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1、盾构隧道陀螺定向测量工法1.前言盾构法隧道施工技术以独有的安全、快捷等特点优势，对地面交通、建筑物及地下管线影响较小、施工不受气候条件的影响，施工效率高、安全可靠等优点在城市地下轨道交通、水利给、排水工程施工中广泛使用。在现代城市轨道交通工程建设中，盾构法是修建地铁轨道交通的主要方法之一。通常盾构隧道为单向掘进，且一次衬砌成型，盾构隧道掘进必须要按照预定的位置准确贯通,所以盾构隧道掘进中的方位控制是保证隧道顺利贯通的前提条件。在盾构隧道施工中，隧道平面控制网通常采用导线测量方法，但由于隧道洞口一般位于竖井、斜井、地铁车站内。受施工场地狭小等条件限制，联系测量困难、地下导线起始定向边较短等不利因
2、素造成的地下导线精度较低。在盾构隧道施工中采用合理的测量方法和必要的测量措施，既能减少偏差，又可保障盾构隧道的贯通精度。2 .工法特点2.0.1在隧道施工导线测量过程中，加测陀螺方位角。2.0.2通过陀螺仪和全站仪结合，采用陀螺仪本身的物理特性及地球自转的影响寻找真北方向，在地下隧道中测定方位角。2.0.3采用陀螺定向测量成果，和导线测量成果对比分析，判断导线测量成果的可靠性,降低隧道施工风险，提高隧道贯通精度。3 .适用范围随着我国基础建设的大力发展，有各种断面的隧道开挖。本工法用于各种盾构隧道施工测量，如：矿山、轨道交通、水利给、排水工程等。4 .工艺原理4.0.1根据确定的隧道定向测量方
3、案，进行导线起始定向边测量。4.0.2在隧道掘进施工中，洞内导线测量。4.0.3隧道掘进至预定里程位置时，加测陀螺方位角。4.0.4根据陀螺定向测定的方位角和导线定向坐标方位角进行对比，通过对比分析，以确保测量成果的可靠性。5 ,施工工艺流程及操作要点5.1 工艺流程图5.11盾构隧道陀螺定向测量工法流程图5.2 操作要点5.2.1 定向测量设计根据区间盾构隧道实际长度（隧道长2.3km）、隧道转弯半径（曲线半径为450m）、线路走向等参数，隧道内布设两条支导线，布设导线点18个（单条导线），圆曲线段平均边长110米，其余位置平均边长150米。依据城市轨道交通工程测量规范GB/T50308-2
4、017,当隧道单向贯通距离大于1500米时，应采用高精度联系测量或增加联系测量次数等方法，提高定向测量精度。根据以上原则，本区间隧道分别在掘进至距隧道起点1200米处和1900米处进行陀螺定向测量，对导线坐标方位角进行检核验证。图5.2-1导线点布设不意图测量实施1.导线起始定向边测量依据城市轨道交通工程测量规范GB/T50308-2017中定向测量相关要求，地下近井定向边应大于120m,且不少于2条。本次地下近井定向边布设在始发车站底板上，边长170米，采用两井定向联系测量方法，将地面坐标及方位角传递到地下。每次联系测量定向均独立进行三次，取三次的平均值作为一次定向成果。推算出来的地下起始边
5、方位角的较差应小于912，方位角中误差8J定向边成果满足规范精度要求后作为洞内导线引测的已知定向边。2 .洞内导线测量隧道内布设两条支导线，导线测量时同时观测两条支导线，在导线终点处角度闭合检查。导线点外业观测采用I级全站仪，水平角观测按左、右角观测4测回，左、右角平均值之和与360。的较差小于4,距离测量采用对向观测，各2个测回，单向测距4次，加入气象改正及仪器加、乘常数改正，并进行高程归化和投影改化后方能进行平差计算。图5.2-2导线测量作业3 .陀螺定向测量陀螺定向测量是将陀螺仪和全站仪结合在一起，将陀螺的特性与地球自转有机结合，寻找真北方向，根据陀螺仪测定的真北方向及全站仪水平度盘读数
6、，计算任意方向的真方位角。（1）陀螺定向的技术要求地下定向边陀螺方位角测量应采用“地面已知边一地下定向边一地面已知边”的测量程序。地面已知边、地下定向边的陀螺方位角测量每次应测三测回，测回间陀螺方位角较差应小于20%陀螺定向时仪器常数在地面已知边进行测量，测前、测后、仪器常数独立观测3个测回，3个测回的陀螺全站仪常数平均值较差小于15%（2）陀螺定向测量作业本区间隧道分别在掘进至距隧道起点1200米处和1900米处分别进行陀螺定向测量。盾构隧道掘进至1200米处陀螺定向测量本次陀螺定向测量采用南方NTS-342G陀螺全站仪（寻北精度5”）,在盾构隧道内约1200米处，DXYX8DXYX9导线坐
7、标方位角进行检核。地面定向边采用轨道交通二等GPS控制网TY2TYl作为已知边。通过各边的起点（设站点）坐标计算的子午线收敛角见下表:表5.2.2-1子午线收敛角测站点名子午线收敛角备注TY2-OoO306.4DXYX8-00253.6”陀螺仪架设在面已知点TY2,观测地面已知边（TY2TYl）陀螺方位角，观测结果见卜表：表5.2.22地面已知边（TY2TYl）陀螺方位角测量结果阶段测回陀螺方位观测值测回间差值（）1测回2测回3测回测前1359。Eo(T-8132359。088-53359。1813135均值（中误差）3591807.0(3.6)7测回观测中误差6.2测后1359。1807、-
8、2-62359o18,09w2-43359T813”64均值（中误差）359o18,09.7w(i1.8w)一测回观测中误差3.1测前测后均值（中误差）3591808.4(土2.0)由上表可知，将陀螺方位角测前、测后均值取平均，得到本次地面已知边的陀螺方位角为：359。18,08.4”（中误差2.0）。由地面已知边的陀螺方位角计算陀螺仪常数，其计算公式为：常数=AT陀=+T陀式中A:已知边大地方位角；T陀:该边的陀螺方位角；Q:已知边的坐标方位角；Y：子午线收敛角；按该点的高斯平面坐标求得，陀螺仪常数：-24.7”（中误差2.0）。陀螺仪架设在地下导线点DXY8,观测导线边DXYX8-DXYX
9、9陀螺方位角，观测结果如下表：表5.2.2-3地下导线边DXYX8-DXYX9陀螺方位角测量结果测回陀螺方位观测值测回间差值（”）123197o22,08m-3-6297o22,13-3397o22,14w63均值（中误差）97022,ir(i1.8w)一测回观测中误差3.2利用地下导线边的陀螺方位角、子午线收敛角和仪器常数,推算得到DXYX8DXYX9导线边坐标方位角，结果见下表：表5.2.2-4地下导线边DXYX8DXYX9方位角推算结果陀螺方位角子午线收敛角仪器常数陀螺仪推算坐标方位角97o22,llw-0o02,53.6w-24.7w97o23,39.9w图523陀螺定向测量作业（2）
10、盾构隧道掘进至1900米处陀螺定向测量隧道掘进至距起点约1900米处，再次对导线坐标方位角进行检核，本次继续使用南方NTS-342G陀螺全站仪，在盾构隧道内约1900米处，DXYXI4DXYXI5导线边的方位角进行检核。地面采用轨道交通二等GPS控制网TY2TYI作为已知边。通过各边的起点（设站点）坐标计算的子午线收敛见下表：表5.225子午线收敛角点名子午线收敛角备注TY2-00306.4DXYX14-00239.2”陀螺仪架设在面已知点TY2,观测地面已知边（TY2TYl）陀螺方位角，观测结果见卜表：表5.2.26地面已知边（TY2TYD陀螺方位角测量结果阶段测回陀螺方位观测值测回间差值（
11、）123测前1359o16,58.0w0-0.82359o16,58.00-0.83359T658.80.80.8均值（中误差）3591658.3(0.3)一测回观测中误差0.5测后I359o1711.02.7-5.62359o17,08.3h-2.7-8.33359o17,16.55.68.3均值（中误差）359o1712.0m(i2.5h)一测回观测中误差4.4测前测后均值（中误差）359。1751(1.3)由上表可知，将陀螺方位角测前、测后均值取平均，得到本次地面已知边的陀螺方位角为：359。1751”（中误差1.3）。由地面已知边的陀螺方位角计算陀螺仪常数，其计算公式为：常数=AT陀=
12、+T陀式中A:已知边大地方位角；T陀:该边的陀螺方位角；:已知边的坐标方位角；:子午线收敛角；按该点的高斯平面坐标求得，陀螺仪常数：-02.4”（中误差1.3）陀螺仪架设在地下导线点DXYXI4,观测导线边DXYXl4DXYXl5陀螺方位角，观测结果见下表:测回陀螺方位观测值测回间差值123125。53,30.32.2-2.7225。5330.8().5-2.2325o5333.0w2.7-0.5均值（中误差）25o53,31.4w(0.8w)一测Pl观测中误差士14表5.2.2-7地下导线边DXYXl4DXYXl5陀螺方位角测量结果利用地下导线边的陀螺方位角、子午线收敛角和仪器常数，推算得到
13、DXYXI4DXYXl5导线边坐标方位角，结果见下表：表5.2.2-8地下导线边DXYX14-DXYX15方位角推算结果陀螺方位角子午线收敛角仪器常数陀螺仪推算坐标方位角25o53,31.4w-0o02,52.6w-021.4255549.2图5.24陀螺定向测量作业5 .坐标方位角对比根据洞内导线点DXYX8、DXYX9坐标计算，DXYX8DXYX9坐标方位角为：97。23,38.3”。1200米处DXYX8DXYX9导线边方位角和陀螺仪推算坐标方位角对比见下表：表5.229方位角对比表点名陀螺仪推算坐标方位角导线坐标方位角差值DXYX8DXYX997。2339.99702338.3m1.6
14、根据洞内导线点DXYXI4、DXYXl5坐标计算，DXYXl4DXYXI5坐标方位角为:25o55,46.8%1900米处DXYXl4DXYXI5导线边方位角和陀螺仪推算坐标方位角对比见下表:表5.2210方位角对比表点名陀螺仪推算坐标方位角导线坐标方位角差值DXTY14DXTY1525o55,49.2m25。5546.82.46 .测量成果质量判定由上表5.2.2-9和表5.2.2-10方位角对比表可见，分别在盾构隧道1200米处和1900米处两条导线边陀螺定向测量，通过陀螺定向测量与导线测量所得方位角均小于3.0”，由此判定导线测量成果质量可靠，可供后续施工使用。陀螺定向测量可作为盾构隧道导线测量的有效检核手段，可保证平面控制测量的可靠性，为隧道高精度贯通提供保障。6 .材料与设备6.1 材料与设备实施本工法所需主要
