盾构法轴线纠偏技术及其在地铁隧道施工中的应用

陈成喜

摘要：在简述地铁隧道施工常用轴线纠偏技术的基础上，从工作原理、纠偏曲线设计、关键技术等3个方面详细阐述了盾构法轴线纠偏技术。将该项技术应用于某长距离地铁隧道工程盾构施工的轴线纠偏实践，取得了预期的良好效果。

关键词：盾构法；地铁隧道；轴线纠偏；技术应用

0   引言

在地铁隧道施工过程中，轴线纠偏是一个关键环节[1]。轴线纠偏指的是在隧道施工过程中保持地铁隧道所需的正确位置和方向。由于地下隧道施工受到地质条件、复杂地下管线、土层变化等因素的影响，可能导致地铁隧道实际轴线偏离设计轴线。因此，分析研究长距离地铁隧道施工轴线纠偏技术，具有重要的现实意义。

1   地铁隧道施工常用轴线纠偏技术

现阶段，常用的隧道轴线纠偏方法主要有目视调整法、反馈控制法和电子全站仪控制法等。

1.1   目视调整法

目视调整法是指通过观察地铁隧道的施工情况，进行人工调整。根据工程师的经验和判断，通过调整盾构机的相关部件的位置和姿态，实现轴线的纠偏。该方法主要依赖操作人员的经验和判断，存在主观性和个体差异的问题。不同的人对于轴线的纠偏可能产生不一致的结果，导致纠偏误差增大。

1.2   反馈控制法

反馈控制法是指利用激光扫描、激光定位等技术手段，将测量数据传输给控制系统。控制系统根据预设参数进行自动调整，实现轴线的纠偏。反馈控制法同样依赖于人工调整，工作人员可能存在操作失误或者感知误差，从而导致纠偏出现误差。

1.3   电子全站仪控制法

电子全站仪控制法是指采用电子全站仪等高精度测量仪器，对地铁隧道进行三维测量和坐标控制，通过获取现场点位的测量数据，结合盾构机控制系统，实现轴线的准确纠偏[2-3]。电子全站仪控制法依赖于设备的精度和稳定性，如果设备本身存在问题或者使用不当，可能会引入较多的纠偏误差。

2   盾构法轴线纠偏技术

2.1   工作原理

盾构法轴线纠偏技术的工作原理如下：通过在盾构机上安装的高精度定位系统，实时监测盾构机的位置和姿态，并与设计的隧道轴线进行实时比对。当发现盾构机轴线偏离隧道设计轴线时，对盾构机的掘进方向、倾斜角度等参数进行精确纠偏，使隧道轴线保持在设计的范围内[4-5]。盾构法纠偏平面示意如图1所示。

在运用盾构法轴线纠偏技术的过程中，需要获取盾构机的偏移数据，这一过程运用惯性导航系统（Inertial Navigation System，简称INS）和数据分析技术来实现。运用惯性导航系统获取高精度的位移数据步骤，如下所述。

2.1.1  安裝传感器

将加速度计和陀螺仪等传感器正确安装到盾构机上，确保传感器固定可靠并与被测盾构机保持良好的耦合。

2.1.2  初始化校准

在传感器使用之前，对其进行初始化校准，以消除初始误差。进行初始化校准时，可将传感器放置在静止环境中，进行偏校准或方向角校准等操作。

2.1.3  数据采集

启动惯性导航系统，开始采集传感器数据。加速度计测量盾构机的加速度，陀螺仪测量盾构机的角速度。传感器采集的数据，通常以连续时序的形式记录。

2.1.4   运动姿态估计

根据传感器采集到的数据，通过运动姿态估计算法，推导出盾构机在3个坐标轴上的姿态角度（俯仰、横滚、偏航）。

2.1.5   积分计算

通过积分处理，计算盾构机的位移。根据运动姿态估计算法得到的角度，将加速度转换为盾构机在空间坐标系中的加速度，并进行积分计算得到盾构机的位移量。

2.1.6   误差补偿

惯性导航系统在长时间运行后可能会积累漂移误差。为了提高位移数据的精度，使用误差补偿方法进行误差补偿，如零速度更新（Zero Velocity Update，ZUPT）等。这些方法通过参考其他传感器的数据（如GPS），或利用场景的约束信息，对INS的位移数据进行校正。

通过上述步骤可获取盾构机的偏移数据，为轴线纠偏提供可靠的数据基础。

2.2   纠偏曲线设计

纠偏曲线设计在盾构隧道施工中起到了关键作用，它可以确保隧道轴线在施工过程中保持准确的轨迹。纠偏曲线可设计为圆曲线，通过圆曲线的变化半径来实现轴线的调整。当盾构机运行到需要纠偏的位置时，可以逐渐增大或缩小圆曲线半径，将隧道轴线引导回原定方向。

在设计纠偏曲线时，首先通过实地勘察和监测数据，确定需要进行纠偏的位置和范围。然后进行详细的地质调查和分析，了解地层情况、地下水位、岩性特征等因素。最后计算出所需圆曲线的转角。圆曲线转角的计算公式如下：

θ=L/（R1+R2）              （1）

式（1）中：θ为圆曲线转角，L表示圆曲线长度，R1表示圆曲线起始半径，R2表示圆曲线结束半径。其中R1、R2的计算式如下：

（2）

（3）

式（2）、（3）中：K表示曲率；d表示轴线偏差。

考虑到施工效率和安全性，根据纠偏需求和工程要求，确定合适的纠偏速度，其公式如下：

V=d/T                    （4）

式（4）中：T表示纠偏时间。

2.3   轴线纠偏关键技术

2.3.1   轴线规划和预测

在开始盾构施工之前，需要进行详细的轴线规划和预测。使用全站仪进行初始测量，获取初始参数，包括隧道的起止点、转弯半径、坡度等，以及预测可能的轴线偏移情况，通过分析盾构机施工过程中的位移和倾斜情况，校正和修正之前的轴线偏移量，预测隧道的中轴线位置和姿态，以此制定相应的纠偏方案。

2.3.2   定位系统安装与校准

在盾构机上安装定位系统，包括全球定位系统（GPS）和激光测距仪等设备。GPS接收器通過接收卫星信号获取盾构机的位置信息，激光测距仪测量盾构机的前进距离。然后对上述定位设备进行校准和调试，以确保其精确度和可靠性。

2.3.3   监测与调整

随着盾构机掘进施工的进展，定位系统实时监测盾构机的位置和姿态。通过监测设备采集实时数据，将数据传输至监控系统。监控系统对数据进行处理和分析，比较实际数据与预期值之间的差值，生成监测报告或图形化显示。通过与预先设定的轴线进行比对，确定是否存在轴线偏移。如果轴线偏移较大，就需要进行调整。

2.3.4   导向装置的设置

在盾构机前端设置导向装置，如导向车或导向圈等。导向装置与隧道壁面产生摩擦力或与导向轨道相互作用，实现轴线的精确定位和微调。

2.3.5   土体补偿措施

在盾构机轴线偏移量较大的区域，可提前注入水泥浆等材料，填补隧道壁与盾构机之间的空隙，从而减少土体的变形和不均匀支撑，降低轴线偏移产生的风险。

2.3.6   实时监测和调整

在整个施工过程中，实时、持续进行定位和导向监测，及时调整盾构机的行进方向和姿态，以确保隧道轴线的准确性。

3   实例分析

3.1   工程概况

某长距离地铁隧道工程项目，其施工区域主要由粉砂岩和页岩组成，地层较坚硬，存在一定程度的节理和岩层断裂。该隧道工程的长度为20km，直径为8m，采用盾构机进行施工，预计总工期为3年。该隧道工程采用盾构机的具体参数如表1所示。

3.2   位移纠偏数据

盾构机在施工过程中需要保持准确轴线，以确保隧道工程施工质量。为了获取轴线偏移数据和验证轴线纠偏效果，将该隧道分为5个施工段，在盾构机掘进过程中测量出5个施工段纵向位移和横向位移的实际值，以及其纠偏后的位移值。轴线纵向位移和横向位移纠偏数据如表2所示。

3.3   验证纠偏效果

由表2中的数据可知，针对不同的施工段，采用盾构法轴线纠偏技术进行轴线纠偏后，盾构机的纵向位移和横向位移均得到了较大程度的降低，其中施工段5的纵向位移纠偏效果最好，纠偏后位纵向移量降低了139.5mm；施工段3的横向位移纠偏效果最好，纠偏后横向位移量降低了188.1mm。由此可知，盾构法轴线纠偏技术在长距离地铁隧道施工轴线纠偏中的应用效果较好，能够有效降低轴线位移量，提高了地铁隧道工程的施工质量。

3.4   评估纠偏效果

偏心度是指隧道开挖轴线与设计位置之间的偏离程度，可采用偏心度方法评估盾构法轴线纠偏技术的纠偏效果。通过对盾构机掘进后的隧道截面中心位置的测量数据，与设计的中心位置数据进行比较，评估该项技术的纠偏效果。较小的偏心度，表示轴线纠偏效果较好。为了提升实验结果的可信度，将目视调整法、反馈控制法作为对比方法，与盾构法轴线纠偏技术进行对比。3种纠偏方法的偏心度对比结果如图2所示。

由图2中的实验结果可知，采用盾构法轴线纠偏技术对隧道轴线进行纠偏时，其偏心度始终低于2mm，而目视调整法的偏心度最高值达到了5.2mm，反馈控制法的偏心度最高值达到了6.9mm，目视调整法和反馈控制法的偏心度最低值分别为3.8mm和2.8mm。通过对比可知，盾构法轴线纠偏技术的纠偏能够有效降低偏心度，其效果更好。

综合分析上述实验结果可知，盾构法能够实现对长距离地铁隧道施工轴线横向位移和纵向位移的有效纠正，其隧道开挖轴线与设计位置之间的偏离程度较低，该方法可以保证施工质量和施工安全，具有实际应用价值。

4   结束语

通过盾构法轴线纠偏技术在长距离地铁隧道施工轴线纠偏中的应用，可提高地铁工程的施工质量和效率。通过精确的导向系统和控制技术，盾构机能够准确地掘进，保证隧道施工的精确性和安全性。未来的研究重点将放在开发更为智能化和自动化的盾构系统上，通过引入人工智能等先进技术，实现隧道轴线纠偏的自动化控制，提高隧道施工效率和精度。

参考文献

[1] 姚江，王建，程军振.全站式陀螺仪在长距离盾构法隧洞中

的应用[J].云南水力发电，2021，37（3）：82-85.

[2] 王旭.地铁区间隧道盾构法掘进施工技术设计与应用研究

[J].工程技术研究，2023，8（5）：83-85.

[3] 邬泽，顾福霖，付艳斌.采用压密注浆定量纠偏运营地铁盾

构隧道技术研究[J].现代隧道技术，2023，60（2）：185-193.

[4] 朱旻，龚晓南，高翔，等.盾构隧道注浆纠偏模型试验研究

[J].铁道科学与工程学报，2020，17（3）：660-667.

[5] 董敏忠.注浆纠偏隧道水平位移的数值模拟[J].建筑科学

与工程学报，2021，38（6）：138-146.