双护盾TBM施工中VMT导向系统精度影响因素分析

陈 党 莹

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川 成都 610072)

0 前 言

“VMT导向系统”是由VMT GmbH—Gesellschaft fǖr Vermessungstechnik测量技术公司(德国)专为隧道掘进机开发的特殊导向系统，即：TUnls或SLS-T激光导向定位系统 ，简称为“VMT导向系统”。该系统具有录入隧道设计轴线坐标参数并计算设计轴线、TBM即时位置，并以图形、数字方式显示，计算平滑纠偏曲线，使TBM切向返回设计轴线等测量导向功能及管片安装选型、备份已拼装管环数据信息等其他非导向功能。在掘进过程中，该系统对TBM的位置和隧道设计轴线的相对关系进行持续的监控测量，避免TBM发生意外的运动或方向突变。VMT导向系统基本由四大块组成，即：后视觇标、测站点、激光靶、控制操作室中控台。

1 双护盾TBM施工与其他施工在测量工作上的区别

隧道(洞)常规钻爆法施工时，测量工作主要内容是洞外首级控制网的复测、必要的洞外施工控制网的加密、洞内导线的布设、施测与延伸(这也是所有隧洞施工测量必须进行的工作)，通过引进洞内的控制点直接进行开挖掌子面的施工放样及其他测量工作。

敞开式TBM施工时，需通过引入洞内的控制导线，向VMT导向系统传递掘进导向的基准坐标。一般采用悬挂于围岩上的后视觇标、全站仪，将掘进导向的基准传递给TBM配置的激光靶标，再由激光靶标将基准坐标传递给操作室的中控台导向系统，指导掘进姿态(水平、竖向)。采用该法施工时，掘进导向用的后视觇标、全站仪均悬挂于稳定的围岩上，一般不会发生位移。

双护盾TBM施工的最大特点之一就是隧道(洞)开挖与永久支护(一般采用4～7片管片拼装形成)一次完成，掘进后即进行管片安装，但管片安装后，需向管片与围岩间的间隙内充填豆砾石并进行灌浆处理。由于TBM及其后配套系统一般长度至少在150 m以上，这就造成用于提供掘进导向基准的全站仪或全站仪和后视觇标必须悬挂于管片上(根据TBM及其后配套系统的长度决定)，而此时的管片尚不稳定，可能发生沉降、抬升、旋转，这对全站仪和后视觇标的悬挂支架提出了要求，需要经常进行检查、校核。

2 双护盾TBM施工VMT导向系统精度的影响因素

2.1 洞外控制网精度

洞内测量控制的是基于洞外控制网的某一点向洞内延伸的，因而洞外控制网的精度直接决定了洞内测量控制的精度。洞外控制网布设时，根据条件，控制点间间距控制在400～1 000 m内为宜，如条件限制，最短不得小于200 m，同时根据隧道长度，选择合理的控制网等级。

2.2 仪器选型精度

测量仪器精度的选择，既要满足合同、设计贯通精度要求，又不能盲目地追求高精度指标所带来的不必要的投入增加。选择仪器时，可参考《水利水电工程施工测量规范》(SL52-2015)中对不同布网等级的测角、测距中误差要求；《水电水利工程施工测量规范》(DL/T5173-2012)中对不同洞长导线测量布设控制网等级的要求，兼顾以光电测距三角测量代替水准测量对不同等级水准网的要求，同时结合各工程的实际进行选择。

如某工程采用双护盾TBM法施工，隧道设计长度4.78 km，VMT导向系统配置的全站仪为Leica TS15G，其标称测角精度为2″，测距为±2 mm+2 ppm，同时激光靶标及后视棱镜均为Leica棱镜。为避免因频繁调整棱镜加乘常数等引起的误差，测设导线的全站仪亦选用Leica系列产品。根据隧道长度，在进行贯通误差预设计的基础上，同时考虑到导线传递时的测角、测距误差、洞内照明引起的旁折光误差，选择测设导线的全站仪精度(测角、测距)不低于VMT导向系统所配置的全站仪精度。隧道贯通后，实际测量贯通误差优于贯通误差预设计。

2.3 洞内导线布设网形及延伸精度控制

为有效控制隧道掘进轴线、高程偏差，避免导线传递过程中无校核条件，洞内导线一般采用主副双导线或交叉双导线，并严格控制由洞口控制点向洞内测设导线时的起始方向连接角测角中误差，满足规范要求，这是保证洞内导线精度的首要条件。为有效控制贯通精度，同时兼顾工作量及旁折光影响，最好采用交叉导线形式布设双导线网。当导线向前延伸时，每隔一条侧边闭合一次，形成重叠四边形。同时洞内基本导线网向前每延伸一个环节，对其进行一次计算和检核(见图1)。导线布设边长的选择根据隧道长度、贯通误差预设计进行选择，同时要考虑到洞内施工环境对导线测量的影响。

图1 交叉导线形式布设双导线网示意

(1)检查新构成的多边形的角度闭合差Wβ是否超限，检核公式为：

式中，Wβ为角度闭合差，(″)；mβ为测角中误差，(″)；n为多边形内角数，个。

通过对多边形角度闭合差的检核，可以达到核验①多边形各内角的观测值是否存在粗差；②导线点L1、R1、L2、R2是否有移位。

(2)检查不同时段观测的同一角度差值β是否超限，检核公式为：

然而，令人失望的是，1936年诺贝尔物理学奖却颁发给了比赵忠尧晚了两年才发现正电子径迹的安德逊。安德逊在1983年也写出了当年的故事：在加州理工学院时，我与赵忠尧同为研究生，办公室只有一墙之隔。我的研究是受赵的启发才做的。

式中，Δβ为不同时段观测的同一角度差值，(″)；mβ为测角中误差，(″)。

通过此项检核，当多边形闭合差超限时，可分析出是因导线点偏移还是观测值存在粗差。

(3)检查导线延伸新增导线点的横向点位精度，检核公式为：

通过此项检核，可检核新增导线点的边长测量是否存在粗差；检核新增导线点测量过程中各导线点的坐标是否存在粗差。

3 洞内导线布置

3.1 洞内导线点型式

为减少人为误差，洞内导线点标志应设置为强制对中形式，对中螺丝几何中心即为导线点平面位置，同时，可以将水准点也设置在对中螺丝附近，便于查找和使用。

3.2 导线点布设密度、位置与稳固度

洞内主导线点间距要根据隧道长度、贯通误差限差、贯通误差预设计进行合理选择，但一般不大于500 m(超长隧道应进行单独设计)且通视，如隧道存在曲线段，则应根据各曲线转弯半径、长度，缩短导线点间间距。导线点一般布设在已安装、稳定的管环侧壁、距离安全通道0.5～0.8 m高且远离照明灯、高压电缆等强光、电磁干扰部位，并采用混凝土浇筑或角钢、钢板固定。如位置过低，影响人员通行或发生碰撞，过高则不便于观测，易于与洞内其他布置冲突。洞内强制对中导线点及布设位置见图2。

图2 洞内强制对中导线点及布设位置示意

3.3 悬挂全站仪及(或)后视觇标的支架处理

由于用于传递掘进导向基准的全站仪及(或)后视觇标悬挂于尚未完全稳定的管片上，为避免或尽可能减少因管片的不稳定对导向基准的影响，需在悬挂支架上安装柔性的缓冲装置(一般调节范围在2 cm以内，见图3、4)。这样，当因掘进过程中TBM的剧烈振动或管片发生激烈的沉降、抬升、旋转时，可以起到抵消或削弱对导线系统基准准确性的影响。当然，当发生猛烈变化时，必须对觇标、全站仪悬挂点的坐标进行检查、校准或加固。

图3 敞开式TBM施工悬挂全站仪、觇标的支架型式

图4 双护盾TBM施工悬挂全站仪、觇标的支架型式

3.4 特殊情况后的处理

当发生TBM卡机后重新启动、长时间停机后重新启动或通过不良洞段等情况，应重新校核VMT导向系统测站、激光靶标、后视点坐标，发现问题及时纠偏。

3.5 全站仪自身因素

因全站仪属精密仪器，工作环境一般为静态环境，但受TBM施工自身特点影响，在掘进、管片安装、豆粒石回填等过程中，设备震动较大，全站仪始终处于动态的工作环境下。虽然VMT导向系统配置的全站仪根据此特点，设置了减振设施，但长时间运行，全站仪依然会不可避免地受到破坏，无法工作或精度大大降低，导致无法正确指导施工，因而必须进行更换。根据以往工程经验，一般每半年更换一台全站仪。

4 结 语

采用双护盾TBM法施工的隧道，影响VMT导向系统精度的因素包括：人为因素、仪器因素、环境因素及采用此施工法自身特点等，同时与TBM操作手作业水平、围岩类别、测站点架设处及后视棱镜安装位置管片的稳固度等诸多因素相关。本文仅就采用双护盾TBM法施工时，可能影响VMT导向系统精度的测量因素进行了简要梳理，以期抛砖引玉，与大家共同探讨。