郝爽
中广核工程有限公司，广东深圳518000
摘要：本文以某核电站排水隧洞盾构施工测量为研究对象，分析了排水隧洞基于VMT盾构导向系统施工的主要原理，进而探讨了隧洞盾构测量相关作业控制要点及主要测量作业方式，最后对作业中遇到的一些风险源做了一定的总结分析，相信对从事相关工作的同仁有着重要的参考价值和借鉴意义。
关键词：盾构施工、导向系统、盾构姿态、施工测量
一、工程概述
某核电排水隧洞位于广东省陆丰市碣石半岛南端的田尾山，行政区划属广东省陆丰市碣石镇,厂址范围地理坐标为E115°47′34″～E115°49′33″、N22°44′20″～N22°45′40″，排水隧洞工程总长度3.5公里, 最大纵坡31.25‰。
二、VMT盾构测量导向系统的控制原理
1、系统简介及盾构施工坐标系
1.1、系统简介
德国VMT公司的SLS-T系统就是由此而开发,该系统为使TBM沿设计轴线（理论轴线）掘进提供所有重要的数据信息。在隧道掘进的过程中,为了避免隧道掘进机(TBM)发生意外的运动及方向的突然改变, 必须对TBM的位置和DTA(隧道设计轴线)的相对位置关系进行持续地监控测量。TBM能够按照设计路线精确地掘进,对掘进各个方面都很好的控制,这就是TBM采用“导向系统”（SLS）的原因。
1.2、 DTA坐标系
DTA坐标系是盾构施工坐标系统,它是以线路设计中线为参照的一种三维坐标。只要将盾构始发站开始的线路设计资料输入,掘进中任意点里程点的平面坐标和高程,以及线路的平面、纵剖面状态,通过计算机处理后,均为已知并可显示出来。
盾构机掘进过程中某一时刻的里程位置，则是通过设置在导线点上的激光自动全站仪、自动跟踪盾构机上的光靶进行测量获取的。
1.3、 TBM坐标系:
TBM坐标系是盾构机本身的一种局部坐标系统,它主要用来检测盾构机的姿态,也是三维坐标。
2、VMT盾构测量导向系统的组成
导向系统是由自动全站仪、电子激光系统、计算机、掘进软件和电源组成。自动全站仪(TCA）:该仪器具有伺服马达,可以自动照准目标和跟踪,并可发射激光束,主要用于后视定向,测量距离,水平角和竖直角,并将测量结果传输到计算机。电子激光系统（ELS）:即称光靶板,是一台智能性型的传感器。ELS接收全站仪发射的激光束,测定水平和垂直方向的入射点。偏角由ELS系统激光的入射角确认,坡度由该系统内的倾斜仪测量。ELS在盾构机体上的位置是确定的,即对TBM坐标系的位置是确定的。计算机及掘进软件:SLS-T软件是自动导向系统数据处理和自动控制的核心,通过计算机分别与全站仪和ELS通信接收数据,盾构机在线路平面、剖面上的位置计算出来后,以数字和图形在计算机上显示出来。电源:即所谓黄箱子。它主要为全站仪供电，保证全站仪工作和与计算机之间的通信和数据传输。
3、VMT盾构导向系统定向的基本原理
洞内测量控制导线是支持盾构机掘进导向定位的基础。全站仪设置在掘进机附近（不大于150m）的一个导线点上,该点三维坐标已知,后视另一导线点定向。全站仪测量测站至ELS棱镜间的距离、方位角和竖直角,ELS棱镜的三维坐标和掘进里程即可获得。ELS接收入射的激光定向光束,可获取实时的TBM轴线方向,并通过计算机与该里程已知的线路设计位置（DTA）相比较,得出偏差值并显示在屏幕上,这就是盾构姿态的实时检测导向。只要盾构掘进中控制好盾构姿态,使TBM轴线与线路设计中线符合在允许的偏差之内,隧道的正确掘进与衬砌就得到保证。为保证导向系统的正确性和可靠性，在掘进一定长度或时间之后,需要通过洞内导线独立的检测盾构机的姿态。
三、 盾构施工测量
1、坐标系的建立与导线布设的原则
作业开始前需定义隧道三维坐标系的三轴方向及坐标起始原点,其中X轴指向正北，是方位角零度的方向，Y轴指向正东，为方位角90°的方向。
为确保盾构机严格按设计线路掘进，隧道内导线复测的频率可以从两个维度来考虑，即盾构掘进的里程和导线布设的时间，从掘进里程上建议直线段每掘进400左右进行一次洞内导线复测；曲线段每掘进200m左右进行一次洞内导线复测，另外，在盾构机出洞前200m 进行一次洞内导线复测。从导线布设时间上考虑，如果在较长周期内未达到相应复测里程，亦要进行复测，可以设定为每个月或每个季度一次，以便减少变形沉降的影响，规避错误的产生。
2、盾构机始发测量
盾构机始发的定位测量,其中包括盾构导轨及反力架的安装测量。由于反力架和始发台为盾构始发时提供初始的推力以及初始的空间姿态,在安装反力架和始发台时, 盾构机中心坡度与隧道设计轴线坡度应保持一致。考虑隧道后期沉降因素,盾构机中心轴线应比设计轴线抬高10～20mm, 反力架左右偏差易控制在±10mm 以内,高程偏差易控制在±5mm 之内,始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角<±2‰,盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差<2‰,水平趋势偏差<±3‰。盾构机拼装竣工后，应对盾构机内参考点进行测量并复核自动测量导向系统的正确性与精度，其目的在于确定盾构机各主要部件几何关系和导向系统中仪器和棱镜的位置，为后续人工测量复核盾构机姿态计算提供依据。
盾构机始发位置及洞门圈测量
①盾构机始发就位前,应精确测量预留洞圈的三维坐标,并与设计值比较,洞口直径至少测量水平和垂直两个方向,若实测洞圈的偏移量超过规范要求或失圆明显,需与设计部门予以确认、回复,以便盾构机始发时做适当调整。
②在精确测量洞口的三维坐标后，需要确定盾构始发、到达的轴线，定出盾构始发位置。
3、盾构导向系统测量
区间盾构推进配置先进的自动导向测量系统。盾构正常掘进过程中以导向系统自动测量为主,人工测量为辅。人工日常测量主要是确保导向系统的测站和后视点换站及时,数据准确。由于仪器测站点一般距掘进面不远,管片沉降和机器振动会导致仪器测站点和后视点发生不同程度的沉降和偏移,这种现象在曲线段尤其明显,当测站与后视点发生位移或其它原因导致粗差出现时,系统会及时提示,并暂停测量,此时应利用地下控制导线点对导向系统进行复测,及时纠正偏差。从我方的以往的施工经验看,自动换站两次后至少应进行一次测站点的平面和高程复测,以防误差积累。当认为导向系统可能由于倾斜仪或目标棱镜变形等因素产生测量误差时,可以人工观测方式测量盾构机内安装的人工观测标志,计算出准确的盾构机姿态,并对导向系统进行修正。导致自动测量系统出现误差的原因大多是倾斜仪被人为扰动,只要将倾斜仪数据修正即可,目标棱镜变形的机率很少。
盾构推进时导向系统可设置每1～5分钟测量一次，系统每5秒自动记录一次当前盾构姿态,记录的数据包括盾构切口三维坐标、盾尾三维坐标、盾构纵坡、盾构回转角、水平偏差、垂直偏差、累计掘进距离等多达几十项数据,测量人员可轻松的将盾构姿态报表输出。量取每环的盾尾间隙后,输入自动导向系统内置的程序或利用计算器程序即可方便的计算出安装的管片姿态,形成盾构和管片姿态报表。
4、姿态测量
盾构机姿态测量包括盾构机为本体配置的盾构姿态自动测量系统和人工姿态测量两部分。 其中盾构姿态自动测量系统它可以实时反映盾构机现有状态，而人工姿态测量则是通过洞内独立的导线独立地检测盾构机的姿态，目的是确保在盾构机掘进一定的长度或时间之后，校核导向系统的正确性和可靠性，它俩相互印证，缺一不可。
盾构机掘进时姿态测量包括线路中线的平面偏离、高程偏离、纵向坡度、横向旋转和切口里程的测量。
盾构姿态自动测量系统
盾构姿态自动测量系统是利用激光站全自动全站仪,自动定向置镜在盾构主机支架上设一个支导线点,然后置镜支导线点后视激光站导线点测出1＃、2＃、3#三目标棱镜的三维坐标。根据三棱镜的坐标就能计算出盾构切口及尾部具体旋转、平面及高程偏差情况。
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5、人工测量盾构姿态误差校准
在盾构掘进施工的过程中,为了保证导向系统的正确性和可靠性,在盾构机掘进一定的长度或时间之后,应通过洞内的独立导线独立地检测盾构机的姿态,即进行盾构机姿态的人工检测。
人工盾构姿态测量:人工盾构机姿态测量如图5-1,目的是考虑到盾构掘进中不可避免会产生一定的误差,为自动测量系统做定期的复核,确保盾构姿态的准确性。我们在盾构机的内部设一对水平尺,测出其与盾构机的空间相对位置关系,利用测量各尺的水平、竖直读数,经精确计算得出盾构转角、盾构坡度、盾构中心高程,然后推算出盾构切口及盾尾中心偏差值,从而根据盾构姿态相应调整盾构机的各施工参数。
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（1）平面偏差的测定
人工测量是指独立于自动导向系统之外的传统测量方式,使用全站仪测定盾构机上预设的前后标志三维坐标,读取坡度板的纵坡和回转角,利用计算器程序计算出盾构姿态。必须进行两步归算：
首先应根据实测的前后标志点坐标,加入盾构转角平面改正后归算至盾构中心轴线上,然后根据标志点与盾构几何坐标轴的关系计算出切口和盾尾坐标,与相应位置设计线路的中心坐标进行比较,得出切口平面偏离和盾尾平面偏离,即为盾构实际的平面姿态,在盾构姿态报表上以盾构前进方向偏左为“－”,偏右为“+”表示。
盾构转角平面改正：
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（2）高程偏离的测定
使用全站仪三角高程测量功能在观测台上直接测定前后标高程，通过前后标的高程，加上盾构转角竖向改正后归算至前标处盾构中心高程，可计算盾构机当前的纵坡，该值可用于定期对坡度板进行校正。以标处归算至前盾构中心的高程为起始数据，按盾构实际坡度归算出切口中心标高及盾尾中心标高，再与当前的切口里程设计标高、盾尾里程设计标高进行比较，得出切口中心高程偏离、盾尾中心高程偏离，即为盾构实际的高程姿态，在报表上以“+” 为上， “－”为下表示。
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6、人工搬站测量
盾构机掘进时的姿态控制则是通过全站仪的实时测设ELS的坐标,反算出盾构机盾首、盾尾的实际三维坐标,通过比较实测三维坐标与DTA三维坐标,从而得出盾构姿态参数，所以激光全站仪的位置不能与ELS靶距离太长,随着盾构的不断掘进，就必须进行激光站的迁移工作，人工迁站是盾构机掘进过程中必不可少的一个环节，当盾构机及掘进一段距离时，可根据实际情况对激光全站仪进行迁站，迁站必须从隧道内控制点引测，目的在于检查上一站激光全站仪的位置和后视棱镜的位置是否因管片沉降和机器振动等原因导致仪器测站点和后视点发生不同程度的沉降和偏移，如有变动，将复测三维坐标输入导向系统，及时修正，以减小误差累积，确保掘进按设计线路进行。
7、管片拼装检测
目的及原理
在盾构掘进过程中,要确保隧道质量就要对成环管片的姿态严密控制,使其不会出现过大的错台(应小于5mm) 、相对于设计线路偏差不应过大(应小于±5 cm)以及椭圆度不符合规范要求(应小于0.5%)的类似现象,另外,管片姿态测量还起到进一步复核导向系统的作用,若管片姿态没有问题,那么导向系统肯定也没有问题,故对拼装好的管环姿态检测也是非常重要的。
在激光导向系统和盾构机测量控制中,盾构机姿态解算的方法有本质区别。激光导向系统是通过直接采集一个参考点地面坐标和三个转角参数,正解刀头、盾尾地面坐标;盾构机控制测量则是通过采集多个参考点地面坐标,反解刀头、盾尾地面坐标和三个转角参数。
过程实施
针对实际情况,我们采用的方法是利用洞内精密导线点对每环管片圆周均匀测取6～8个点,将所测点的三维坐标导入CAD中,绘制断面图,然后将实际断面与设计断面作比较,最终可以得到确切的管片姿态,并且可以得到相应管片的椭圆度及断面净空。
管片姿态测量（横杆法），该测量过程主要目的为：在盾构掘进过程中，每掘进10环左右至少进行一次管片姿态测量，以检查管片的平面位移、下沉或上浮姿态，为灌浆提供参考范围。由于该项测量是在盾构台车下进行，所以采用横杆法测量，如图7-1。其方法为采用铝铪金杆（铝铪金杆的长度可根据隧道半径来确定），在杆中间侧面处贴反射片、在上方放置水平尺，左右移动铝铪金杆，让水平尺气泡居中。此时测得反射片中心的坐标就是该环管片的姿态偏差值。为避免地质原因引起拼装成形的管片上浮或下沉。
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四、结论
为了保证隧洞工程的顺利贯通，在盾构施工中，我们可以采取如下措施来提高盾构导向系统的测量精度，减少错误的产生：
1、VMT盾构导向系统是建立在传统矿山法测量基础上的测量新工艺，因此对测量作业的操作技能及授权培训尤为重要。
2、在盾构掘进始发前测量时,应通过精密测量来计算盾构机初始姿态参数,保证VMT盾构导向系统能正确初始化，同时要确保隧道平曲线和竖曲线参数等录入准确无误。
3、盾构在掘进过程中，由于排水隧洞易受衬砌本身重量、注浆效果及周围环境的影响而不断发生偏移变形,从而导致布设在隧洞壁侧的导线点位置跟随发生了空间位移变形,所以我们在做导线点延伸测量时,必须对前导线点进行检核，确保稳定无变形，以便减少偏差，避免错误产生。
4、盾构贯通前150～200m时为最后的关键时段,此时的控制测量准确与否直接影响到盾构机能否能顺利贯通,也是确保盾构机在盾构姿态偏差不大情况下能采取调整的最后机会。所以，这个阶段的测量工作非常重要,我们应重分利用一切窗口期进行导线全线复测,计算出精度最可靠值作为盾构机最后推进的依据。
5、由于地下隧洞工程受外界温湿度等气候条件影响较大，所以在盾构掘进过程中，我们要控制好全站仪和反射棱镜距离，不宜过长，建议直线段不应超过100 m,在曲线段不应超过50m，可以通过人工搬站来及时解决。
6、利用排水隧洞掘进过程暂停的窗口期,应及时进行盾构机姿态测量,以检验、修正激光导向系统的有关参数。同时利用洞内高精度导线点对激光全站仪设站点、定向点坐标进行人工检测，以便发现问题及时修正处理。
五、参考文献
《水电水利工程施工测量规范》
《工程测量规范》