盾构法在长距离地铁隧道施工轴线纠偏中的应用

盾构法在长距离地铁隧道施工轴线纠偏中的应用

马宝龙

中铁十九局集团轨道交通工程有限公司 100000

摘要：由于各种因素可能会导致隧道施工过程中产生偏移，而长距离地铁隧道施工中保持准确的轴线极为重要，因此本研究分析盾构法在长距离地铁隧道施工轴线纠偏中的应用效果，基于盾构法轴线纠偏工作原理设计纠偏曲线，确定纠偏曲线转角和纠偏速度，然后给出轴线纠偏关键技术，包括轴线规划和预测，定位系统安装与校准，监测与调整，导向装置设置等，实现施工轴线纠偏。实验结果表明，盾构法纠偏后横向和纵向位移量均得到了有效降低，且偏心度始终低于2mm，说明该方法可以应用于实际工程中。

关键词：盾构法；长距离地铁隧道；轴线纠偏；惯性导航系统

中图分类号：U455.43文献标识码：A

0 引言

在地铁隧道施工过程中，轴线纠偏是一个关键环节[1]。轴线纠偏指的是在隧道施工过程中保持地铁隧道所需的正确位置和方向。由于地下隧道施工受到地质条件、复杂地下管线、土层变化等因素的影响，可能导致隧道轴线偏离设计要求。因此，轴线纠偏方法进行研究具有重要的现实意义。

现阶段，常用的轴线纠偏方法主要有目视调整法、反馈控制法和电子全站仪控制法等，其中，目视调整法是指通过观察地铁隧道的施工情况，进行人工调整。根据工程师的经验和判断，通过调整盾构机和相应部件的位置和姿态，实现轴线的纠偏。该方法主要依赖操作人员的经验和判断，存在主观性和个体差异的问题。不同的人对于轴线的调整可能产生不一致的结果，导致误差增大。反馈控制法是指利用激光扫描、激光定位等技术手段，将测量数据传输给控制系统，系统根据预设参数进行自动调整，实现轴线的纠偏。反馈控制法同样依赖于人工调整，工作人员可能存在操作失误或者感知误差，从而导致调整过程中的误差。全站仪控制法是指采用电子全站仪等高精度测量仪器，对地铁隧道进行三维测量和坐标控制。通过获取现场点位的测量数据，结合盾构机控制系统，实现轴线的准确纠偏[2-3]。电子全站仪控制法依赖于设备的精度和稳定性，如果设备本身存在问题或者使用不当，可能会引入更多的误差。

针对现有方法存在的问题，本文将盾构法应用至长距离地铁隧道施工轴线纠偏中，并通过实际工程验证其应用效果。

1  长距离地铁隧道施工轴线纠偏技术

1.1盾构法轴线纠偏工作原理

盾构法进行隧道轴线纠偏的原理是通过安装高精度定位系统在盾构机上，实时监测盾构机的位置和姿态，与预设轴线进行比对。当发现轴线偏离时，通过调整盾构机的推进方向、倾斜角度等参数来进行精确纠偏，使隧道的轴线保持在规划设计的范围内[4-5]。图1为纠偏平面示意图。

图1盾构纠偏平面示意图

在运用盾构机进行轴线纠偏的过程中，需要获取盾构机的偏移数据，这一过程需要依靠惯性导航系统（Inertial Navigation System，简称INS）和数据分析技术实现。运用惯性导航系统获取高精度的位移数据步骤如下。

1.1.1安装传感器

将加速度计和陀螺仪等传感器正确安装到被测物体上（盾构机），并确保传感器固定可靠并与被测物体保持良好的耦合。

1.1.2初始化校准

在使用之前，对传感器进行初始化校准，以消除初始误差。具体可将传感器放置在静止的环境中，进行零偏校准或方向角校准等操作。

1.1.3数据采集

启动惯性导航系统，开始采集传感器的数据。加速度计测量物体的加速度，陀螺仪测量物体的角速度，传感器采集的数据通常以连续时序的形式记录。

1.1.4运动姿态估计

利用传感器采集到的数据，通过运动姿态估计算法，推导出物体在三个轴上的姿态角度（俯仰、横滚、偏航）。

1.1.5积分计算

通过积分处理来计算物体的位移。根据运动姿态估计得到的角度，将加速度转换为物体在空间坐标系中的加速度，并进行积分计算得到位移。

1.1.6误差补偿

惯性导航系统在长时间运行后可能会积累漂移误差。为了提高位移数据的精度，可以使用误差补偿方法，如零速度更新（Zero Velocity Update，ZUPT）等。这些方法通过参考其它传感器的数据（如GPS）或利用场景的约束信息，对INS的位移数据进行校正。

通过上述步骤可以获取盾构机的偏移数据，为轴线纠偏提供可靠的数据基础。

1.2纠偏曲线设计

纠偏曲线设计在盾构隧道施工中起到了关键作用，它可以确保隧道轴线在施工过程中保持准确的轨迹。本文主要设计圆曲线，圆曲线通过变化半径来实现轴线的调整。当盾构机运行到需要纠偏的位置时，可以逐渐增大或缩小半径以将轴线引导回原定方向。

在纠偏曲线设计中，首先，通过实地勘察和监测数据，确定需要进行纠偏的位置和范围。同时，进行详细的地质调查和分析，了解地层情况、地下水位、岩性特征等因素。然后，基于纠偏需求计算出所需圆曲线的转角，表达式如下：

（1）

式中，表示的是圆曲线长度；表示的是圆曲线起始半径；表示的是圆曲线结束半径，二者的表达式如下：

（2）

（3）

式中，表示的是轴线偏差；表示的是曲率。

考虑到施工效率和安全性，根据纠偏需求和工程要求，确定合适的纠偏速度：

（4）

式中，表示的是纠偏时间。

1.3轴线纠偏关键技术

基于盾构法轴线纠偏工作原理与纠偏曲线设计结果，研究轴线纠偏关键技术，当使用盾构法进行长距离地铁隧道施工时，轴线纠偏具体步骤如下：

1.3.1  轴线规划和预测

在开始施工之前，需要进行详细的轴线规划和预测。使用全站仪进行初始测量，获取初始参数，包括隧道的起止点、转弯半径、坡度等参数，以及预测可能的轴线偏移情况，通过分析盾构机施工过程中的位移和倾斜情况，校正和修正之前的轴线规划，预测隧道的中轴线位置和姿态，以此制定相应的纠偏方案。

1.3.2  定位系统安装与校准

在盾构机上安装定位系统，包括全球定位系统（GPS）、激光测距仪等设备，GPS接收器可以通过接收卫星信号来获取盾构机的位置信息，激光测距仪可以测量盾构机的前进距离。然后对这些定位设备进行校准和调试，以确保其精确度和可靠性。

1.3.3  监测与调整

随着盾构机推进，定位系统会实时监测盾构机的位置和姿态。通过监测设备采集实时数据，将数据传输至监控系统。监控系统会对数据进行处理和分析，比较实际数据与预期值之间的差异，并生成监测报告或图形化显示。通过与预先设定的理想轴线进行比对，确定是否存在轴线偏移，如果轴线偏移较大，就需要进行调整。

1.3.4  导向装置设置

在盾构机前端设置导向装置，如导向车或导向圈等。导向装置会与隧道壁面产生摩擦力或与导向轨道相互作用，实现轴线的精确定位和微调。

1.3.5  土体补偿措施

在轴线偏移较大的区域，可以提前注入水泥浆等材料，填补隧道壁与盾构机之间的空隙，从而减少土体的变形和不均匀支撑，降低轴线偏移的风险。

1.3.6  实时监测和调整

在整个施工过程中，持续进行定位和导向监测，并及时调整盾构机的行进方向和姿态，以确保轴线的准确性。

2  实例分析

为了验证盾构机的纠偏效果，以某长距离地铁隧道施工项目为例，展开实例分析。

2.1工程概况

某长距离地铁隧道施工项目预计总工期为3年，施工区域主要由粉砂岩和页岩组成，地层较坚硬，存在一定程度的节理和岩层断裂，隧道长度为20km，直径为8m，通过盾构法进行施工，表1为所用盾构机的具体参数。

表1盾构机参数

2.2纠偏效果验证

盾构机在施工过程中需要保持准确的轴线，以确保隧道的建设质量和运行安全。为了验证轴线纠偏的效果，将隧道施工段分为5个部分，通过测量在不同施工阶段盾构机的前进方向下的轴线纵向位移和横向位移来评估纠偏效果，结果如表2所示。

表2 轴线纵向位移和横向位移

由表2中的数据可知，针对不同的施工段，采用盾构机进行轴线纠偏后，不论是纵向位移还是横向位移，均得到了较大程度的降低，其中，施工段5的纵向位移纠偏效果最好，纠偏后位移量降低了139.5mm，施工段3的横向位移纠偏效果最好，纠偏后位移量降低了188.1mm。由此可知，盾构法在长距离地铁隧道施工轴线纠偏中的应用效果较好，能够有效降低轴线位移量，提高工程施工的安全性。

除此之外，还可以通过偏心度评估纠偏效果，偏心度是指隧道开挖轴线与设计位置之间的偏离程度。通过测量盾构机掘进后的隧道截面的中心位置，并与设计的中心位置进行比较来评估纠偏效果。较小的偏心度表示轴线纠偏得较好。为了提升实验结果的可信度，将目视调整法、反馈控制法作为对比方法，与盾构法进行对比，结果如图2所示。

图2不同方法的偏心度对比结果

由图2中的实验结果可知，采用盾构法对隧道轴线进行纠偏时，其偏心度始终低于2mm，而目视调整法的偏心度最高值达到了5.2mm，反馈控制法的偏心度最高值达到了6.9mm，视调整法和反馈控制法的偏心度最低值分别为3.8mm和2.8mm。通过对比可知，盾构法的纠偏效果更好，其能够有效降低偏心度，进而保障长距离地铁隧道施工安全。

综合分析上述实验结果可知，与现有方法相比，盾构法能够实现对长距离地铁隧道施工轴线横向位移和纵向位移的有效纠正，且该方法下隧道开挖轴线与设计位置之间的偏离程度较低，由此可知，该方法可以保证施工安全，具有一定的实际应用价值。

3  结论

轴线纠偏技术是盾构法应用的关键环节，它在施工过程中发挥着重要的作用。通过本文研究结果可知，盾构法在长距离地铁隧道施工轴线纠偏中的应用，无疑提高了地铁建设的质量和效率。通过精确的导向系统和控制技术，盾构机能够准确地推进和掘进，保证隧道施工的精确性和安全性。未来的研究重点将放在开发更为智能化和自动化的盾构系统上，通过引入机器学习、人工智能等先进技术，实现自动化的轴线纠偏过程，减少人工操作和干预，提高施工效率和精度。

参考文献

[1]姚江,王建,程军振.全站式陀螺仪在长距离盾构法隧洞中的应用[J].云南水力发电,2021,37(3):82-85.

[2]王旭.地铁区间隧道盾构法掘进施工技术设计与应用研究[J].工程技术研究,2023,8(5):83-85.

[3]邬泽,顾福霖,付艳斌.采用压密注浆定量纠偏运营地铁盾构隧道技术研究[J].现代隧道技术,2023,60(2):185-193.

[4]朱旻,龚晓南,高翔,等.盾构隧道注浆纠偏模型试验研究[J].铁道科学与工程学报,2020,17(3):660-667.

[5]董敏忠.注浆纠偏隧道水平位移的数值模拟[J].建筑科学与工程学报,2021,38(6):138-146.