0 引言
隨著施工技術(shù)的發(fā)展，目前在市政隧道及公路隧道中使用盾構(gòu)法進(jìn)行隧道施工越來(lái)越多。盾構(gòu)法隧道是由盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在土體中掘進(jìn)完成施工，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)機(jī)是由一個(gè)盾牌型刀盤(pán)切削土體，由圓柱狀鋼殼提供工作面保護(hù)，依靠在鋼殼內(nèi)拼裝成環(huán)的管片給于呈圓周狀布置的千斤頂組提供支撐，然后由千斤頂向前推進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)在土體內(nèi)前進(jìn)的大型隧道施工機(jī)械。在地下作業(yè)的過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡將基本形成地下隧道走向的實(shí)際軸線，工程要求隧道的實(shí)際軸線偏差符合設(shè)計(jì)及相應(yīng)規(guī)范的規(guī)定要求，以保證隧道工程的質(zhì)量，從而保障地下隧道竣工后的營(yíng)運(yùn)安全［1］。同時(shí)，盾構(gòu)法隧道在*終到達(dá)接收井時(shí)，必須準(zhǔn)確地進(jìn)入到預(yù)設(shè)的鋼洞門(mén)圈內(nèi)，否則會(huì)造成巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失，甚至重大質(zhì)量事故。因此盾構(gòu)法隧道施工必須要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)作者簡(jiǎn)介：李呈旸，男，工程師，研究方向?yàn)楣こ虦y(cè)量及工程物探。 軸線準(zhǔn)確控制盾構(gòu)機(jī)的實(shí)時(shí)位置，確保后續(xù)成型后的隧道符合設(shè)計(jì)要求，*終指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)準(zhǔn)
確穿過(guò)鋼洞門(mén)圈進(jìn)入接收井。而指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)方向，需要盾構(gòu)施工測(cè)量技術(shù)，在隧道施工中如何對(duì)超長(zhǎng)距離盾構(gòu)隧道進(jìn)行**定位是目前急待解決的問(wèn)題。
1 技術(shù)現(xiàn)狀及技術(shù)難點(diǎn)
1.1 技術(shù)現(xiàn)狀
現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)大致分為兩種，一是將地面坐標(biāo)通過(guò)豎井聯(lián)系測(cè)量傳遞到隧道內(nèi)，并在隧道內(nèi)布設(shè)支導(dǎo)線，利用支導(dǎo)線的數(shù)據(jù)測(cè)量盾構(gòu)機(jī)布設(shè)在盾構(gòu)縱軸方向上的測(cè)量標(biāo)志，*后根據(jù)測(cè)量標(biāo)志與盾構(gòu)機(jī)頭部尾部中心的關(guān)系，計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)的頭部、尾部中心的三維坐標(biāo)，比較它們與隧道設(shè)計(jì)軸線之間的偏差，從而指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)很好地沿著設(shè)計(jì)軸線前進(jìn)，二是采用高精度全站式陀螺儀，全站式陀螺儀可以直接測(cè)定隧道內(nèi)未知邊的方位角。
1.2 技術(shù)難點(diǎn)
由于施工中存在著測(cè)量誤差，對(duì)于超長(zhǎng)距離盾構(gòu)隧道，當(dāng)支導(dǎo)線的長(zhǎng)度達(dá)到超過(guò) 2 km 之后，累計(jì)的測(cè)量誤差就會(huì)超出隧道設(shè)計(jì)要求，造成不能順利進(jìn)入接收井，盾構(gòu)隧道工程就存在相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)，造成的損失不可估量。若采用昂貴的高精度陀螺儀且該儀器由于只能做方位復(fù)核，不能傳遞坐標(biāo)，也不能完全確保隧道****完全貫通?，F(xiàn)有技術(shù)成本高、效率低，無(wú)法適用于超長(zhǎng)距離的盾構(gòu)法隧道。為了解決上述測(cè)量技術(shù)的不足，提供一種低成本，高效率，成果直觀的測(cè)量方法，下面介紹一種利用物探技術(shù)在上海某超長(zhǎng)盾構(gòu)施工對(duì)盾構(gòu)軸線定位研究及應(yīng)用情況。
2 超長(zhǎng)距離盾構(gòu)軸線定位的探測(cè)方法
2.1 研究?jī)?nèi)容
2.1.1 物探方案研究
通過(guò)對(duì)盾構(gòu)隧道施工工藝及物探原理及物探精度的調(diào)查研究，利用探地雷達(dá)對(duì)金屬物體會(huì)形成強(qiáng)烈反射波的特性，結(jié)合現(xiàn)有測(cè)斜及測(cè)量技術(shù)方法，研發(fā)了一項(xiàng)針對(duì)超長(zhǎng)距離盾構(gòu)軸線無(wú)損定位探測(cè)系統(tǒng)及方法。設(shè)計(jì)了一套可用于超長(zhǎng)距離盾構(gòu)軸線定位的探測(cè)裝置，包括：預(yù)埋裝置、電磁波信號(hào)收發(fā)裝置、隧道內(nèi)探測(cè)裝置、定位測(cè)量裝置，如圖 1 所示。
1）預(yù)埋裝置：預(yù)埋測(cè)斜管、實(shí)心鐵球、角反射器、電纜線回路。
2）電磁波信號(hào)收發(fā)裝置：管線儀。
3）隧道內(nèi)探測(cè)裝置：探地雷達(dá)、探測(cè)板。
4）定位測(cè)量裝置：測(cè)斜儀、測(cè)量架、棱鏡。
2.1.2 物探方法流程
物探方法的流程，如圖 2 所示。
1）拼裝預(yù)埋測(cè)斜管，實(shí)心鐵球固定在預(yù)埋測(cè)斜管底部，角反射器安裝在實(shí)心鐵球中心位置，安放并固定預(yù)埋測(cè)斜管至預(yù)埋孔位。安裝固定測(cè)量架，架設(shè)棱鏡于預(yù)埋測(cè)斜管頂部中心位置，并測(cè)出棱鏡的三維坐標(biāo)，測(cè)斜儀測(cè)出預(yù)埋測(cè)斜管的方向及斜率，并計(jì)算出棱鏡與預(yù)埋測(cè)斜管底部中心偏差，得到下方鐵球中心位置坐標(biāo)。
2）連接電源和變壓器，電磁波信號(hào)發(fā)射裝置通過(guò)夾線接入電纜線，開(kāi)啟電磁波信號(hào)發(fā)射裝置。在盾構(gòu)隧道內(nèi)相同里程管片周邊，先使用電磁波信號(hào)接收器探測(cè)纏繞預(yù)埋測(cè)斜管底部鐵球上電纜線的大致位置。
3）將管片填充物和探測(cè)板固定至管片頂部。測(cè)量出探測(cè)板四個(gè)角點(diǎn)上 L 型棱鏡三維坐標(biāo)及待測(cè)管片的三維坐標(biāo)，確定管片實(shí)測(cè)中心軸線。
4）確定好起始位置后，探地雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)，先在從左至右完成一次管片環(huán)向探測(cè)，從后向前完成**次管片豎向探測(cè)，形成網(wǎng)格通過(guò)雷達(dá)層析圖分析出預(yù)埋測(cè)斜管底部實(shí)心鐵球和角反射器與探地雷達(dá)起始位置的距離，定位做好標(biāo)記測(cè)出該位置的三維坐標(biāo)，計(jì)算出與待測(cè)管片的中心的偏差值，*終得到實(shí)測(cè)管片中心與設(shè)計(jì)軸線的偏差。
2.2 工作原理及方法
2.2.1 測(cè)斜儀的工作原理及方法
測(cè)斜儀的基本工作原理是土體深部水平位移測(cè)試采用測(cè)斜儀，它是可以**地測(cè)量沿垂直方向土層或圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部水平位移的工程測(cè)量?jī)x器?；幼冃斡^測(cè)通常采用滑動(dòng)式測(cè)斜儀，主要由測(cè)斜管、探頭、電纜和主機(jī)四部分組成。工程應(yīng)用時(shí)，首先在土體（樁型體）中預(yù)埋測(cè)斜管，土體（樁型體）發(fā)生變形位移后，整個(gè)測(cè)斜管也產(chǎn)生相應(yīng)變形，測(cè)斜探頭滑輪順槽逐點(diǎn)測(cè)試，可**測(cè)出水平位移量。根據(jù)位移量的大小，做出預(yù)報(bào)，指導(dǎo)施工。測(cè)斜儀的工作原理是量測(cè)儀器軸線與鉛垂線之間的夾角變化量，使用程序進(jìn)行分析，進(jìn)而計(jì)算出巖（土）體不同高處的水平位移。按測(cè)點(diǎn)的分段長(zhǎng)度，分別求出不同高程處水平位移增量，從測(cè)斜管底部測(cè)點(diǎn)開(kāi)始逐漸累加，可以得出不同高程處的水平位移，利用測(cè)斜儀測(cè)讀的數(shù)據(jù)，進(jìn)行位移、傾角的物理量測(cè)［2］。
2.2.2 管線儀的工作原理及方法
管線儀的理論原理是根據(jù)電磁理論，交變的電流在空間產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，其關(guān)系滿足安培環(huán)路定律。如果周圍是均勻介質(zhì)，加載交流電流的導(dǎo)體足夠長(zhǎng)、直時(shí)，在該導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一個(gè)同軸的交流電磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小正比于電流，反比于到導(dǎo)體的距離。如將一線圈置于這個(gè)磁場(chǎng)中，在線圈內(nèi)將感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)同頻率的交流電壓，感應(yīng)電壓的大小取決于該線圈在磁場(chǎng)中的位置，當(dāng)磁力線方向與線圈軸向平行時(shí)，線圈感應(yīng)的電壓水平分量呈極大，當(dāng)線圈軸向與磁力線方向垂直時(shí)，感應(yīng)的電壓水平分量*小，為極小值，探測(cè)儀正是利用這一特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)埋于地下的管線的路由查找。管線儀基本使用方法：發(fā)射機(jī)的信號(hào)發(fā)送連接方式：直連法、耦合法、感應(yīng)法；接收機(jī)的三種工作方式：波峰法、波谷法、跨步電壓法［3］。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際探測(cè)條件所需我們選擇采用直連法，發(fā)射機(jī)紅色接線端直接連接到預(yù)埋管上的電纜線，另一端接地。此種方法產(chǎn)生的信號(hào)比較強(qiáng)。位于隧道內(nèi)的接收機(jī)使用波峰法：波峰法是用水平線圈接收電磁場(chǎng)水平分量的強(qiáng)度。對(duì)預(yù)埋于測(cè)斜管底部的線圈進(jìn)行峰值檢測(cè)來(lái)說(shuō)，在待測(cè)目標(biāo)正上方時(shí)，當(dāng)接收機(jī)的正面與電纜線垂直時(shí)磁場(chǎng)響應(yīng)強(qiáng)度大，線圈所在的磁場(chǎng)強(qiáng)，還因?yàn)榇藭r(shí)磁場(chǎng)磁力線的方向與線圈的平面垂直，通過(guò)線圈的磁通量大。當(dāng)接收機(jī)向電纜線兩側(cè)延伸檢測(cè)時(shí)，磁場(chǎng)響應(yīng)強(qiáng)度對(duì)稱且逐漸減小。通過(guò)線圈的磁通量變小，從而產(chǎn)生如山峰一樣的信號(hào)響應(yīng)。因此通過(guò)峰值*高點(diǎn)來(lái)確定預(yù)埋管底部纏繞在鐵球上電纜線圈的的位置是比較可靠的。
2.2.3 探地雷達(dá)的工作原理及方法
高頻的電磁波以寬頻帶短脈沖形式由發(fā)射天線定向送入地下，以存在電性差異的地下地層及目標(biāo)體反射后回地面，并由接收天線所接收。高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨通過(guò)介質(zhì)的電性特征與幾何形態(tài)而變化。因此，通過(guò)對(duì)時(shí)域波形的采集、處理和分析，可確定地下分界面或地質(zhì)體的空間位置及結(jié)構(gòu)。
地下介質(zhì)具有不同的物理特性，如各類介質(zhì)的介電性、導(dǎo)磁性及導(dǎo)電性差異，對(duì)電磁波具有不同的波阻抗，發(fā)射入地下的電磁波在穿過(guò)各地層及管線等目標(biāo)體時(shí)，由于界面的波阻抗不同，電磁波在不同介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生折射和反射，反射回地面的電磁波脈沖其傳播路徑、電磁波場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化，因此，從接收到的雷達(dá)反射回波時(shí)、幅度及波形資料，可以推斷地下各類介質(zhì)類型與埋深［4，5］。其具體工作原理如圖 3 所示。
常見(jiàn)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)如表 1 所示。
根據(jù)探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)的位置在盾構(gòu)隧道管片外上部 1~2 m 區(qū)域。探測(cè)有部分土層，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)，同步注漿已經(jīng)完成，原狀土淤泥質(zhì)粉砂層，因此估計(jì)其介電常數(shù)約為 16，管片的厚度為約為 28 cm。選用頻率為400~800 MHz 的探地雷達(dá)天線*為合適。
3 應(yīng)用實(shí)例及分析
3.1 工程背景
上海市天然氣主干管網(wǎng)崇明島-長(zhǎng)興島-浦東新區(qū)五號(hào)溝 LNG 站管道工程隧道 B 線主體隧道為內(nèi)徑 3.4 m 的越江隧道，該工程采用盾構(gòu)施工工藝，單次掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá) 6.931 km，如此小口徑、超長(zhǎng)距離越江隧道工程在盾構(gòu)隧道施工領(lǐng)域尚屬**，其施工難度及風(fēng)險(xiǎn)極大，對(duì)施工設(shè)備、技術(shù)、管理等綜合施工水平提出了極高挑戰(zhàn)。
工程地質(zhì)情況：本工程地基土屬第四紀(jì)晚更新世及全新世沉積物，主要由黏性土、粉性土和砂土組成，分布尚穩(wěn)定，可劃分為 8 個(gè)主要土層。其中，第①0-2、第②3 層以及第③2 層以粉性土、砂土為主，在動(dòng)水力作用下易產(chǎn)生流砂、管涌等**地質(zhì)現(xiàn)象，基坑開(kāi)挖時(shí)需引起注意。第④層淤泥質(zhì)黏土、第⑤1-1 層黏土及第⑤3-1層粉質(zhì)黏土，土質(zhì)軟弱，具有流變和觸變特性，開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)盡量減少土體擾動(dòng)。
3.2 儀器選擇
主要儀器選擇如表 2 所示。
3.3 測(cè)點(diǎn)及布設(shè)
3.3.1 地面雷達(dá)探測(cè)試驗(yàn)試驗(yàn)使用 CrossOverPLT600 在地面上進(jìn)行鐵球探測(cè)試驗(yàn)；使用隧道施工相同規(guī)格、相同材質(zhì)管片，將管片側(cè)向放置在空地上，管片凸面處堆放實(shí)際隧道施工中相同深度的原狀土，堆放土體長(zhǎng) 2 m、寬 2 m，高 1.35 m 與側(cè)向放置管片高度齊平，如圖 4 所示。
使用鐵球直徑為10、15、20cm；探測(cè)距離為160 cm、200 cm；探測(cè)步距為 1、2、3 cm；正反測(cè)線共計(jì) 44 條。試驗(yàn)?zāi)康模貉芯刻降乩走_(dá)探測(cè)鐵球偏差精度，探地雷達(dá)探測(cè)鐵球*佳距離，以及預(yù)埋鐵球的*佳直徑。試驗(yàn)成果結(jié)論：?jiǎn)未纬晒F球位置偏差在 13.3 cm，通過(guò)對(duì)正反測(cè)線進(jìn)行取平均值后，鐵球位置的偏差基本可控制在 10 cm 以內(nèi)（見(jiàn)表 3）。
成果優(yōu)化：根據(jù)多次探測(cè)數(shù)據(jù)比較，鐵球直徑大小在 15 cm，探測(cè)距離在 160 cm，探測(cè)步距為 1.5～2 cm時(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)精度較高，正反測(cè)線與鐵球位置的偏差較穩(wěn)定。相對(duì)偏差可控制在 5 cm。
3.3.2 隧道內(nèi)雷達(dá)探測(cè)試驗(yàn)
在盾構(gòu)隧道內(nèi) 281 環(huán)、282 環(huán)、283 環(huán)進(jìn)行鐵球預(yù)埋實(shí)地探測(cè)試驗(yàn)如圖 5～7 所示。使用鐵球直徑為13cm。探測(cè)距離：架設(shè)模板為200 cm，直接貼合管片為 180 cm；探測(cè)步距為 2 cm；正反測(cè)線共計(jì) 21 條；取有效測(cè)線 7 條。試驗(yàn)?zāi)康模嚎偨Y(jié)借鑒地面試驗(yàn)成果，在實(shí)際工況下，探索電磁波雷達(dá)探測(cè)隧道軸線偏差的精度。試驗(yàn)實(shí)施：沿隧道軸線精準(zhǔn)定位三個(gè)點(diǎn)位，位置如圖 5 所示；將鐵球固定在測(cè)斜管底部，打設(shè)測(cè)斜孔，將鐵球放置于隧道上方 1.5 m 處；對(duì)測(cè)斜管進(jìn)行垂直度測(cè)量，計(jì)算出鐵球精準(zhǔn)坐標(biāo)；在隧道內(nèi)利用探地雷達(dá)探測(cè)出鐵球與隧道位置關(guān)系，計(jì)算出隧道軸線坐標(biāo)。
試驗(yàn)成果結(jié)論：利用管線儀探測(cè)，三處鐵球位置偏差大致在 30 cm 范圍以內(nèi)，只能作為初探鐵球位置的大致定位；探測(cè)板探測(cè)：?jiǎn)未纬晒?282 環(huán)鐵球位置偏差在*大 26.6 cm，281 環(huán)和 283 環(huán)鐵球位置偏差在*大 10 cm；直接貼著管片進(jìn)行探測(cè)：通過(guò)對(duì)正反測(cè)線進(jìn)行取平均值后，鐵球位置的偏差可控制在 10 cm 以內(nèi)（見(jiàn)表 4）。
成果優(yōu)化：根據(jù)多次探測(cè)數(shù)據(jù)比較，由于本次探測(cè)距離在 170 cm 至 200 cm，鐵球直徑在 13 cm，所測(cè)成果與鐵球位置的偏差也相對(duì)比較大，由于管片是錯(cuò)縫拼裝，通過(guò)觀察管片上的預(yù)留孔內(nèi)有金屬內(nèi)襯再加上探測(cè)距離和鐵球大小相對(duì)縮小對(duì)本次探測(cè)精度會(huì)有比較大的影響，建議鐵球直徑大小可在 15~17 cm，探測(cè)距離應(yīng)小于 170 cm，探測(cè)步距為 2 cm 時(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)精度較高，正反測(cè)線與鐵球位置的偏差較穩(wěn)定。相對(duì)偏差可控制在 10 cm。
3.3.3 長(zhǎng)距離隧道 6 km 處隧道內(nèi)雷達(dá)探測(cè)在盾構(gòu)隧道內(nèi) 5 020 環(huán)、5 024 環(huán)進(jìn)行鐵球預(yù)埋實(shí)地探測(cè)如圖 8~10 所示。
使用鐵球直徑為 17 cm，探測(cè)距離為 150 cm，探測(cè)步距為 2 cm，正反測(cè)線共計(jì) 32 條，取有效測(cè)線 4 條。成果匯總：成果三維坐標(biāo)如表 5 所示；成果數(shù)據(jù)偏差如表 6 所示。
成果結(jié)論：先利用管線儀探測(cè)，5 020 環(huán)和 5 024 環(huán)兩處鐵球位置偏差大致在 30 cm 范圍以內(nèi)，只能作為初探鐵球位置的大致定位；直接貼著管片進(jìn)行探測(cè)：分別用 400 Mhz 和 600 Mhz 天線雷達(dá)對(duì)管片進(jìn)行正反測(cè)線定位點(diǎn)取平均值，*終通過(guò)套管法驗(yàn)證 5 020 環(huán)鐵球位置與實(shí)際三維坐標(biāo)偏差偏左 8.2 cm，5 024 環(huán)鐵球位置與實(shí)際三維坐標(biāo)偏差偏左 1.5 cm。
