单洞双线大直径铁路盾构隧道掘进施工定位方法

摘要

本发明公开了一种单洞双线大直径铁路盾构隧道掘进施工定位方法，通过拟合方法原理、各自的假设条件及各方法计算结果验证对比，综合精度要求、通用性及可操作性，经工程实践验证，采用了逐点偏移法或公式法，对单洞双线大直径铁路盾构隧道掘进施工进行定位。本发明的施工定位方法使用方便、定位精度高、施工成本低，可适用于单洞双线大直径盾构隧道的掘进施工定位。

说明书

技术领域

本发明涉及一种单洞双线大直径铁路盾构隧道掘进施工定位方法，应用于单洞双线大直径铁路盾构掘进施工过程中的平面及高程定位。

背景技术

随着城市轨道交通、铁路建设的快速发展，单洞双线大直径盾构隧道在城市地下工程中的应用越来越广泛。该类隧道设计时，由于线路左线中线与线路右线中线在曲线段线路长度的不同，导致左右线的直缓点（缓直点）、缓圆点（圆缓点）里程不同，相应的线路左右线中线之间的间距也在没有规律的变化，隧道中线与线路左（右）线中线的关系也在不断的变化。隧道在曲线地段掘进时，由于缓和曲线、圆曲线的存在，隧道掘进定位困难，常常导致盾构掘进过程中轴线出现较大偏差。为使盾构掘进过程中线路平面和高程定位满足设计要求，有必要研究单洞双线大直径盾构掘进施工定位方法，从而简化盾构隧道掘进定位程序，提高效率，确保掘进线路准确，提高管片拼装质量。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种高效精准的单洞双线大直径铁路盾构隧道掘进施工定位方法。

本发明为解决这一问题所采取的技术方案是：

一种单洞双线大直径铁路盾构隧道掘进施工定位方法，关键是曲线段，特别是缓和曲线段的掘进定位比较复杂。竖向高程确定比较简单，平面坐标比较麻烦。该方法包括如下步骤：

 首先，拟定盾构隧道内轮廓。根据铁路建筑限界轮廓、施工误差、隧道内设备管线布设及测量误差，并考虑工程经济性，拟定盾构隧道结构内轮廓；

其次，推算直线段隧道中线坐标。在直线段，隧道中线与线路左（右）线中线是定值，根据直线段的线间距及左、右线中线坐标，推算直线段隧道中线坐标；

再次，推算圆曲线段隧道中线坐标。根据左（右）线线路曲线要素、左右线中线之间的线间距、曲线段轨道超高设计值，结合盾构隧道建筑限界及内轮廓、隧道内设备管线布设情况，确定圆曲线段隧道中线与线路左（右）线中线之间的距离，并推算圆曲线段隧道中线坐标；

最后，计算缓和曲线段隧道中线坐标。根据直线段、圆曲线段隧道中线与线路左（右）线中线之间的距离、线路左（右）线中线坐标，采用公式法或逐点偏移法，计算确定缓和曲线段隧道中线的平面坐标；结合线路竖向曲线，根据轨面线与隧道中线的竖向距离，计算盾构隧道中线的竖向高程。

盾构隧道掘进施工定位的竖向高程推算比较简单，平面坐标的推算比较麻烦。对平面坐标的推算：在直线段和圆曲线段，根据隧道总线与线路左（右）线中线的距离，即可推算隧道中线的平面坐标；在缓和曲线段，隧道中线与线路左右线中线的距离是变化的，采用公式法或逐点坐标法，可推算隧道中线坐标。

公式法是根据隧道中线与线路左（右）线中线的位置关系，利用积分形式，推导偏移后，确定盾构隧道缓和曲线段的隧道中线坐标；隧道中线坐标的计算公式为：

l—计算点到缓和曲线ZH点的曲线长，

α=atan((本计算点中线坐标x-上一计算点中线坐标x’)/( 本计算点中线坐标y-上一计算点中线坐标y’))。

逐点偏移法是对线路左（右）线中线在缓和曲线段及圆曲线段进行逐点分割，分割需要满足盾构掘进控制点的距离要求，然后按照偏移原则，对各控制点进行逐点偏移，偏移后的坐标即为曲线地段隧道中线的坐标。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明通过拟合方法原理、各自的假设条件及各方法计算结果验证对比，综合精度要求、通用性及可操作性，经工程实践验证，采用了逐点偏移法或公式法，对单洞双线大直径铁路盾构隧道掘进施工进行定位。本发明的施工定位方法使用方便、定位精度高、施工成本低，可适用于单洞双线大直径盾构隧道的掘进施工定位。

附图说明

图1是本发明的直线段盾构隧道内轮廓图；

图2是本发明的曲线段盾构隧道内轮廓图；

图3是本发明的平面曲线盾构掘进中心线和线路线关系图；

图4是本发明的盾构隧道中线与左线间距里程变化关系图；

图5是本发明的逐点偏移法偏移原理图；

图6是本发明公式法曲线地段计算关系图。

附图中主要部件符号说明：

1：建筑限界           2：接触网

3：灯具               4：电力支架

5：配电箱             6：消火栓箱

7：消防水管           8：通信漏缆。

具体实施方式

以下参照附图和具体实施例对本发明的单洞双线大直径铁路盾构隧道掘进施工定位方法进行详细的说明。下面描述的具体实施例仅是本发明的最佳实施方式，而不能理解为对本发明的限制。

盾构法是一种依赖机械设备比较强的修建隧道的方法，其掘进定位主要通过盾构机轴线（即隧道中线）与线路左右线中线的相互位置关系确定。单线盾构隧道掘进施工定位相对简单，应用也比较普遍。单洞双线盾构隧道掘进定位较复杂，特别是在曲线段，需要考虑隧道建筑限界及内轮廓、曲线段隧道加宽、隧道内设备管线布设、左右线曲线要素（左右线不是同心圆）等因素，很难采用传统方法来确定隧道中线位置，在隧道内轮廓比较紧凑的情况下更困难。

在盾构隧道设计中，根据盾构隧道的最小曲线半径确定隧道的加宽值，进而确定盾构隧道的内轮廓，该内轮廓在整个盾构隧道全长范围内是固定的，所以，在曲线段，只能通过改变隧道中线与线路左右线中线的相互距离，来达到加宽的目的。传统的隧道中线相对线路左右线中线位置的偏移方法不仅复杂繁琐，而且难度很大。

本发明的单洞双线大直径铁路盾构隧道掘进施工定位方法，首先，根据铁路建筑限界轮廓、施工误差、隧道内设备管线布设及测量误差，并考虑工程经济性，拟定盾构隧道结构内轮廓；其次，根据直线段的线间距及左、右线中线坐标，推算直线段隧道中线坐标； 再次，根据左（右）线线路曲线要素、左右线中线之间的线间距、曲线段轨道超高设计值，结合盾构隧道建筑限界及内轮廓、隧道内设备管线布设情况，遵循“隧道建筑限界在隧道内居中布设”的原则，确定圆曲线段隧道中线与线路左（右）线中线之间的距离，并推算圆曲线段隧道中线坐标；最后，根据直线段、圆曲线段隧道中线与线路左（右）线中线之间的距离、线路左（右）线中线坐标，采用公式法或逐点偏移法，计算确定缓和曲线段隧道中线的平面坐标；结合线路竖向曲线，根据轨面线与隧道中线的竖向距离，计算盾构隧道中线的竖向高程。

1、圆曲线段盾构隧道中线偏移值的确定

圆曲线段盾构隧道中线是在直线段隧道中线的基础上，考虑圆曲线段的轨道最大超高，并考虑建筑限界与盾构内综合管线的距离确定。

具体方法如下所述：

（1）直线段隧道内轮廓确定

隧道内轮廓的确定是根据隧道建筑限界、隧道衬砌在施工和使用期间的结构变形及不均匀沉降、盾构推进过程中的蛇形误差、管片拟合误差及测量误差等，并结合工程造价、设备和管线的安装要求，拟定圆形结构断面内轮廓。

（2）圆曲线段隧道内轮廓

由于轨道设计超高的影响，圆曲线段内轮廓确定的原则是：以左线内侧轨道顶为基准，将外侧轨道抬高至设计轨道超高，同时车辆限界、建筑限界随着轨道超高的变化相应调整位置，控制隧道建筑限界与隧道内部综合管线的距离相等，从而确定圆曲线段隧道内轮廓。

2、平曲线加宽设计

单洞双线隧道在曲线段线路左右中线长度的不同，直缓点（缓直点）、缓圆点（圆缓点）里程不同。一般情况下，左右线之间的线间距从直线段到圆曲线段是不断增大的，隧道中线与线路左（右）线中线的间距也在不断变化。位于曲线段的隧道建筑限界在直线段的基础上，按不同的曲线半径和超高，分别进行相应的加宽和加高。线间距按每环管片对应里程的线间距选取，轨道超高设置采用外轨抬高的全部超高。

盾构隧道曲线段是采用移动隧道中心线的方法来代替线间距加宽，即通过改变隧道中线与线路左（右）线中线的相互距离，来达到加宽的目的。

平曲线加宽时线路偏移的原则是：圆曲线段及缓圆点（圆缓点）向缓和曲线方向延伸13m的范围内，隧道中线偏移量为圆曲线段计算偏移量；除直缓点（缓直点）向直线方向22m范围外的直线段，隧道中线偏移量为直线段计算偏移量，其余位置隧道中线的偏移量按上述两计算值的线性内插计算。

3、掘进定位设计

1）平面坐标

平面坐标确定时，首先根据盾构始发段负环管片的数量及位置，推算第一环（或曲线段）掘进管片的里程，结合盾构掘进进尺、隧道中心线与线路左（右）线的相互位置关系，按每管片环宽逐个推算隧道中线平面坐标。

2）高程

根据线路纵断面，结合竖曲线段的修正高程，计算每环管片宽度对应里程处的轨面高程。用轨面高程推算隧道中线高程（隧道圆心与轨面高程的距离是固定的）。

图1为直线段盾构圆形断面综合管线断面布置，同时确定了直线段左（右）线中线与隧道中线的位置关系。图2为圆曲线段盾构圆形断面综合管线断面布置。图3为平面曲线隧道中心线和线路左（右）线中线平面图，图4为隧道中线与左（右）线中线间距随里程的变化关系图，图3和图4表示了隧道中线偏移、圆曲线段向缓和曲线方向偏移、缓和曲线段向直线方向偏移的起终点。

表1为隧道中线坐标计算表，表示了根据线路左（右）线中线坐标推算的隧道中线坐标的方法，即为施工期间的盾构掘进中线和左（右）线中线平面定位坐标。

表1盾构隧道中线坐标推算表

本发明的一个具体实施例如如图1~4、表1所示，具体实施步骤如下：

1、根据铁路建筑限界轮廓、施工误差、隧道内设备管线布设及测量误差，并考虑工程经济性，拟定盾构隧道结构内轮廓；

2、根据线路左右线中线线间距，结合盾构隧道内轮廓，确定直线段隧道中线与线路左（右）线中线的偏移距离；

3、分析线路曲线要素，根据线路左右线线间距、曲线段轨道超高设计值，结合盾构隧道内轮廓，确定圆曲线段隧道中线与线路左（右）线中线的偏移距离；

 4、按照如下原则进行线路平曲线段加宽设计：圆曲线段及缓圆点（圆缓点）向缓和曲线方向延伸13m的范围内，隧道中线偏移量为圆曲线段计算偏移量；除直缓点（缓直点）向直线方向22m范围外的直线段，隧道中线偏移量为直线段计算偏移量，其余位置隧道中线的偏移量按上述两计算值的线性内插计算。

5、根据盾构隧道掘进第一环管片的坐标，采用公式法或逐点偏移法，先确定隧道中线的平面坐标；然后，根据隧道段线路的竖向曲线、轨面线与隧道中线的距离，计算确定隧道中线的竖向高程。

本发明通过拟合方法原理、各自的假设条件及各方法计算结果验证对比，综合精度要求、通用性及可操作性，经工程实践验证，采用了逐点偏移法或公式法，对单洞双线大直径铁路盾构隧道掘进施工进行定位。本发明使用方便、定位精度高、施工成本低，可适用于单洞双线大直径盾构隧道的掘进施工定位。