盾構糾偏的線路設計研究

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，盾構法施工應用最廣泛的當屬當前正蓬勃發展的地鐵、鐵路等地下工程。在實際的地鐵線路開挖過程中，由于盾構機自重巨大，因此在使用盾構機進行地鐵線路開挖有可能出現其實際位置偏離于地鐵設計線路位置的情況，當這種偏差超過了允許偏差范圍時，就需要立即對盾構機進行糾偏，以保證盾構機能夠按照設計好的地鐵挖掘線路前進，防止出現由于偏差過大產生線路偏移，為此，必須設計出最優化的糾偏線路，建立相應的糾偏曲線模型。

關鍵詞：盾構機；糾偏；線路；設計；地鐵

盾構機是盾構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，盾構機被廣泛使用的原因源于其安全可靠的優點，即在隧洞開挖的過程中不會影響到軟基開挖面，使其保持相對穩定和安全，且盾構機為襯砌作業與開挖作業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，且開挖的質量水平高。在實際的掘進過程中，盾構機容易受到類似盾構旋轉、地質變化等實際因素的影響，產生偏離設計線路的情況，這時就需要對盾構機進行糾偏，而一旦糾偏路線設計的不夠合理，就會出現蛇形前進的情況，且可能會引發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化設計，保證盾構機施工的萬無一失。文章在介紹盾構機產生偏差原因的基礎上對地鐵施工領域盾構機糾偏所涉及到的技術和糾偏曲線模型的設計進行一個初步的探討和分析。

1 盾構機產生偏差的原因分析

1.1 施工現場地質情況的影響

地質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、施工地區的地質屬性，包括地下水、溶洞等，都有可能成為成為盾構線路偏差的罪魁禍首。

1.2 盾構機自身設備問題的影響

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

1.3 不合理的盾構糾偏設計

盾構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糾偏方案的設計問題，因此，當出現盾構機偏離線路，需要糾偏時，就需要由盾構操作人員來設計糾偏方案，而由于每個操作人員的閱歷不同，對盾構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，就會產生次生效果。

2 盾構機糾偏涉及到的技術

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

2.1 盾構機的定位技術

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

2.2 盾構機隧道軸線的設計技術

隧道軸線是盾構機沿其前進的方向，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 盾構機糾偏曲線設計技術

盾構機糾偏曲線的規劃與設計主要的目的就是將偏離了原規劃行進路線的盾構機糾正回來，而糾正的手法和力度就要根據實際施工環境、地質情況等因素而定，保證在符合施工客觀環境的條件下將盾構機調整到最佳狀態。

2.4 盾構控制的技術

盾構控制即對盾構機的控制，這種控制包括對盾構機前進速度、前進方向等數據的控制，盾構機自身的型號、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 盾構機糾偏曲線設計需要滿足的要求

當我們發現了盾構機的運行偏離預設的前進軌道時，需要第一時間規劃設計盾構機糾偏曲線，盾構機糾偏曲線是否科學合理的將決定盾構機是否能夠準確地回到預設軌道上來。因此，在設計這條曲線時，不僅要考慮盾構機本身的型號和挖掘深度等要素，更要結合施工周邊當期的環境條件。糾偏曲線說白了是一種路徑規劃的形式，在規劃這條曲線的同時，必須按要求滿足盾構機糾偏過程中產生的約束條件，也就是對小轉彎半徑的要求。這里的最小轉彎半徑分為盾構機的最小轉彎半徑、管片的最小轉彎半徑以及隧道線路的最小轉彎半徑。

限制盾構最小轉彎半徑的因素主要是前、中、后段的鉸接，一般來說盾構機的最小轉彎半徑為200米；管片的最小轉彎半徑則受到楔形量的限制，一般來說其最小轉彎半徑為250米；盾構機的行進尺寸和安全是約束隧道線路最小轉彎半徑的主要因素，一般來說，其隧道線路的最小轉彎半要求為300米。

從上述各個部分的最小轉彎半徑來看，隧道線路的最小轉彎半徑在三者中是最大的，因此，要滿足盾構機糾偏的要求，只要使曲線的曲率半徑大于隧道線路最小轉彎半徑即可，當然此條件也是盾構施工能夠滿足后續使用的關鍵因素。設計的糾偏曲線的曲率半徑必須大于隧道線路的最小轉彎半徑，使其能夠連接始末位狀態，且其末位狀態需要在盡量短的時間內回歸設計軸線。

3.2 盾構機糾偏曲線模型的設計

由于隧道曲線根據不同的類型能夠分成平曲線和豎曲線，因此在對相關數據進行精確計算時，要將二者區別開來，以免產生誤區。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。在平曲線的基礎上建立盾構機糾偏曲線模型，使盾構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性、平滑性的前提下，盾構機糾偏曲線的起點必須與盾構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。設計出的糾偏曲線必須能夠使盾構機在盡量短的時間內回到隧道設計軸線上去，且曲率必須滿足盾構機運行的要求。據此，舉平曲線為例，平面設計軸線為： n=f（m）（1），盾構機糾偏曲線為：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為未知數值。設盾構機當前位置為（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，盾構機是我國盾構法施工中的常用機械之一，在實際的施工過程中，盾構機會由于實際因素的影響造成偏差問題，當發現盾構機偏離線路時，操作人員必須盡快對糾偏方案進行設計和決策，個人經驗的缺失常常會形成糾偏的蛇形曲線，這不利于糾偏效果。可以對掘進偏離后盾構機進行糾偏，促進施工質量和效率的提升。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整糾偏方向，完善糾偏工作。

參考文獻

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