施工的管区内，曲线段半径及起讫里程分别为：
半径450m，ZDK17+332.758——ZDK17+592.117，长259.359m；YDK17+344.092——YDK17+603.451，长259.359m
半径800m，ZDK16+560.431——ZDK17+251.671，长691.24m；YDK16+563.262——YDK17+254.502，长691.24m
半径4000m，ZDK17+880.972——ZDK17+921.464，长40.492m；YDK17+979.759——YDK18+020.451，长40.492m
根据激光站设站最佳位置进行计算选择各线路元段的移站距离，如下：
直线及半径4000m曲线段，移站距离为90m，即每推进60环进行一次移站；
半径800m曲线段，移站距离为60m，即每推进40环进行一次移站；
半径450m曲线段，移站距离为45m，即每推进30环进行一次移站；
2）、激光站的移站
VMT导向软件SLS—T有激光站自动移站功能，移站的过程除了托架和全站仪及后视棱镜的安装，其测量工作都可以通过此功能完成。
操作流程为：
托架底板采用400×400×10mm钢板，四角上用50mm×50mm角钢焊接，内侧长400mm，和托架底板连接在一起，外侧总长750mm，分为两段，起调节托架底板水平的作用，底板中心焊上仪器连接螺丝的桩头长10mm，采取强制对中，减少仪器对中误差。
打孔用膨胀螺丝安装在隧道右侧顶部不受行车的影响和破坏的地方。
安装时，先安装短脚架，后装调节脚架，用水平尺大致调平托架底板后，将其固定好，然后可以安装前视棱镜或仪器。
托架示意图如下：
程序的启动及后续测量工作在主控室进行。
此时SLS-T软件处于“管片拼装”状态，按功能键F3，关闭测量后，通过功能键F6—激光站移站来启动程序。
在初始窗口中，按下按钮“测量开始—F2”，启动方位检测程序。
方位检测被成功的执行后，显示检测结果，在得到理想的结果后，按下F2确认后方位检测的结果。
在测定新激光站点坐标前，事先在信息输入窗口中输入如下信息：
水平及垂直方向上偏移的近似值及新激光站点的大致里程；当前棱镜的高度及仪器的高度；新站点的点位编码。
在信息输入窗口下，按下F2键启动程序。
全站仪自动搜索到前视棱镜（即新激光站点）后，自动瞄准棱镜进行测量。
屏幕显示计算出来的新激光站点坐标。
在测定新激光站坐标时，为避免获得错误的数据，须遮盖住其他的反射棱镜。
新激光站点的坐标测定后，将全站仪和后视棱镜转移到新的位置。
全站仪和后视棱镜转移到新的位置后，主控室按功能键F2进行确认，新的信息窗口会显示新激光站点三维坐标，然后将新激光站点上的全站仪手动转向新的后视点即原先的激光站，按下F2，重新调整定位全站仪上的刻度。
成功执行上述的步骤后，出现一新的信息窗口。
通过按下F2功能键完成激光站移站程序。
2、激光站的人工检查
在推进的过程中，可能会由于安装托架的管片出现沉降、位移或托架被碰动，使激光站点或后视靶的位置发生变化，从而全站仪测得错误的盾构机姿态信息。
为了保证激光全站仪的准确定位，在SLS-T软件的状态为“推进”时，通过功能键F5对全站仪的定位进行检查，如果测得的后视靶的值超过了在编辑器中设定的限值时，需要对激光站进行人工检查。
检查方法是利用洞内精密导线点对激光站点及后视靶点位置进行测量计算，重新确定两点的三维坐标。
设站导线点尽量选择在右侧管片侧壁上的强制对中导线点，这样建测站时能够一次建站测算出两个点位的坐标，避免误差的积累。
外业测量按精密导线测量的规范要求测量夹角、距离、高差，观测6个测回，左、右角各三测回，左、右角平均值之和及360°的差≤±4″，边长观测6测回，内业计算出新点位坐标，在SLS-T软件修改激光站点和后视光靶的点位坐标。
当不满足上述建站条件时，从隧道内主控制导线点引测至后视靶托架上，在托架上建立测站，测定激光站点的三维坐标。
往托架上引测时仰角不得大于8°。
当环片测量结果及盾构姿态相差较大时进行此项检测。
3、洞内精密导线网和水准网的测设
洞内精密导线共布设两组，一组是在隧道内管片的一侧埋置观测桩，桩顶预埋钢板，中心焊上仪器的连接螺栓。
观测桩规格为30×30×100cm，测量时直接将仪器置于观测桩上整平就可以了；另一组点位埋设在洞底管片上，在膨胀螺栓顶上镶一直径1mm的铜丝标志。
点位埋设在隧道的一侧不受运输车辆和施工的影响的位置，保证点位的稳定性。
沿隧道布成直伸形的支导线，导线转角接近180°导线平均边长300m，最短不小于180m。
两组导线点在洞内形成导线网，导线网布设成若干个彼此相连的带状导线环，网中所有边和角都全部观测，内业计算采用严密平差方法计算。
并且在掘进1000m、2000m时，加测陀螺方位角加以校核。
两组导线埋设示意图如下：
施工控制导线点定期检测，保证控制网的精度和点位的稳定性，隧道掘进150m、隧道全长的二分之一时、隧道全长的四分之三时、和接近贯通面150m时各进行一次包括联系测量在内的导线复测和水准复测。
施工水准用DSZ2水准仪施测，往返闭合差≤±20√Lmm。
水准控制点定期进行检测，施工水准向前延伸时先检测后延伸，检测点的高程及原高程之差≤±3mm。
4、盾构机姿态人工复测
用Leica1101型1.5″级全站仪测定在盾构机壳内的三点（已知在TBM坐标系中坐标）的三维坐标后，反算出刀盘中心点的三维坐标和盾尾中心点的三维坐标，由刀盘中心、盾尾中心两点的坐标计算出盾构机在掘进过程中瞬时的水平方向和垂直方向的偏离值，及自动导向系统所显示的相关数据进行比较就可以知道自动导向系统是否正常工作。
测量方法：
从隧道内主控制导线点引测至托架上，引测至托架上时仰角不得大于8°。
在托架上建立测站，测定机壳三点的三维坐标。
高程用全站仪加钢尺测量，采取正、倒镜读数，消除仪器竖直角指标差的影响，独立测量三次，测得的高差较差≤±5mm。
盾构姿态的人工复测在激光站的移站后进行，或环片测量结果及盾构姿态数据差距较大时进行。
5、隧道环片测量
为了及时检测盾构姿态以及激光站点位是否正确以及洞内环片上浮情况，需要对环片进行监测，测量方法见盾构始发阶段测量。
环片测量每天进行一次。
四、贯通误差预计
1．平面贯通误差分析
⑴平面贯通误差的主要来源
由于本标段是主要是盾构施工，其贯通误差是指盾构机头中心及预留门洞中心的偏差值。
横向贯通误差的主要来源是下列五道测量工序的误差：
①：
地面控制测量误差；
②：
始发井联系测量的误差；
③：
地下导线测量误差量误差；
④：
盾构姿态的定位测量误差；
⑤：
吊出井联系测量的误差
⑵各项误差源的分析
①地面控制测量误差：
地面导线测量对横向贯通的影响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myβ=mβ″/ρ″*√∑RX2
式中：
mβ—导线测角中误差，以秒计；
∑RX2—导线测角的各导线点至贯通面的垂直距离的平方和，单位m2；
ρ—206265
导线测边误差引起的横向贯通中误差为myS=mS/S*√∑ｄｙ2
式中：
mS/S—导线边长相对中误差；
∑ｄｙ2—导线各边长在贯通面上投影长度的平方和，单位m2；
两者共同的影响为ｍ＝±√myβ2+myS2
始发井地面导线测量对横向贯通的影响
RX和dY值表
测角点
RX
RX2
导线边
dy
dy2
GPS6
2515
s1
96
9216
DJ1
2039
s2
84
7056
DJ2
1980
s3
132
17424
GPS7
1672
∑RX2
∑dy2
33696
始发井地面导线测量的测角中误差mβ＝0.3″，测距相对中误差mS/S＝1/61487，因此由上表中的数据求得
myβ＝6.03mm，myS＝2.99mm，
ｍ始＝±√myβ2+myS2＝±6.73mm；
吊出井地面导线测量对横向贯通的影响
RX和dY值表
测角点
RX
RX2
导线边
dy
dy2
GPS9
803
644648
s1
98
9604
DCJ-0
481
231650
s2
158
24964
DCJ-1
98
9565
s3
88
7744
DCJ-2
98
9624
s4
84
7056
DCJ-3
13
156
s5
41
1681
C4
408
166546
s6
498
248004
GPS12
613
∑RX2
∑dy2
299053
吊出井地面导线测量的测角中误差mβ＝0.38″，测距相对中误差mS/S＝1/110900，因此由上表中的数据求得
myβ＝1.90mm，myS＝4.93mm，
ｍ吊＝±√myβ2+myS2＝±5.28mm；
由于盾构段的横向贯通误差同时受始发井和吊出井地面控制导线的影响，故地面控制导线测量对横向贯通的总影响为
ｍ横1=±√m始2+m吊2＝±8.6mm；
②始发井联系测量误差：
由于本标段是在始发井通过联系三角形定向的方法导入地面坐标和方向。
通常联系三角形定向的定向误差要求都在2～4″，由于本标段始发井的井口长达80来米，做联系测量布网时，可以保证联系三角形的图形到达非常有利的条件，这样就可以大大减小了定向误差。
现在利用一般的定向误差值2″，推算一次定向误差对横向贯通误差的影响为：
m横2=ma*L/206265=2*2500/206265*1000=±24mm
其中此处的L是盾构施工段线路长2300m；
而钢丝投点的点位中误差借鉴经验值10mm，假设此误差完全传递给横向贯通，则联系三角形投点的点位中误差影起的横向贯通误差为m′横2=±10mm。
假设投点的坐标误差和定向误差都独立的，则联系测量影起的横向贯通误差为
m横2=±√（24*24*10*10）＝±26mm
由于在贯通前我们将在始发井独立作三次联系测量，则定向误差
m横2=26/√3=±15mm
实际上由于我们做联系测量的三角形的图形条件可以非常有利，完全可以大大提高定向精度，也就大大减小了对横向贯通误差的影响；
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，我们在洞内沿线路布置导线网，由于线路转弯不是很明显，基本上可以看成是直线，并且测距精度很高，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：
m横=L*ｍβ/206265*√（n+3）/12。
在本标段，从始发井到吊出井L=2300m，现在借用精密导线的技术要求来计算：
地下的导线平均边长为150m，则全线往返的总测站数为n=16；测角中误差为1.5″，则
m横3=L*ｍβ/206265*√（n+3）/12=±21mm
实际上，我们地下导线采用的是导线网的形式，精度比符合导线高，并且在隧道掘进1000m和2000m处再通过陀螺经纬仪来定向纠正偏差，这样横向贯通的精度是可以保证的；
④盾构姿态的定位测量误差：
盾构机姿态测量误差可以借鉴《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》（GB50308-1999）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：
由于本标段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，它也会影起贯通测量误差。
假设其误差完全传递给贯
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