狄仕磊

(軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),710043,西安∥工程師)

0 引言

地鐵限界是保障地鐵安全運(yùn)行、限制車輛斷面尺寸、限制沿線設(shè)備安裝尺寸及確定建筑結(jié)構(gòu)有效凈空尺寸的圖形、坐標(biāo)參數(shù)及輪廓尺寸線[1]。地鐵的建筑限界位于設(shè)備限界外,且考慮了設(shè)備安裝的最小有效界線。任何沿線建筑物均不得侵入建筑限界[1-2]。若盾構(gòu)施工偏差過(guò)大,則須對(duì)線路進(jìn)行調(diào)線調(diào)坡處理,從而增大設(shè)備及管線安裝難度。為了給后續(xù)設(shè)備和管線的安裝預(yù)留合適的安裝空間,也為了滿足設(shè)備限界和建筑限界的設(shè)計(jì)要求,防止發(fā)生侵界,保證行車安全,在隧道施工完畢后需要測(cè)量隧道結(jié)構(gòu),并進(jìn)行建筑限界核查和分析。

隨著信息化的發(fā)展,計(jì)算機(jī)應(yīng)用信息技術(shù)在隧道限界檢測(cè)中應(yīng)用愈發(fā)廣泛。文獻(xiàn)[3-7]將計(jì)算機(jī)應(yīng)用信息技術(shù)應(yīng)用于限界設(shè)計(jì)、限界計(jì)算及限界斷面繪圖,提高了限界設(shè)計(jì)的效率。然而現(xiàn)階段利用計(jì)算機(jī)應(yīng)用信息技術(shù)進(jìn)行限界核查的相關(guān)方法研究較少。目前,盾構(gòu)隧道的建筑限界核查主要以測(cè)量單位提供的隧道施工測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理來(lái)得到限界核查結(jié)果。該方法主要存在以下問(wèn)題:①需要人工識(shí)別曲線類型;②利用線性漸變法計(jì)算隧道偏移量,無(wú)法和斷面里程相對(duì)應(yīng),計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確;③涉及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)手動(dòng)篩查及計(jì)算等操作,費(fèi)時(shí)費(fèi)力且易出錯(cuò);④需手動(dòng)編寫限界核查報(bào)告,效率較低,工作量大。

對(duì)此,本文研究一種基于計(jì)算機(jī)信息技術(shù)對(duì)盾構(gòu)隧道限界測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行限界核查的方法,并開發(fā)對(duì)應(yīng)的自動(dòng)核查、生成核查報(bào)告的輔助軟件,以提高限界核查效率,為后續(xù)調(diào)線調(diào)坡等工作提供依據(jù)。

1 盾構(gòu)圓形隧道的建筑限界

1.1 橫斷面測(cè)量與測(cè)點(diǎn)選擇

在土建施工完成后,為確定區(qū)間隧道內(nèi)壁斷面尺寸能否滿足設(shè)計(jì)要求,需進(jìn)行橫斷面測(cè)量。橫斷面測(cè)量主要包含里程、橫距及高程三方面內(nèi)容,測(cè)量結(jié)果可為限界核查、線路調(diào)線調(diào)坡設(shè)計(jì),以及設(shè)備和管線安裝提供依據(jù)[8-9]。盾構(gòu)隧道施工完成后,以軌面為x軸,以線路中心線為y軸構(gòu)成基準(zhǔn)坐標(biāo)系,對(duì)隧道斷面進(jìn)行測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)量。隧道橫斷面的測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

注:P1～P8為主要測(cè)點(diǎn);P1、P3、P4主要用于控制接觸網(wǎng)的安裝高度;P2主要用于控制軌道結(jié)構(gòu)高度;P5、P6、P7、P8主要用于控制隧道斷面尺寸。

1.2 直線段隧道的建筑限界

由圓形隧道建筑限界的幾何關(guān)系,可得測(cè)點(diǎn)P1、P2的高程理論值分別為:

HP1=D-H

(1)

HP2=-H

(2)

式中:

D——盾構(gòu)限界直徑;

H——軌道結(jié)構(gòu)高度。

根據(jù)高程及幾何關(guān)系計(jì)算可得,測(cè)點(diǎn)P3、P4、P5、P6同y軸橫向距離(以下簡(jiǎn)稱“橫距”)理論值分別為:

(3)

(4)

式中:

H1——測(cè)點(diǎn)P3、P4的高程理論值;

H2——測(cè)點(diǎn)P5、P6的高程理論值。

測(cè)點(diǎn)P7、P8的橫距理論值為:

(5)

由式(1)—式(5)計(jì)算可得直線段盾構(gòu)隧道各測(cè)點(diǎn)的高程理論值或橫距理論值,從而得到各測(cè)點(diǎn)處的建筑限界設(shè)計(jì)值。

1.3 曲線段隧道的建筑限界

根據(jù)地鐵限界標(biāo)準(zhǔn),單線圓形隧道在曲線超高地段,軌道超高造成的內(nèi)外側(cè)不均勻位移量應(yīng)通過(guò)計(jì)算隧道中心線向線路中心線內(nèi)側(cè)偏移量(以下簡(jiǎn)稱“偏移量”)來(lái)確定。由此可知,要計(jì)算曲線段隧道的建筑限界,應(yīng)先得到曲線段隧道的偏移量[2]。地鐵線路曲線段分為圓曲線段和緩和曲線段,其中圓曲線段的偏移量為:

ΔY=h0(hac/s)

(6)

式中:

h0——直線地段圓形隧道圓心距離軌頂平面的高度;

hac——圓曲線段軌道超高值;

s——滾動(dòng)圓間距,取1 500 mm。

對(duì)于緩和曲線段,在緩和曲線長(zhǎng)度范圍內(nèi)的偏移量ΔH,從緩和曲線起點(diǎn)(即直緩點(diǎn),偏移量為0)到終點(diǎn)(即緩圓點(diǎn),偏移量為ΔY),按計(jì)算點(diǎn)至緩和曲線起點(diǎn)的長(zhǎng)度與緩和曲線長(zhǎng)度的比例線性遞變偏移。

2 建筑限界自動(dòng)核查方法

測(cè)量數(shù)據(jù)包含各斷面測(cè)點(diǎn)的里程信息、測(cè)點(diǎn)高程、橫距值,以及圓曲線段的偏移量及曲線要素信息。由于不同類型線路對(duì)應(yīng)的建筑限界計(jì)算方法不同,故本文提出先識(shí)別線路類型,再對(duì)建筑限界自動(dòng)核查的新方法(以下簡(jiǎn)稱“建筑限界核查新方法”)。首先,根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別線路類型(直線段、圓曲線段或緩和曲線段);然后,讀取圓曲線段的偏移量,并采用內(nèi)插法計(jì)算緩和曲線段中心偏移量;之后,根據(jù)偏移量及橫距值計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)處的建筑限界設(shè)計(jì)值;最后,將建筑限界設(shè)計(jì)值同由測(cè)點(diǎn)高程及橫距算得的建筑限界測(cè)量值相比較,進(jìn)而判斷該隧道實(shí)際斷面是否侵界。

2.1 計(jì)算斷面偏移量

在識(shí)別線路類型時(shí),要根據(jù)曲線要素點(diǎn)有順序地讀取測(cè)量數(shù)據(jù)中的線路特征信息。曲線要素點(diǎn)的讀取順序?yàn)?直線段、直緩點(diǎn)、緩和曲線段、緩圓點(diǎn)、圓曲線段、圓緩點(diǎn)、緩和曲線段、緩直點(diǎn)、直線段。根據(jù)線路特征信息,不僅能自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別線路類型,還能獲得每段線路里程值,并分別存入各線段對(duì)應(yīng)數(shù)組中。這樣無(wú)需人工識(shí)別曲線類型。

按照曲線段測(cè)點(diǎn)建筑限界定義,圓曲線段偏移量為固定值,直線段偏移量為0。根據(jù)曲線要素點(diǎn)的分布規(guī)則,緩和曲線段偏移量按緩和曲線段位置分為兩類,分別位于圓曲線段的相鄰兩側(cè)。按照線性差值法分別計(jì)算其左、右側(cè)偏移量為:

(7)

(8)

式中:

ΔZH～HY(i)——圓曲線段左側(cè)直緩點(diǎn)至緩圓點(diǎn)第i個(gè)斷面處的偏移量;

ΔYH～HZ(i)——圓曲線段右側(cè)圓緩點(diǎn)至緩直點(diǎn)第i個(gè)斷面處的偏移量;

DZH～HY(i)——圓曲線段左側(cè)直緩點(diǎn)至緩圓點(diǎn)第i個(gè)斷面處的里程;

DYH～HZ(i)——圓曲線段右側(cè)圓緩點(diǎn)至緩直點(diǎn)第i個(gè)斷面處的里程;

DZH——直緩點(diǎn)的里程;

DHY——緩圓點(diǎn)的里程;

DYH——圓緩點(diǎn)的里程;

DHZ——緩直點(diǎn)的里程。

由式(7)及式(8)可知,每個(gè)斷面處的偏移量和斷面里程是相對(duì)應(yīng)的。這種計(jì)算方法解決了傳統(tǒng)線性漸變法偏移量無(wú)法對(duì)應(yīng)斷面里程的問(wèn)題,提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 侵界判定標(biāo)準(zhǔn)

若已知某斷面處測(cè)點(diǎn)P(τ)的斷面偏移量為Δ,橫距值為L(zhǎng)P(τ),建筑限界設(shè)計(jì)值為DP(τ),則測(cè)點(diǎn)建筑限界設(shè)計(jì)值為:

DP(τ)=LP(τ)±Δ,τ=1,2,…,8

(9)

根據(jù)建筑限界的定義,侵界判定標(biāo)準(zhǔn)方法為:若測(cè)點(diǎn)P(τ)的建筑限界測(cè)量值MP(τ)小于建筑限界設(shè)計(jì)值,則該測(cè)點(diǎn)侵界。用SP(τ)表示測(cè)點(diǎn)P(τ)的侵界程度,則有:

SP(τ)=MP(τ)-DP(τ)

(10)

若SP(τ)≥0,則測(cè)點(diǎn)P(τ)滿足設(shè)計(jì)要求;若SP(τ)<0,則測(cè)點(diǎn)P(τ)侵界,SP(τ)絕對(duì)值越大,則該測(cè)點(diǎn)侵界程度越高。

利用建筑限界核查新方法,可核查地鐵盾構(gòu)隧道斷面內(nèi)壁測(cè)點(diǎn)處是否侵界,以及侵界程度。

3 盾構(gòu)隧道建筑限界核查軟件

本研究基于建筑限界自動(dòng)核查方法,利用Visual C#.NET平臺(tái)開發(fā)出地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道建筑限界核查軟件V1.0(以下簡(jiǎn)稱“核查軟件”),該軟件能實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)讀取、建筑限界設(shè)計(jì)值計(jì)算、限界核查、自動(dòng)生成核查結(jié)果及輸出核查報(bào)告等,能有效提高盾構(gòu)隧道建筑限界核查的準(zhǔn)確率及效率。

3.1 核查軟件的算法流程

核查軟件采用模塊化設(shè)計(jì),主要分為測(cè)量數(shù)據(jù)讀取及參數(shù)輸入、設(shè)計(jì)建筑限界計(jì)算、限界核查及核查報(bào)告生成四大模塊。該軟件利用WinForm窗體應(yīng)用程序編程,完成不同控件代碼編寫后將控件整合成軟件設(shè)計(jì)界面。通過(guò)操作參數(shù)輸入界面及限界核查界面,即可完成建筑限界核查。

核查軟件的算法流程圖如圖2所示。

圖2 核查軟件的算法流程圖

3.2 核查軟件的工程應(yīng)用

本文以西安地鐵14號(hào)線工程學(xué)府路站至辛王路站區(qū)間右線測(cè)量數(shù)據(jù)為例,利用核查軟件來(lái)完成限界核查檢測(cè)。核查軟件的使用步驟如下:

1) 數(shù)據(jù)載入:點(diǎn)擊參數(shù)輸入按鈕,選擇對(duì)應(yīng)區(qū)間限界測(cè)量數(shù)據(jù)Excel文件后,核查軟件即自動(dòng)載入并顯示源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑、計(jì)算結(jié)果保存路徑、項(xiàng)目名稱、區(qū)間名稱、里程范圍及測(cè)點(diǎn)示意圖等信息,并創(chuàng)建對(duì)應(yīng)工程項(xiàng)目文件夾。

2) 參數(shù)輸入:輸入該盾構(gòu)區(qū)間的建筑限界直徑、軌道結(jié)構(gòu)高度及測(cè)點(diǎn)高度信息。參數(shù)輸入界面如圖3所示。

圖3 參數(shù)輸入界面截圖

3) 限界計(jì)算及核查:對(duì)該區(qū)間內(nèi)所有斷面測(cè)點(diǎn)進(jìn)行建筑限界計(jì)算及限界核查,且核查進(jìn)度和結(jié)果顯示在“限界核查”界面上。點(diǎn)擊“查看計(jì)算結(jié)果”“查看核查結(jié)果”及“詳細(xì)數(shù)據(jù)”等按鈕,即可查看相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果及核查結(jié)果Excel文件,并在“文件預(yù)覽”窗口顯示。限界核查界面如圖4所示。

圖4 限界核查界面截圖

4) 生成核查報(bào)告:完成限界計(jì)算及核查后,點(diǎn)擊“核查報(bào)告生成”按鈕,軟件將自動(dòng)讀取核查結(jié)果數(shù)據(jù),生成限界核查報(bào)告Word文件并保存至指定文件夾,限界核查完成。

限界核查結(jié)果顯示,該核查軟件有效地提高了限界核查的準(zhǔn)確率及核查效率,其核查結(jié)果正確,且核查時(shí)間縮短80%以上。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道建筑限界核查方法,基于測(cè)量數(shù)據(jù),利用曲線標(biāo)識(shí)、曲線要素點(diǎn)的分布規(guī)則來(lái)識(shí)別曲線類型,利用線性內(nèi)插法及曲線里程信息快速、準(zhǔn)確地計(jì)算緩和曲線每個(gè)斷面處 的偏移量,從而精確計(jì)算限界設(shè)計(jì)值,提高了限界核查的準(zhǔn)確率。

基于該方法開發(fā)的核查軟件,能夠快速得到侵界結(jié)果并自動(dòng)生成Word格式限界核查報(bào)告、Excel格式侵界數(shù)據(jù),大幅降低了核查時(shí)間,解決了傳統(tǒng)手動(dòng)編寫報(bào)告耗時(shí)長(zhǎng)、易出錯(cuò)、工作量大等缺點(diǎn),顯著提高了設(shè)計(jì)人員效率。