袁兆奎

(武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司勘測設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430023)

1 引 言

隨著城市交通的快速發(fā)展，國內(nèi)越來越多的城市開始建設(shè)地鐵線路，其中主城區(qū)、市中心內(nèi)的隧道一般都采用盾構(gòu)法施工。在盾構(gòu)機(jī)開始掘進(jìn)、準(zhǔn)備出洞前，必須用鋼環(huán)襯徹在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上以確定洞門的位置，為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)、出洞提供重要的平面、高程、方位等參數(shù)，由于放樣、施工等原因，實(shí)際洞門中心與設(shè)計(jì)洞門中心一般都存在一定的偏差，因此必須精確測定其實(shí)際洞門中心。筆者在武漢市地鐵四號(hào)線二期工程若干盾構(gòu)區(qū)間的測量工作實(shí)踐中，探索出一種區(qū)別于文獻(xiàn)［3］、［4］的方法，非常實(shí)用。

2 洞門中心測量方法

在測量其中心前，應(yīng)通過導(dǎo)線測量、等級(jí)水準(zhǔn)測量將平面、高程傳遞到洞門附近。

2.1 洞門中心平面坐標(biāo)

理論上洞門鋼環(huán)應(yīng)是一個(gè)豎向的圓，其圓心為洞門中心，但由于拼裝、焊接、放樣等原因，鋼環(huán)本身并不處于一個(gè)平面上，且不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓形，因此只能求出最或是值。若在鋼環(huán)上取3 個(gè)點(diǎn)，則可擬合出一個(gè)球體，它通過這3 個(gè)點(diǎn)的切面即為鋼環(huán)，中心即為洞門中心。外業(yè)時(shí)如果盡可能多地測量鋼環(huán)上的點(diǎn)，且測點(diǎn)間隔均勻，則可擬合出多個(gè)洞門中心，將這些洞門中心點(diǎn)看成空間實(shí)體，求出其質(zhì)心，可認(rèn)為是洞門中心的最或是值。

外業(yè)通過導(dǎo)線測量的方法將平面控制點(diǎn)傳遞到洞門附近，用全站儀免棱鏡模式測出鋼環(huán)內(nèi)側(cè)若干點(diǎn)的坐標(biāo)，測點(diǎn)盡量間隔均勻，數(shù)量較多。內(nèi)業(yè)時(shí)，先在AutoCAD 中展點(diǎn)，然后選擇菜單“視圖”→“三維視圖”下的4 種查看模式的某一種，將測點(diǎn)以空間立體的方式呈現(xiàn)，便于查看、捕捉;輸入命令“sphere”，此時(shí)軟件提示:“指定中心點(diǎn)或［三點(diǎn)(3P)/兩點(diǎn)(2P)/相切、相切、半徑(T)］”，輸入“3P”，依次選擇間隔均勻，覆蓋范圍寬的3 個(gè)測點(diǎn)，軟件自動(dòng)擬合出一個(gè)球體，查看其屬性可得到球心坐標(biāo)，記錄下坐標(biāo)值。

按照同樣的方法，選擇其他間隔均勻的3 個(gè)測點(diǎn)，可擬合出另外一個(gè)球體，并獲取球心坐標(biāo)。

若外業(yè)采集的測點(diǎn)較為均勻，則可獲取一組球心坐標(biāo)。在AutoCAD 中展點(diǎn)，選擇菜單“繪圖”→“面域”，或者直接輸入“region”，選擇上述擬合出的所有球心，將其生成一個(gè)面域，通過“工具”→“查詢”→“面域/質(zhì)量特性”，即執(zhí)行質(zhì)量屬性查詢，獲取該面域的質(zhì)心，其X，Y 值可直接作為洞門中心的平面坐標(biāo)。

2.2 洞門中心高程

在上述方法中，洞門中心的高程值是可以直接求出來的，但在實(shí)際測量過程中，由于儀器架設(shè)的位置與洞門的高差有可能較大，導(dǎo)致測點(diǎn)的高程值誤差較大;且免棱鏡模式下的三角高程測量本身誤差較大，種種原因會(huì)導(dǎo)致擬合出的洞門中心高程值出現(xiàn)系統(tǒng)性的誤差。

基于上述分析，洞門中心高程應(yīng)采用傳統(tǒng)的聯(lián)系測量方法，而不采用三角高程測量鋼環(huán)上的碎部點(diǎn)并擬合出中心點(diǎn)的方法。

如圖1 所示，將檢定過的長鋼尺懸掛好，鋼尺零點(diǎn)朝下，下端掛一重錘，并置于油桶中，使之穩(wěn)定。在上下各安置一臺(tái)水準(zhǔn)儀，精平后同時(shí)讀取鋼尺上讀數(shù)b、c，然后再讀取水準(zhǔn)尺讀數(shù)a、d，由此可求出基坑底部或井下水準(zhǔn)點(diǎn)B 的高程HB為:

圖1 高程傳遞

然后以B 點(diǎn)為后視，鋼環(huán)最低點(diǎn)為前視，分別讀取水準(zhǔn)尺讀數(shù)e，f，水準(zhǔn)儀不動(dòng)，將水準(zhǔn)尺倒立在鋼環(huán)最頂部，讀取其讀數(shù)g，可得洞門中心點(diǎn)高程:

實(shí)際測量時(shí)，應(yīng)多次讀數(shù)，找到洞門的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，獲取精確洞門中心高程。

3 實(shí)際案例

以武漢市軌道交通四號(hào)線二期工程玉龍路站～永安堂站右線盾構(gòu)區(qū)間永安堂車站洞門為例。首先測得洞門中心高程為18.156 4 m，設(shè)計(jì)高程為18.194 m，偏差3.8 cm;洞門中心平面坐標(biāo)先在外業(yè)測得16 個(gè)碎部點(diǎn)，如表1 所示:

洞門鋼環(huán)碎部測點(diǎn)坐標(biāo) 表1

在AutoCAD 中展點(diǎn)后，以空間分布均勻，覆蓋范圍寬為原則，進(jìn)行分組擬合，可得8 個(gè)洞門中心，如表2 所示:

分組擬合洞門中心坐標(biāo) 表2

上述8 個(gè)點(diǎn)可構(gòu)成如下面域(如圖2 所示):

圖2 擬合出的多個(gè)洞門中心點(diǎn)

求得其質(zhì)心坐標(biāo)為:X=383266.2842，Y=517615.7776，Z=－4.2967，X、Y 值即為洞門中心，設(shè)計(jì)值為X=383266.3305，Y=517615.7455。以隧道掘進(jìn)方向?yàn)閰⒖蓟鶞?zhǔn)，洞門中心與線路中心線平面橫向偏差5.6 cm，縱向偏差1.0 cm。

4 與其他方法的比較

文獻(xiàn)［3］、［4］提出了一種附有條件的間接平差求解洞門中心點(diǎn)坐標(biāo)的方法。它根據(jù)洞門鋼環(huán)的多個(gè)測點(diǎn)擬合出一個(gè)空間圓，這個(gè)圓是一個(gè)球面與一個(gè)平面相交構(gòu)成的，分別對(duì)球面和平面建立數(shù)學(xué)方程和平差模型，按附有條件的間接平差法進(jìn)行求解，可得鋼環(huán)的圓心坐標(biāo)和半徑的最或是值。

按照該方法進(jìn)行計(jì)算，可得洞門中心的坐標(biāo)為:X=383266.2851，Y=517615.7723，Z=－4.2849，經(jīng)比較雙方互差△X=0.9 mm，△Y=5.3 mm，△Z=－11.8 mm，可以看出兩種方法計(jì)算出來的平面坐標(biāo)互差較小。根據(jù)《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》GB50446－2008 中的規(guī)定，要求盾構(gòu)軸線平面位置和高程位置偏離隧道軸線偏差，對(duì)于施工中的隧道均應(yīng)小于 ±50 mm，對(duì)于貫通后成型隧道，均應(yīng)小于±100 mm。從實(shí)際應(yīng)用精度看，該方法求得的洞門中心測量精度能滿足施工的要求。

5 結(jié) 論

基于在城市地鐵盾構(gòu)隧道測量中的長期工作實(shí)踐，本文提出了一種求解洞門中心坐標(biāo)的新方法，與國內(nèi)其他學(xué)者的方法進(jìn)行比較，該方法能滿足設(shè)計(jì)、施工的精度要求。由于無需平差，僅僅借助AutoCAD 軟件便可求出洞門中心坐標(biāo)，因此能方便相關(guān)從業(yè)人員快速掌握其原理，推廣應(yīng)用。

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