类矩形盾构隧道断面测量及数据处理方法研究与应用

林飞，孙士通

(杭州市勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310012)

1 引 言

“类矩形隧道”在轨道交通隧道领域是一个崭新术语，其隧道横截面是由数条光滑可导的曲线组成，构成一个类似于矩形的封闭轮廓[1]。类矩形盾构机能够在宽度11米多的情况下，实现双线合一，相比于传统的圆形盾构隧道，其可节约35%的地下空间，在城市核心区与老旧城区的地下工程施工时，可大大减少对地上和地下构筑物的影响，经济效益高。之前国内只有宁波在地铁隧道施工中采用过类矩形盾构，该项盾构技术由宁波地铁组织自主研发。目前杭州地铁4号线二期的类矩形盾构横截面尺寸与宁波地铁的完全一致，具体如图1所示：

图1 类矩形盾构断面示意图

隧道断面测量是地铁铺轨前需要经过的一道重要工序，其测量结果是线路专业对线路设计参数进行调整的依据[2]，同时也是掌握隧道结构安全状况的主要监测手段[3]，十分重要。

2 断面测量要求

按照设计要求，直线段每6 m(小盾构5环)、曲线段每 3.6 m(小盾构3环)，测量一个横断面。曲线段各线路要素点如：直缓点ZH(或缓直点HZ、直圆点ZY、圆直点YZ)、圆缓点YH(或缓圆点HY)，竖曲线起点、终点、曲中点应进行横断面测量。每个横断面的测点分布如图2所示：

图2 类矩形盾构断面测点分布图

根据测点相对于设计轨面的高度要求进行测量，计算测点到设计线路中心线的横距值A1、A2、A3和B1、B2、B3。

断面测量精度按照规范[4]要求进行，平面测量基准线为设计的线路中心线，高程基准线为设计的轨顶面高程。

3 断面测量方法及数据处理分析

3.1 断面几何形状分析

根据类矩形盾构的隧道横断面设计图分析，其由上、下、左、右四段圆弧组合而成，其中上、下圆弧为半径 15 m的大圆，左、右圆弧为半径 2.75 m的小圆，如图3所示：

图3 类矩形盾构横断面几何形状图

由上图可以看出，断面测量要求的线路右侧B1、B2、B3的测点均分布在小圆的圆弧上。

3.2 测量方法及数据计算

(1)断面测量方法

断面外业测量主要采用全站仪来采集各个断面的测点，其中，线路左右测的断面测点采用免棱镜模式采集，隧道中线位置的底部高采用立棱镜杆测圆棱镜的模式进行。根据类矩形断面测量要求，线路左侧A1、A2、A3的测点均分布在中隔墙上，由于中隔墙结构简单且近乎垂直，在实际测量中，A1、A2、A3测点的采集位置上下偏差少许对其到设计中线的横距值影响甚微。关键在于线路右侧B1、B2、B3的测点，其分布于小圆圆弧上，在实际测量中测点位置的上下偏差均会影响测点到设计中线的横距值。目前的常用方法是现场先把测点放样出来并用油漆标注到隧道壁上，然后测量油漆标志点。然而这种方法一方面新增了放样的工作量，另一方面实施过程中也存在放样误差。

本文的方法是全站仪无棱镜模式在小圆圆弧上任意采集4个点(点位尽量均匀分布)来拟合出小圆，根据圆上3点确定圆心的理论，可以得到4组圆心值再求取平均，求出实际的小圆圆心以及半径。然后根据实测的圆心三维坐标，利用相关几何关系推导出最难求取的B1、B2、B3横距值，具体在下一小节展开。

(2)断面数据处理

具体到某一个横断面处，实测的小圆位置相对于设计的小圆位置主要是存在是横向和竖向两个方向的偏差，示意图如图4所示，灰色圈为小圆理论位置，红色圈为小圆实际位置。

图4 类矩形盾构解算横断面两侧实测偏距值示意图

线路左侧A1、A2、A3横距值直接为外业打点坐标与设计线路求垂距得出，线路右侧B1、B2、B3横距值的求取方法如下：

以求取B3横距实测值LS为例，B3高度位置为设计轨面高程H轨面以上 550 mm处，实测小圆圆心高程为H小圆，距B3位置的高差为h，则：

h=H小圆-H轨面-0.55

(1)

实测小圆圆心与管壁的横向距离为L1，与线路中心线的横向距离为L2，实测小圆半径为RS，则：

(2)

LS=L1+L2

(3)

将式(1)、式(2)代入(3)，可知B3横距实测值LB3为：

(4)

同理B1、B2横距实测值LB1和LB2分别为：

(5)

(6)

其中，L2可由实测小圆圆心坐标与设计线路算偏距求得，而实测小圆圆心三维坐标和实测半径通过编写软件来计算获得。软件采用VB6.0编写，主要利用圆上3点确定圆心的理论[5，6]，可批量计算任意组断面的圆上打点数据，并输出实际小圆的圆心三维坐标以及半径。本文采用外业测小圆圆弧上4点来拟合圆心三维坐标，这样可以得到4组圆心值再求取平均，使结果更加可靠，也不会增加太多工作量。

软件界面如图5所示：

图5 编写的可批量拟合圆心软件

4 算例分析

4.1 数据计算

杭州地铁4号线二期彭埠站～明挖转换井类矩形盾构隧道全长 442.46 m，在完成隧道贯通测量之后，采用0.5秒全站仪对隧道断面按 6 m一个断面进行了测量。

小圆圆弧上的打点数据经软件计算处理之后的结果如图6所示：

图6 拟合圆心软件计算成果

然后将所得数据及相关测量数据与设计中线数据进行横向偏距计算及竖向高差计算[6]，得出最终的断面成果，如图7所示：

图7 断面测量计算成果表(篇幅有限，仅示意部分数据)

4.2 比较分析

为做对比，采用常规方法(即先放样出B1、B2、B3的测点，再进行测量)对该隧道23+018.512至23+085.589范围相同里程的12个断面也测了一遍。

用本文的类矩形盾构隧道断面测量及数据处理方法所得B1、B2、B3的横距值与常规方法所测值对比如表1所示：

本文方法与常规方法所得成果对比 表1

续表1

由表1可以看出，本文方法与常规方法所得成果的互差均未超过 ±20 mm，偏差最大的为里程 23 060.669处断面的B3横距值，差值为 -19 mm。

5 结 论

通过在杭州地铁4号线二期彭埠站～明挖转换井区间隧道断面的实际测量结果可得出如下结论：

(1)本文的类矩形盾构隧道断面测量及数据处理方法与常规方法的测量结果接近，互差符合规范[4，7]中的限差(2倍中误差) ±20 mm的规定，可以满足类矩形盾构隧道断面的测量要求。

(2)考虑到常规方法的前期放样工作量巨大，且存在放样误差，本文的方法无须进行测点放样，在外业测量中更具实用性。