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·中国铁建重工集团有限公司专题·盾构机纠偏线路设计贺泊宁(中国铁建重工集团有限公司长沙410100)摘要为了控制盾构机按照隧道设计轴线掘进，当盾构机实际位置与设计轴线偏差过大时，需要进行纠偏。为防止纠偏过度产生蛇形掘进，就要设计最优的纠偏曲线。对纠偏曲线设计的约束条件进行分析，通过推导建立了纠偏曲线模型。关键词盾构机纠偏曲线轨迹规划中图分类号U455．43文献标识码A文章编号1009-4539(2012)10-0032-03ShieldMachineCorrectiveCircuitDesignHeBoning(ChinaRailwayConstructionHeavyIndustryGroupCo．Ltd．，Changsha410100，China)AbstractToensuretheshieldmachinetunnelalongtheaxisofthetunneldesign，whentheactuallocationanddesignoftheshieldmachineaxisdeviationgoestoolargeandneedstobecorrected，itisnecessarytodesigntheoptimalcorrectivecurvetopreventovercorrectiontunnel．Thisarticleanalyzescorrectivecurvedesignconstraintsandestablishescorrectivecurvemodelbyderivation．Itprovidesareferenceforthecorrectioncurvedesignoftheshieldmachine．Keywordsshieldmachine;correctivecurve;trajectoryplanning等因素的影响会导致盾构机掘进时的受力不均匀，1引言掘进中产生偏差。随着我国地铁建设事业的高速发展，盾构法施2．2盾构机设备影响工隧道越来越多。在盾构法施工中，为保证施工质由于盾构机设备的尺寸、调节精度等因素的限量，必须对隧道的轴线进行良好的控制，实时性纠制，掘进时不能完美地达到盾构操作者所希望的掘偏曲线设计就是一个必须解决的问题。进位置，而产生偏差。盾构法施工过程中，常常由于地质情况变化、2．3纠偏策略影响盾构旋转等因素导致盾构偏离设计线路。为保证盾构机操作者由于自己的经验情况，当盾构机按照设计线路进行掘进，就需要进行纠偏。而在纠产生偏差后，自身对纠偏策略的选择不同，会导致偏过程中，由于对纠偏线路的选择不当，常导致过纠偏效果不同。对于一个经验缺乏的盾构机操作纠偏，使盾构机蛇形掘进，这样成型的隧道容易产者，很可能在针对之前的偏差情况下，过渡纠偏，反生管片破裂、错台、隧道渗水等诸多问题。因此，实而产生更为严重的二次偏差，造成姿态失控，如图1时设计纠偏曲线，进行掘进纠偏指导就十分必要。所示。2偏差产生原因2．1地质因素影响在实际掘进中，由于土体不均，上软下硬、溶洞收稿日期:2012-08-15图1蛇形掘进32铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2012(10) ·中国铁建重工集团有限公司专题·的精确控制问题，这受到盾构机尺寸和掘进精度3关键技术影响。盾构机纠偏，实际上要解决的就是盾构机“从4纠偏曲线需满足的条件哪里来”和“到哪里去”以及“怎么去”的问题。首先就需要两方面的数据，一是盾构当前位置数据，这当我们明确了“从哪里来”和“到哪里去”之后，是“从哪里来”的问题;二是隧道设计轴线，这是“到所要解决的就是“怎样去”的问题。“怎样去”就是哪里去”的问题。其次是纠偏曲线轨迹规划，以及寻找一条曲线尽快使得盾构机从当前位置回到隧人机交互，盾构控制技术，这是解决“怎么去”的问道设计轴线上，这条曲线要根据盾构机的位置和姿题。盾构机纠偏的关键技术见图2。态的几何属性，最终得到一条连接始末状态的光滑的几何曲线，这一过程中不需要考虑盾构机的动力学特性。纠偏曲线设计是一种形式的路径规划，生成满足系统约束条件的运动时间序列，最终到连接始末状态的光滑运动轨迹。这一过程中就要解决盾构图2盾构机纠编的关键技术机纠偏过程中要满足的约束条件。在这里所需满3．1盾构机精确定位技术足的约束条件，实际上就是对最小转弯半径的约束。重点利用具有多传感器测量的自动导向系统纠偏曲线的最小转弯半径受到三个条件约束。实现。自动导向系统是自动测量盾构机位置的测(1)盾构机最小转弯半径量系统。主要由全站仪，棱镜，倾斜仪，工控机等组盾构机的最小转弯半径主要受铰接约束，前盾成。通过实时测量盾构机上的棱镜，计算出盾构机中盾尾盾间的铰接油缸限制着转弯情况。现在常的位置姿态数据，提供给盾构操作员。用的盾构机的最小转弯半径满足250m的转弯3．2盾构机隧道设计轴线由设计院提供半径。隧道设计轴线分为平面线形与纵面线形:平面(2)管片的最小转弯半径线形是指在水平面上的投影形状;纵面线形是指在现在常用的管片为楔形的通用管片，管片的最纵剖面上的起伏形状。线形要素则是指构成平面小转弯半径受到管片的楔形量的限制。常用的管线形及纵面线形的几何特征值。平面线形的线形片转弯半径满足最小转弯半径200m。要素为直线、圆曲线及缓和曲线，而纵面线形的线(3)隧道线路的最小转弯半径形要素有直线和圆曲线。3．3纠偏曲线轨迹规划技术隧道线路设计的最小转弯半径，主要受到行车重点解决纠偏曲线规划的实时性、盾构受环境尺寸和行车安全的要求限制。根据GB50157－约束的问题，确保生成符合约束条件的最快回到设2003的要求通常情况为300m，见表1。计轴线上的纠偏曲线。表1最小曲线半径3．4人机交互技术一般情况/m困难情况/m重点解决盾构机纠偏过程中与盾构操作员的线路A型车B型车A型车B型车友好交互问题，使盾构操作员能够实时了解当前盾构机的位置姿态等参数，纠偏过程全程受到盾构操V≤80km/h350300300250正作员的监控。线80km/h＜V≤5505004504003．5盾构控制技术100km/h重点解决在推进过程中对盾构机速度和方向注:除同心圆曲线外，曲线半径应以10m的倍数取值铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2012(10)33 ·中国铁建重工集团有限公司专题·由于这三个转弯半径中隧道线路的最小转弯式中，x，y为盾构机纠偏曲线上的点的坐标，a，b，c，半径最大，所以设计一条曲率半径大于隧道最小转d为待求参数。弯半径的线路即可满足纠偏要求。这样就是要找设盾构机当前位置为(x1，y")，回到隧道设计轴一条连接始末状态的光滑几何曲线，这条曲线的曲线上的点为(x2，y2)，则根据条件(1)有:率半径要大于隧道最小转弯半径，并末位状态是要32y1=ax1+bx1+cx1+d(3)能最快回到隧道设计轴线上来。y=ax3+bx2+cx+d(4)22225模型建立y2=f(x2)(5)根据条件(2)、条件(3)和条件(4)有:隧道曲线通常分为平曲线与竖曲线，在计算时"2y1=3ax1+2bx1+c(6)需要分别进行计算。这里以平曲线为例进行模型""2f(x2)=y2=3ax2+2bx2+c(7)建立，竖曲线与平曲线计算方式相同，仅曲线的判根据条件(5)，有:定条件中曲率半径有所不同。3"2(1+y)2ρ=(8)对盾构机进行纠偏，使得盾构机能够从当前偏y″离的位置回到隧道设计轴线上，所设计的纠偏曲线式中，ρ为纠偏曲线的曲率半径，即必须要求ρ＞Rmin。就需要满足的条件，用模型形式表述如下:22这样以槡(x1－x2)+(y1－y2)取最小值时(1)纠偏曲线的起始点是盾构机当前点，纠偏为最优条件，根据以上约束条件即可求出最快回到曲线的终止点是隧道设计轴线上的某一点。隧道设计轴线上的纠偏曲线。(2)纠偏曲线是一条连续的曲线。(3)纠偏曲线是平滑的，即斜率是连续的。6结束语(4)纠偏曲线在起始点的斜率和盾构机当前位在盾构法施工中，当盾构偏离隧道设计轴线置的斜率相同，纠偏曲线在终止点的斜率和所到达时，盾构机操作员往往根据个人经验进行纠偏。这的隧道设计轴线上的某点的斜率相同。样的纠偏线路受经验的影响很大，常常产生蛇形线(5)曲率满足盾构机前进的条件。即曲率半径路，既不利于工程的施工效率，同时也增加工程技大于盾构机的最小转弯半径，同时大于管片的最小术人员的工作强度。隧道纠偏曲线的设计可以对转弯半径。掘进偏离后的盾构机进行纠偏指导，提高工程施工(6)纠偏曲线需要是满足以上条件的曲线中能质量。够最快回到隧道设计轴线上的一条曲线。本模型结构简单，易于计算机实现，可以提供满足以上条件的有辐射螺旋线和三次抛物线。纠偏信息供盾构机操作者参考，以指导盾构机操作其中，三次抛物线计算方便，这里选用三次抛物线者及时调整盾构机方向，提高隧道轴线的施工质量进行盾构机纠偏线路设计。和施工效率。在这里以平曲线为例进行计算，设盾构机隧道平面设计轴线为:参考文献y=f(x)(1)1高春香，朱国力，潘明华，等．盾构施工中的隧道轴线纠偏式中，x，y为隧道设计轴线的平面坐标。判别算法［J］．现代机械，2004(5)盾构机纠偏曲线为:2单恩忠．基于微分平坦与样条理论的自主泊车轨迹规划32y=ax+bx+cx+d(2)［D］，长沙:国防科学技术大学，200934铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2012(10)