第 6 期刘春等 : 长距离隧道盾构管片选型模型与系统实现 113 曲线段 [2] 在施工时每一管片动态地根据现场情况计算出旋转角度以确定其拼装位置, 这一过程称为管片选型当前, 国内对管片的选型问题研究较多, 文献 [3] 中的选型模型是首先根据通用管片的楔形量计算得到管片对应不同旋转角度的楔

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件石
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1 第 28 卷第 6 期 2008 年 12 月 JOURNALOFGEODESYANDGEODYNAMICS Vol.28No.6 Dec.,2008 文章编号 : (2008) 长距离隧道盾构管片选型模型与系统实现刘春荆毅王解先 ( ) 姚连璧 1) 同济大学测量与国土信息工程系, 上海 ) 现代工程测量国家测绘局重点实验室, 上海摘要以隧道盾构中通用楔形管片的选型为研究对象, 推导了基于坐标转换和平面拟合的管片选型数学模型以及轴线偏差量的计算公式并针对该模型, 给出了选型系统的软件实现, 并以上海长江隧道一组盾构数据为例, 验证该模型的可行性以及在快速纠偏中的良好效果关键词盾构 ; 通用楔形管片 ; 坐标转换 ; 平面拟合 ; 轴线偏差中图分类号 :P207 文献标识码 :A RINGSPREDICIONMODELINCONSRUCIONOFLONG DISANCE UNNELSHIELDANDISCOMPUERSYSEM REALIZAION LiuChun,JingYi,WangJiexian andyaolianbi ( ) 1)DepartmentofSurveyingandGeo Infomatics,ongjiUniversity,Shanghai )KeyLaboratoryofAdvancedEngineringSurvey,SBSM,Shanghai Abstract hispaperdiscribesthestudyontheringspredictioninconstructionoflong distancetunnelshield, aringspredictionmodelbasedoncoordinatetransformationandplanefitingisestablished,andacomputeranalysis systemisthenestablishedforthemodelaswel.intheend,throughtheanalysisofapracticalcaseinshanghai CrosYangtzeRiveunnel,themodelisprovedtobefeasibleandcangivethegoodresultsinquickly rectifying deviations. Keywords:tunnelshield;universalwedge shapedsegment;coordinatetransformation;planefiting;axiallinede viation 1 引言随着科学技术的发展和人类文明的进步, 城市地下空间的利用在加强城市功能改善城市环境实现城市集约化和可持续发展中将发挥越来越重要的作用而盾构 ( 机 ) 作为现代地下工程中的重要施工机构, 在地下空间开发中起着举足轻重的作用目前盾构已广泛地应用于城市地铁隧道市政公用隧道越江越海交通隧道水利电力隧道和铁路公路隧道工程建设中 [1] 而在现代的地 ( 土 ) 层盾构的衬砌过程中, 通用管片已被越来越多的采用所谓通用管片, 就是所有的管片环只有一种形式, 管片本身具有一定的楔形量, 利用这个特点既可以模拟直线段, 也可以模拟收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金 ( ); 上海市科学技术委员会长江隧道项目作者简介 : 刘春,1973 年生, 男, 副教授, 工学博士, 主要从事精密测量数据处理研究. liuchun@mail.tongji.edu.cn

2 第 6 期刘春等 : 长距离隧道盾构管片选型模型与系统实现 113 曲线段 [2] 在施工时每一管片动态地根据现场情况计算出旋转角度以确定其拼装位置, 这一过程称为管片选型当前, 国内对管片的选型问题研究较多, 文献 [3] 中的选型模型是首先根据通用管片的楔形量计算得到管片对应不同旋转角度的楔形量表, 然后根据此表在施工前对设计轴线进行拟合, 确定出所需管片的数量随着施工的进行, 则根据成环隧道的轴线与设计轴线的偏差, 参照楔形量表对管片进行动态调整, 在局部进行重新排版文献 [4,5] 在选型过程中使用了一定数量的楔形环 ( 转弯环 ) 配合标准环来拟合设计轴线文献 [6] 中主要对管片选型过程中的错缝拼装和智能优化方面做了相关的研究而目前已有的这些研究工作, 在施工过程中, 对动态管片的选型与实时校正中, 并不具有优势因此本文介绍一种基于坐标转换和平面拟合的动态管片选型模型, 并给出计算机选型系统的实现此方法可在整体排版的基础上兼顾局部的动态选型, 与其他方法相比, 拼装时无需制定管片楔形量表, 即可根据已有数据直接计算出未来多环按不同位置拼装时的轴线偏差, 因而更加方便灵活且若忽略施工中的误差, 在选型计算中可以精确控制轴线拟合误差的大小, 因而精度更高基于坐标转换和平面拟合的选型模型可简单描述为 : 假设管片以窄边在上的姿态已与拼装面贴合, 首先在待拼装管片的外平面上取拟合点 ; 然后以贴合面的法向量为轴将其顺时针旋转, 每旋转一定角度即管片处于某一拼装位置时, 用拟合点拟合出对应当前拼装位置的管片外平面, 并计算出外平面中心相对于设计轴线偏差量 ; 重复以上步骤, 求出对应所有拼装位置的全部偏差量, 如不考虑其他因素, 偏差量最小时对应的拼装位置即为所求的最优拼装位置 2.2 选型模型坐标系 1) 管片拼装坐标系在待拼装的管片的外平面上, 如图 2 所示, 从管 π 片的最窄处顺时针方向每隔角度取点 p 2 1 p 2 p 3 和 p 4 作为平面拟合点, 且管片外平面中心设为 2 为确定 p 1 p 2 p 3 p 4 和 2 点的施工坐标系坐标, 建立管片拼装坐标系 1 -xyh, 原点为拼装面中心点 1,x 轴在拼装平面内且指向管片的最薄处,h 轴为拼装面法向量的方向且与盾构方向相反,y 轴在拼装平面内且与 x 轴 h 轴共同组成左手系 ( 图 2) 2 管片选型模型 2.1 选型模型盾构隧道的设计轴线可以看作是一系列单位长度的矢量段首尾相接形成的矢量链, 管片选型的目的就是在一定施工条件下, 用一系列管片中心矢量首尾相接形成的矢量链拟合设计轴线形成的矢量链, 找到两个矢量之差最小时对应的拼装方法, 如图 1 所示 : 图 2 管片拼装坐标系 Fig.2 Asemblingcoordinatesystem 图 1 管片选型原理 Fig.1 heoryofringsprediction 2) 管片临时坐标系为确定 p 1 p 2 p 3 p 4 和 2 点的管片拼装坐标系坐标, 建立管片临时坐标系 1 -x y h, 原点仍为拼装面中心点 1,x 轴竖直向上指向管片的最薄处, h 轴为管片的中心向量方向且与盾构方向相反,y 在拼装面内与 y 重合且与 x 轴 h 轴共同组成左手系 ( 图 3)

3 卷图 3 管片临时坐标系 Fig.3 emporarycoordinatesystem 2.3 管片选型的解算 1) 拟合点的计算从图 3 可知, 点 p 1 p 2 p 3 p 4 和 2 的管片临时 [ -D+ d 4] [ ] 坐标系坐标分别为 : Radi 0 [ 0 -Radi - ] D -Radi 0 -D- d 4 [ 0 Radi -D ] 和 [ 0 0 -D ] 其中,d 为管片的楔形量,Radi 为管片外径,D 为管片中心长度管片临时坐标系 1 -x y h 坐标与管片拼装坐标系 1 -xyh 坐标的关系为 : x cos(-β) 0 sin(-β) y = y (1) -sin(-β) 0 cos(-β ) h x 式中,β=tan -1 d/4 Radi 当管片处在 n 号时, 上式还需加上绕 h 轴的旋转角 γ, 从而得到管片旋转至 n 位时,p i 和 2 点的管片拼装坐标系坐标 : x cos(-γ) sin(-γ) 0 y = -sin(-γ) cos(-γ) cos(-β) 0 sin(-β) x y -sin(-β) 0 cos(-β ) h 式中,γ=n 2π M,M 为管片的全部位置数 (2) 由管片拼装坐标系与实际施工坐标系的关系, 则 p i 和 2 点的施工坐标为 : X Y = H X 1 Y 1 H 1 x +(e x e y e h ) y (3) 式中,(X 1 Y 1 H 1 ) 即拼装面中心点施工坐标, e x e y e h 分别为管片拼装坐标系中的 x 轴 y 轴和 h 轴在施工坐标系中的单位方向向量对于初始环的选型计算,e x e y e h 可由盾构中实时提供的盾构机位置和千斤顶行程数据计算得到 ; 对于后续管片的选型计算, 以上参数可根据上一环所选位号对应的平面系数得到 2) 拟合平面的计算用上一节得到的拟合点施工坐标拟合对应不同拼装位置的管片外平面假设待拼装管片外平面的方程为 : ax+by+ch+d=0 (4) 式中,(a b c) 为平面的法线方向单位矢量 p i 点 ( X Y H ) 至平面垂直直线的方程为 : X=X +at } Y=Y +bt (5) H=H + ct 则,p i 点至平面的距离 t 可表示为 : t=-ax -by -ch -d (6) 按各观测点至平面的距离平方和为最小拟合, 建立误差方程为 : v i =-ax -by -ch -d (7) 条件式为 : a 2 +b 2 +c 2 =1 (8) 拟合中误差定为 0, 迭代至收敛即可求出参数 a b c d 3) 2 点相对于设计轴线偏差的计算遍历设计轴线数据, 依次取出其中第 i i+1 点坐标 (X i Y i H i ) (X i+1 Y i+1 H i+1 ), 得到 i 至 i+1 的直线方程 : X=X i +a 1 t } Y=Y i +b 1 t (9) H=H i +c 1 t a 1 = X i+1-x i ρ 式中, b 1 = Y i+1-y i,ρ 为 i 至 i+1 中心点的距离 ρ c 1 = H i+1-h i ρ 则过 2 点与直线垂直的平面可表示为 : a 1 X+b 1 Y+c 1 H+d 1 =0 (10) 式中,d 1 =-a 1 X 2 -b 1 Y 2 -c 1 H 2 将式 (9) 代入式 (10), 求直线与平面的交点, 并判断交点是否落在 i 点与 i+1 点之间, 如果是, 则停止遍历, 求出此时交点与 2 点之间的距离即 2 点相对于设计轴线的偏差量求出对应所有拼装位置的偏差量, 如不考虑其他因素, 偏差量最小时的对应的拼装位置即为所求

4 第 6 期刘春等 : 长距离隧道盾构管片选型模型与系统实现 115 的最优拼装位置 4) 连续拼装选择本环的拼装位号, 用所选位号对应的 p i 点拟合管片外平面, 将其作为下一环选型的拼装面, 将对应的 2 点作为拼装面的中心, 继续重复以上过程, 即可实现管片的连续选型 3 软件的实现与实例分析隧道盾构管片选型系统根据已知的设计轴线数据, 结合隧道盾构过程中实时提供的盾构机位置千斤顶行程信息和管片的基本参数, 综合分析得出选型结果系统采用图形界面, 分别显示出本环管片对应不同拼装位置的轴线偏差以及所拼全部管片的轴线偏差不但可以反映局部某环的偏差信息, 而且可以反映出所拼管片的整体趋势在选型过程中, 系统将选型计算中的计算数据实时保存入库, 便于将来资料的查询和整理 3.1 系统流程在隧道盾构管片选型系统中, 其系统分析流程主要包括 : 新建工程参数输入选型计算结果输出方面, 其系统分析流程如图 4 所示 : 映整个管片相对于盾尾的空间位置 ), 比较盾尾间隙值, 直接剔除导致盾尾间隙过小的拼装位号考虑错缝要求, 应将上一环所选位号予以剔除按上一节的分析流程得到首环管片选型结果如图 5 所示, 图中左侧的管片旋转示意图显示了管片旋转时对应的 19 个拼装位置, 其上方标有浅色圆盘表示此位置为首选位置, 黑色圆盘表示次选位置由图 5 分析结果可知综合考虑错缝盾尾间隙限差和轴线限差的要求后第位是本环的最佳拼装位置按照选型系统分析得到的选型结果, 重复选型, 并预测出未来十环管片的拼装位置, 得到所拼全部管片的轴线偏差量趋势, 如图 6 所示表 1 管片选型参数设置 ab.1 Predictionparametersseting 参数名称参数值参数名称参数值管片旋转角切口处里程 m 管片外径 15m 盾构机长度 m 管片内径 13.7m 盾壳内径 15.13m 管片中心环宽 2m 起始轴线偏右量 10mm 管片楔形量 40mm 起始轴线偏上量 10mm 图 5 首环管片选型结果 Fig.5 Resultofthefirstringprediction 图 4 系统分析流程 Fig.4 Flowchartofsystemanalysis 3.2 实例分析选取上海长江隧桥 ( 崇明越江隧道 ) 工程中的一组数据进行分析, 上海长江隧道起于浦东新区五好沟, 穿越南港水域在长兴岛西南方登陆, 全长 8.95 km, 其中穿越水域部分达 7.5km 隧道整体断面设计为上下的双管隧道, 两单管间净距约为 16m, 其选型参数设置如表 1 所示在管片圆周上每隔 0.5 将取点, 将 720 个点其投影至盾构机盾尾平面后, 分别求其与盾尾中心的距离, 进而可得管片以某位拼装时每点对应的盾尾间隙 ( 当拟合点的数量足够多时, 可以认为其能反图 6 所拼管片的轴线偏差量趋势 Fig.6 Deviationtrendoftheasembledrings

5 卷由图 6 分析结果可知, 对于拼装前轴线偏差量较大 ( 本例的初始偏右和偏上量都为 10mm) 的情况, 经过选型系统的选型计算可以迅速的把偏差纠正过来, 并在后续的拼装中, 使偏差量保持在一个理想的范围内上下波动 4 结论 1) 对于首环管片的选型计算, 在由已知的切口坐标和盾构机长度叠代盾尾坐标时需要求出叠代前后切口至盾尾的距离 ( 由切口坐标和盾尾坐标反算得到 ), 并将叠代的条件设为叠代前后两次距离改正量小于 mm 2) 选型计算中的对于管片平面的拟合, 叠代的条件应设为对于平面方程的任一系数叠代前后两次的改正量小于 ) 盾尾间隙的计算中, 将管片圆周上平均分布的 720 个点投影至盾尾平面分别求每点对应的盾尾间隙, 当拟合点的数量足够多时, 可以认为其能反映整个管片相对于盾尾的空间位置本文仅就平面拟合和坐标转换在通用管片选型中的应用作了一些探讨, 考虑到选型中的错缝要求, 本选型模型只是简单地将上一环所选位号剔除, 而实际的情况比较复杂, 通常要考虑到相邻两环甚至三环的通缝数量, 并可以允许相邻两环间 2~3 条的通缝因此根据盾构管片和设计轴线三者之间的关系, 可进一步可发展为对盾构姿态的控制此外, 选型系统的效率和精度之间的相互关系还有待在今后的实际运用中做进一步的调整和取舍参考文献 1 刘建航, 候学渊. 盾构法隧道 [M]. 北京 : 中国铁道出版社, LiuJianhangandHouXueyuan.Shieldmethodfortunnel construction[m].beijing:chinarailwaypublishinghouse, 1991.(inChinese) 2 赵国旭, 何川. 盾构隧道通用管片设计及应用 [J]. 铁道建筑技术,2003,2: ZhaoGuoxuandHeChuan.Designandapplicationofuni versalsegmentforshield driventunnels[j].railwaycon structionechnology,2003,2:5-8.(inchinese) 3 戴仕敏, 李章林, 何国军. 大型通用楔形管片拼装施工技术 [J]. 隧道建设,2006,26(4): DaiShimin,LiZhanglinandHeGuojun.Erectionconstruc tiontechnologyoflarge scaleuniversalwedge shapedseg ments[j].unne1construction,2006,26(4):64-67.(in Chinese) 4 周振国, 郭磊, 郭卫社. 盾构施工姿态控制和管片选型 [J]. 西部矿探工程,2002,5: ZhouZhenguo,GuoLeiandGuoWeishe.Atitude control andringspredictionforshield construction[j].west- ChinaExplorationEngineering,2002,5: (inChi nese) 5 高春香, 朱国力, 刘薇. 盾构施工中管片简易选取的程序实现 [J]. 现代机械,2004(3): GaoChunxiang,ZhuGuoliandLiuWei.heringspredic tionintheconstructionoftunnel[j].modernmachinery, 2004(3):1-3.(inChinese) 6 胡珉, 吴慧明, 李霞. 盾构法隧道施工管片错缝拼装动态智能优化 [J]. 计算机技术与自动化,2005,24(4): HuMin,WuHuimingandLiXia.Dynamicoptimizationof segmentarayusingbricklininginshieldtunneling[j]. ComputingechnologyandAutomation,2005,24(4): (inChinese) 液体静力水准仪及其应用书评由陈德福和聂磊研究员合著的液体静力水准仪及其应用一书即将由地震出版社出版发行该书重点介绍了作者主持研制的液体静力水准仪与三代水管倾斜仪的基本原理仪器结构创新技术及其在地壳运动倾斜潮汐形变地质灾害地震火山大坝核电站城铁隧道等精密工程诸领域的应用, 并用实例说明观测数据的日常分析处理, 以及工程安全地震火山等前兆异常的识别与提取方法该书理论与实践并重图文并茂内容翔实论述清晰它的出版填补了特殊精密水准仪测量领域图书的空白不仅对特种精密工程变形地震前兆监测具有很高的实用价值, 而且对地球科学灾害学天文学以及坝工技术等领域有着重要的科学意义, 是地震台站大坝监测人员有关大专院校师生的有重要指导意义的科技参考书

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