[发明专利]一种适用于小半径曲线隧道盾构最优始发方向的确定方法

说明书

本发明涉及盾构技术领域，一种适用于小半径曲线隧道盾构最优始发方向的确定方法，利用盾构机始发方向与隧道圆曲线之间的平面几何关系，在保证盾构机盾体轴线与隧道中线任意一点的偏移量均满足规范要求条件下，只要确定了隧道平面曲线半径R和盾构机盾体全长L，就可以确定盾构机最优始发方向。本方法具有几何关系明确、概念清晰简单、使用方便且结果可靠等优点，适合于受限条件下盾构掘进施工的小半径曲线公路隧道、铁路隧道、水工隧洞、市政隧道等盾构机最优始发方向的确定。

技术领域

本发明涉及盾构技术领域，特别是一种适用于小半径曲线隧道盾构最优始发方向的确定方法。

背景技术

为缓解城市交通拥堵状况，我国很多城市开始建设城市轨道交通系统。作为轨道交通的主要形式，目前地铁建设已在我国很多城市进行得如火如荼。地铁区间隧道广泛采用掘进速度快且施工安全的盾构法施工。当隧道采用盾构法施工时，一般需要在隧道一端修建工作井作为盾构机始发场地。对于地铁区间隧道，通常利用区间隧道一端地铁明挖车站基坑的端头井作为盾构始发工作井。由于连接地铁车站的区间隧道线路平面曲线多为直线或大半径曲线，虽然受盾构机进洞后在最初掘进的盾体长度范围内无法及时纠偏的影响，但盾构机在车站基坑内始发时沿着线路直线方向或区间隧道曲线切线方向即可保证盾构机全部进入地层后的姿态，满足《盾构法施工及验收规范》(GB50446-2017)(以下简称规范)要求，即满足水平偏差为±50mm的要求。

在两条交叉的地铁线路间设置联络线时，由于受到两条线路走向客观条件的限制，联络线的曲线半径就会很小。当由于地表或地中客观条件限制不能采用明挖法或暗挖法施工时，就必须采用盾构法施工。此时，盾构需要始发掘进小半径曲线隧道(如曲线半径为300m)，甚至是超小半径曲线(如半径为200m)。在此条件下盾构机工作井中始发，由于受在最初的盾构机盾体掘进长度范围内无法纠偏的限制，当盾体全部进入地层时，盾构机刀盘中线将严重偏离隧道设计中线。

那么，就需要确定盾构机采取什么样的姿态始发，才能保证盾构机盾体全部进入地层后，盾体中线与隧道中线的偏移距离均能满足规范要求并达到最佳姿态。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种适用于小半径曲线隧道盾构最优始发方向的确定方法。根据盾构机盾体长度及隧道平面曲线半径的大小，利用盾构机始发方向与隧道圆曲线之间的平面几何关系，在保证盾构机盾体轴线与隧道中线任意一点的偏移量均满足规范要求条件下，确定盾构机最优始发方向。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种适用于小半径曲线隧道盾构最优始发方向的确定方法，包括：

建立如图的oxy直角坐标系，曲线为圆心为O，半径为R的圆弧，表示隧道轴线设计曲线；圆弧为隧道设计轴线，圆弧为隧道设计轴线圆弧的延长线；线段A’B表示盾构机切线始发初始位置，BC’表示切线始发后盾构机轴线，NC’即为切线始发后刀盘中心偏移隧道中心线的距离；AB为盾构机割线始发位置，BC为盾构机割线始发后盾构机轴线，M为盾构机割线始发后盾构机轴线BC的中点，且满足AB＝BC＝A’B＝BC’＝L；

盾构机AB沿着割线方向始发达到BC后，隧道中线圆弧把盾体轴线BC分为曲线内侧BE段和曲线外侧EC段；BE段上各点对隧道中线的最大偏移值在BE的中点G；曲线外侧BC段对隧道中线的最大偏移值在刀盘中心点C；中点G和刀盘中心点C相对于隧道中心的偏移距离分别为GD和HC；盾构机盾体轴线中点相对于隧道轴线的偏移值为MF；

盾构机割线始发的方向ABC与B点的切线方向BC’的夹角为θ，即∠CBC’＝θ；则∠BOD＝∠DOE＝θ；

使盾构机始发后且当盾体全部进入地层后盾体轴线上任意一点偏离隧道中线的水平偏差均满足规范要求且处于最佳姿态，则盾构机始发后的最佳位置应该使得GD＝HC；

GD＝R(1-cosθ)，

令GD＝HC，整理后得到如下非线性代数方程：