盾構(gòu)法軸線糾偏技術(shù)及其在地鐵隧道施工中的應(yīng)用

陳成喜

摘要：在簡(jiǎn)述地鐵隧道施工常用軸線糾偏技術(shù)的基礎(chǔ)上，從工作原理、糾偏曲線設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)等3個(gè)方面詳細(xì)闡述了盾構(gòu)法軸線糾偏技術(shù)。將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于某長(zhǎng)距離地鐵隧道工程盾構(gòu)施工的軸線糾偏實(shí)踐，取得了預(yù)期的良好效果。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)法；地鐵隧道；軸線糾偏；技術(shù)應(yīng)用

0? ?引言

在地鐵隧道施工過(guò)程中，軸線糾偏是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。軸線糾偏指的是在隧道施工過(guò)程中保持地鐵隧道所需的正確位置和方向。由于地下隧道施工受到地質(zhì)條件、復(fù)雜地下管線、土層變化等因素的影響，可能導(dǎo)致地鐵隧道實(shí)際軸線偏離設(shè)計(jì)軸線。因此，分析研究長(zhǎng)距離地鐵隧道施工軸線糾偏技術(shù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1? ?地鐵隧道施工常用軸線糾偏技術(shù)

現(xiàn)階段，常用的隧道軸線糾偏方法主要有目視調(diào)整法、反饋控制法和電子全站儀控制法等。

1.1? ?目視調(diào)整法

目視調(diào)整法是指通過(guò)觀察地鐵隧道的施工情況，進(jìn)行人工調(diào)整。根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)和判斷，通過(guò)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的相關(guān)部件的位置和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)軸線的糾偏。該方法主要依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)和判斷，存在主觀性和個(gè)體差異的問(wèn)題。不同的人對(duì)于軸線的糾偏可能產(chǎn)生不一致的結(jié)果，導(dǎo)致糾偏誤差增大。

1.2? ?反饋控制法

反饋控制法是指利用激光掃描、激光定位等技術(shù)手段，將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)軸線的糾偏。反饋控制法同樣依賴于人工調(diào)整，工作人員可能存在操作失誤或者感知誤差，從而導(dǎo)致糾偏出現(xiàn)誤差。

1.3? ?電子全站儀控制法

電子全站儀控制法是指采用電子全站儀等高精度測(cè)量?jī)x器，對(duì)地鐵隧道進(jìn)行三維測(cè)量和坐標(biāo)控制，通過(guò)獲取現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)位的測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軸線的準(zhǔn)確糾偏[2-3]。電子全站儀控制法依賴于設(shè)備的精度和穩(wěn)定性，如果設(shè)備本身存在問(wèn)題或者使用不當(dāng)，可能會(huì)引入較多的糾偏誤差。

2? ?盾構(gòu)法軸線糾偏技術(shù)

2.1? ?工作原理

盾構(gòu)法軸線糾偏技術(shù)的工作原理如下：通過(guò)在盾構(gòu)機(jī)上安裝的高精度定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)的位置和姿態(tài)，并與設(shè)計(jì)的隧道軸線進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)軸線偏離隧道設(shè)計(jì)軸線時(shí)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)方向、傾斜角度等參數(shù)進(jìn)行精確糾偏，使隧道軸線保持在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)[4-5]。盾構(gòu)法糾偏平面示意如圖1所示。

在運(yùn)用盾構(gòu)法軸線糾偏技術(shù)的過(guò)程中，需要獲取盾構(gòu)機(jī)的偏移數(shù)據(jù)，這一過(guò)程運(yùn)用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，簡(jiǎn)稱INS）和數(shù)據(jù)分析技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獲取高精度的位移數(shù)據(jù)步驟，如下所述。

2.1.1? 安裝傳感器

將加速度計(jì)和陀螺儀等傳感器正確安裝到盾構(gòu)機(jī)上，確保傳感器固定可靠并與被測(cè)盾構(gòu)機(jī)保持良好的耦合。

2.1.2? 初始化校準(zhǔn)

在傳感器使用之前，對(duì)其進(jìn)行初始化校準(zhǔn)，以消除初始誤差。進(jìn)行初始化校準(zhǔn)時(shí)，可將傳感器放置在靜止環(huán)境中，進(jìn)行偏校準(zhǔn)或方向角校準(zhǔn)等操作。

2.1.3? 數(shù)據(jù)采集

啟動(dòng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，開(kāi)始采集傳感器數(shù)據(jù)。加速度計(jì)測(cè)量盾構(gòu)機(jī)的加速度，陀螺儀測(cè)量盾構(gòu)機(jī)的角速度。傳感器采集的數(shù)據(jù)，通常以連續(xù)時(shí)序的形式記錄。

2.1.4? ?運(yùn)動(dòng)姿態(tài)估計(jì)

根據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)估計(jì)算法，推導(dǎo)出盾構(gòu)機(jī)在3個(gè)坐標(biāo)軸上的姿態(tài)角度（俯仰、橫滾、偏航）。

2.1.5? ?積分計(jì)算

通過(guò)積分處理，計(jì)算盾構(gòu)機(jī)的位移。根據(jù)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)估計(jì)算法得到的角度，將加速度轉(zhuǎn)換為盾構(gòu)機(jī)在空間坐標(biāo)系中的加速度，并進(jìn)行積分計(jì)算得到盾構(gòu)機(jī)的位移量。

2.1.6? ?誤差補(bǔ)償

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后可能會(huì)積累漂移誤差。為了提高位移數(shù)據(jù)的精度，使用誤差補(bǔ)償方法進(jìn)行誤差補(bǔ)償，如零速度更新（Zero Velocity Update，ZUPT）等。這些方法通過(guò)參考其他傳感器的數(shù)據(jù)（如GPS），或利用場(chǎng)景的約束信息，對(duì)INS的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

通過(guò)上述步驟可獲取盾構(gòu)機(jī)的偏移數(shù)據(jù)，為軸線糾偏提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2? ?糾偏曲線設(shè)計(jì)

糾偏曲線設(shè)計(jì)在盾構(gòu)隧道施工中起到了關(guān)鍵作用，它可以確保隧道軸線在施工過(guò)程中保持準(zhǔn)確的軌跡。糾偏曲線可設(shè)計(jì)為圓曲線，通過(guò)圓曲線的變化半徑來(lái)實(shí)現(xiàn)軸線的調(diào)整。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行到需要糾偏的位置時(shí)，可以逐漸增大或縮小圓曲線半徑，將隧道軸線引導(dǎo)回原定方向。

在設(shè)計(jì)糾偏曲線時(shí)，首先通過(guò)實(shí)地勘察和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定需要進(jìn)行糾偏的位置和范圍。然后進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查和分析，了解地層情況、地下水位、巖性特征等因素。最后計(jì)算出所需圓曲線的轉(zhuǎn)角。圓曲線轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式如下：

θ=L/（R1+R2）? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中：θ為圓曲線轉(zhuǎn)角，L表示圓曲線長(zhǎng)度，R1表示圓曲線起始半徑，R2表示圓曲線結(jié)束半徑。其中R1、R2的計(jì)算式如下：

（2）

（3）

式（2）、（3）中：K表示曲率；d表示軸線偏差。

考慮到施工效率和安全性，根據(jù)糾偏需求和工程要求，確定合適的糾偏速度，其公式如下：

V=d/T? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式（4）中：T表示糾偏時(shí)間。

2.3? ?軸線糾偏關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1? ?軸線規(guī)劃和預(yù)測(cè)

在開(kāi)始盾構(gòu)施工之前，需要進(jìn)行詳細(xì)的軸線規(guī)劃和預(yù)測(cè)。使用全站儀進(jìn)行初始測(cè)量，獲取初始參數(shù)，包括隧道的起止點(diǎn)、轉(zhuǎn)彎半徑、坡度等，以及預(yù)測(cè)可能的軸線偏移情況，通過(guò)分析盾構(gòu)機(jī)施工過(guò)程中的位移和傾斜情況，校正和修正之前的軸線偏移量，預(yù)測(cè)隧道的中軸線位置和姿態(tài)，以此制定相應(yīng)的糾偏方案。

2.3.2? ?定位系統(tǒng)安裝與校準(zhǔn)

在盾構(gòu)機(jī)上安裝定位系統(tǒng)，包括全球定位系統(tǒng)（GPS）和激光測(cè)距儀等設(shè)備。GPS接收器通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)獲取盾構(gòu)機(jī)的位置信息，激光測(cè)距儀測(cè)量盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)距離。然后對(duì)上述定位設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)試，以確保其精確度和可靠性。

2.3.3? ?監(jiān)測(cè)與調(diào)整

隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工的進(jìn)展，定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)的位置和姿態(tài)。通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，比較實(shí)際數(shù)據(jù)與預(yù)期值之間的差值，生成監(jiān)測(cè)報(bào)告或圖形化顯示。通過(guò)與預(yù)先設(shè)定的軸線進(jìn)行比對(duì)，確定是否存在軸線偏移。如果軸線偏移較大，就需要進(jìn)行調(diào)整。

2.3.4? ?導(dǎo)向裝置的設(shè)置

在盾構(gòu)機(jī)前端設(shè)置導(dǎo)向裝置，如導(dǎo)向車或?qū)蛉Φ?。?dǎo)向裝置與隧道壁面產(chǎn)生摩擦力或與導(dǎo)向軌道相互作用，實(shí)現(xiàn)軸線的精確定位和微調(diào)。

2.3.5? ?土體補(bǔ)償措施

在盾構(gòu)機(jī)軸線偏移量較大的區(qū)域，可提前注入水泥漿等材料，填補(bǔ)隧道壁與盾構(gòu)機(jī)之間的空隙，從而減少土體的變形和不均勻支撐，降低軸線偏移產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.6? ?實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整

在整個(gè)施工過(guò)程中，實(shí)時(shí)、持續(xù)進(jìn)行定位和導(dǎo)向監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的行進(jìn)方向和姿態(tài)，以確保隧道軸線的準(zhǔn)確性。

3? ?實(shí)例分析

3.1? ?工程概況

某長(zhǎng)距離地鐵隧道工程項(xiàng)目，其施工區(qū)域主要由粉砂巖和頁(yè)巖組成，地層較堅(jiān)硬，存在一定程度的節(jié)理和巖層斷裂。該隧道工程的長(zhǎng)度為20km，直徑為8m，采用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，預(yù)計(jì)總工期為3年。該隧道工程采用盾構(gòu)機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。

3.2? ?位移糾偏數(shù)據(jù)

盾構(gòu)機(jī)在施工過(guò)程中需要保持準(zhǔn)確軸線，以確保隧道工程施工質(zhì)量。為了獲取軸線偏移數(shù)據(jù)和驗(yàn)證軸線糾偏效果，將該隧道分為5個(gè)施工段，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中測(cè)量出5個(gè)施工段縱向位移和橫向位移的實(shí)際值，以及其糾偏后的位移值。軸線縱向位移和橫向位移糾偏數(shù)據(jù)如表2所示。

3.3? ?驗(yàn)證糾偏效果

由表2中的數(shù)據(jù)可知，針對(duì)不同的施工段，采用盾構(gòu)法軸線糾偏技術(shù)進(jìn)行軸線糾偏后，盾構(gòu)機(jī)的縱向位移和橫向位移均得到了較大程度的降低，其中施工段5的縱向位移糾偏效果最好，糾偏后位縱向移量降低了139.5mm；施工段3的橫向位移糾偏效果最好，糾偏后橫向位移量降低了188.1mm。由此可知，盾構(gòu)法軸線糾偏技術(shù)在長(zhǎng)距離地鐵隧道施工軸線糾偏中的應(yīng)用效果較好，能夠有效降低軸線位移量，提高了地鐵隧道工程的施工質(zhì)量。

3.4? ?評(píng)估糾偏效果

偏心度是指隧道開(kāi)挖軸線與設(shè)計(jì)位置之間的偏離程度，可采用偏心度方法評(píng)估盾構(gòu)法軸線糾偏技術(shù)的糾偏效果。通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)后的隧道截面中心位置的測(cè)量數(shù)據(jù)，與設(shè)計(jì)的中心位置數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，評(píng)估該項(xiàng)技術(shù)的糾偏效果。較小的偏心度，表示軸線糾偏效果較好。為了提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度，將目視調(diào)整法、反饋控制法作為對(duì)比方法，與盾構(gòu)法軸線糾偏技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。3種糾偏方法的偏心度對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

由圖2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用盾構(gòu)法軸線糾偏技術(shù)對(duì)隧道軸線進(jìn)行糾偏時(shí)，其偏心度始終低于2mm，而目視調(diào)整法的偏心度最高值達(dá)到了5.2mm，反饋控制法的偏心度最高值達(dá)到了6.9mm，目視調(diào)整法和反饋控制法的偏心度最低值分別為3.8mm和2.8mm。通過(guò)對(duì)比可知，盾構(gòu)法軸線糾偏技術(shù)的糾偏能夠有效降低偏心度，其效果更好。

綜合分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，盾構(gòu)法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)長(zhǎng)距離地鐵隧道施工軸線橫向位移和縱向位移的有效糾正，其隧道開(kāi)挖軸線與設(shè)計(jì)位置之間的偏離程度較低，該方法可以保證施工質(zhì)量和施工安全，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)盾構(gòu)法軸線糾偏技術(shù)在長(zhǎng)距離地鐵隧道施工軸線糾偏中的應(yīng)用，可提高地鐵工程的施工質(zhì)量和效率。通過(guò)精確的導(dǎo)向系統(tǒng)和控制技術(shù)，盾構(gòu)機(jī)能夠準(zhǔn)確地掘進(jìn)，保證隧道施工的精確性和安全性。未來(lái)的研究重點(diǎn)將放在開(kāi)發(fā)更為智能化和自動(dòng)化的盾構(gòu)系統(tǒng)上，通過(guò)引入人工智能等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道軸線糾偏的自動(dòng)化控制，提高隧道施工效率和精度。

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