机械顶管隧道施工测量技术

机械顶管隧道施工测量技术

杜志刚

中铁隧道集团有限公司河南洛阳471009

摘要：机械顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法，它具有不需要开挖地面层、不影响地面交通等诸多优点，然而顶管在施工过程中每节工具管都周期性的向前移动，管内不能布设长期稳定的测量控制点，对施工测量来说具有很大的难度。本文引用洛阳市洛南新区阳光电厂~彩云变电站220kv下穿关林大道顶管隧道，将前方交会技术应用于施工控制点的恢复，提出“相对空间点位法”的施工控制点恢复方案，成功解决了机械顶管隧道施工控制点的恢复和井内施工放样成果的重复利用问题，降低了劳动强度，提高了测量工作效率。

关键词：顶管隧道；前方交会；相对空间点位法；施工放样；施工控制点

引言

机械顶管法施工技术是一种不开挖或者少开挖的管道施工技术，其原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力，把工具管从工作井内穿过掘进层一直推进到预定贯通位置。顶管法施工不同于传统的地下隧道工程，其主要特点为施工掘进过程中井下的工具管处于周期性运动状态,每节工具管既不断向前，又由于受力的不均匀存在上下和左右运动，因此不能在工具管内设置稳定控制点的方法进行施工测量，若每次施工放样均从地面引测新的井下控制点，不仅占用时间长、影响工程进度，也存在测量工作量大、放样检核措施少等缺点。目前，崔国新[1]提出采用激光束的方法指导前进方向；舒亚明等[2]对长距离曲线顶管测量和控制进行了研究；郑金淼[3]提出了自动导线测量系统的解决方案。本人通过洛阳市洛南新区横穿关林大道的电力顶管隧道（长185m），将前方交会技术应用于井下控制点的恢复,提出“相对空间点位法”的施工控制点恢复方案，能解决顶管隧道施工过程中工具管周期性运动造成的施工控制点无法埋设问题，在此基础上对机械顶管隧道施工测量技术进行了有益的探讨。

1相对空间点位法原理

相对空间点位法是基于机械顶管隧道周期性向前移动的特点,利用井下工具管内施工控制点（P）与工作井后壁上控制点P1、P2的固有关系,将前方交会技术应用于控制点恢复的一种方法。如图1所示,P1,P2均为工作井后壁上已知点,P为工具管内施工控制点,α为测得的水平夹角，SPP1,SPP2为施工控制点P到已知点P1和P2的距离。

图1相对空间交会法原理示意图

在施工过程中由于工具管不断前移，导致控制点P无法稳定埋设，施工放样时根据施工控制点P与P1点、P2点的关系，在一定高程面上实时对P点进行恢复，利用顶角α进行检核以确保点位恢复的准确,可达到迅速设站放样的目的。

2工程案例

2.1工程简介

洛阳市洛南新区阳光电厂~彩云变电站220千伏下穿关林大道顶管隧道，设计南北两个工作井双向掘进，工作井长宽均为7m×7m，井深约10.6m，顶管地下埋设约9.7m，工具管长2m，管直径2.5m，地下隧道长184.775m，平面设计为直线掘进，高程设计为1%的纵坡，设计贯通位置位于隧道中部。

2.2地面控制测量

地面控制网由设计单位完成,施工方接桩后首先对控制点进行复测，确认点位稳定可靠后，结合工作井的位置进行加密测量，分别在距离1号和2号工作井4m~5m地质稳定、能长期保存控制点的地方加密近井点J1和J2，且尽量保证J1、J2相互通视,以减小地面控制测量误差的影响，导线加密测量网型图如下所示：

图2地面网导线加密示意图

地面高程控制测量时，为起算基准的一致性，提高井下高程贯通测量精度，高程加密测量时起算点与未知点之间均进行往返测量，J1、J2高程值由T112、T113进行联合平差得到。

2.3竖井联系测量

平面网传递采用一井定向中的联系三角形，工作井悬吊两根直径0.3mm钢丝，在井上和井下分别粘贴反射片，井上和井下分别测定近井点与两根钢丝的距离和夹角，推算井下控制点X1、X2的平面坐标。

2.4高程传递测量

高程传递采用悬吊钢尺的方法，在检查近井点的点位稳定可靠后，悬吊50m钢尺，井上和井下同时安置水准仪，观测钢尺读数，改变钢尺悬吊高度1m~2m，第二次读数，两次高差在3mm之内取平均作为传递高差。为了增加可靠性，一般高程传递测量在顶管掘进5m和30m后各独立进行一次。

2.5井下施工测量

井下施工测量，首先要根据竖井联系测量的控制点X1和X2放样出工作井后壁上的中线点Z0以及顶管掘进方向的中线点Z1、Z2、Z3，以Z0为中心点，距离Z0点左右各2m~5m左右的位置制作出P1和P2点，将全站仪分别架设到Z1、Z2、Z3等中线点，测量α1、SP1Z1、SP2Z1、SZ0Z1，ΔHZ0Z1，α2、SP1Z2、SP2Z2、SZ0Z2、ΔHZ0Z2，α3、SP1Z3、SP2Z3、SZ0Z3，ΔHZ0Z3等数据。如图3中所示：

图3相对空间点位法作业示意图

采用相对空间点位法进行施工放样时，采用以下步骤：

（1）采用钢尺丈量Z0到Z1的距离，首先找到里程位置;

（2）采用水准仪测量Z0至Z1的高差，确定出待交会点Z1点的高程位置；

（3）测量P1Z1和P2Z1的距离，观测距离与原值较差2mm之内时在步骤2确定的高程面内交会出Z1点；

（4）重复以上3个步骤交会出Z2；

（5）在Z2架设仪器，后视Z0,检核夹角α2和中线点Z1，确定稳定后进行施工放样。

采用相对空间点位法进行施工放样时，如果顶管隧道为直线，可直接采用拨角的方式指导施工前进方向，若为顶管隧道为曲线，可将采用坐标法放样。

3相对空间点位法的施工控制点埋设方案的科学性

相对空间点位法的本质是前方交会，根据交会的原理，当交会角（顶角）为90°时，交会点的精度最高，交会角一般应该在30°~150°之间，然而由于顶管隧道的线性特征，要控制顶角在30°~150°之间显然不可能，因此施工过程中采用后方交会的方法进行施工放样是不行的，然而通过一井联系三角测量，先测量控制点（或中线点），再测量该点与工作井后壁上的三个基准点的关系，在一定的高程面通过固定的距离关系来恢复控制点是完全可行的。每次施工放样时只需要在一定高程面测量三个距离，检核一个夹角，即可快速确定出施工控制点的位置，大大缩短了施工测量工作时间，降低了测量强度，让测量成果可重复利用，从而提高可靠性和作业效率。

4相对空间点位法检核措施

在市政顶管施工中，绝大多数是跨越城市道路的，顶管距离一般在200m之内，因此在仪器精度满足要求的前提下,井下控制点的稳定性检核具有更重要的意义，每次施工放样时首先要判别基准点Z0、P1、P2的相互距离关系，需要检核顶角α1、α2、α3以及设站点与基准点Z0的关系等，若检核出明显粗差，应该停止施工放样,采用联系三角形从新从地面引测相对关系，以确保顶管隧道掘进的准确。

5建议及探索

“相对空间点位法”的施工控制点恢复方案具有降低测量工作强度、缩短工作时间、提高工作效率和井内测量成果可重复利用等诸多优点，采用此方法应用于洛阳市洛南新区横穿关林大道电力顶管隧道（长185m）取得了很好的效果，该隧道贯通测量值为：Δx为3.6cm，Δy为0.82cm，Δz为1.6cm,满足规范限差要求。通过该工程案例得到以下结论和建议：

（1）采用“相对空间点位法”设站要注意检核点位的稳定性，每次设站时均要对工作井后壁上的三个基准点和顶角α进行检核。

（2）采用“相对空间点位法”设站尤其适应于直线顶管隧道，将施工控制点直接布设在隧道中线位置，每次放样仅需要拨角即可完成。

（3）建议加强该领域的研究，将“相对空间点位法”施工控制点恢复技术应用于长距离的曲线顶管隧道施工中。

参考文献：

[1]崔国新.机械顶管施工测量方法[J].市政技术2006（1）

[2]舒亚明[1]，周永红[2].长距离曲线顶管测量和控制[J].浙江工业大学学报.2009（12）

[3]郑金淼.自动导线测量系统及其在顶管施工中的应用[J].测绘通报.2001（1）