盾構法軸線糾偏技術及其在地鐵隧道施工中的應用

陳成喜

摘要：在簡述地鐵隧道施工常用軸線糾偏技術的基礎上，從工作原理、糾偏曲線設計、關鍵技術等3個方面詳細闡述了盾構法軸線糾偏技術。將該項技術應用于某長距離地鐵隧道工程盾構施工的軸線糾偏實踐，取得了預期的良好效果。

關鍵詞：盾構法；地鐵隧道；軸線糾偏；技術應用

0? ?引言

在地鐵隧道施工過程中，軸線糾偏是一個關鍵環節[1]。軸線糾偏指的是在隧道施工過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條件、復雜地下管線、土層變化等因素的影響，可能導致地鐵隧道實際軸線偏離設計軸線。因此，分析研究長距離地鐵隧道施工軸線糾偏技術，具有重要的現實意義。

1? ?地鐵隧道施工常用軸線糾偏技術

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

1.1? ?目視調整法

目視調整法是指通過觀察地鐵隧道的施工情況，進行人工調整。根據工程師的經驗和判斷，通過調整盾構機的相關部件的位置和姿態，實現軸線的糾偏。該方法主要依賴操作人員的經驗和判斷，存在主觀性和個體差異的問題。不同的人對于軸線的糾偏可能產生不一致的結果，導致糾偏誤差增大。

1.2? ?反饋控制法

反饋控制法是指利用激光掃描、激光定位等技術手段，將測量數據傳輸給控制系統?？刂葡到y根據預設參數進行自動調整，實現軸線的糾偏。反饋控制法同樣依賴于人工調整，工作人員可能存在操作失誤或者感知誤差，從而導致糾偏出現誤差。

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量儀器，對地鐵隧道進行三維測量和坐標控制，通過獲取現場點位的測量數據，結合盾構機控制系統，實現軸線的準確糾偏[2-3]。電子全站儀控制法依賴于設備的精度和穩定性，如果設備本身存在問題或者使用不當，可能會引入較多的糾偏誤差。

2? ?盾構法軸線糾偏技術

2.1? ?工作原理

盾構法軸線糾偏技術的工作原理如下：通過在盾構機上安裝的高精度定位系統，實時監測盾構機的位置和姿態，并與設計的隧道軸線進行實時比對。當發現盾構機軸線偏離隧道設計軸線時，對盾構機的掘進方向、傾斜角度等參數進行精確糾偏，使隧道軸線保持在設計的范圍內[4-5]。盾構法糾偏平面示意如圖1所示。

在運用盾構法軸線糾偏技術的過程中，需要獲取盾構機的偏移數據，這一過程運用慣性導航系統（Inertial Navigation System，簡稱INS）和數據分析技術來實現。運用慣性導航系統獲取高精度的位移數據步驟，如下所述。

2.1.1? 安裝傳感器

將加速度計和陀螺儀等傳感器正確安裝到盾構機上，確保傳感器固定可靠并與被測盾構機保持良好的耦合。

2.1.2? 初始化校準

在傳感器使用之前，對其進行初始化校準，以消除初始誤差。進行初始化校準時，可將傳感器放置在靜止環境中，進行偏校準或方向角校準等操作。

2.1.3? 數據采集

啟動慣性導航系統，開始采集傳感器數據。加速度計測量盾構機的加速度，陀螺儀測量盾構機的角速度。傳感器采集的數據，通常以連續時序的形式記錄。

2.1.4? ?運動姿態估計

根據傳感器采集到的數據，通過運動姿態估計算法，推導出盾構機在3個坐標軸上的姿態角度（俯仰、橫滾、偏航）。

2.1.5? ?積分計算

通過積分處理，計算盾構機的位移。根據運動姿態估計算法得到的角度，將加速度轉換為盾構機在空間坐標系中的加速度，并進行積分計算得到盾構機的位移量。

2.1.6? ?誤差補償

慣性導航系統在長時間運行后可能會積累漂移誤差。為了提高位移數據的精度，使用誤差補償方法進行誤差補償，如零速度更新（Zero Velocity Update，ZUPT）等。這些方法通過參考其他傳感器的數據（如GPS），或利用場景的約束信息，對INS的位移數據進行校正。

通過上述步驟可獲取盾構機的偏移數據，為軸線糾偏提供可靠的數據基礎。

2.2? ?糾偏曲線設計

糾偏曲線設計在盾構隧道施工中起到了關鍵作用，它可以確保隧道軸線在施工過程中保持準確的軌跡。糾偏曲線可設計為圓曲線，通過圓曲線的變化半徑來實現軸線的調整。當盾構機運行到需要糾偏的位置時，可以逐漸增大或縮小圓曲線半徑，將隧道軸線引導回原定方向。

在設計糾偏曲線時，首先通過實地勘察和監測數據，確定需要進行糾偏的位置和范圍。然后進行詳細的地質調查和分析，了解地層情況、地下水位、巖性特征等因素。最后計算出所需圓曲線的轉角。圓曲線轉角的計算公式如下：

θ=L/（R1+R2）? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中：θ為圓曲線轉角，L表示圓曲線長度，R1表示圓曲線起始半徑，R2表示圓曲線結束半徑。其中R1、R2的計算式如下：

（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表示糾偏時間。

2.3? ?軸線糾偏關鍵技術

2.3.1? ?軸線規劃和預測

在開始盾構施工之前，需要進行詳細的軸線規劃和預測。使用全站儀進行初始測量，獲取初始參數，包括隧道的起止點、轉彎半徑、坡度等，以及預測可能的軸線偏移情況，通過分析盾構機施工過程中的位移和傾斜情況，校正和修正之前的軸線偏移量，預測隧道的中軸線位置和姿態，以此制定相應的糾偏方案。

2.3.2? ?定位系統安裝與校準

在盾構機上安裝定位系統，包括全球定位系統（GPS）和激光測距儀等設備。GPS接收器通過接收衛星信號獲取盾構機的位置信息，激光測距儀測量盾構機的前進距離。然后對上述定位設備進行校準和調試，以確保其精確度和可靠性。

2.3.3? ?監測與調整

隨著盾構機掘進施工的進展，定位系統實時監測盾構機的位置和姿態。通過監測設備采集實時數據，將數據傳輸至監控系統。監控系統對數據進行處理和分析，比較實際數據與預期值之間的差值，生成監測報告或圖形化顯示。通過與預先設定的軸線進行比對，確定是否存在軸線偏移。如果軸線偏移較大，就需要進行調整。

2.3.4? ?導向裝置的設置

在盾構機前端設置導向裝置，如導向車或導向圈等。導向裝置與隧道壁面產生摩擦力或與導向軌道相互作用，實現軸線的精確定位和微調。

2.3.5? ?土體補償措施

在盾構機軸線偏移量較大的區域，可提前注入水泥漿等材料，填補隧道壁與盾構機之間的空隙，從而減少土體的變形和不均勻支撐，降低軸線偏移產生的風險。

2.3.6? ?實時監測和調整

在整個施工過程中，實時、持續進行定位和導向監測，及時調整盾構機的行進方向和姿態，以確保隧道軸線的準確性。

3? ?實例分析

3.1? ?工程概況

某長距離地鐵隧道工程項目，其施工區域主要由粉砂巖和頁巖組成，地層較堅硬，存在一定程度的節理和巖層斷裂。該隧道工程的長度為20km，直徑為8m，采用盾構機進行施工，預計總工期為3年。該隧道工程采用盾構機的具體參數如表1所示。

3.2? ?位移糾偏數據

盾構機在施工過程中需要保持準確軸線，以確保隧道工程施工質量。為了獲取軸線偏移數據和驗證軸線糾偏效果，將該隧道分為5個施工段，在盾構機掘進過程中測量出5個施工段縱向位移和橫向位移的實際值，以及其糾偏后的位移值。軸線縱向位移和橫向位移糾偏數據如表2所示。

3.3? ?驗證糾偏效果

由表2中的數據可知，針對不同的施工段，采用盾構法軸線糾偏技術進行軸線糾偏后，盾構機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，盾構法軸線糾偏技術在長距離地鐵隧道施工軸線糾偏中的應用效果較好，能夠有效降低軸線位移量，提高了地鐵隧道工程的施工質量。

3.4? ?評估糾偏效果

偏心度是指隧道開挖軸線與設計位置之間的偏離程度，可采用偏心度方法評估盾構法軸線糾偏技術的糾偏效果。通過對盾構機掘進后的隧道截面中心位置的測量數據，與設計的中心位置數據進行比較，評估該項技術的糾偏效果。較小的偏心度，表示軸線糾偏效果較好。為了提升實驗結果的可信度，將目視調整法、反饋控制法作為對比方法，與盾構法軸線糾偏技術進行對比。3種糾偏方法的偏心度對比結果如圖2所示。

由圖2中的實驗結果可知，采用盾構法軸線糾偏技術對隧道軸線進行糾偏時，其偏心度始終低于2mm，而目視調整法的偏心度最高值達到了5.2mm，反饋控制法的偏心度最高值達到了6.9mm，目視調整法和反饋控制法的偏心度最低值分別為3.8mm和2.8mm。通過對比可知，盾構法軸線糾偏技術的糾偏能夠有效降低偏心度，其效果更好。

綜合分析上述實驗結果可知，盾構法能夠實現對長距離地鐵隧道施工軸線橫向位移和縱向位移的有效糾正，其隧道開挖軸線與設計位置之間的偏離程度較低，該方法可以保證施工質量和施工安全，具有實際應用價值。

4? ?結束語

通過盾構法軸線糾偏技術在長距離地鐵隧道施工軸線糾偏中的應用，可提高地鐵工程的施工質量和效率。通過精確的導向系統和控制技術，盾構機能夠準確地掘進，保證隧道施工的精確性和安全性。未來的研究重點將放在開發更為智能化和自動化的盾構系統上，通過引入人工智能等先進技術，實現隧道軸線糾偏的自動化控制，提高隧道施工效率和精度。

參考文獻

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