馬會良

摘 要：全斷面隧道掘進機隧道施工法（Tunnel Boring Machine），是靠旋轉(zhuǎn)并推進刀盤，通過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，盾構(gòu)法施工應用最廣泛的當屬當前正蓬勃發(fā)展的地鐵、鐵路等地下工程。在實際的地鐵線路開挖過程中，由于盾構(gòu)機自重巨大，因此在使用盾構(gòu)機進行地鐵線路開挖有可能出現(xiàn)其實際位置偏離于地鐵設(shè)計線路位置的情況，當這種偏差超過了允許偏差范圍時，就需要立即對盾構(gòu)機進行糾偏，以保證盾構(gòu)機能夠按照設(shè)計好的地鐵挖掘線路前進，防止出現(xiàn)由于偏差過大產(chǎn)生線路偏移，為此，必須設(shè)計出最優(yōu)化的糾偏線路，建立相應的糾偏曲線模型。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機；糾偏；線路；設(shè)計；地鐵

盾構(gòu)機是盾構(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)機被廣泛使用的原因源于其安全可靠的優(yōu)點，即在隧洞開挖的過程中不會影響到軟基開挖面，使其保持相對穩(wěn)定和安全，且盾構(gòu)機為襯砌作業(yè)與開挖作業(yè)的同時開展提供了安全可靠的條件，其自動化程度很高，無需人力支持，且開挖的質(zhì)量水平高。在實際的掘進過程中，盾構(gòu)機容易受到類似盾構(gòu)旋轉(zhuǎn)、地質(zhì)變化等實際因素的影響，產(chǎn)生偏離設(shè)計線路的情況，這時就需要對盾構(gòu)機進行糾偏，而一旦糾偏路線設(shè)計的不夠合理，就會出現(xiàn)蛇形前進的情況，且可能會引發(fā)施工完成之后后期的滲水、坍塌甚至改線等嚴重問題，因此必須對糾偏曲線進行優(yōu)化設(shè)計，保證盾構(gòu)機施工的萬無一失。文章在介紹盾構(gòu)機產(chǎn)生偏差原因的基礎(chǔ)上對地鐵施工領(lǐng)域盾構(gòu)機糾偏所涉及到的技術(shù)和糾偏曲線模型的設(shè)計進行一個初步的探討和分析。

1 盾構(gòu)機產(chǎn)生偏差的原因分析

1.1 施工現(xiàn)場地質(zhì)情況的影響

地質(zhì)情況決定著整個施工階段的難度甚至施工成敗，具體來說，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)線路偏差的罪魁禍首。

1.2 盾構(gòu)機自身設(shè)備問題的影響

這種自身問題一部分是盾構(gòu)機質(zhì)量方面的問題，也可能因現(xiàn)場施工過程中操作人員對盾構(gòu)機各項參數(shù)的設(shè)置失誤而產(chǎn)生，例如，盾構(gòu)機選用的尺寸與實際的施工條件不符，盾構(gòu)機調(diào)節(jié)的參數(shù)不準確，這些因素都可能導致盾構(gòu)機在挖掘的過程中出現(xiàn)種種問題，影響其前進的線路方向，導致盾構(gòu)機產(chǎn)生線路偏離情況。

1.3 不合理的盾構(gòu)糾偏設(shè)計

盾構(gòu)機本身雖然具備很高級的自動化功能，但是還沒有達到能夠自主解決盾構(gòu)糾偏方案的設(shè)計問題，因此，當出現(xiàn)盾構(gòu)機偏離線路，需要糾偏時，就需要由盾構(gòu)操作人員來設(shè)計糾偏方案，而由于每個操作人員的閱歷不同，對盾構(gòu)糾偏做出的決策判斷也各有不同，這些不同的決策就會給解決最終問題帶來不同的效果，且如果糾偏過頭，就會產(chǎn)生次生效果。

2 盾構(gòu)機糾偏涉及到的技術(shù)

解決盾構(gòu)機偏離線路的問題主要就是要搞清楚盾構(gòu)機的來向和去向，來向即盾構(gòu)機所處的具體位置，去向即盾構(gòu)機前進的隧道軸線，而盾構(gòu)機從來處到去處運動的整個過程就要靠各種相關(guān)的技術(shù)作為支持。

2.1 盾構(gòu)機的定位技術(shù)

盾構(gòu)機實現(xiàn)精確的定位是通過自動定向系統(tǒng)實現(xiàn)的，該系統(tǒng)中含有大量傳感器，對盾構(gòu)機的精確位置進行測量定位，該系統(tǒng)主要由全站儀、棱鏡、工控機、傾斜儀等部分構(gòu)成，根據(jù)棱鏡中反應的盾構(gòu)機位置數(shù)據(jù)，精確計算出盾構(gòu)機的位置信息，供盾構(gòu)機操作人員做出進一步的決策和操作。

2.2 盾構(gòu)機隧道軸線的設(shè)計技術(shù)

隧道軸線是盾構(gòu)機沿其前進的方向，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)機糾偏曲線設(shè)計技術(shù)

盾構(gòu)機糾偏曲線的規(guī)劃與設(shè)計主要的目的就是將偏離了原規(guī)劃行進路線的盾構(gòu)機糾正回來，而糾正的手法和力度就要根據(jù)實際施工環(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)控制即對盾構(gòu)機的控制，這種控制包括對盾構(gòu)機前進速度、前進方向等數(shù)據(jù)的控制，盾構(gòu)機自身的型號、尺寸以及挖掘精準度等都會在一定程度上對盾構(gòu)機前進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)機糾偏曲線設(shè)計需要滿足的要求

當我們發(fā)現(xiàn)了盾構(gòu)機的運行偏離預設(shè)的前進軌道時，需要第一時間規(guī)劃設(shè)計盾構(gòu)機糾偏曲線，盾構(gòu)機糾偏曲線是否科學合理的將決定盾構(gòu)機是否能夠準確地回到預設(shè)軌道上來。因此，在設(shè)計這條曲線時，不僅要考慮盾構(gòu)機本身的型號和挖掘深度等要素，更要結(jié)合施工周邊當期的環(huán)境條件。糾偏曲線說白了是一種路徑規(guī)劃的形式，在規(guī)劃這條曲線的同時，必須按要求滿足盾構(gòu)機糾偏過程中產(chǎn)生的約束條件，也就是對小轉(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，一般來說盾構(gòu)機的最小轉(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，一般來說其最小轉(zhuǎn)彎半徑為250米；盾構(gòu)機的行進尺寸和安全是約束隧道線路最小轉(zhuǎn)彎半徑的主要因素，一般來說，其隧道線路的最小轉(zhuǎn)彎半要求為300米。

從上述各個部分的最小轉(zhuǎn)彎半徑來看，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)需要在盡量短的時間內(nèi)回歸設(shè)計軸線。

3.2 盾構(gòu)機糾偏曲線模型的設(shè)計

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，因此在對相關(guān)數(shù)據(jù)進行精確計算時，要將二者區(qū)別開來，以免產(chǎn)生誤區(qū)。但是仔細分析二者的計算方式，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)機糾偏曲線模型，使盾構(gòu)機快速回到正確的隧道線路上去，應滿足以下要求：在保證糾偏曲線連續(xù)性、平滑性的前提下，盾構(gòu)機糾偏曲線的起點必須與盾構(gòu)機當時所處的位置相符，終點必須定位在隧道線路上，且互相對應的斜率必須相同。設(shè)計出的糾偏曲線必須能夠使盾構(gòu)機在盡量短的時間內(nèi)回到隧道設(shè)計軸線上去，且曲率必須滿足盾構(gòu)機運行的要求。據(jù)此，舉平曲線為例，平面設(shè)計軸線為： n=f（m）（1），盾構(gòu)機糾偏曲線為：n=am3+bm2+cm+d（2），在此m，n為糾偏曲線上各點的坐標，a，b，c，d為未知數(shù)值。設(shè)盾構(gòu)機當前位置為（m1，n'），回到隧道上的點坐標為（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，當此式得到最小值的時候，才是最快回歸隧道的糾偏曲線。

綜上所述，盾構(gòu)機是我國盾構(gòu)法施工中的常用機械之一，在實際的施工過程中，盾構(gòu)機會由于實際因素的影響造成偏差問題，當發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機偏離線路時，操作人員必須盡快對糾偏方案進行設(shè)計和決策，個人經(jīng)驗的缺失常常會形成糾偏的蛇形曲線，這不利于糾偏效果?？梢詫蜻M偏離后盾構(gòu)機進行糾偏，促進施工質(zhì)量和效率的提升。文章提到的模型較為簡單，能夠輕易操作，有利于幫助工作人員及時調(diào)整糾偏方向，完善糾偏工作。

參考文獻

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