精密求解地铁盾构始发井洞门环中心方法研究

精密求解地铁盾构始发井洞门环中心方法研究
发布时间：2021-11-25T05:47:20.169Z 来源：《建筑设计管理》2021年7期作者：杨新1 吴玉泉2 张友2 朱小梅2 [导读] 盾构施工的初始阶段，自竖井内或过站竖井内的盾构主机开始定位，刀盘向前逐步推进贯入围岩，沿着预定的中
杨新1 吴玉泉2 张友2 朱小梅2
1、武汉城市建设集团有限公司，湖北武汉 430022）
2、武汉市市政建设集团有限公司，隧道工程公司，湖北武汉 430023）作者简介：杨新（1977），男，本科，高级工程师，从事建筑施工和管理相关工作。

摘要：盾构施工的初始阶段，自竖井内或过站竖井内的盾构主机开始定位，刀盘向前逐步推进贯入围岩，沿着预定的中心线向前掘进，直至具备拆除负环条件为止，称为盾构始发。

本文结合武汉市轨道交通19号线花山河站盾构洞门环施工测量为例，根据地铁盾构始发井施工特点，采用最小二乘法进行拟合空间平面，以空间平面为约束条件采用间接平差方法求解空间圆，得到了洞门环中心的三维坐标和半径。

通过实践验证了该方法适用于精密确定盾构隧道施工起初阶段的洞门环中心，能够提高定位精度和确保盾构机正常掘进。

关键词：洞门环中心盾构始发测量最小二乘法1 前言
盾构始发阶段先对始发井洞口端头进行处理，凿除洞门混凝土，下一步设计加工盾构始发基座，最后对始发基座进行定位安装，其中需要同时确保完成始发反力架、支撑系统、洞门环、盾构组装和盾构导向系统等的安装与调试。

目前国内暗挖隧道通常采用盾构法进行施工，而盾构始发姿态测量和洞门环的安装是盾构施工的重要程序，直接决定了盾构机能否顺利进洞，是盾构施工成败的一个标志 [1]。

洞门环测量主要包括横向偏差、竖向偏差和高程偏差[2]，工程实践中，通常将空间离散点拟合至空间平面上，并将该平面进行旋转平移，以平面圆拟合的方式求出其半径以及其在新坐标系中的圆心半径，再将其进行坐标旋转，以求得圆心的绝对坐标[3,4]。

本文直接对空间圆心坐标进行求解，省去了坐标转换，避免了坐标转换过程中的误差累积及精度损失。

2 工程概况 19号线工程起于国铁武汉站，终点至光谷保税区站。

标段内包括1站1区间1出入线，具体为花山河站（地下站），花山新城站（不含）至花山河站（盾构区间），花山车辆段出入段线（盾构和明挖区间）。

花山河车站结构型式主要为两层单柱双跨框架结构，局部为两层双柱三跨和单层四跨框架结构，共2个风亭组、4个出入口，均为地下一层结构。

3 最小二乘模型
地铁隧道施工中，盾构洞门环内缘是空间中的一个圆，为了提高测量精度，通常在洞门环上测一组点（xi，yi，zi）(i=1, 2, 3…n)。

当点数n大于3时，即存在多余观测，应采用最小二乘方法求解洞门环中心点三维坐标和洞门半径的最或然值。

洞门环的空间曲线方程[5,6]表示如下:
3 实例计算
本工程花山河站-花山新城站及花山河站-车辆段出入段线共有洞门环6个，现以花山河站-出入段线左线为例，对洞门环利用全站仪测量获取三维坐标，并通过最小二乘法进行解算检验。

表1 花山河站-出入段线左线洞门环中心绝对坐标
点号 X(m) Y(m) Z(m) 圆度(m) 平面度(m)
1 380079.5824 816392.0891 12.443 0.0037 -0.0113
2 380080.6629 816391.2724 11.02 -0.0075 0.0055
3 380080.93
4 816391.0739 9.9167 -0.0064 0.0173
4 380080.916 816391.0848 8.96
5 -0.0065 0.018
5 380078.7215 816392.7215 6.2103 0.0028 -0.0153
6 380076.8176 816394.1898 6.7038 0.015 -0.0154
7 380076.5945 816394.5201 11.9035 -0.0811 0.0931
8 380076.8575 816394.1647 12.3763 0.0347 -0.0294
9 380077.4394 816393.7146 12.7214 0.033 -0.0321
10 380078.6758 816392.7648 12.8344 0.0109 -0.0305
表1为花山河站-出入段线左线洞门环中心绝对坐标。

花山河站-出入段线左线洞门环测量点空间分布如图1(a)所示。

左线洞门环中心理论坐标为X=3380078.2618，Y=816393.0894，Z=9.5233。

由表2所示，可知点7由于观测中的误差导致圆度和平面度都存在较大的误差。

当实测数据未删除7号点经过最小二乘法经解算可得洞门环中心坐标为：X=3380078.2955，Y=816393.0825，Z=9.5108，平面误差为34mm，高程误差为-13mm。

考虑到7号点存在较大测量误差，因此删除7号点，如图1(b)所示。

当实测数据删除7号点经过最小二乘法经解算可得洞门环中心坐标为：X=3380078.2699，Y=816393.0848，Z=9.5202，平面误差为9mm，高程误差为-3mm。

由此可知当存在测量误差时，拟合结果会随着测量误差的增大而增大。

(a)未删除7号点 (b)已删除7号点
4 结语
本文通过测量盾构隧道洞门钢环坐标，利用最小二乘空间拟合进行计算空间多点所在平面的平面法向量，并以此平面方程为条件约束球面方程，采用附有限制条件的间接平差方法计算出空间圆圆心绝对坐标及空间圆半径。

与传统的利用CAD、Excel软件对坐标数据进行转换计算相比，利用最小二乘空间拟合能够更加快速、准确地确定地铁隧道盾构门环及盾构隧道断面等空间圆环构筑物的中心，避免了因测量误差对精度的影响，克服了钢环圆心坐标难以直接测取以及传统方法计算复杂的困难,同时也降低了测量环境对工作的制约，使得工作效率得到了提高。

[参考文献]
[1]王双雨,李志超. 基于空间圆拟合的盾构机始发姿态测量方法研究[J]. 建筑工程技术与设计,2018(2):334-335.
[2]刘晓华. 城市地铁施工测量中的若干问题研究[D]. 硕士学位论文，成都：西南交通大学，2016.
[3] 陈世明.浅析大直径盾构始发洞门施工新技术[J].建筑机械化,2011,32(09):51-53.[4] 王超宏. 地铁盾构隧道洞门环中心测量方法及应用研究[J]. 中小企业管理与科技，2021（03）.
[5] 贾小勇，徐传胜，白欣. 最小二乘法的创立及其思想方法[J]. 西北大学学报：自然科学版，2006, 36(3)：507-511.
[6] 高帅,符新新,马全明. 基于最小二乘法的盾构隧道洞门钢环测量及数据处理[J]. 城市勘测,2021(3):151-153.
[7] 张正禄. 工程测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2005.。