摘要：文章以周家嘴路越江隧道江中段为例，探讨了在盾构掘进姿态不稳时，盾尾圈和隧道上浮的测量方式。在盾尾圈变形测量方面，基于全站仪对盾尾两个断面进行测量，利用最小二乘法拟合出每个断面的圆心坐标、拟合半径及圆度。其中；接缝后侧拟合空间圆圆心坐标（6375.4018、9065.1670、5.8420）、拟合半径7.3097m、圆度0.0063；盾尾环板处拟合空间圆圆心坐标（6375.2481、9063.5834、5.8221）、拟合半径7.3106m、圆度0.0084在隧道上浮测量方面，利用全站仪每天测得每环管片管顶绝对高程并计算出其变化量。结果发现：盾尾圈变形程度不大，隧道管片管顶高程的变化量在合理范围之内，最终排除了这两个因素是影响盾构掘进姿态的原因。
关键词：盾构姿态；盾尾圈测量；隧道上浮
1 概述
在盾构的掘进过程中，盾构掘进姿态的稳定一直是盾构能够平稳掘进的关键因素。但是影响盾构掘进姿态的因素有很多，包括地质条件、机械设备、不同的轴线段、隧道上浮、盾尾圈变形以及注浆工艺等因素[1-2]。当盾构掘进姿态与设计轴线的偏差超过安全值时，需要对此进行分析，找出关键影响因素。以周家嘴路越江隧道江中段为例，探讨盾构掘进姿态不稳时，盾尾圈变形测量及隧道上浮的测量方式。
2 工程概况
周家嘴路越江隧道新建工程西起浦西周家嘴路－内江路交叉口（K0+000），沿周家嘴路向东连续下穿中环线高架、上海理工大学、定海港、复兴岛、黄浦江以及上海东运船舶公司，在浦东莱阳路东西两侧先后与地面道路对接，终于张杨北路交叉口（K4+455），路线全长约4450m，其中江中段总长2576.4m。
周家嘴路越江隧道江中段，主体采用单管双层4 车道方案，采用盾构法施工，隧道外径14.5m，内径13.3m，环宽2m，管片厚度600mm，隧道最大纵坡4.95‰，最小转弯半径R=996m，圆隧道段长2576.4m，浦东隧道岸上段盾构顶覆土8.75m ~ 43.5m，水上段埋置标高为-17.8m~36.9m，穿越复兴岛盾构顶覆土为26.92m~30.2m，浦西隧道岸上段盾构顶覆土为9.8m~32.988m；江中最低点设置泵房，中心里程为K2+527.198。
3 隧道掘进过程中盾构圈的测量
以周家嘴路越江隧道江中段为例，在盾构掘进到四百十五环时，盾构掘进姿态与设计轴线偏差较大。考虑到盾构圈变形的影响因素，于是对盾构圈进行测量。
3.1数据的获取
采用全站仪TS06（±0.5″/1mm±1.5ppm）在盾尾接缝后测和盾尾环板处这两个断面进行扫描（如图3.1.1），每个断面均匀扫描19个点，做好记号（如图3.1.2），最终获取这些扫描点的相对坐标（X、Y、Z）。
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图3.1.1 数值为 1的位置为盾尾接缝后、数值为2的位置为盾尾环板处
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图3.1.2 扫描示意图
3.2数据处理方法
利用空间直角坐标系七参数转换公式：
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（1）因为旋转角为微小角，所以：R=.png)
（2）
式中，m为尺度参数；.png)
为平移参数；.png)
为旋转参数
改成矩阵形式为.png)
（3）
式中，.png)
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；V为改正数向量；L为已知值；B为系数矩阵
根据最小二乘法[3～5]可得.png)
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（4）
单位权方差为 .png)
式中，n为参与求解转换参数的点数
圆心解算数学模型
在三维空间中，空间圆可以用两个联合方程组表示式（5）、式（6）
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（5）
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（6）
在本工程中的空间圆所在的平面显然不通过坐标原点，故D=1，然后通过矩阵变化拟合解算出两个方差的未知参数，最后把解算得出的空间平面方程和球面方程联立，即可求得空间圆圆心坐标（.png)
），和半径.png)
。
然后由测量坐标、空间圆圆心坐标、拟合半径得出其圆度：
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（7）
3.3成果展示
在周家嘴路越江隧道江中段圆隧道中，利用全站仪分别对盾尾圈不同位置（盾尾接缝后侧和盾尾环板处）进行两次设站，并对整个断面观测点进行观测，得出每个观测点的相对坐标（表3.2.1）。然后通过最小二乘法对两个位置的空间圆进行拟合，得出接缝后侧拟合空间圆圆心坐标（6375.4018、9065.1670、5.8420）、拟合半径7.3097m、圆度0.0063；盾尾环板处拟合空间圆圆心坐标（6375.2481、9063.5834、5.8221）、拟合半径7.3106m、圆度0.0084。然后把各个观测点到拟合圆心的距离作为实测半径，并且与拟合半径进行比较（表3.2.2和图3.2.3），判断盾尾圈的变形程度。
表3.2.1 盾尾接缝后侧和环板处观测点的相对坐标
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表3.2.2 两个位置的实测半径与拟合半径的偏差
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盾尾接缝后 盾尾环板处
图3.2.3两个实测数据拟合圆与设计圆偏差平面示意图（黑色代表设计，红色代表实际）
4 隧道掘进过程中隧道上浮的测量
以周家嘴路越江隧道江中段为例，利用设站的全站仪徕卡TCA2003（±2″/1mm±2.0ppm）对于隧道上浮量进行测量。首先在塔尺的固定位置贴上反射片，然后把塔尺倒着垂直抵住顶部管片掘进方向的前端位置（位置每次固定），依次测取每一环管片相对于全站仪的高差（图4.1），由于设站处的全站仪的绝对高程可以通过地表的高程控制点传到井下获取，所以可以进一步算得顶部每一环管片前端位置的绝对高程。
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图4.1 测取管片顶部前端位置绝对高程示意图
每天按照以上步骤，早晚各测一次，并进行记录。然后通过EXCEL算出每一天可测的每环管片管顶的绝对高程并进行比较，得出上浮量的情况。（图4.2）。
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图4.2 管片上浮量情况表
5 结语
1）在盾尾圈测量中，由于全站仪需要两次设站，所以观测点的位置要做好标记，在换站的过程中保证作为共同控制点（≥3个）的观测点不能被遮挡；同时尽可能把观测点均匀的分布在断面内，因为观测点集聚在一个区域内，会有很大误差。
2）在管片上浮量的测量中，为了不影响推进，尽量在拼装管片的时候进行测量，同时每环管片顶部量测的位置必须做好记号，因为如果有坡度的话，每环管片顶部前后的绝对高程会有误差。在周家嘴路越江隧道江中段中，最大纵坡4.95‰，每环管片为2m，所以每环管片前后最大高差为9mm。同时转弯半径的大小也对其有影响。
3）盾构掘进姿态的变化受到各种因素的影响，当姿态不稳时，首先需要做到的是对各种因素进行分析，找出关键因素，研究实施方案，并最终解决问题，保证隧道的平稳掘进。
参考文献：
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[2]梁婕，牛联飞，张能. 地铁盾构测量的若干思考[J]. 中小企业管理与科技（中旬刊），563（01）：184-186.
[3]刘平，段志强，谢超. 基于Matlab的七参数空间坐标转换研究与实现[J]. 地理空间信息，2014（6）：62-64.
[4]孙晓光. WGS-84与地方坐标系转换参数的优化选择[J]. 测绘与空间地理信息，2007，30（2）：152-154.
[5]朱江涛. Inlfuence Factors and Rectiifcation on Tunneling Attitude of the Shield Machine%盾构掘进姿态的影响因素及纠偏[J]. 建设机械技术与管理，2017，030（001）：88-90.
论文作者:钮超杰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/7
标签：盾构论文; 管片论文; 隧道论文; 测量论文; 半径论文; 坐标论文; 高程论文; 《基层建设》2019年第32期论文;