铁２０１５年第４期 道建筑 ５５ Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 文章编号：１００３—１９９５（２０１５）０４—００５５－０４ 港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道曲线管幕顶管 测量和轨迹控制技术 罗兴虎 （中铁十八局集团有限公司，天津３００２２２） 摘要：管幕工程是港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段难度最大的项目之一，工程下穿拱北口岸限定 区域，埋深４～５ ｍ，管幕平均长度２５７．９２ ｍ，由３６根直径１ ６２０ ｍｍ的钢管组成。线路位于缓和曲线和 圆曲线组成的复合曲线上，其特点是群管顶进、互为接收始发、间距小、曲线半径小、精度控制高、地表沉 降小、周边环境敏感。本文对从导线测量、一井定向、顶管测量、轨迹控制到精度估算的技术要点做了详 细介绍，可为类似工程提供借鉴。 关键词：拱北隧道 曲线管幕一井定向 轨迹精度估算 中图分类号：ＴＵ１９８ ２ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－１９９５．２０１５．０４．１５ １ 工程概况 港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道为上、下行叠层 双向六车道，平面以曲线的形式下穿珠澳两地通关口 岸间的地下狭长地带。开挖断面宽约１９ ｍ，高２１ ｍ， 断面面积约３３７ Ｉｎ ，隧道埋深４～５ ｉｎ。 度要求高。 ２）环境复杂，地理位置特殊。紧靠关闸，政 治敏感度高；周边建筑物分布密集，形式多样。地质方 面多为后填杂土，原来是鸭涌河河道；靠近海边，有透 水层。 ３）曲线上长距离群管顶进，精度控制要求严格， 技术含量高，施工难度大，国内领先，世界罕见，决定了 管幕工程是该隧道暗挖段的重要组成部分，曲线 顶管是本工程的核心技术之一，其成功与否将直接关 系到本项目的成败。管幕由３６根直径为１ ６２０ ｍｍ的 钢管组成，平均长度２５７．９２ ｉｎ，采用德国海瑞克 ＡＶＮ１２００ＴＣ泥水平衡式顶管机顶进。 曲线管幕顶管测量和轨迹控制的难度。相关技术指标 见表１。 表１检测项目及控制指标 管幕工程下穿拱北口岸限定区域，设东西工作井 各一座，互为始发、接收井，工作井净空尺寸为２３．５ Ｉｎ ×１０．７ ｍ，深２９．７６ ｍ。管幕埋深４～５ ｍ，管间距３５．５ ～３５．８ ｍｍ。线路位于缓和曲线和圆曲线组成的复合 曲线上，曲线半径８９０ ｍ，缓和曲线长８８ ｉｎ，圆曲线长 １６７ ｍ。线路纵坡０．３５％。 ３ 井内联系测量 联系测量，是通过工作井将地面的平面坐标系统 及高程系统传递到井下，使地面与井下建立统一的坐 标系统，为管幕工程的施工提供坐标基准。这是保证 ２ 工程特点 １）技术难度大。曲率半径小，外侧管幕距联 检大楼桩基最近１．６ ｍ，内侧管幕距免税商场回廊桩 基最近０．４６ ｍ，管幕顶进精度要求控制在±５０ ｍｍ 内，地面沉降要求控制在±３０ ｍｍ内。井下和管道内 空间狭小，测量操作难度大，曲线通视距离短，测量精 收稿日期：２０１４－０９—１５；修回日期：２０１５－Ｏ１－２８ 管幕工程和隧道开挖正确贯通，地下设备正确安装的 重要工序。联系测量工作分为平面联系测量（定向测 量）和高程联系测量（导入标高）。 为给顶管始发指引方向，在施工平台后方的后背 墙反力座的钢板上设强制对中器，在其上架立仪器传 递三维坐标。优点是前５０ ｍ可直接观测顶管机标靶， 作者简介：罗兴虎（１９７２一），男，甘肃武威人，高级工程师。 ５６ 铁道建筑 提高工作效率。同时最大限度地延长了在管内的后视 距离，减少因多次搬站造成的误差积累。 ３．１ 井深１０ ｍ范围内 时，取其最或然值作为０。和０ 的最终坐标。这样就可 将地面控制点的坐标和方位角传递到吊锤线０ ，０ 上。 吊锤线０。，０ 是通过竖井框架悬挂并吊有重锤 此时通视条件良好，全站仪直接输入坐标观测，采 用后方交会法。 的高强钢丝，要求钢丝直径≤０．５ ｍｍ，重锤质量≥ １Ｏ ｋｇ，在钢丝上地面位置和地下位置分别贴有Ｌｅｉｃａ 反射膜片。将重锤浸入到油桶中，钢丝在重力作用下 稳定并保持铅垂线方向。如图２所示。 ｌＪｌ Ｉ，２ 首先在井口四周各布设１个控制点，并使用近井 加密导线点测得其三维坐标。在施工放样测量过程 中，直接将全站仪置于工作井内，通过后视井口上的２ 个控制点进行后方交会，算出全站仪所在点位坐标以 ｒ／ ＼ ／ 及高程。通过后视井口的另外２个控制点的坐标进行 广 、＼ 复核。 ３．２井深１Ｏ一２０ ｍ范围 在向井下投点时，利用井壁传递坐标和高程，此时 顶管位置较深直接观测困难，且俯角过大，误差累计也 大。为减少转站以及结构振动所带来的误差，预先将 点埋设于井壁上（至少４个点，且尽量在１个水平面 上）。如图Ｉ所示。 图１导线定向法示意 本方法适用于中浅顶管施工，具有精度高，操作简 单，不易受工作井内其它工序施工影响的特点。在后 期的施工放样过程中，可以直接利用在井口上的已知 点进行后方交会进行设站、放样。 ３．３ 井深＞２０ ｍ 此时工作井深度较深，无法直接通视，采用一井定 向法进行平面联系测量。 在进行联系测量之前，首先按照城市一级导线测 量精度，将工作井附近的地面控制点坐标，引测到井口 附近，埋设２个近井点Ａ，Ａ 。Ａ，Ａ 的方向与隧道中线 垂直，利用全站仪在已知地面控制点上测量得到 ， 的坐标。其次在竖井内悬吊２根吊锤线０ ，０ ，吊锤 线０ ，０ 的间距尽可能地大，且方向沿Ａ，Ａ 方向。然 后，全站仪分别架设在近井点Ａ，Ａ 上，采用双测站极 坐标测量的方法，测量后视边到０ ，０：的角度以及测 站到０。，０ 的距离，此时的距离测量全部为全站仪对 反射片的直接测距。再利用双测站极坐标的测量原 理，计算出吊锤线０ ，０ 在地面坐标系统中的坐标 值。当２组坐标值的差值小于２倍点位单位权中误差 ：’， ｌ ． 图２一井定向法坐标传递示意 在获得吊锤线的地面坐标后，分别在井下布设的 导线点Ｂ，Ｂ 上架设仪器，如图３所示。按地面上相同 的测量方法和精度，测量测站到０。，０ 的角度０，以及 测站到０ ，０ 的距离Ｓ ，Ｓ：。进而反算出０。，０ 的平 距５ 。然后根据边角交会法求出Ｂ，丑 ２点在地面坐 标系统中的坐标值，从而实现平面联系测量。 Ｕ２ 图３井下导线点与吊锤线的联系测量原理示意 此方法需要２台全站仪进行井上井下同时观测， 且不能受工作井内其它工序施工影响，投点所需时间 长，测点容易受到破坏。故在完成投点工作后应及时 将点引测到工作井上（至少保证边墙上有４个点）。 在后期的施工放样过程中，可以直接使用位于工作井 壁上的点进行后方交会。但是要经常检查点位，发现 异常情况及时复测。 ３．４工作井高程测量 当顶管深度＜１０ ｍ时采用三角高程法进行高程 传递。为保证三角高程的可靠性，应对后视点进行复 核。三角高程可以随同后方交会或者导线法测量一同 进行，从而达到节省引点工作的时间。 当顶管深度＞１０ ｍ时采用水准仪长钢尺法，其方 法是：通过悬吊经过检核的长钢尺，使用水准仪在地 上、地下观测钢尺和水准尺，加以尺长、温度等各项改 正，将高程传递到地下。 ２０１５年第４期 罗兴虎：港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道曲线管幕顶管测量和轨迹控制技术 ５７ 如图４所示，Ａ为设在地面井口附近高程已知的 近井水准基点。曰为井下导入高程点，其高程待求。 通过竖井下放长钢尺，在钢尺的底端挂上重锤，并将重 锤浸入到油桶中。钢尺在重力作用下稳定并保持铅垂 线方向。然后井上、井下测量人员分别安置整平水准 仪，读取立于Ａ，Ｂ ２点水准尺的读数ｎ 与ｂ：。然后转 动水准仪照准长钢尺，井上、井下同时读取读数ｂ。和 。，。最后再对立于Ａ，曰点上的水准尺读数，以检查仪 器高度在观测期间是否发生变动，避免粗差的产生。 则井下 点的高程为 日日＝日＾＋口１一ｂ２一（ｂ１—０２）＋＞ △ 式中： △ 为钢尺的总改正数，包括尺长、拉力、温 度和钢尺自重等改正。 图４数字水准仪长钢尺法高程联系测量不恿 按照上述方法，再传递获得另一个井下的高程控 制点Ｃ，通过测量高差ｈ ，来检核和评定高程联系测 量的精度。 至此完成了工作井内的平面位置与高程的传递工 作，为管幕的各根顶管定向做好了准备。 ４ 顶管测量 ４．１顶管前的技术准备 根据顶管施工平台后背墙上设置的强制对中点指 引方向，完成顶管的定向和检核工作。确定仪器开始 时的姿态，一共７个参数，这７个参数是设备启动前必 须要输入的数据，对顶管机自身姿态的控制有很强的 现实意义。此时顶进轨迹在机内生成，自动纠偏模块 启动，可以正式顶进。 ４．２轴线轨迹控制与纠偏 根据顶管机标靶点的三维坐标实时获得顶管掘进 的中线偏差。海瑞克ＡＶＮ１２００ＴＣ配备的ＵＮＳ （Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）导向系统可以完成自动 纠偏，精度为１ ｍｍ／ｍ。在管幕顶进中，自动纠偏系统 误差呈线形积累，随着进尺增加，误差积累逐步放大， 因此每掘进一段距离，需要进行人工测量复核。人工 测量复核主要包括２个方面：顶管机轴线测量及管节 轨迹测量。 轴线测量：将全站仪安置在基点后，后视控制点进 行定向，观测标靶点直接得出坐标值，经过换算得出实 际轴线坐标，与设计轴线三维坐标进行比对可以得到 两者的偏差值。如果在２ ｅｍ以内则不进行调整，若超 出２ ｃｍ时，必须纠偏。将偏差值输入导向系统，并设 置顶管机回归方式，不宜一次直接输入纠偏满值，要逐 步趋近。在实际操作中切忌回归速度太快，应以“勤 纠，缓纠”为原则，以防快速越过设计轨迹朝相反的方 向再次偏出，回归速度控制在５ ｍｍ／ｍ以内。 管节轨迹测量（如图５所示）：在管节法兰连接 处，将水平尺两端卡在管节上并保持水准气泡居中，观 测水平尺上反射片的十字丝得出三维坐标（口，ｂ，ｃ）， 坐标反算可得测点处的里程Ｓ，则可推算出此里程处 的设计值（ ，ｌ，，ｚ），此里程的实际坐标为（ ，Ｙ，ｚ）。其 中： ＝ｎ，Ｙ＝６， ＝ｃ＋￡一Ｒ，实际值和理论值比较得出 偏差值（ＡＸ，△ｌ，，△ｚ）。 法兰盘 图５顶管轨迹测量 ４．３测量成果【以Ｏ 管为例） １）０ 管于２０１３年７月１５号顺利接收，贯通面里 程为ＹＫ２＋６４２．８２５，实际观测值和理论观测值均在允 许范围内，实现了设计意图。 ２）轨迹偏差 按作业进度情况，在管道整体位置约１／４，２／４， ３／４，４／４处检查轨迹偏差一次，通过历次数据比较发 现同一测点整体偏移趋势一致，没有出现已完成管节 个别大幅偏移的现象，轨迹得到很好的控制。 ５测量精度估算 所有单根顶管直径为１ ６２０ ｍｍ，接收套管直径为 １ ７２０ ｍｍ，管间距为３５７ ｍｍ。由于孔口管半径比顶管 半径大５０ ｍｍ，决定了接收精度必须控制在±５０ ｍｍ 范围内，因此误差累积不能超过该值。 施工控制测量主要包括３个方面：①平面控制测 量；②工作井联系测量；③顶管顶进测量。因此顶管最 终精度是由此３部分的误差累积而成。全站仪测角精 ５８ 铁道建筑 度１”，测距精度（２＋２ Ｘ １０ ＸＤ）ｍｍ。 １）平面控制测量精度 采用城市一级导线测量，每边测距中误差≤±１４ 目前拱北隧道管幕施工已进人东西工作井同时顶 进阶段，从已完成的９根管来看，顶管机与地层的适应 性良好，所形成的管节轨迹控制顺畅，达到了精度要 ｍｍ，单位权中误差≤土５”，导线全长相对闭合差≤ １／１７ ０００，最弱相邻点边长相对中误差≤１／２ ０００。经 平差计算，平面控制测量点位误差＜±０．０２２ ６ ｍ。 求，实现了设计意图，不过仍有一些方面需要进一步完 善。掘进机导向系统虽然配备了自动纠偏模块，可以 实现掘进机沿预设路线前进。但遇到地层突变、障碍 ２）工作井联系测量精度 采用全站仪边角后方交会自由设站测量的方法进 行联系测量，其观测元素是边长和方向。全站仪设站 物、机械故障等重启时，会出现纠偏系统无法准确判定 掘进机行进方向，常规的人工测量依然是不可缺少的 必要补充步骤，也仍然需要人工测量为其精确定位。 ＵＮＳ导向系统可以自动纠偏，与常规的人工测量之间 相互复核意义重大。 参 考 文 献 距离按照５０ ｍ计算，估算得点位精度≤±５．７ ｍｍ。 当顶进底层顶管时，采用全站仪一井定向法进行 平面坐标传递，竖井联系测量的定向误差即是地下导 线起始边方位角的误差。 ［１］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家 质量监督检验检疫总局．ＧＢ ５００２６－－２００７ 建筑工程测量 采用水准仪＋长钢尺法进行高程传递，井下高程 测量中误差＜±３ ｍｍ。 规范［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２００８． ［２］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标 准化管理委员会．ＧＢ／Ｔ １２８９８－－２００９ 国家三、四等水准测 量规范［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２００９． ３）顶管顶进精度 地面控制和联系测量点位中误差及井下定向边的 方位角中误差对进洞导线的横向贯通误差为 ２４．８ ｍｍ。结合顶管顶进误差和延伸导线测量控制精 ［３］中华人民共和国交通部．ＪＴＧ Ｆ６０－－２００９公路隧道施工技 术规范［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２００９． 度，顶进贯通轴线精度为±３９．８ ｍｉｌｌ，小于设计值±５０ ｍｍ，完全符合接收精度要求。 ［４］魏龙海，程勇，陈炜韬．等．近接小半径曲线顶管施工扰动数 值研究［Ｊ］．四川建筑科学研究，２０１２（４）：３１５－３１８． ［５］程勇，刘继国．拱北隧道设计方案［Ｊ］．公路隧道，２０１２（３）： ３４—３８． ６ 结语 顶管顶进观测的难度在于后视距离过短，管节空 间小，作业场地拥挤，管内温度高，湿度大。需要净化 ［６］程勇，贾瑞华．城市建筑密集区临海浅埋隧道暗挖方案比选 ［Ｊ］．武汉勘察设计，２０１３（３）：２６－２９． 管内空气，创造良好观测条件，减少误差累积，做好人 工测量数据准确性的保障工作。 ［７］余晶，程勇，贾瑞华．港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道方案 论证［Ｊ］．现代隧道技术，２０１２（２）：１１９—１２５． Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｃｕｒｖｅｄ ｔｕｂｅ・－ｓｈｅｄ ｐｒｅ・－ｓｕｐｐｏｒｔ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎｅｄ １ｇｎｅｄ ｓｅｇｍｅｎｔａｌ￣：ｔｏｔａｌ ｄｉｒｅｃｔｉ ’ｒ Ｇｏｎ ｂｅｉｏｎ ｔｏｒ ＧｏｎｇＤｅｌ ｔｕｎｎｅｌｏｎ Ｚｈｕｈａｉ ｌｉｎｋ ｌｉｎｅ ｉｎ Ｈｏｎｇｋｏｎｇ－Ｚｈｕｈａｉ－Ｍａｃａｏ Ｂｒｉｄｇｅ Ｐｒｏｊｅｃｔ ＬＵ０ Ｘｉｎｇｈｕ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ １８ Ｂｕｒｅａｕ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００２２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｉｐｅ ｃｕｒｔａｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｏｎｇｂｅｉ Ｔｕｎｎｅｌ ｉｎ Ｚｈｕｈａｉ Ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｈｏｎｇｋｏｎｇ—Ｚｈｕｈａｉ－Ｍａｃａｏ Ｂｒｉｄｇｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｒｔ ｉｓ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ ｐｏｒｔ ａｒｅａ．Ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｉｓ ４ ｔｏ ５ ｍ ｂｅｎｅａｔｈ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ．Ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｐｉｐｅ ｃｕｒｔａｉｎ ｌｅｎｇｔｈ ｉｓ ２５７．９２ ｍ，ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ３６＋１ ６２０ ｍｍ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅｓ．Ｔｈｅ ｌｉｎｅ ｉｓ ｗｉｈｉｔｎ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ａｎｄ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｃｕｒｖｅ．Ｉｔ ｈａｓ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ：ｐｉｐｅ ｇｒｏｕｐ ｊａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ，ｓｈｏｒｔ ｓｐａｃｉｎｇ，ｓｍａｌｌ ｃｕｒｖｅ ｒａｄｉｕｓ，ａｃｃｕｒａｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ，ｓｍａｌｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｎｄ ｓｅｎｓｉｉｖｅ ｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｒａｖｅｒｓｅ ｓｕｒｖｅｙ，ｗｅｌｌ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ，ｔｏｐ ｐｉｐｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｔｒａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌｓ，ａｎｄ ｔｈｅｓｅ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｏｔｈｅｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｗｏｒｋｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｇｏｎｇｂｅｉ Ｔｕｎｎｅｌ；Ｃｕｒｖｅ ｐｉｐｅ ｃｕｒｔａｉｎ；Ｗｅｌｌ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ；Ｔｒａｃｋ；Ａｃｃｕｒａｃｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ （责任审编赵其文）
