王運(yùn)鋼 徐巖軍

(1.中鐵一局集團(tuán)有限公司,710054,西安;2.中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司,710054,西安//第一作者,工程師)

盾構(gòu)隧道施工軸線糾偏計(jì)算方法

王運(yùn)鋼1徐巖軍2

(1.中鐵一局集團(tuán)有限公司,710054,西安;2.中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司,710054,西安//第一作者,工程師)

地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工時(shí),受到各種因素的影響，盾構(gòu)機(jī)及隧道襯砌環(huán)的軸線會偏離設(shè)計(jì)軸線。此偏差甚至?xí)鲈试S范圍,從而引起隧道施工以及運(yùn)行的安全隱患。針對此問題,總結(jié)了產(chǎn)生軸線偏差的各個影響因子,并提出了一種有效的糾偏方法。闡述了該糾偏技術(shù)的原理和實(shí)施方法。

地鐵; 盾構(gòu)隧道; 軸線偏差; 糾偏方法

First-author′s address China Railway First Group Co.,Ltd.,710054,Xi′an,China

盾構(gòu)隧道掘進(jìn),即通過人機(jī)交互式的方法控制配備有導(dǎo)向系統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)沿著隧道的設(shè)計(jì)中線進(jìn)行挖掘[1],并不斷地完成管片拼接、構(gòu)筑隧道襯砌(這兩者對于施工階段以及后期運(yùn)營階段的隧道內(nèi)部和外部安全是至關(guān)重要的)[2]。但實(shí)際上盾構(gòu)機(jī)軸線的真實(shí)行進(jìn)線與設(shè)計(jì)軸線是不完全重合的[2],它是通過逐環(huán)的姿態(tài)監(jiān)控和姿態(tài)修正,使得盾構(gòu)機(jī)相對于隧道設(shè)計(jì)中線的偏差限制在允許范圍內(nèi),進(jìn)而保證管片拼裝后的軸線偏差控制在限定值范圍內(nèi)(一般平面和高程偏差均為±50 mm)。

受到地層和測量精度等因素的影響,某些掘進(jìn)時(shí)刻盾構(gòu)機(jī)及管片的軸線偏差接近甚至超出允許的偏差范圍,此時(shí)常規(guī)的蛇形修正法已無法滿足盾構(gòu)隧道軸線偏差及隧道質(zhì)量控制要求,需要提出新的盾構(gòu)隧道糾偏技術(shù),一方面盡快將盾構(gòu)機(jī)的軸線偏差調(diào)整至允許范圍內(nèi),另一方面保證糾偏過程中管片平順,不產(chǎn)生過大的錯臺[3]及滲漏水等質(zhì)量問題。

本文就軸線偏差產(chǎn)生的原因和提出的糾偏方法進(jìn)行具體闡述,并結(jié)合實(shí)例介紹本糾偏方法的具體實(shí)施過程。

1 軸線偏差產(chǎn)生的原因分析

1.1 線形問題

盾構(gòu)機(jī)經(jīng)常會在曲線上始發(fā),由于始發(fā)托架及始發(fā)階段的盾構(gòu)機(jī)主體是直線形狀,而設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算出來的隧道中心線卻位于曲線上,這樣在始發(fā)階段就無法避免地產(chǎn)生了軸線偏差。

1.2 洞門位置與車站結(jié)構(gòu)相對空間尺寸問題

特殊情況下,有些始發(fā)井設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮盾構(gòu)機(jī)及后車架始發(fā)的尺寸要求。如果使盾構(gòu)機(jī)及后配車沿著設(shè)計(jì)線始發(fā),則一側(cè)側(cè)墻的凈空不夠。為了保證盾構(gòu)機(jī)順利始發(fā),在托架定位時(shí)需要偏離隧道中心線一個角度,保證后備臺車能夠順利連接,因此盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入土體后就會偏離隧道中心線。

1.3 管片選型不當(dāng)

掘進(jìn)循環(huán)過程中,管片選型[4-5]出現(xiàn)問題,導(dǎo)致盾尾間隙變小,為使盾構(gòu)機(jī)能夠繼續(xù)前進(jìn)、保護(hù)盾尾刷、防止管片破損等,不得不犧牲盾構(gòu)機(jī)姿態(tài),導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)偏離隧道設(shè)計(jì)中線;盾構(gòu)機(jī)推理參數(shù)設(shè)置不當(dāng),或者土壓傳感器顯示不準(zhǔn)確，也會導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)偏離隧道中心線。

1.4 軟硬不均地層

在復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí),有時(shí)會碰到軟硬不均地層,包括上軟下硬(居多)、左右地層強(qiáng)度不同等。一旦盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制不當(dāng),尤其是推進(jìn)速度控制及渣土改良出現(xiàn)問題,極易導(dǎo)致盾構(gòu)偏離隧道中心線。

1.5 導(dǎo)向系統(tǒng)測量誤差

盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)激光站自動前移存在誤差累積,一般情況下,自動前移2次或距離為80 m左右需采用人工測量的方法進(jìn)行復(fù)站。如果復(fù)站不及時(shí),該誤差累計(jì)到一定程度,則在某一次復(fù)站后盾構(gòu)姿態(tài)可能會發(fā)生大的跳動,有時(shí)跳動可達(dá)25 mm以上。

2 盾構(gòu)隧道糾偏的工作原理

平面曲線的插補(bǔ)算法廣泛應(yīng)用于工業(yè)數(shù)控系統(tǒng)中。其用樣條曲線[6-8]擬合出零部件表面的曲線[9],來保證加工的零部件表面的光滑和平順。雙圓弧擬合曲線方法是應(yīng)用最為廣泛的一種插補(bǔ)算法。它利用兩個彼此相切的圓弧來擬合相鄰兩插值點(diǎn)[9-11]。本文借鑒該方法的核心思想提出了盾構(gòu)隧道糾偏方法,將平曲線和豎曲線分別采用該方法進(jìn)行糾正。

2.1 基本原理

以平曲線為例,糾偏原理如下:

隧道挖掘過程中某一時(shí)刻,盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)偏差超過限定值,此時(shí)盾構(gòu)機(jī)軸線的方位角為α1,通過導(dǎo)向系統(tǒng)計(jì)算出此刻盾首或盾尾的坐標(biāo),糾偏距離為L(一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的,它是糾偏起始點(diǎn)與糾偏終點(diǎn)的連線在終點(diǎn)切線上的投影距離),利用設(shè)計(jì)中線數(shù)據(jù)可計(jì)算出糾偏結(jié)束時(shí)盾構(gòu)機(jī)的軸線方位角α2以及盾首和盾尾的坐標(biāo)。糾偏平面示意圖如圖1所示。

圖1 糾偏平面示意圖

用切口(或盾尾)代替整個盾構(gòu)機(jī),上述過程表達(dá)為:已知糾偏前點(diǎn)為P1(x1,y1),切線方位角為α1；糾偏后點(diǎn)為P2(x2,y2),切線方位角為α2；P1P2的方位角為α3(如圖2所示)。過點(diǎn)P1作P2點(diǎn)切線的垂線,垂足點(diǎn)為N,則NP2為糾偏距離,用L表示;NP1為偏差,用△H表示。P1P2已知,由此可根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算得到L。

用兩個反向圓弧擬合出P1和P2之間的糾偏曲線P1AP2,A為切點(diǎn),只要確定出圓弧的半徑,就可得到整個糾偏曲線的軌跡。

圖2 糾偏原理圖

設(shè)P1A和AP2段圓弧對應(yīng)的圓心角分別為β1、β2,其圓心分別為O1、O2,O1O2與P1P2的交點(diǎn)為B。由幾何關(guān)系可知:

(1)

(2)

(3)

由于L、ΔH、α1和α2為已知值,因此根據(jù)式(1)、(2)、(3)可求解3個未知數(shù),即可獲取糾偏半徑R。

2.2 最小糾偏半徑方法

盾構(gòu)隧道測量存在一些特殊的問題,例如，在糾偏過程中若糾偏曲線半徑較小,糾偏差超過了管環(huán)設(shè)計(jì)的楔形量,則會導(dǎo)致盾尾間隙不足,輕則加重盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)的阻力、減緩掘進(jìn)速度,重則將使管片錯臺甚至損壞[3]。解決這種問題的方法就是增大曲線半徑,減小曲率來保證有足夠的盾尾間隙。故本文提出糾偏過程必須滿足最小糾偏曲線要求。即根據(jù)管片設(shè)計(jì)確定一個最小糾偏半徑Rmin,當(dāng)R

Rmin由每環(huán)的管片長度l和楔形量d(即每環(huán)最大糾偏偏差)決定,三者的關(guān)系如圖3所示。其中，S表示每一環(huán)的糾偏起點(diǎn),E表示每一環(huán)的糾偏終點(diǎn),M表示中點(diǎn)。由幾何關(guān)系可得:

(4)

(5)

(6)

則:

(7)

圖3 最小糾偏曲線半徑的確定

最小糾偏半徑方法如圖4所示，其基本思想為:當(dāng)R

圖4 最小糾偏半徑方法

最小糾偏半徑方法中,可通過糾偏曲線長度最小化來加快掘進(jìn)進(jìn)度,采用的方法為:

(1) 若ΔH大于規(guī)范要求的偏差,則R取最小糾偏半徑,即R=Rmin。

(2) 若ΔH小于規(guī)范要求的偏差,R根據(jù)盾構(gòu)機(jī)軸線與設(shè)計(jì)軸線夾角及規(guī)范要求的最大偏差ΔHmax進(jìn)行計(jì)算,若R小于最小糾偏半徑,則R取最小糾偏半徑,即R=Rmin。

3 試驗(yàn)結(jié)果

本文對提出的糾偏方法進(jìn)行了試驗(yàn),已知數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 糾偏時(shí)的已知數(shù)據(jù)

結(jié)合隧道設(shè)計(jì)中線及表1中的數(shù)據(jù),采用本文的糾偏算法得到的理論糾偏半徑R=166.723 1 m,最小糾偏半徑Rmin=240.001 5 m。顯然,在10 m的糾偏距離內(nèi)糾正誤差為0.05 m偏差的理論糾偏半徑小于最小糾偏半徑,即R

通過計(jì)算得出實(shí)際的糾偏距離為13.303 6 m。糾偏曲線上間隔距離為管片長度的特征點(diǎn)的坐標(biāo)如表2所示,糾偏曲線如圖5所示。

表2 糾偏曲線坐標(biāo)

由圖5可以看到,糾偏曲線兩段反向雙圓弧的切點(diǎn)處過渡相當(dāng)平滑,且糾偏曲線最終回歸到設(shè)計(jì)線上,即成功實(shí)現(xiàn)了曲線糾偏過程。

4 結(jié)語

本文從目前盾構(gòu)隧道測量存在的問題出發(fā),闡述了盾構(gòu)隧道測量中需要對盾構(gòu)路線進(jìn)行糾偏的必要性,進(jìn)而提出一種盾構(gòu)隧道糾偏方法,并對該方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明了該糾偏方法在盾構(gòu)隧道糾偏中的實(shí)用性和有效性,為盾構(gòu)隧道施工中糾正盾構(gòu)實(shí)際路線提供了解決方法和理論依據(jù)。

圖5 糾偏曲線圖

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On Calculation Method of Axis Deviation Correction in Shield Tunnel Construction

WANG Yungang, XU Yanjun

During shield construction of metro tunnel which is influenced by a variety of factors, the shield machine and the segment axis will frequently deviate the designed center line, sometimes the deviation may exceed the allowable range, thus cause safety hazards during the tunnel construction or train operation. To solve these problems existing in shield construction process, various factors that result in producing axis deviation are summarized, then an effective correction method is proposed. This method will provide a theoretical basis and technical support for shield tunnelling quality control.

metro; shield tunnel; axis deviation; correction method

U 455.43

10.16037/j.1007-869x.2017.01.017

2015-04-21)