盾构纠偏的线路设计研究

马会良

摘 要：全断面隧道掘进机隧道施工法（Tunnel Boring Machine），是靠旋转并推进刀盘，通过盘形滚刀破碎岩石而使隧洞全断面一次成型的隧道施工方法。在我国，盾构法施工应用最广泛的当属当前正蓬勃发展的地铁、铁路等地下工程。在实际的地铁线路开挖过程中，由于盾构机自重巨大，因此在使用盾构机进行地铁线路开挖有可能出现其实际位置偏离于地铁设计线路位置的情况，当这种偏差超过了允许偏差范围时，就需要立即对盾构机进行纠偏，以保证盾构机能够按照设计好的地铁挖掘线路前进，防止出现由于偏差过大产生线路偏移，为此，必须设计出最优化的纠偏线路，建立相应的纠偏曲线模型。

关键词：盾构机；纠偏；线路；设计；地铁

盾构机是盾构法施工中的主要施工器械之一，主要用于地下隧道的开挖工程，盾构机被广泛使用的原因源于其安全可靠的优点，即在隧洞开挖的过程中不会影响到软基开挖面，使其保持相对稳定和安全，且盾构机为衬砌作业与开挖作业的同时开展提供了安全可靠的条件，其自动化程度很高，无需人力支持，且开挖的质量水平高。在实际的掘进过程中，盾构机容易受到类似盾构旋转、地质变化等实际因素的影响，产生偏离设计线路的情况，这时就需要对盾构机进行纠偏，而一旦纠偏路线设计的不够合理，就会出现蛇形前进的情况，且可能会引发施工完成之后后期的渗水、坍塌甚至改线等严重问题，因此必须对纠偏曲线进行优化设计，保证盾构机施工的万无一失。文章在介绍盾构机产生偏差原因的基础上对地铁施工领域盾构机纠偏所涉及到的技术和纠偏曲线模型的设计进行一个初步的探讨和分析。

1 盾构机产生偏差的原因分析

1.1 施工现场地质情况的影响

地质情况决定着整个施工阶段的难度甚至施工成败，具体来说，土层的不均匀分布、施工地区的地质属性，包括地下水、溶洞等，都有可能成为成为盾构线路偏差的罪魁祸首。

1.2 盾构机自身设备问题的影响

这种自身问题一部分是盾构机质量方面的问题，也可能因现场施工过程中操作人员对盾构机各项参数的设置失误而产生，例如，盾构机选用的尺寸与实际的施工条件不符，盾构机调节的参数不准确，这些因素都可能导致盾构机在挖掘的过程中出现种种问题，影响其前进的线路方向，导致盾构机产生线路偏离情况。

1.3 不合理的盾构纠偏设计

盾构机本身虽然具备很高级的自动化功能，但是还没有达到能够自主解决盾构纠偏方案的设计问题，因此，当出现盾构机偏离线路，需要纠偏时，就需要由盾构操作人员来设计纠偏方案，而由于每个操作人员的阅历不同，对盾构纠偏做出的决策判断也各有不同，这些不同的决策就会给解决最终问题带来不同的效果，且如果纠偏过头，就会产生次生效果。

2 盾构机纠偏涉及到的技术

解决盾构机偏离线路的问题主要就是要搞清楚盾构机的来向和去向，来向即盾构机所处的具体位置，去向即盾构机前进的隧道轴线，而盾构机从来处到去处运动的整个过程就要靠各种相关的技术作为支持。

2.1 盾构机的定位技术

盾构机实现精确的定位是通过自动定向系统实现的，该系统中含有大量传感器，对盾构机的精确位置进行测量定位，该系统主要由全站仪、棱镜、工控机、倾斜仪等部分构成，根据棱镜中反应的盾构机位置数据，精确计算出盾构机的位置信息，供盾构机操作人员做出进一步的决策和操作。

2.2 盾构机隧道轴线的设计技术

隧道轴线是盾构机沿其前进的方向，按照其投影在平面上的形状和在剖面上的起伏形状之分，将其分为平面线形和纵面线形。这里的线形状指的是平面线形与纵面线形的几何构成单位，组成平面线形的几何单位包括直线、圆曲线和缓和曲线，而组成纵面线形的几何单位包括直线与圆曲线和竖曲线。

2.3 盾构机纠偏曲线设计技术

盾构机纠偏曲线的规划与设计主要的目的就是将偏离了原规划行进路线的盾构机纠正回来，而纠正的手法和力度就要根据实际施工环境、地质情况等因素而定，保证在符合施工客观环境的条件下将盾构机调整到最佳状态。

2.4 盾构控制的技术

盾构控制即对盾构机的控制，这种控制包括对盾构机前进速度、前进方向等数据的控制，盾构机自身的型号、尺寸以及挖掘精准度等都会在一定程度上对盾构机前进的方向和速度造成影响。

3 纠偏曲线与模型的建立

3.1 盾构机纠偏曲线设计需要满足的要求

当我们发现了盾构机的运行偏离预设的前进轨道时，需要第一时间规划设计盾构机纠偏曲线，盾构机纠偏曲线是否科学合理的将决定盾构机是否能够准确地回到预设轨道上来。因此，在设计这条曲线时，不仅要考虑盾构机本身的型号和挖掘深度等要素，更要结合施工周边当期的环境条件。纠偏曲线说白了是一种路径规划的形式，在规划这条曲线的同时，必须按要求满足盾构机纠偏过程中产生的约束条件，也就是对小转弯半径的要求。这里的最小转弯半径分为盾构机的最小转弯半径、管片的最小转弯半径以及隧道线路的最小转弯半径。

限制盾构最小转弯半径的因素主要是前、中、后段的铰接，一般来说盾构机的最小转弯半径为200米；管片的最小转弯半径则受到楔形量的限制，一般来说其最小转弯半径为250米；盾构机的行进尺寸和安全是约束隧道线路最小转弯半径的主要因素，一般来说，其隧道线路的最小转弯半要求为300米。

从上述各个部分的最小转弯半径来看，隧道线路的最小转弯半径在三者中是最大的，因此，要满足盾构机纠偏的要求，只要使曲线的曲率半径大于隧道线路最小转弯半径即可，当然此条件也是盾构施工能够满足后续使用的关键因素。设计的纠偏曲线的曲率半径必须大于隧道线路的最小转弯半径，使其能够连接始末位状态，且其末位状态需要在尽量短的时间内回归设计轴线。

3.2 盾构机纠偏曲线模型的设计

由于隧道曲线根据不同的类型能够分成平曲线和竖曲线，因此在对相关数据进行精确计算时，要将二者区别开来，以免产生误区。但是仔细分析二者的计算方式，竖曲线与平曲线也只是在空间判定条件上有所不同。在平曲线的基础上建立盾构机纠偏曲线模型，使盾构机快速回到正确的隧道线路上去，应满足以下要求：在保证纠偏曲线连续性、平滑性的前提下，盾构机纠偏曲线的起点必须与盾构机当时所处的位置相符，终点必须定位在隧道线路上，且互相对应的斜率必须相同。设计出的纠偏曲线必须能够使盾构机在尽量短的时间内回到隧道设计轴线上去，且曲率必须满足盾构机运行的要求。据此，举平曲线为例，平面设计轴线为： n=f（m）（1），盾构机纠偏曲线为：n=am3+bm2+cm+d（2），在此m，n为纠偏曲线上各点的坐标，a，b，c，d为未知数值。设盾构机当前位置为（m1，n'），回到隧道上的点坐标为（m2，n2），则由（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），设t是纠偏曲线的曲率半径，那么t必须要大于Rmin。因此，当此式得到最小值的时候，才是最快回归隧道的纠偏曲线。

综上所述，盾构机是我国盾构法施工中的常用机械之一，在实际的施工过程中，盾构机会由于实际因素的影响造成偏差问题，当发现盾构机偏离线路时，操作人员必须尽快对纠偏方案进行设计和决策，个人经验的缺失常常会形成纠偏的蛇形曲线，这不利于纠偏效果。可以对掘进偏离后盾构机进行纠偏，促进施工质量和效率的提升。文章提到的模型较为简单，能够轻易操作，有利于帮助工作人员及时调整纠偏方向，完善纠偏工作。

参考文献

[1]刘松喜，张兆军.盾构施工中的测量手段概述[J].广东科技，2010（8）.

[2]张春艳，李洪超.盾构测量中的工作方法概述[J].黑龙江科技信息，2012（3）.