地鐵區間盾構隧道建筑限界核查新方法*

狄仕磊

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(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行、限制車輛斷面尺寸、限制沿線設備安裝尺寸及確定建筑結構有效凈空尺寸的圖形、坐標參數及輪廓尺寸線[1]。地鐵的建筑限界位于設備限界外,且考慮了設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]。若盾構施工偏差過大,則須對線路進行調線調坡處理,從而增大設備及管線安裝難度。為了給后續設備和管線的安裝預留合適的安裝空間,也為了滿足設備限界和建筑限界的設計要求,防止發生侵界,保證行車安全,在隧道施工完畢后需要測量隧道結構,并進行建筑限界核查和分析。

隨著信息化的發展,計算機應用信息技術在隧道限界檢測中應用愈發廣泛。文獻[3-7]將計算機應用信息技術應用于限界設計、限界計算及限界斷面繪圖,提高了限界設計的效率。然而現階段利用計算機應用信息技術進行限界核查的相關方法研究較少。目前,盾構隧道的建筑限界核查主要以測量單位提供的隧道施工測量數據為基礎,通過數據分析處理來得到限界核查結果。該方法主要存在以下問題:①需要人工識別曲線類型;②利用線性漸變法計算隧道偏移量,無法和斷面里程相對應,計算結果不準確;③涉及對測量數據手動篩查及計算等操作,費時費力且易出錯;④需手動編寫限界核查報告,效率較低,工作量大。

對此,本文研究一種基于計算機信息技術對盾構隧道限界測量數據進行限界核查的方法,并開發對應的自動核查、生成核查報告的輔助軟件,以提高限界核查效率,為后續調線調坡等工作提供依據。

1 盾構圓形隧道的建筑限界

1.1 橫斷面測量與測點選擇

在土建施工完成后,為確定區間隧道內壁斷面尺寸能否滿足設計要求,需進行橫斷面測量。橫斷面測量主要包含里程、橫距及高程三方面內容,測量結果可為限界核查、線路調線調坡設計,以及設備和管線安裝提供依據[8-9]。盾構隧道施工完成后,以軌面為x軸,以線路中心線為y軸構成基準坐標系,對隧道斷面進行測點坐標的測量。隧道橫斷面的測點位置如圖1所示。

注:P1～P8為主要測點;P1、P3、P4主要用于控制接觸網的安裝高度;P2主要用于控制軌道結構高度;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系,可得測點P1、P2的高程理論值分別為:

HP1=D-H

(1)

HP2=-H

(2)

式中:

D——盾構限界直徑;

H——軌道結構高度。

根據高程及幾何關系計算可得,測點P3、P4、P5、P6同y軸橫向距離(以下簡稱“橫距”)理論值分別為:

(3)

(4)

式中:

H1——測點P3、P4的高程理論值;

H2——測點P5、P6的高程理論值。

測點P7、P8的橫距理論值為:

(5)

由式(1)—式(5)計算可得直線段盾構隧道各測點的高程理論值或橫距理論值,從而得到各測點處的建筑限界設計值。

1.3 曲線段隧道的建筑限界

根據地鐵限界標準,單線圓形隧道在曲線超高地段,軌道超高造成的內外側不均勻位移量應通過計算隧道中心線向線路中心線內側偏移量(以下簡稱“偏移量”)來確定。由此可知,要計算曲線段隧道的建筑限界,應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——滾動圓間距,取1 500 mm。

對于緩和曲線段,在緩和曲線長度范圍內的偏移量ΔH,從緩和曲線起點(即直緩點,偏移量為0)到終點(即緩圓點,偏移量為ΔY),按計算點至緩和曲線起點的長度與緩和曲線長度的比例線性遞變偏移。

2 建筑限界自動核查方法

測量數據包含各斷面測點的里程信息、測點高程、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應的建筑限界計算方法不同,故本文提出先識別線路類型,再對建筑限界自動核查的新方法(以下簡稱“建筑限界核查新方法”)。首先,根據測量數據來識別線路類型(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,并采用內插法計算緩和曲線段中心偏移量;之后,根據偏移量及橫距值計算每個測點處的建筑限界設計值;最后,將建筑限界設計值同由測點高程及橫距算得的建筑限界測量值相比較,進而判斷該隧道實際斷面是否侵界。

2.1 計算斷面偏移量

在識別線路類型時,要根據曲線要素點有順序地讀取測量數據中的線路特征信息。曲線要素點的讀取順序為:直線段、直緩點、緩和曲線段、緩圓點、圓曲線段、圓緩點、緩和曲線段、緩直點、直線段。根據線路特征信息,不僅能自動準確識別線路類型,還能獲得每段線路里程值,并分別存入各線段對應數組中。這樣無需人工識別曲線類型。

按照曲線段測點建筑限界定義,圓曲線段偏移量為固定值,直線段偏移量為0。根據曲線要素點的分布規則,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。按照線性差值法分別計算其左、右側偏移量為:

(7)

(8)

式中:

ΔZH～HY(i)——圓曲線段左側直緩點至緩圓點第i個斷面處的偏移量;

ΔYH～HZ(i)——圓曲線段右側圓緩點至緩直點第i個斷面處的偏移量;

DZH～HY(i)——圓曲線段左側直緩點至緩圓點第i個斷面處的里程;

DYH～HZ(i)——圓曲線段右側圓緩點至緩直點第i個斷面處的里程;

DZH——直緩點的里程;

DHY——緩圓點的里程;

DYH——圓緩點的里程;

DHZ——緩直點的里程。

由式(7)及式(8)可知,每個斷面處的偏移量和斷面里程是相對應的。這種計算方法解決了傳統線性漸變法偏移量無法對應斷面里程的問題,提高了計算結果的準確性。

2.2 侵界判定標準

若已知某斷面處測點P(τ)的斷面偏移量為Δ,橫距值為LP(τ),建筑限界設計值為DP(τ),則測點建筑限界設計值為:

DP(τ)=LP(τ)±Δ,τ=1,2,…,8

(9)

根據建筑限界的定義,侵界判定標準方法為:若測點P(τ)的建筑限界測量值MP(τ)小于建筑限界設計值,則該測點侵界。用SP(τ)表示測點P(τ)的侵界程度,則有:

SP(τ)=MP(τ)-DP(τ)

(10)

若SP(τ)≥0,則測點P(τ)滿足設計要求;若SP(τ)<0,則測點P(τ)侵界,SP(τ)絕對值越大,則該測點侵界程度越高。

利用建筑限界核查新方法,可核查地鐵盾構隧道斷面內壁測點處是否侵界,以及侵界程度。

3 盾構隧道建筑限界核查軟件

本研究基于建筑限界自動核查方法,利用Visual C#.NET平臺開發出地鐵區間盾構隧道建筑限界核查軟件V1.0(以下簡稱“核查軟件”),該軟件能實現測量數據讀取、建筑限界設計值計算、限界核查、自動生成核查結果及輸出核查報告等,能有效提高盾構隧道建筑限界核查的準確率及效率。

3.1 核查軟件的算法流程

核查軟件采用模塊化設計,主要分為測量數據讀取及參數輸入、設計建筑限界計算、限界核查及核查報告生成四大模塊。該軟件利用WinForm窗體應用程序編程,完成不同控件代碼編寫后將控件整合成軟件設計界面。通過操作參數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 核查軟件的工程應用

本文以西安地鐵14號線工程學府路站至辛王路站區間右線測量數據為例,利用核查軟件來完成限界核查檢測。核查軟件的使用步驟如下:

1) 數據載入:點擊參數輸入按鈕,選擇對應區間限界測量數據Excel文件后,核查軟件即自動載入并顯示源數據存儲路徑、計算結果保存路徑、項目名稱、區間名稱、里程范圍及測點示意圖等信息,并創建對應工程項目文件夾。

2) 參數輸入:輸入該盾構區間的建筑限界直徑、軌道結構高度及測點高度信息。參數輸入界面如圖3所示。

圖3 參數輸入界面截圖

3) 限界計算及核查:對該區間內所有斷面測點進行建筑限界計算及限界核查,且核查進度和結果顯示在“限界核查”界面上。點擊“查看計算結果”“查看核查結果”及“詳細數據”等按鈕,即可查看相應的計算結果及核查結果Excel文件,并在“文件預覽”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) 生成核查報告:完成限界計算及核查后,點擊“核查報告生成”按鈕,軟件將自動讀取核查結果數據,生成限界核查報告Word文件并保存至指定文件夾,限界核查完成。

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

4 結語

本文提出的地鐵區間盾構隧道建筑限界核查方法,基于測量數據,利用曲線標識、曲線要素點的分布規則來識別曲線類型,利用線性內插法及曲線里程信息快速、準確地計算緩和曲線每個斷面處 的偏移量,從而精確計算限界設計值,提高了限界核查的準確率。

基于該方法開發的核查軟件,能夠快速得到侵界結果并自動生成Word格式限界核查報告、Excel格式侵界數據,大幅降低了核查時間,解決了傳統手動編寫報告耗時長、易出錯、工作量大等缺點,顯著提高了設計人員效率。