盾構(gòu)糾偏的線路設(shè)計(jì)研究

馬會(huì)良

摘 要：全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)隧道施工法（Tunnel Boring Machine），是靠旋轉(zhuǎn)并推進(jìn)刀盤，通過(guò)盤形滾刀破碎巖石而使隧洞全斷面一次成型的隧道施工方法。在我國(guó)，盾構(gòu)法施工應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬當(dāng)前正蓬勃發(fā)展的地鐵、鐵路等地下工程。在實(shí)際的地鐵線路開挖過(guò)程中，由于盾構(gòu)機(jī)自重巨大，因此在使用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行地鐵線路開挖有可能出現(xiàn)其實(shí)際位置偏離于地鐵設(shè)計(jì)線路位置的情況，當(dāng)這種偏差超過(guò)了允許偏差范圍時(shí)，就需要立即對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行糾偏，以保證盾構(gòu)機(jī)能夠按照設(shè)計(jì)好的地鐵挖掘線路前進(jìn)，防止出現(xiàn)由于偏差過(guò)大產(chǎn)生線路偏移，為此，必須設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的糾偏線路，建立相應(yīng)的糾偏曲線模型。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；糾偏；線路；設(shè)計(jì)；地鐵

盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)法施工中的主要施工器械之一，主要用于地下隧道的開挖工程，盾構(gòu)機(jī)被廣泛使用的原因源于其安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，即在隧洞開挖的過(guò)程中不會(huì)影響到軟基開挖面，使其保持相對(duì)穩(wěn)定和安全，且盾構(gòu)機(jī)為襯砌作業(yè)與開挖作業(yè)的同時(shí)開展提供了安全可靠的條件，其自動(dòng)化程度很高，無(wú)需人力支持，且開挖的質(zhì)量水平高。在實(shí)際的掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)容易受到類似盾構(gòu)旋轉(zhuǎn)、地質(zhì)變化等實(shí)際因素的影響，產(chǎn)生偏離設(shè)計(jì)線路的情況，這時(shí)就需要對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行糾偏，而一旦糾偏路線設(shè)計(jì)的不夠合理，就會(huì)出現(xiàn)蛇形前進(jìn)的情況，且可能會(huì)引發(fā)施工完成之后后期的滲水、坍塌甚至改線等嚴(yán)重問(wèn)題，因此必須對(duì)糾偏曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證盾構(gòu)機(jī)施工的萬(wàn)無(wú)一失。文章在介紹盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生偏差原因的基礎(chǔ)上對(duì)地鐵施工領(lǐng)域盾構(gòu)機(jī)糾偏所涉及到的技術(shù)和糾偏曲線模型的設(shè)計(jì)進(jìn)行一個(gè)初步的探討和分析。

1 盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生偏差的原因分析

1.1 施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況的影響

地質(zhì)情況決定著整個(gè)施工階段的難度甚至施工成敗，具體來(lái)說(shuō)，土層的不均勻分布、施工地區(qū)的地質(zhì)屬性，包括地下水、溶洞等，都有可能成為成為盾構(gòu)線路偏差的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

1.2 盾構(gòu)機(jī)自身設(shè)備問(wèn)題的影響

這種自身問(wèn)題一部分是盾構(gòu)機(jī)質(zhì)量方面的問(wèn)題，也可能因現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中操作人員對(duì)盾構(gòu)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置失誤而產(chǎn)生，例如，盾構(gòu)機(jī)選用的尺寸與實(shí)際的施工條件不符，盾構(gòu)機(jī)調(diào)節(jié)的參數(shù)不準(zhǔn)確，這些因素都可能導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)在挖掘的過(guò)程中出現(xiàn)種種問(wèn)題，影響其前進(jìn)的線路方向，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生線路偏離情況。

1.3 不合理的盾構(gòu)糾偏設(shè)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)本身雖然具備很高級(jí)的自動(dòng)化功能，但是還沒(méi)有達(dá)到能夠自主解決盾構(gòu)糾偏方案的設(shè)計(jì)問(wèn)題，因此，當(dāng)出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)偏離線路，需要糾偏時(shí)，就需要由盾構(gòu)操作人員來(lái)設(shè)計(jì)糾偏方案，而由于每個(gè)操作人員的閱歷不同，對(duì)盾構(gòu)糾偏做出的決策判斷也各有不同，這些不同的決策就會(huì)給解決最終問(wèn)題帶來(lái)不同的效果，且如果糾偏過(guò)頭，就會(huì)產(chǎn)生次生效果。

2 盾構(gòu)機(jī)糾偏涉及到的技術(shù)

解決盾構(gòu)機(jī)偏離線路的問(wèn)題主要就是要搞清楚盾構(gòu)機(jī)的來(lái)向和去向，來(lái)向即盾構(gòu)機(jī)所處的具體位置，去向即盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)的隧道軸線，而盾構(gòu)機(jī)從來(lái)處到去處運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程就要靠各種相關(guān)的技術(shù)作為支持。

2.1 盾構(gòu)機(jī)的定位技術(shù)

盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)精確的定位是通過(guò)自動(dòng)定向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，該系統(tǒng)中含有大量傳感器，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的精確位置進(jìn)行測(cè)量定位，該系統(tǒng)主要由全站儀、棱鏡、工控機(jī)、傾斜儀等部分構(gòu)成，根據(jù)棱鏡中反應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)位置數(shù)據(jù)，精確計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)的位置信息，供盾構(gòu)機(jī)操作人員做出進(jìn)一步的決策和操作。

2.2 盾構(gòu)機(jī)隧道軸線的設(shè)計(jì)技術(shù)

隧道軸線是盾構(gòu)機(jī)沿其前進(jìn)的方向，按照其投影在平面上的形狀和在剖面上的起伏形狀之分，將其分為平面線形和縱面線形。這里的線形狀指的是平面線形與縱面線形的幾何構(gòu)成單位，組成平面線形的幾何單位包括直線、圓曲線和緩和曲線，而組成縱面線形的幾何單位包括直線與圓曲線和豎曲線。

2.3 盾構(gòu)機(jī)糾偏曲線設(shè)計(jì)技術(shù)

盾構(gòu)機(jī)糾偏曲線的規(guī)劃與設(shè)計(jì)主要的目的就是將偏離了原規(guī)劃行進(jìn)路線的盾構(gòu)機(jī)糾正回來(lái)，而糾正的手法和力度就要根據(jù)實(shí)際施工環(huán)境、地質(zhì)情況等因素而定，保證在符合施工客觀環(huán)境的條件下將盾構(gòu)機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)。

2.4 盾構(gòu)控制的技術(shù)

盾構(gòu)控制即對(duì)盾構(gòu)機(jī)的控制，這種控制包括對(duì)盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)速度、前進(jìn)方向等數(shù)據(jù)的控制，盾構(gòu)機(jī)自身的型號(hào)、尺寸以及挖掘精準(zhǔn)度等都會(huì)在一定程度上對(duì)盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)的方向和速度造成影響。

3 糾偏曲線與模型的建立

3.1 盾構(gòu)機(jī)糾偏曲線設(shè)計(jì)需要滿足的要求

當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行偏離預(yù)設(shè)的前進(jìn)軌道時(shí)，需要第一時(shí)間規(guī)劃設(shè)計(jì)盾構(gòu)機(jī)糾偏曲線，盾構(gòu)機(jī)糾偏曲線是否科學(xué)合理的將決定盾構(gòu)機(jī)是否能夠準(zhǔn)確地回到預(yù)設(shè)軌道上來(lái)。因此，在設(shè)計(jì)這條曲線時(shí)，不僅要考慮盾構(gòu)機(jī)本身的型號(hào)和挖掘深度等要素，更要結(jié)合施工周邊當(dāng)期的環(huán)境條件。糾偏曲線說(shuō)白了是一種路徑規(guī)劃的形式，在規(guī)劃這條曲線的同時(shí)，必須按要求滿足盾構(gòu)機(jī)糾偏過(guò)程中產(chǎn)生的約束條件，也就是對(duì)小轉(zhuǎn)彎半徑的要求。這里的最小轉(zhuǎn)彎半徑分為盾構(gòu)機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑、管片的最小轉(zhuǎn)彎半徑以及隧道線路的最小轉(zhuǎn)彎半徑。

限制盾構(gòu)最小轉(zhuǎn)彎半徑的因素主要是前、中、后段的鉸接，一般來(lái)說(shuō)盾構(gòu)機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑為200米；管片的最小轉(zhuǎn)彎半徑則受到楔形量的限制，一般來(lái)說(shuō)其最小轉(zhuǎn)彎半徑為250米；盾構(gòu)機(jī)的行進(jìn)尺寸和安全是約束隧道線路最小轉(zhuǎn)彎半徑的主要因素，一般來(lái)說(shuō)，其隧道線路的最小轉(zhuǎn)彎半要求為300米。

從上述各個(gè)部分的最小轉(zhuǎn)彎半徑來(lái)看，隧道線路的最小轉(zhuǎn)彎半徑在三者中是最大的，因此，要滿足盾構(gòu)機(jī)糾偏的要求，只要使曲線的曲率半徑大于隧道線路最小轉(zhuǎn)彎半徑即可，當(dāng)然此條件也是盾構(gòu)施工能夠滿足后續(xù)使用的關(guān)鍵因素。設(shè)計(jì)的糾偏曲線的曲率半徑必須大于隧道線路的最小轉(zhuǎn)彎半徑，使其能夠連接始末位狀態(tài)，且其末位狀態(tài)需要在盡量短的時(shí)間內(nèi)回歸設(shè)計(jì)軸線。

3.2 盾構(gòu)機(jī)糾偏曲線模型的設(shè)計(jì)

由于隧道曲線根據(jù)不同的類型能夠分成平曲線和豎曲線，因此在對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確計(jì)算時(shí)，要將二者區(qū)別開來(lái)，以免產(chǎn)生誤區(qū)。但是仔細(xì)分析二者的計(jì)算方式，豎曲線與平曲線也只是在空間判定條件上有所不同。在平曲線的基礎(chǔ)上建立盾構(gòu)機(jī)糾偏曲線模型，使盾構(gòu)機(jī)快速回到正確的隧道線路上去，應(yīng)滿足以下要求：在保證糾偏曲線連續(xù)性、平滑性的前提下，盾構(gòu)機(jī)糾偏曲線的起點(diǎn)必須與盾構(gòu)機(jī)當(dāng)時(shí)所處的位置相符，終點(diǎn)必須定位在隧道線路上，且互相對(duì)應(yīng)的斜率必須相同。設(shè)計(jì)出的糾偏曲線必須能夠使盾構(gòu)機(jī)在盡量短的時(shí)間內(nèi)回到隧道設(shè)計(jì)軸線上去，且曲率必須滿足盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行的要求。據(jù)此，舉平曲線為例，平面設(shè)計(jì)軸線為： n=f（m）（1），盾構(gòu)機(jī)糾偏曲線為：n=am3+bm2+cm+d（2），在此m，n為糾偏曲線上各點(diǎn)的坐標(biāo)，a，b，c，d為未知數(shù)值。設(shè)盾構(gòu)機(jī)當(dāng)前位置為（m1，n'），回到隧道上的點(diǎn)坐標(biāo)為（m2，n2），則由（1）得：n1=am13+bm12+cm1+d（3），n2=am23+bm22+cm2+d（4），n2=f（m2）（5），由（2）、（3）、（4）得：y'1=3am12+2bm1+c（6），f'（m2）n' 2=3am22+2bm2+c（7），由（5）得：t=|（1+n'2）1.5/n"|（8），設(shè)t是糾偏曲線的曲率半徑，那么t必須要大于Rmin。因此，當(dāng)此式得到最小值的時(shí)候，才是最快回歸隧道的糾偏曲線。

綜上所述，盾構(gòu)機(jī)是我國(guó)盾構(gòu)法施工中的常用機(jī)械之一，在實(shí)際的施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)會(huì)由于實(shí)際因素的影響造成偏差問(wèn)題，當(dāng)發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)偏離線路時(shí)，操作人員必須盡快對(duì)糾偏方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和決策，個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的缺失常常會(huì)形成糾偏的蛇形曲線，這不利于糾偏效果?？梢詫?duì)掘進(jìn)偏離后盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行糾偏，促進(jìn)施工質(zhì)量和效率的提升。文章提到的模型較為簡(jiǎn)單，能夠輕易操作，有利于幫助工作人員及時(shí)調(diào)整糾偏方向，完善糾偏工作。

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