地铁盾构隧道洞门环姿态计算方法研究

2022-11-08刘晓华乔燕燕龚率黄志伟

城市勘测 2022年5期

刘晓华，乔燕燕，龚率，黄志伟

(1.成都市勘察测绘研究院，四川成都 610081； 2.四川水利职业技术学院，四川成都 611231)

1 引言

盾构法是一种全机械施工方法，已经成为地下隧道掘进的主要施工手段，盾构机按照设计的线路方向顺利推进是盾构法施工的主要目的。通常在盾构区间的起点或终点车站均会安装洞门环，如图1所示。为了防止盾构机进洞或出洞时碰撞洞门钢环而造成车站结构损伤甚至酿成安全事故，对盾构始发和出洞前成型洞门环真实姿态的获取并由此调整盾构机掘进参数就显得尤为重要。

图1 洞门环实图

长期以来，工程技术人员通过求取洞门几何中心的三维坐标[1～3]来获取洞门环的位置，但这种方法虽能一定程度的顾及洞门的整体姿态却忽略了洞门环的局部姿态，不能完整反映洞门环在同一里程面各个方向的空间姿态，也就不利于对盾构机姿态的合理调节。为此，本文提出一种对洞门环空间姿态检测及数据处理的新方法，该方法能同时对洞门的局部姿态和整体姿态进行量化分析，可以为盾构机顺利进、出洞门提供更为科学的决策支持。

2 检测方法

通常采用全站仪免棱镜测量模式来获取洞门钢环内径特征点的三维坐标，通过对其数据处理来判定洞门钢环在设计线路坐标系中的空间姿态。为了细致、均匀的反映成型洞门的空间姿态，宜将洞门内径环在垂直于线路走向的剖面上均分成若干等分，并以此选取特征点，划分的等分越多越能精确反映洞门钢环在各个方向的空间姿态。

3 偏差计算

由洞门环内径特征点在设计坐标系下的平面绝对坐标可以计算其在平面设计曲线中的里程与水平偏距；由里程可计算该特征点对应的设计轨面高，并由此计算特征点距离洞门设计中心的竖向偏差。

3.1 水平偏差

通常地铁设计线形主要由直线段、圆曲线段和缓和曲线段[4]等组成，洞门钢环可能处于任意类型的设计曲线范围内，就需要分别考虑来计算水平偏差。令钢环特征点的平面坐标为O(x0，y0)，则有：

若特征点处于设计直线段[5，6]附近，其到直线上任意一点距离的平方D，可表示为：

D=(X-x0)2+(aX+b-y0)2

(1)

式中：a、b为直线的斜率、截距。

若特征点处于设计缓和曲线段[5，6]附近，其到缓和曲线上任意一点距离的平方D，可表示为：

6月15日，由浙江省文学艺术界联合会、浙江省青年联合会、浙江省美术家协会、浙江美术馆联合主办的“勇立潮头——浙江省第七届青年美术作品展览”在浙江美术馆开幕。300多件作品在六大展厅精彩亮相，向观众呈现了改革开放大潮中浙江人民和浙江青年美术家“勇立潮头”的精神气质。

(2)

式中：l0为缓和曲线长度；l为缓和曲线上某一点离直缓点的距离；R为圆的半径。

若特征点处于设计圆曲线段[5，6]附近，其到圆曲线上任意一点距离的平方，圆曲线上任意一点距离的平方D，可表示为：

D=(Rsinβ-x0)2+(R-Rcosβ-y0)2

(3)

式中：R为圆曲线的半径；l为圆曲线任意一点到圆曲线原点缓圆点的曲线长；β为曲线长l所对应的弧度。

对(1)式～(3)式求距离最小值的平方Dmin，即为水平偏距的平方。由此可求得特征点O(x0，y0)到隧道中线的水平偏差ds为：

(4)

式中：△S为线路中线与隧道中线的偏移量，右转曲线时，△S>0，反之△S<0，此值一般由设计单位提供；若特征点在线路中线大里程方向的左侧则F=-1，反之F=1。

3.2 竖向偏差

通常洞门设计者会给定洞门中心距离该里程处设计轨面高的高差△H，从而可求得洞门环特征点的竖向偏差dh。

dh=ZB-(H0+△H)

(5)

式中：ZB为特征点的实测高程，H0洞门里程处的设计轨面高，该值由设计者提供，亦可根据里程和竖曲线参数求得[5]。

4 洞门姿态

4.1 局部姿态

(6)

式中：(xi，yi)为洞门环特征点在环截面坐标系下的平面坐标；dhi和dsi分别为特征点的高程偏差和水平偏差，可由式(4)和式(5)根据实测三维坐标和线路参数求得。

对于细部特征点i建立局部姿态评价因子det(i)，有：

(7)

式中：r0为洞门环的设计内径大小。显然，若det(i)>0，特征点距离理论中心的距离大于设计半径，在该处环向理论截面圆外扩，在一定范围内对盾构机进洞或出洞有利；若det(i)<0，特征点距离理论中心的距离小于设计半径，在该处环向理论截面圆内收敛，对盾构机进洞或出洞不利，尤其对于出现“连续det(i)<0，且其值较大”的区域，为何防止盾构机碰撞洞门，其盾构姿态应适当向其反方向调整；若det(i)=0，特征点就在钢环的设计位置。表1和图2表示成都地铁7号线某站小里程端右洞门环的各细部位置的偏离设计位置的情况。