陳 黨 瑩

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

0 前 言

“VMT導(dǎo)向系統(tǒng)”是由VMT GmbH—Gesellschaft fǖr Vermessungstechnik測(cè)量技術(shù)公司(德國)專為隧道掘進(jìn)機(jī)開發(fā)的特殊導(dǎo)向系統(tǒng)，即：TUnls或SLS-T激光導(dǎo)向定位系統(tǒng) ，簡稱為“VMT導(dǎo)向系統(tǒng)”。該系統(tǒng)具有錄入隧道設(shè)計(jì)軸線坐標(biāo)參數(shù)并計(jì)算設(shè)計(jì)軸線、TBM即時(shí)位置，并以圖形、數(shù)字方式顯示，計(jì)算平滑糾偏曲線，使TBM切向返回設(shè)計(jì)軸線等測(cè)量導(dǎo)向功能及管片安裝選型、備份已拼裝管環(huán)數(shù)據(jù)信息等其他非導(dǎo)向功能。在掘進(jìn)過程中，該系統(tǒng)對(duì)TBM的位置和隧道設(shè)計(jì)軸線的相對(duì)關(guān)系進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)控測(cè)量，避免TBM發(fā)生意外的運(yùn)動(dòng)或方向突變。VMT導(dǎo)向系統(tǒng)基本由四大塊組成，即：后視覘標(biāo)、測(cè)站點(diǎn)、激光靶、控制操作室中控臺(tái)。

1 雙護(hù)盾TBM施工與其他施工在測(cè)量工作上的區(qū)別

隧道(洞)常規(guī)鉆爆法施工時(shí)，測(cè)量工作主要內(nèi)容是洞外首級(jí)控制網(wǎng)的復(fù)測(cè)、必要的洞外施工控制網(wǎng)的加密、洞內(nèi)導(dǎo)線的布設(shè)、施測(cè)與延伸(這也是所有隧洞施工測(cè)量必須進(jìn)行的工作)，通過引進(jìn)洞內(nèi)的控制點(diǎn)直接進(jìn)行開挖掌子面的施工放樣及其他測(cè)量工作。

敞開式TBM施工時(shí)，需通過引入洞內(nèi)的控制導(dǎo)線，向VMT導(dǎo)向系統(tǒng)傳遞掘進(jìn)導(dǎo)向的基準(zhǔn)坐標(biāo)。一般采用懸掛于圍巖上的后視覘標(biāo)、全站儀，將掘進(jìn)導(dǎo)向的基準(zhǔn)傳遞給TBM配置的激光靶標(biāo)，再由激光靶標(biāo)將基準(zhǔn)坐標(biāo)傳遞給操作室的中控臺(tái)導(dǎo)向系統(tǒng)，指導(dǎo)掘進(jìn)姿態(tài)(水平、豎向)。采用該法施工時(shí)，掘進(jìn)導(dǎo)向用的后視覘標(biāo)、全站儀均懸掛于穩(wěn)定的圍巖上，一般不會(huì)發(fā)生位移。

雙護(hù)盾TBM施工的最大特點(diǎn)之一就是隧道(洞)開挖與永久支護(hù)(一般采用4～7片管片拼裝形成)一次完成，掘進(jìn)后即進(jìn)行管片安裝，但管片安裝后，需向管片與圍巖間的間隙內(nèi)充填豆礫石并進(jìn)行灌漿處理。由于TBM及其后配套系統(tǒng)一般長度至少在150 m以上，這就造成用于提供掘進(jìn)導(dǎo)向基準(zhǔn)的全站儀或全站儀和后視覘標(biāo)必須懸掛于管片上(根據(jù)TBM及其后配套系統(tǒng)的長度決定)，而此時(shí)的管片尚不穩(wěn)定，可能發(fā)生沉降、抬升、旋轉(zhuǎn)，這對(duì)全站儀和后視覘標(biāo)的懸掛支架提出了要求，需要經(jīng)常進(jìn)行檢查、校核。

2 雙護(hù)盾TBM施工VMT導(dǎo)向系統(tǒng)精度的影響因素

2.1 洞外控制網(wǎng)精度

洞內(nèi)測(cè)量控制的是基于洞外控制網(wǎng)的某一點(diǎn)向洞內(nèi)延伸的，因而洞外控制網(wǎng)的精度直接決定了洞內(nèi)測(cè)量控制的精度。洞外控制網(wǎng)布設(shè)時(shí)，根據(jù)條件，控制點(diǎn)間間距控制在400～1 000 m內(nèi)為宜，如條件限制，最短不得小于200 m，同時(shí)根據(jù)隧道長度，選擇合理的控制網(wǎng)等級(jí)。

2.2 儀器選型精度

測(cè)量儀器精度的選擇，既要滿足合同、設(shè)計(jì)貫通精度要求，又不能盲目地追求高精度指標(biāo)所帶來的不必要的投入增加。選擇儀器時(shí)，可參考《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》(SL52-2015)中對(duì)不同布網(wǎng)等級(jí)的測(cè)角、測(cè)距中誤差要求；《水電水利工程施工測(cè)量規(guī)范》(DL/T5173-2012)中對(duì)不同洞長導(dǎo)線測(cè)量布設(shè)控制網(wǎng)等級(jí)的要求，兼顧以光電測(cè)距三角測(cè)量代替水準(zhǔn)測(cè)量對(duì)不同等級(jí)水準(zhǔn)網(wǎng)的要求，同時(shí)結(jié)合各工程的實(shí)際進(jìn)行選擇。

如某工程采用雙護(hù)盾TBM法施工，隧道設(shè)計(jì)長度4.78 km，VMT導(dǎo)向系統(tǒng)配置的全站儀為Leica TS15G，其標(biāo)稱測(cè)角精度為2″，測(cè)距為±2 mm+2 ppm，同時(shí)激光靶標(biāo)及后視棱鏡均為Leica棱鏡。為避免因頻繁調(diào)整棱鏡加乘常數(shù)等引起的誤差，測(cè)設(shè)導(dǎo)線的全站儀亦選用Leica系列產(chǎn)品。根據(jù)隧道長度，在進(jìn)行貫通誤差預(yù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮到導(dǎo)線傳遞時(shí)的測(cè)角、測(cè)距誤差、洞內(nèi)照明引起的旁折光誤差，選擇測(cè)設(shè)導(dǎo)線的全站儀精度(測(cè)角、測(cè)距)不低于VMT導(dǎo)向系統(tǒng)所配置的全站儀精度。隧道貫通后，實(shí)際測(cè)量貫通誤差優(yōu)于貫通誤差預(yù)設(shè)計(jì)。

2.3 洞內(nèi)導(dǎo)線布設(shè)網(wǎng)形及延伸精度控制

為有效控制隧道掘進(jìn)軸線、高程偏差，避免導(dǎo)線傳遞過程中無校核條件，洞內(nèi)導(dǎo)線一般采用主副雙導(dǎo)線或交叉雙導(dǎo)線，并嚴(yán)格控制由洞口控制點(diǎn)向洞內(nèi)測(cè)設(shè)導(dǎo)線時(shí)的起始方向連接角測(cè)角中誤差，滿足規(guī)范要求，這是保證洞內(nèi)導(dǎo)線精度的首要條件。為有效控制貫通精度，同時(shí)兼顧工作量及旁折光影響，最好采用交叉導(dǎo)線形式布設(shè)雙導(dǎo)線網(wǎng)。當(dāng)導(dǎo)線向前延伸時(shí)，每隔一條側(cè)邊閉合一次，形成重疊四邊形。同時(shí)洞內(nèi)基本導(dǎo)線網(wǎng)向前每延伸一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)其進(jìn)行一次計(jì)算和檢核(見圖1)。導(dǎo)線布設(shè)邊長的選擇根據(jù)隧道長度、貫通誤差預(yù)設(shè)計(jì)進(jìn)行選擇，同時(shí)要考慮到洞內(nèi)施工環(huán)境對(duì)導(dǎo)線測(cè)量的影響。

圖1 交叉導(dǎo)線形式布設(shè)雙導(dǎo)線網(wǎng)示意

(1)檢查新構(gòu)成的多邊形的角度閉合差Wβ是否超限，檢核公式為：

式中，Wβ為角度閉合差，(″)；mβ為測(cè)角中誤差，(″)；n為多邊形內(nèi)角數(shù)，個(gè)。

通過對(duì)多邊形角度閉合差的檢核，可以達(dá)到核驗(yàn)①多邊形各內(nèi)角的觀測(cè)值是否存在粗差；②導(dǎo)線點(diǎn)L1、R1、L2、R2是否有移位。

(2)檢查不同時(shí)段觀測(cè)的同一角度差值β是否超限，檢核公式為：

然而，令人失望的是，1936年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)卻頒發(fā)給了比趙忠堯晚了兩年才發(fā)現(xiàn)正電子徑跡的安德遜。安德遜在1983年也寫出了當(dāng)年的故事：在加州理工學(xué)院時(shí)，我與趙忠堯同為研究生，辦公室只有一墻之隔。我的研究是受趙的啟發(fā)才做的。

式中，Δβ為不同時(shí)段觀測(cè)的同一角度差值，(″)；mβ為測(cè)角中誤差，(″)。

通過此項(xiàng)檢核，當(dāng)多邊形閉合差超限時(shí)，可分析出是因?qū)Ь€點(diǎn)偏移還是觀測(cè)值存在粗差。

(3)檢查導(dǎo)線延伸新增導(dǎo)線點(diǎn)的橫向點(diǎn)位精度，檢核公式為：

通過此項(xiàng)檢核，可檢核新增導(dǎo)線點(diǎn)的邊長測(cè)量是否存在粗差；檢核新增導(dǎo)線點(diǎn)測(cè)量過程中各導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)是否存在粗差。

3 洞內(nèi)導(dǎo)線布置

3.1 洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)型式

為減少人為誤差，洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)標(biāo)志應(yīng)設(shè)置為強(qiáng)制對(duì)中形式，對(duì)中螺絲幾何中心即為導(dǎo)線點(diǎn)平面位置，同時(shí)，可以將水準(zhǔn)點(diǎn)也設(shè)置在對(duì)中螺絲附近，便于查找和使用。

3.2 導(dǎo)線點(diǎn)布設(shè)密度、位置與穩(wěn)固度

洞內(nèi)主導(dǎo)線點(diǎn)間距要根據(jù)隧道長度、貫通誤差限差、貫通誤差預(yù)設(shè)計(jì)進(jìn)行合理選擇，但一般不大于500 m(超長隧道應(yīng)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì))且通視，如隧道存在曲線段，則應(yīng)根據(jù)各曲線轉(zhuǎn)彎半徑、長度，縮短導(dǎo)線點(diǎn)間間距。導(dǎo)線點(diǎn)一般布設(shè)在已安裝、穩(wěn)定的管環(huán)側(cè)壁、距離安全通道0.5～0.8 m高且遠(yuǎn)離照明燈、高壓電纜等強(qiáng)光、電磁干擾部位，并采用混凝土澆筑或角鋼、鋼板固定。如位置過低，影響人員通行或發(fā)生碰撞，過高則不便于觀測(cè)，易于與洞內(nèi)其他布置沖突。洞內(nèi)強(qiáng)制對(duì)中導(dǎo)線點(diǎn)及布設(shè)位置見圖2。

圖2 洞內(nèi)強(qiáng)制對(duì)中導(dǎo)線點(diǎn)及布設(shè)位置示意

3.3 懸掛全站儀及(或)后視覘標(biāo)的支架處理

由于用于傳遞掘進(jìn)導(dǎo)向基準(zhǔn)的全站儀及(或)后視覘標(biāo)懸掛于尚未完全穩(wěn)定的管片上，為避免或盡可能減少因管片的不穩(wěn)定對(duì)導(dǎo)向基準(zhǔn)的影響，需在懸掛支架上安裝柔性的緩沖裝置(一般調(diào)節(jié)范圍在2 cm以內(nèi)，見圖3、4)。這樣，當(dāng)因掘進(jìn)過程中TBM的劇烈振動(dòng)或管片發(fā)生激烈的沉降、抬升、旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以起到抵消或削弱對(duì)導(dǎo)線系統(tǒng)基準(zhǔn)準(zhǔn)確性的影響。當(dāng)然，當(dāng)發(fā)生猛烈變化時(shí)，必須對(duì)覘標(biāo)、全站儀懸掛點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行檢查、校準(zhǔn)或加固。

圖3 敞開式TBM施工懸掛全站儀、覘標(biāo)的支架型式

圖4 雙護(hù)盾TBM施工懸掛全站儀、覘標(biāo)的支架型式

3.4 特殊情況后的處理

當(dāng)發(fā)生TBM卡機(jī)后重新啟動(dòng)、長時(shí)間停機(jī)后重新啟動(dòng)或通過不良洞段等情況，應(yīng)重新校核VMT導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)站、激光靶標(biāo)、后視點(diǎn)坐標(biāo)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)糾偏。

3.5 全站儀自身因素

因全站儀屬精密儀器，工作環(huán)境一般為靜態(tài)環(huán)境，但受TBM施工自身特點(diǎn)影響，在掘進(jìn)、管片安裝、豆粒石回填等過程中，設(shè)備震動(dòng)較大，全站儀始終處于動(dòng)態(tài)的工作環(huán)境下。雖然VMT導(dǎo)向系統(tǒng)配置的全站儀根據(jù)此特點(diǎn)，設(shè)置了減振設(shè)施，但長時(shí)間運(yùn)行，全站儀依然會(huì)不可避免地受到破壞，無法工作或精度大大降低，導(dǎo)致無法正確指導(dǎo)施工，因而必須進(jìn)行更換。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，一般每半年更換一臺(tái)全站儀。

4 結(jié) 語

采用雙護(hù)盾TBM法施工的隧道，影響VMT導(dǎo)向系統(tǒng)精度的因素包括：人為因素、儀器因素、環(huán)境因素及采用此施工法自身特點(diǎn)等，同時(shí)與TBM操作手作業(yè)水平、圍巖類別、測(cè)站點(diǎn)架設(shè)處及后視棱鏡安裝位置管片的穩(wěn)固度等諸多因素相關(guān)。本文僅就采用雙護(hù)盾TBM法施工時(shí)，可能影響VMT導(dǎo)向系統(tǒng)精度的測(cè)量因素進(jìn)行了簡要梳理，以期拋磚引玉，與大家共同探討。