长大盾构隧道贯通误差分析

长大盾构隧道贯通误差分析

中铁十二局集团有限公司 广州 511453

【摘要】依据狮子洋隧道洞内外控制测量设计，通过对狮子洋盾构隧道贯通误差的限值分析得到不同施工阶段的测量限差要求，以此确定盾构施工测量精度、方法，制定测量方案，确保盾构隧道贯通和顺利对接。

关键词 盾构施工 控制测量 联系测量 贯通误差 一字对接

1 概况

1.1工程概况

狮子洋隧道位于广深港铁路客运专线东涌站至虎门站区间，为全线控制性工程。隧道全长10.8 Km，分为SDⅡ、SDⅢ两个标段，进口里程DK33+000，地理位置隶属于广州市南沙区；出口里程DK43+800，隶属于东莞市沙田镇。进口段左、右JD6曲线，其圆曲线半径分别为R=7250m（左线）及R=7000m（右线）,缓和曲线长L0=670m；出口段左、右线分别位于左、右JD7曲线，其左右线圆曲线半径均为R=7000m,缓和曲线长L0=670m。进口洞口位于圆曲线上。

本标段采用2台直径为11.182m复合式泥水加压平衡盾构机分左右线向出口推进，隧道两端从狮子洋两岸掘进，穿越狮子洋海底于洋底中部对接贯通。狮子洋隧道被定义为世界上目标难度值最大的水下隧道、国内最长标准最高的水下隧道、国内盾构一次性单机推进最长的水下隧道、中国铁路第一条水下大直径泥水平衡盾构圆形隧道，工程规模大、设计标准高、涉及工法多，经济和技术意义重大。

1.2 控制网概况

由于本工程的特殊性，测量工作不仅要保证隧道顺利贯通，还要考虑到相邻标段的搭接，因此，由SDⅡ、SDⅢ标进行狮子洋隧道独立控制网联合测量，并各自进行与相邻标段的衔接测量。由于受地形限制,沿线路走向测线跨越狮子洋海面宽度超过2.5km，采用常规测量方法很难达到测量设计要求，故平面控制采用铁路GPS-B等网设计，并参照国家GPS-C级网精度技术指标，大地四边形坚强网形结构施测。施测时与设计院既有的GPS控制点联测以保持系统基准一致。

隧道独立控制网采用经设计院确认的控制点作为首级控制网，口端有GPS-C15，GPS-C16两点，出口端有J2，J3两点。在进口端测区内，布设了A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7组成隧道首级控制网。此次布设的主要控制点选在测区附近既有建筑物顶部，均采用强制对中装置，以消除对中误差，尽可能提高控制测量网精度。

洞外高程基准采用从设计院提供的进口二等应急水准点C85、GPS-C18联测到隧道出口的BM1和1453。两端陆上部分采用精密水准仪按照二等水准测量规范施测；跨越珠江水面时，采用光电测距三角高程法进行施测，用GPS高程进行检核。隧道进、出口部分还分别进行了加密水准测量，精度与洞外高程测量相同。

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2 贯通误差分析

盾构区间隧道的施工是用盾构掘进的，所以盾构推进方向的测量必须是高精度的和可靠性的。由于本区间隧道全长10.8公里，狮子洋隧道进口施工长度为5.55公里。为了满足盾构掘进按设计要求贯通，就应满足贯通误差（含施工误差）的限值。《新建铁路工程测量规范》（TB10101—99）规定：10km～12km的隧道，隧道横向贯通中误差必须小于±150mm，高程贯通中误差必须小于±50mm。 2.1横向贯通测量

横向贯通测量一般包括：地面控制测量，竖井联系测量，井下导线测量，洞口钢环中心测量，盾构机中心姿态测量。

本隧道盾构区间隧道横向贯通误差主要来自以下几方面的测量工序：（1）地面控制测量误差m1；（2）工作井联系测量误差m2；（3）进洞时洞门中心坐标测量误差m3；（4）地下导线测量误差m4；（5）盾构机姿态测量误差m5。其中第（3）、（5）项为固定误差。

对各阶段平面测量误差限值分配采用不等精度分配原则，并假设各项误差影响互相独立，取值如下：m1=m,m2=2m,m3=m,m4=4m,m5=2m

代入mQ?22222m1?m2?m3?m4?m5?5.1m??150mm 可得m Q=29.4mm从而可以求得各道工序的测量中误差，即地面控制测量中误差为m1=29.4mm，联系测量中误差为m2=58.8mm，进洞时洞门中心坐标测量中误差m3=29.4mm，地下导线测量中误差为m4=117.6mm，盾构机姿态测量中误差m5=58.8mm。 2.2竖向贯通测量

竖向贯通测量一般包括：地面水准控制网测量；联系测量；地下水准导线网测量。对各阶段高程测量误差限值参考规范和以往经验取值如下： mh1=1m，mh2=1m，mh3=2m， mh1—— 表示地面控制测量误差； mh2——表示联系测量误差； mh3——表示地下导线测量误差； 代入mh?22m12?m2?m3?2.24m??50mm 可得mH=24.5mm

因为狮子洋隧道主要部分均在直线段，进口转向角17°17′48.34″，出口端线路转向角

8°17′50″，曲线半经≥7000米，且为大断面盾构施工（管片内径9.8m），因此整个隧道基本为直线延伸，在尽量克服施工现场不利因素的情况下（如隧道内通风、高温、潮湿环境及大气折光等），隧道内导线尽量采用长边进行导线控制。洞内圆曲线段导线边长C确定：C=8RF式中R为曲线设半径，F为保证量大通视距离的安全断面宽度，f=b-0.7m,(b为断面宽度，本文取管片拼装后内径为9.8米)。则导线通视边长最大可为C=726.5m,考虑便于观测、方便使用，本次设计导线边长取600米左右。

3.1计算洞外控制测量对隧道横向贯通误差的影响值

假定隧道贯通面G点位于隧道中部，即离出口洞口端5500米，独立施工坐标系X轴平行与隧道主轴线，Y轴垂直于X轴，洞外总的横向贯通误差影响值用Mgy(外)表示。当用GPS施作洞外控制测量，用常规光电导线进行洞内外联测，则地表控制起算点坐标误差对横向贯通误差影响值为M0y，起算边方位角误差影响值Mα0y，洞口联系测量传算测角误差影响值为Mβy，洞外控制点起算边测距（尺度）误差影响值为Mly.，并假定各影响因素相互独立，计算表述如下：

（1） 隧道出口端单口方向上述误差元素对隧道贯通面处的G点横向影响总值： Mgy(外)＝±M?y?M??y?M?y?Mly2222 ?????（1）

【注：公式（1）中未包括竖井联系测量定向及投点误差项，若采用则还需增加此两项影响，因为出口端不计划从竖井联系测量来获取洞内精密方向】

因为GPS控制测量点对隧道横向贯通误差主要受到所引用起算点的点位精度及其使用的起算边（后视边）的方向精度和置仪点（亦是GPS已知控制点）相对直线隧道轴线垂距的边长精度影响。由前面知控制点定向起算边

α0

方向误差为±1.5

秒，点位误差

M0y=?5.7?2=5.7÷1.414=±4.031mm，按照本隧道现在既有GPS点位布置现状，由GPS控制点传算坐标方位到洞口处至少需要置仪器2站，设引测测角精度达到±1.0秒，则至隧道进洞口Dj点其后视边方向定向精度实际降为

?1.52?12 =1.8秒。根据上面分析，取GPS边的平均相对误差为1/10

?万，洞口处联测控制点定向精度降低为1.8秒，为保证隧道洞口处进洞直接定向边继续维持在±1.5秒水平为宜，洞口引测投点应与主网采用整体平差，或布设隧道整体控制网时考虑GPS点或高精度起算桩能在洞口布设控制桩使置仪直接后视定向边进洞。精度估算时采用在洞口处该边精度可仍假定为1.8秒。且设GPS起始点距隧道轴线的垂距(至贯通点连线在Y轴上投影长) Ry=500m，距贯通点的纵向投影长Rx=5500m.则有：

M0y＝0.004

Mα0y=(1.5÷206265×5500)=0.04 Mβy=(1.8÷206265×5500)=0.048

2

2

2

2

2

2

2

2

Mly=(500÷100000)=0.005 将上述数值代入公式（1）计算得：

2222Mgy(出外)＝±0.004?0.04?0.048?0.005

222

＝±0.063m (出口端洞外横向影响总值)。??????(2)

（2） 隧道进口端单口方向上述误差元素对隧道贯通面处的G点横向影响总值分两种情况： 若进口端不通过竖井联系测量及其投点来引入控制坐标、控制方向，则近似按照两端洞外测量误差对隧道贯通面处的G点横向影响总值近似相等进行简易估算，其中Rx=5000， Ry=500m，余参数及假定相同。

2222Mgy(进外)＝±0.004?0.036?0.044?0.005

＝±0.057m (进口端洞外横向影响总值)。??????(3)

则由（2）、（3）两式计算结果综合得出第(I)种情况下洞外控制测量误差（包括进、出口端）

22对隧道相向掘进施工时，横向贯通影响预计总值Mgy(外)＝±0.063?0.057 =±0.085 m<90mm

(注：洞外设计考虑分配贯通中误差90mm，10KM以上隧道测量规范规定洞内贯通限差为300mm)，符合测量规范要求。

3.2计算投点（联系）测量对隧道横向贯通误差的影响值

井口端通过竖井联系测量作为传递精密控制坐标及方向的辅助方式之一，取竖井定向精度≤3秒，在公式（3）式计算式中增加竖井联系定向方向角误差影响项

①M井β＝(3÷206265×5000)=0.073 ②竖井投点坐标影响取M井Ty=0.003得出

222222Mgy(进外)＝±0.004?0.036?0.044?0.007?0.073?0.003=±0.093m?(4)

2

2

2

则由（2）、（4）两式计算结果综合得出第(II)种情况下洞外控制测量误差（包括进、出口端）对隧道相向掘进施工时，横向贯通影响预计总值Mgy(外)。

Mgy(外)＝±0.112小于f贯通允许中误差150mm，系按照本隧道是大于10KM隧道贯通限差标准衡量（>10KM时，总贯通限差300mm，中误差150mm），此数值虽符合精度要求，但其对隧道总横向贯通差影响较大【注：<<新建铁路测量规范(1999)>>按常规分配给洞外测量误差总影响值是90mm】，尚需提高洞外整体测量精度为佳。由上面计算分析看出，进行竖井联系测量要达到≤3.0秒精度，实际作业要求特别高，必须要采用其它相应措施保证定向精度。 3.3地下控制测量误差对隧道横向贯通误差影响值的估算

现以第（I）(II)种情况进行洞内测量精度设计分析如下： 因为M

贯允

＝150mm，本隧道基本为直线型，且为大断面盾构施工，测量环境应较比钻爆法好，

控制测量长度按600米设计，采用1秒全站仪施测，测距相对精度达到1/10万。

洞内横向贯通误差为： my=

2

?m????2??Rx2??ml?L?2??Ry22

????? (5)

洞内∑Rx计算

依据各导线点至贯通面的垂直距离计算的结果为：∑Rx＝108100000， 狮子洋隧道 贯通G

由于洞内导线沿隧道中线布设，隧道为直线隧道，即Ry＝0，故∑Ry2＝0 洞内测角精度计算

由于∑Ry＝0，所以myl＝(ml÷L) ×∑Ry=0 Mgy（内）=myβ=(mβ÷ρ) ×

2

2

出口端 X轴 ?Rx2

2， ρ=206265 ??????(6)

2

2

第（I）种情况：因为Mgy（内）2＝MG允－Mgy(外) ?????(7) Mgy（内）=0.150-0085＝0.124

将∑Rx＝108100000值和（7）式值代入（6）式计算得： 0.124＝（mβ÷206265）×10397.11498

即mβ＝±2.46秒，实际取用mβ＝±1.8秒，即洞内按照三等导线要求和精度指标进行施测可满足横向150mm贯通要求。

第（II）种情况，（7）式计算值Mgy（内）＝0.150－0.112=0.105 0.105＝（mβ÷206265）×10397.11498

得：mβ＝±2.02秒，实际取用mβ＝±1.8秒，即洞内按照三等导线要求和精度指标进行施测可满足洞内横向150mm贯通要求。 2

2

2

2

22

2

2

4 高程贯通误差估算 ΔΔR］洞外实测每公里水准测量偶然中误差为MW=± ［ =±1.80mm，符合二等水准测量精度

4n要求。

在估算隧道高程贯通精度时，为给隧道内高程控制测量留有一定的富余量，按照二等精度进行估算，即MW=±2.0mm。

因此，洞外高程控制测量误差引起的高程贯通中误差：

Mh外=±MΔL=±0.0040m<±0.0180m（《新建铁路工程测量规范》（TB10101-99）分配的的洞

外中误差。）L=17.07公里，进口从GPS-C18进洞，出口从BM1进洞。 《新建铁路工程测量规范》对本隧道贯通误差的要求如下： 高程贯通中误差±0.025m，限差0.050m。

根据洞外控制测量影响值，计算分配到洞内的影响值： Mh?Mh外Mh内=± =±0.0245m

22洞内水准路线长度为11公里，洞内水准测量每公里偶然中误差为0.0074m，则四等水准精度即可满足规范要求。因为本隧道采用盾构法施工，对贯通精度要求较高，因此，施工洞内水准测量按二等精度进行，这样，洞内部分引起的高程贯通影响值为±0.0033m，洞内外总影响值为±0.0052m，即预计高程贯通误差为0.0052m。

5 结束语

本工程采用两台盾构机由狮子洋两岸相向推进，于狮子洋下面呈“一”字形对接。按照设计要求，隧道贯通误差对测量精度要求非常高，为提高隧道的贯通精度，保证双向施工的两台盾构机能顺利对接，必须做好以下几项测量工作。

(1) 控制点采用强制对中装置，减少因对中误差引起的角度测量误差。

(2) 测回间仪器和觇牌严格对中整平，以减少仪器对中和目标偏心误差的影响，采用双照准读数，

两次照准读数限差为±2″。

(3) 采用碘钨灯照明，为消除照准目标的相位差，照明时半测回在觇牌一侧照明，另半测回在觇

牌另一侧照明。

(4) 由洞外控制点向洞内的引测工作，在阴天或夜晚进行，并要求进行不少于三次的重复测量，

当较差在误差允许范围内时取各次测量结果的平均值。

(5) 在隧洞内，导线平均边长达到600米，采用较长的导线边长，以减少角度传递误差。在导线

边长受条件所限而短于300m时，两端导线点均采用强制对中方式或三联脚架法，以减少仪器对中误差的影响。施工导线的边长控制在120m左右，并每隔数点与主导线复核，主导线用于贯通测量，施工导线用于施工放样。

(6) 测量时，现场应保证充分的通风和照明条件。测量在保证洞内清晰度的前提下进行测量。洞

内基本导线应独立地进行两组观测，导线点两组坐标值较差，不得大于洞内测量贯通中误差的2倍，合格后取两组坐标值的平均值作为最后成果。

(7) 隧道的横向贯通误差随着测站数的增加而迅速增大，尽量将导线边长拉长，以减小方位角传

递误差。

(8) 施工过程中严格保证人员的稳定性、测量控制点的稳定。

(9) 对地面测量控制网，应联合两家单位经常复测，确保地面主控制网的精度。

(10) 对于洞内导线，尽量布设成闭合环的形式，加强点位之间的复核性，控制点全部采用强制

对中，减少对中误差的影响。

(11) 洞内导线应形成闭合环，并应对主导线控制点用高精度陀螺仪测定方向角，确保主导线方

位达到设计的精度要求，以增加重复测量次数和检核条件；

参考文献

1 2

广深港狮子洋隧道独立控制网的测量与成果分析。中铁十二局集团有限公司 李青岳，陈永奇。工程测量学[M]。北京：测绘出版社，1995

3 《客运专线无碴轨道铁路工程测量技术暂行规定》（铁建设[2006]189号） 4 《新建铁路工程测量规范》（TB10101-99）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dyja.html