地铁区间盾构隧道建筑限界核查新方法*

狄仕磊

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),710043,西安∥工程师)

0 引言

地铁限界是保障地铁安全运行、限制车辆断面尺寸、限制沿线设备安装尺寸及确定建筑结构有效净空尺寸的图形、坐标参数及轮廓尺寸线[1]。地铁的建筑限界位于设备限界外,且考虑了设备安装的最小有效界线。任何沿线建筑物均不得侵入建筑限界[1-2]。若盾构施工偏差过大,则须对线路进行调线调坡处理,从而增大设备及管线安装难度。为了给后续设备和管线的安装预留合适的安装空间,也为了满足设备限界和建筑限界的设计要求,防止发生侵界,保证行车安全,在隧道施工完毕后需要测量隧道结构,并进行建筑限界核查和分析。

随着信息化的发展,计算机应用信息技术在隧道限界检测中应用愈发广泛。文献[3-7]将计算机应用信息技术应用于限界设计、限界计算及限界断面绘图,提高了限界设计的效率。然而现阶段利用计算机应用信息技术进行限界核查的相关方法研究较少。目前,盾构隧道的建筑限界核查主要以测量单位提供的隧道施工测量数据为基础,通过数据分析处理来得到限界核查结果。该方法主要存在以下问题:①需要人工识别曲线类型;②利用线性渐变法计算隧道偏移量,无法和断面里程相对应,计算结果不准确;③涉及对测量数据手动筛查及计算等操作,费时费力且易出错;④需手动编写限界核查报告,效率较低,工作量大。

对此,本文研究一种基于计算机信息技术对盾构隧道限界测量数据进行限界核查的方法,并开发对应的自动核查、生成核查报告的辅助软件,以提高限界核查效率,为后续调线调坡等工作提供依据。

1 盾构圆形隧道的建筑限界

1.1 横断面测量与测点选择

在土建施工完成后,为确定区间隧道内壁断面尺寸能否满足设计要求,需进行横断面测量。横断面测量主要包含里程、横距及高程三方面内容,测量结果可为限界核查、线路调线调坡设计,以及设备和管线安装提供依据[8-9]。盾构隧道施工完成后,以轨面为x轴,以线路中心线为y轴构成基准坐标系,对隧道断面进行测点坐标的测量。隧道横断面的测点位置如图1所示。

注:P1～P8为主要测点;P1、P3、P4主要用于控制接触网的安装高度;P2主要用于控制轨道结构高度;P5、P6、P7、P8主要用于控制隧道断面尺寸。

1.2 直线段隧道的建筑限界

由圆形隧道建筑限界的几何关系,可得测点P1、P2的高程理论值分别为:

HP1=D-H

(1)

HP2=-H

(2)

式中:

D——盾构限界直径;

H——轨道结构高度。

根据高程及几何关系计算可得,测点P3、P4、P5、P6同y轴横向距离(以下简称“横距”)理论值分别为:

(3)

(4)

式中:

H1——测点P3、P4的高程理论值;

H2——测点P5、P6的高程理论值。

测点P7、P8的横距理论值为:

(5)

由式(1)—式(5)计算可得直线段盾构隧道各测点的高程理论值或横距理论值,从而得到各测点处的建筑限界设计值。

1.3 曲线段隧道的建筑限界

根据地铁限界标准,单线圆形隧道在曲线超高地段,轨道超高造成的内外侧不均匀位移量应通过计算隧道中心线向线路中心线内侧偏移量(以下简称“偏移量”)来确定。由此可知,要计算曲线段隧道的建筑限界,应先得到曲线段隧道的偏移量[2]。地铁线路曲线段分为圆曲线段和缓和曲线段,其中圆曲线段的偏移量为:

ΔY=h0(hac/s)

(6)

式中:

h0——直线地段圆形隧道圆心距离轨顶平面的高度;

hac——圆曲线段轨道超高值;

s——滚动圆间距,取1 500 mm。

对于缓和曲线段,在缓和曲线长度范围内的偏移量ΔH,从缓和曲线起点(即直缓点,偏移量为0)到终点(即缓圆点,偏移量为ΔY),按计算点至缓和曲线起点的长度与缓和曲线长度的比例线性递变偏移。

2 建筑限界自动核查方法

测量数据包含各断面测点的里程信息、测点高程、横距值,以及圆曲线段的偏移量及曲线要素信息。由于不同类型线路对应的建筑限界计算方法不同,故本文提出先识别线路类型,再对建筑限界自动核查的新方法(以下简称“建筑限界核查新方法”)。首先,根据测量数据来识别线路类型(直线段、圆曲线段或缓和曲线段);然后,读取圆曲线段的偏移量,并采用内插法计算缓和曲线段中心偏移量;之后,根据偏移量及横距值计算每个测点处的建筑限界设计值;最后,将建筑限界设计值同由测点高程及横距算得的建筑限界测量值相比较,进而判断该隧道实际断面是否侵界。

2.1 计算断面偏移量

在识别线路类型时,要根据曲线要素点有顺序地读取测量数据中的线路特征信息。曲线要素点的读取顺序为:直线段、直缓点、缓和曲线段、缓圆点、圆曲线段、圆缓点、缓和曲线段、缓直点、直线段。根据线路特征信息,不仅能自动准确识别线路类型,还能获得每段线路里程值,并分别存入各线段对应数组中。这样无需人工识别曲线类型。

按照曲线段测点建筑限界定义,圆曲线段偏移量为固定值,直线段偏移量为0。根据曲线要素点的分布规则,缓和曲线段偏移量按缓和曲线段位置分为两类,分别位于圆曲线段的相邻两侧。按照线性差值法分别计算其左、右侧偏移量为:

(7)

(8)

式中:

ΔZH～HY(i)——圆曲线段左侧直缓点至缓圆点第i个断面处的偏移量;

ΔYH～HZ(i)——圆曲线段右侧圆缓点至缓直点第i个断面处的偏移量;

DZH～HY(i)——圆曲线段左侧直缓点至缓圆点第i个断面处的里程;

DYH～HZ(i)——圆曲线段右侧圆缓点至缓直点第i个断面处的里程;

DZH——直缓点的里程;

DHY——缓圆点的里程;

DYH——圆缓点的里程;

DHZ——缓直点的里程。

由式(7)及式(8)可知,每个断面处的偏移量和断面里程是相对应的。这种计算方法解决了传统线性渐变法偏移量无法对应断面里程的问题,提高了计算结果的准确性。

2.2 侵界判定标准

若已知某断面处测点P(τ)的断面偏移量为Δ,横距值为LP(τ),建筑限界设计值为DP(τ),则测点建筑限界设计值为:

DP(τ)=LP(τ)±Δ,τ=1,2,…,8

(9)

根据建筑限界的定义,侵界判定标准方法为:若测点P(τ)的建筑限界测量值MP(τ)小于建筑限界设计值,则该测点侵界。用SP(τ)表示测点P(τ)的侵界程度,则有:

SP(τ)=MP(τ)-DP(τ)

(10)

若SP(τ)≥0,则测点P(τ)满足设计要求;若SP(τ)<0,则测点P(τ)侵界,SP(τ)绝对值越大,则该测点侵界程度越高。

利用建筑限界核查新方法,可核查地铁盾构隧道断面内壁测点处是否侵界,以及侵界程度。

3 盾构隧道建筑限界核查软件

本研究基于建筑限界自动核查方法,利用Visual C#.NET平台开发出地铁区间盾构隧道建筑限界核查软件V1.0(以下简称“核查软件”),该软件能实现测量数据读取、建筑限界设计值计算、限界核查、自动生成核查结果及输出核查报告等,能有效提高盾构隧道建筑限界核查的准确率及效率。

3.1 核查软件的算法流程

核查软件采用模块化设计,主要分为测量数据读取及参数输入、设计建筑限界计算、限界核查及核查报告生成四大模块。该软件利用WinForm窗体应用程序编程,完成不同控件代码编写后将控件整合成软件设计界面。通过操作参数输入界面及限界核查界面,即可完成建筑限界核查。

核查软件的算法流程图如图2所示。

图2 核查软件的算法流程图

3.2 核查软件的工程应用

本文以西安地铁14号线工程学府路站至辛王路站区间右线测量数据为例,利用核查软件来完成限界核查检测。核查软件的使用步骤如下:

1) 数据载入:点击参数输入按钮,选择对应区间限界测量数据Excel文件后,核查软件即自动载入并显示源数据存储路径、计算结果保存路径、项目名称、区间名称、里程范围及测点示意图等信息,并创建对应工程项目文件夹。

2) 参数输入:输入该盾构区间的建筑限界直径、轨道结构高度及测点高度信息。参数输入界面如图3所示。

图3 参数输入界面截图

3) 限界计算及核查:对该区间内所有断面测点进行建筑限界计算及限界核查,且核查进度和结果显示在“限界核查”界面上。点击“查看计算结果”“查看核查结果”及“详细数据”等按钮,即可查看相应的计算结果及核查结果Excel文件,并在“文件预览”窗口显示。限界核查界面如图4所示。

图4 限界核查界面截图

4) 生成核查报告:完成限界计算及核查后,点击“核查报告生成”按钮,软件将自动读取核查结果数据,生成限界核查报告Word文件并保存至指定文件夹,限界核查完成。

限界核查结果显示,该核查软件有效地提高了限界核查的准确率及核查效率,其核查结果正确,且核查时间缩短80%以上。

4 结语

本文提出的地铁区间盾构隧道建筑限界核查方法,基于测量数据,利用曲线标识、曲线要素点的分布规则来识别曲线类型,利用线性内插法及曲线里程信息快速、准确地计算缓和曲线每个断面处 的偏移量,从而精确计算限界设计值,提高了限界核查的准确率。

基于该方法开发的核查软件,能够快速得到侵界结果并自动生成Word格式限界核查报告、Excel格式侵界数据,大幅降低了核查时间,解决了传统手动编写报告耗时长、易出错、工作量大等缺点,显著提高了设计人员效率。