一种盾构隧道管片普适性排版选型和实时拼装选型的方法
【专利摘要】本发明公开了一种盾构隧道管片普适性排版选型和实时拼装选型的方法，包括以下步骤：S1、管片排版选型；S11、获取衬砌环参数；S12、获取隧道设计轴线信息；S13、确定隧道管道拼装方式；S14、限制封顶块的位置；S15、根据衬砌环参数、隧道设计轴线信息，确定连接点位；S16、对于不同类型的衬砌环，重复步骤S15，最终确定当前待拼装环所需的衬砌环类型和拼装点位；S2、管片实时拼装选型；S21、获取施工机械与当前已拼装衬砌环相对位置信息；S22、获取当前已拼装衬砌环拼装完成面信息；S23、重复步骤S15、S16，选择满足各限值和综合评价指标最优的衬砌类型和拼装点位。
【专利说明】
一种盾构隧道管片普适性排版选型和实时拼装选型的方法
技术领域
[0001] 本发明属于盾构隧道管片拼装的技术领域，具体涉及一种盾构隧道管片普适性排 版选型和实时拼装选型的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，我国城市中的隧道建设正飞速发展，而隧道的施工方法中，盾构法已占了 主导地位。盾构法施工以其施工速度快、对周边环境影响小、地层适应性强、工程质量高等 优点。盾构法施工相对其他施工方法一个显著的特点就是:拼装成环的管片直接成为隧道 的最终衬砌。因此，管片拼装质量直接影响了隧道工程土建质量，主要包括:管片选型、旋转 角度与超限控制，K块位置，环缝/纵缝错台等，需要基于既有施工隧道，选择管片姿态的最 优安装参数。盾构施工在管片拼装参数选择时一定要非常慎重。
[0003] 盾构隧道管片只有按照合理的顺序排列，才能够拟合出理想的隧道曲线，这种管 片排列的计算称作管片排版，亦称管片对隧道的拟合计算。管片排版实际上包含两方面的 内容:施工前，根据设计轴线的走向和管片的几何特征对管片预先进行统筹安排，这一步骤 称为管片的"设计排版"；在施工过程中，还要根据现场测得的盾构走势和管片姿态确定新 的选型方案。
[0004] 国内管片排版与拼装相关的计算方法仍显欠缺，大都适用于普通管片环，甚至是 针对具体隧道工程，缺乏通用性，其计算公式中有近似解，实际工程中基本还是依靠施工人 员的粗略计算和经验选取管片，容易造成较大误差。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决上述管片排版与拼装缺乏通用性，安装偏差大的技术问题，提供 一种通用性强、安装精度高的质朴隧道管片普适性排版选型和拼装方法。
[0006] 为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：
[0007] 本发明所述盾构隧道管片普适性排版选型和实时拼装选型的方法，包括以下步 骤：
[0008] S1、管片排版选型；
[0009] S11、获取衬砌环参数；
[0010] S12、获取隧道设计轴线信息；
[0011] S13、确定隧道管道拼装方式；
[0012] S14、限制封顶块的位置；
[0013] S15、根据衬砌环参数、隧道设计轴线信息，确定拼装点位，对于同一形式的衬砌 环，拼装完成面的中心坐标和法向量、各管片分块的位置是不同的，拼装完成面即当前待拼 装环的末端面，在某一拼装点位，隧道设计轴线与拼装完成面的交点为A、拼装完成面的几 何中心为B，A、B两点的距离为di，在i = 1~η的各拼装点位中选取di最小的拼装的点位；
[0014] S16、对于不同类型的衬砌环，重复步骤S15,最终确定当前待拼装环所需的衬砌环 类型和拼装点位；
[0015] S2、管片实时拼装选型的方法；
[0016] S21、获取施工机械与当前已拼装衬砌环相对位置信息；
[0017] S22、获取当前已拼装衬砌环拼装完成面信息；
[0018] S23、重复步骤S15、S16,选择满足各施工要求的限值和综合评价指标最优的衬砌 类型和拼装点位。进一步地，所述步骤S12中，获取隧道设计轴线信息包括获取平曲线要素， 纵曲线要素。
[0019] 进一步地，所述步骤S13中，确定隧道拼装方式，包括错缝拼装或通缝拼装；
[0020] 衬砌环分块确定后，各接缝在衬砌环局部柱坐标系的角度即确定，若某拼装点位 下衬砌环某条接缝与相邻环接缝角度一致，则判断该拼装点位为通缝拼装，否则为错缝拼 装。
[0021] 进一步地，所述步骤S14,限制封顶块位置，所述封顶块中心对称轴与竖直向上方 向夹角为锐角，使得所述封顶块位置拼装水平面以上。
[0022] 进一步地，所述步骤S15中，在步骤S11中纵向螺栓组数N决定相邻两衬砌环之间存 在N种连接方案，每种连接方式称为一个拼装点位。
[0023] 进一步地，所述步骤S15中，
[0024] 上环拼装完成面的几何中心点为0点，待拼装环拼装完成面的几何中心为&点，其 在上环拼装完成面法向量上的投影为〇 2点，待拼装环拼装起始面上环宽最小处为〇3点，已拼 装环拼装起始面上环宽最小处为〇4点，若已拼装环为标准环，则〇4点为拼装起始面上封顶块 外缘中心点，环宽为B，楔形角为α，不同的拼装点位时，(h点可能的位置轨迹在空间上是圆 曲线，在拼装点位为N，转动角度为β时，(h点的空间位置可根据以下数学模型计算：
[0025] ip2〇\)n =(〇〇λ 'f 002)Β ?η acos β + 002 *(00_χ *00,)Β?ηα?η β
[0026] 通过以下方法评估待拼装环拼装完成面中心点&与隧道轴线的偏差大小：
[0027] S151、将已拼装完成面的里程Lo向前推进环宽Β，即L = U+B，选择隧道轴线上里程 为L的点Po作为初始迭代点；
[0028] S152、目标平面为(h点可能轨迹所在面，在空间中的法向量为002(l，m，n)，任意点 Po的坐标为(xP，yP，zP)到平面的距离为
[0030]其中，D = -(lxQ+myo+nz())，（XQ，yo，Z())为平面上任意点；
[0031] S153、当d$l(T6时，目标平面为&的点在平面上，反之，以L-d代替L，返回步骤S152 重新求解P〇，此处d具有矢量性，当d大于0时，Po位于平面前方，反之，Po位于平面后方。
[0032] 进一步地，所述步骤S21中，
[0033] 获取施工机械与当前已拼装衬砌环相对位置信息，包括获取千斤顶行程差和盾尾 间隙差。
[0034] 进一步地，所述步骤S22中，获取当前已拼装衬砌环拼装完成面信息，包括通过现 场实测数据计算拟合已拼装环完成面的几何中心坐标和法向量。
[0035] 进一步地，所述步骤S22后、步骤S23之前，根据施工要求，获取千斤顶行程差的限 值和盾尾间隙差的限值，并建立综合千斤顶行程差、盾尾间隙差、设计轴线偏差三者的评价 指标。
[0036] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0037] 本发明考虑多种盾构隧道管片类型，提供针对不同直径、管片宽度、楔形面形式、 楔形量、衬砌环分块和纵向螺栓数量的管片排版与拼装算法。管片排版选型能根据隧道设 计轴线给出最优拟合的管片排版方案，为隧道管片预排版和盾构机预设掘进路径提供重要 依据。管片实时拼装根据施工实际同步给出管片拼装建议，能在考虑施工因素下得出最优 衬砌环选型和拼装点位，使实际拼装隧道更好的拟合隧道设计轴线。
【附图说明】
[0038]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明，其中：
[0039] 图1为待拼装环与上环拼装完成面相对关系图；
[0040] 图2是衬砌环端面的示意图。
【具体实施方式】
[0041] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实 施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0042] 本发明所述盾构隧道管片普适性排版选型和实时拼装选型的方法，包括以下步 骤：
[0043] S1、管片排版选型；
[0044] SI 1、获取衬砌环参数;包括获取衬砌环类型、楔面形式、衬砌环的外径、衬砌环的 内径、管片宽度、管片环楔形量、衬砌环分块数量、管片分块角度、纵向螺栓组数。
[0045] S12、获取隧道设计轴线信息;包括获取平曲线要素，纵曲线要素。
[0046] S13、确定隧道管道拼装方式;包括错缝拼装或通缝拼装;衬砌环分块确定后，各接 缝在衬砌环局部柱坐标系的角度即确定，若某拼装点位下衬砌环某条接缝与相邻环接缝角 度一致，则判断该拼装点位为通缝拼装，否则为错缝拼装。
[0047] S14、限制封顶块的位置;所述封顶块中心对称轴与竖直向上方向夹角为锐角，使 得所述封顶块位置拼装水平面以上。
[0048] S15、在步骤SI 1中纵向螺栓组数N决定相邻两衬砌环之间存在N种连接方案，每种 连接方式称为一个拼装点位，对于同一形式的衬砌环，拼装完成面的中心坐标和法向量、各 管片分块的位置是不同的，拼装完成面即当前待拼装环的末端面，在某一拼装点位，隧道设 计轴线与拼装完成面的交点为A、拼装完成面的几何中心为B，A、B两点的距离为cU，在i = l ~η的各拼装点位中选取cU最小的拼装的点位；
[0049] 上环拼装完成面的几何中心点为0点，待拼装环拼装完成面的几何中心为&点，其 在上环拼装完成面法向量上的投影为〇 2点，待拼装环拼装起始面上环宽最小处为〇3点，已拼 装环拼装起始面上环宽最小处为〇4点，若已拼装环为标准环，则〇4点为拼装起始面上封顶块 外缘中心点，环宽为B，楔形角为α，不同的拼装点位时，(h点可能的位置轨迹在空间上是圆 曲线，在拼装点位为N，转动角度为β时，(h点的空间位置可根据以下数学模型计算：
[0050] (Ο, Ο,)(, = (004 ^ ΟΟ? )Z?sin a cos/7 + OO, * (004 * 00, )Bsin a sin β
[0051]通过以下方法评估待拼装环拼装完成面中心点0:与隧道轴线的偏差大小：
[0052] S151、将已拼装完成面的里程Lo向前推进环宽B，即L = U+B，选择隧道轴线上里程 为L的点Po作为初始迭代点；
[0053] S152、目标平面为(h点可能轨迹所在面，在空间中的法向量为002(l，m，n)，任意点 Po的坐标为(xP，yP，zP)到平面的距离为
[0055]其中，D = -(lxQ+myo+nz())，（XQ，yo，Z())为平面上任意点；
[0056] S153、当d$l(T6时，目标平面为&的点在平面上，反之，以L-d代替L，返回步骤S152 重新求解P〇，此处d具有矢量性，当d大于0时，Po位于平面前方，反之，Po位于平面后方。
[0057] S16、对于不同类型的衬砌环，重复步骤S15,最终确定当前待拼装环所需的衬砌环 类型和拼装点位；
[0058] S2、管片实时拼装选型的方法；
[0059] S21、获取施工机械与当前已拼装衬砌环相对位置信息，包括获取千斤顶行程差和 盾尾间隙差。
[0060] S22、获取当前已拼装衬砌环拼装完成面信息，包括通过现场实测数据计算拟合已 拼装环完成面的几何中心坐标和法向量。
[0061] 根据施工要求，获取千斤顶行程差的限值和盾尾间隙差的限值，并建立综合千斤 顶行程差、盾尾间隙差、设计轴线偏差三者的评价指标。
[0062] S23、重复步骤S15、S16,选择满足各施工要求的限值和综合评价指标最优的衬砌 类型和拼装点位。
[0063] 本实施例所述盾构隧道管片普适性排版选型和实时拼装选型的方法的其它结构 参见现有技术。
[0064] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故 凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、 等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
【主权项】
1. 一种盾构隧道管片普适性排版选型和实时拼装选型的方法，其特征在于:包括W下 步骤： 51、 管片排版选型； 511、 获取衬搁环参数； 512、 获取隧道设计轴线信息； 513、 确定隧道管道拼装方式； 514、 确定限制封顶块的位置范围； 515、 根据衬搁环参数、隧道设计轴线信息，确定拼装点位，拼装完成面即当前待拼装环 的末端面，在某一拼装点位，隧道设计轴线与拼装完成面的交点为A、拼装完成面的几何中 屯、为B，A、B两点的距离为di，在1 = 1~η的各拼装点位中选取di最小的拼装的点位； 516、 对于不同类型的衬搁环，重复步骤S15,最终确定当前待拼装环所需的衬搁环类型 和拼装点位； 52、 管片实时拼装选型； 521、 获取施工机械与当前已拼装衬搁环相对位置信息； 522、 获取当前已拼装衬搁环拼装完成面信息； 523、 重复步骤S15、S16,选择满足各施工要求的限值和综合评价指标的衬搁类型和拼 装点位。2. 根据权利要求1所述盾构隧道管片普适性排版选型和实时拼装选型的方法，其特征 在于:所述步骤S11中，获取衬搁环参数，包括获取衬搁环类型、模面形式、衬搁环的外径、衬 搁环的内径、管片宽度、管片环模形量、衬搁环分块数量、管片分块角度、纵向螺栓组数。3. 根据权利要求1所述盾构隧道管片普适性排版选型和实时拼装选型的方法，其特征 在于:所述步骤S12中，获取隧道设计轴线信息包括获取平曲线要素，纵曲线要素。4. 根据权利要求1所述盾构隧道管片普适性排版选型和实时拼装选型的方法，其特征 在于:所述步骤S13中，确定隧道拼装方式，包括错缝拼装或通缝拼装； 衬搁环分块确定后，各接缝在衬搁环局部柱坐标系的角度即确定，若某拼装点位下衬 搁环某条接缝与相邻环接缝角度一致，则判断该拼装点位为通缝拼装，否则为错缝拼装。5. 根据权利要求1所述盾构隧道管片普适性排版选型和实时拼装选型的方法，其特征 在于:所述步骤S14,限制封顶块位置，所述封顶块中屯、对称轴与竖直向上方向夹角为锐角。6. 根据权利要求2所述盾构隧道管片普适性排版选型和实时拼装选型的方法，其特征 在于:所述步骤S15中，在步骤S11中纵向螺栓组数N决定相邻两衬搁环之间存在N种连接方 案，每种连接方式称为一个拼装点位。7. 根据权利要求6所述盾构隧道管片普适性排版选型和实时拼装选型的方法，其特征 在于:所述步骤S15中， 上环拼装完成面的几何中屯、点为0点，待拼装环拼装完成面的几何中屯、为化点，其在上 环拼装完成面法向量上的投影为化点，待拼装环拼装起始面上环宽最小处为化点，已拼装环 拼装起始面上环宽最小处为化点，若已拼装环为标准环，则化点为拼装起始面上封顶块外缘 中屯、点，环宽为B，模形角为α，不同的拼装点位时，〇1点可能的位置轨迹在空间上是圆曲线， 在拼装点位为Ν，转动角度为削寸，〇1点的空间位置根据W下数学模型计算：通过w下方法评估待拼装环拼装完成面中屯、点化与隧道轴线的偏差大小： 5151、 将已拼装完成面的里程Lo向前推进环宽B，即L = U+B，选择隧道轴线上里程为L的 点Po作为初始迭代点； 5152、 目标平面为化点可能轨迹所在面，在空间中的法向量为0〇2 (1，m，η)，任意点Po的 坐标为(却，yp，zp巧Ij平面的距离为其中，D = -(lxo+myo+nzo)，（xo，yo，zo)为平面上任意点； 5153、 当d《l(T6时，目标平面为化的点在平面上，反之，Wkd代替L，返回步骤S152重新 求解Po，此处d具有矢量性，当d大于0时，Po位于平面前方，反之，Po位于平面后方。8. 根据权利要求1所述盾构隧道管片普适性排版选型和实时拼装选型的方法，其特征 在于:所述步骤S21中， 获取施工机械与当前已拼装衬搁环相对位置信息，包括获取千斤顶行程差和盾尾间隙 差。9. 根据权利要求8所述盾构隧道管片普适性排版选型和实时拼装选型的方法，其特征 在于:所述步骤S22中，获取当前已拼装衬搁环拼装完成面信息，包括通过现场实测数据计 算拟合已拼装环完成面的几何中屯、坐标和法向量。10. 根据权利要求8所述盾构隧道管片普适性排版选型和实时拼装选型的方法，其特征 在于:所述步骤S22后、步骤S23之前，根据施工要求，获取千斤顶行程差的限值和盾尾间隙 差的限值，并建立综合千斤顶行程差、盾尾间隙差、设计轴线偏差Ξ者的评价指标。
【文档编号】E21D11/08GK106089242SQ201610568997
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】王建, 史海欧, 农兴中, 柳宪东, 刘鑫, 翟利华, 刘欣, 何冠鸿, 谢特赐, 杨成, 徐文田, 许少辉, 王睿
【申请人】广州地铁设计研究院有限公司