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盾构隧道通用楔形管片排版系统的核心算法研究

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盾构机管片楔形量的简单计算

盾构机管片楔形量的简单计算

（ ７ ）
Ｌ ８ ）
向 就会和隧道设计轴线产生偏差。 文胡２ 庭义了主机趋势， 其实际就是
盾构机前后参考点的坐标差对前后参考点距离的比值。主机趋势与油 缸行程的关系为： ，
』 ） ＇ ｅ ｎ ｄ Ｉ ｆ ２ 、
由于推进油缸的行程差还应该与掘进前推进油缸 的行程有关 ， 因 ｊ 比 拭 行了改进 ， Ｔ ｒ ｅ ｎ ｄ：（ △ 一 Ａ 。 。 ） ／ Ｄ （ ３ ）
１影 响盾 尾间 隙的相关 因素
从文献［ ２ ， ３ ］ 可知 ， 我们通常将尾盾与管片之间的间隙叫盾尾间隙 ， 盾尾间隙是确定管片拼装位置的主要指标。影响盾尾间隙的主要因素 有推进油缸 ， 铰接油缸 ， 拼装点位， 管片质量 以及拼装操作手 的技术水 平等。 盾构掘进机是依靠推进油缸顶推在管片上所产生的反力向前掘进 的， 推进油缸一般按区域划分 ， 可分为上、 下、 左、 右四个区域。从域 的推进油缸的行程差值能够反映 出盾构掘进机与管片之间的空间位置关系，进而可以推算出下一掘进 循环盾尾间隙的变化趋势。管片的端面轴线应尽量与盾构掘进机 的轴 线重合， 以使推进油缸产生的推力能垂直地作用在管片的端面上， 这样 可以使管片轴向受力 ， 径向受力较小 ， 掘进时不会损坏管片。 １ ． １ 推进油缸行程差对盾尾间隙的影响。 图１ 是盾尾与管片的空间
一
为铰接油缸影响盾构机趋势的因子 △ 为推进油缸行程差 △ 为铰接油缸行程差 ３管片楔形量的简单计算 通过 以上分析可知，根据推进油缸行程差和铰接油缸行程差可以 反映盾构机的掘进趋势， 但是在实际的过程中， 推进油缸掘进前后的行 Ｌ ｆ １ ） 程差更能反映当前掘进的姿态 ， 因此对于公式（ ４ ） 中的推进油缸行程差 和铰接油缸行程差采用如下公式计算：

快速轨道交通盾构隧道曲线段通用楔形管片力学特性研究

快速轨道交通盾构隧道曲线段通用楔形管片力学特性研究

快速轨道交通盾构隧道曲线段通用楔形管片力学特性研究随着京津冀一体化协同发展这一国家战略的实施,市中心与卫星城市之间快速轨道交通的需求日益增多,工程项目越来越多,规模也越来越大。

地下城市快速轨道交通隧道大多用盾构法施工,为绕过城市建筑物基础及地下管道等地下结构而采用小曲线半径,尤其在软土地区,小曲线半径盾构隧道衬砌结构受力及变形非常复杂,是快速轨道交通盾构隧道设计的关键问题。

然而,目前的技术标准均仅适用于列车最高运行速度为80km/h和100km/h的轨道交通线路,没有适用于120km/h快速轨道交通线路的相应技术标准。

软土地区快速轨道交通盾构隧道曲线段设计及施工参数控制仍然是目前研究的盲点。

本文主要从以下几个方面开展研究工作:(1)盾构隧道通用楔形管片纵向刚度分析。

文章建立壳—弹簧模型对盾构隧道进行纵向刚度的模拟分析,揭示不同荷载下的隧道纵向挠度曲线,给出不同位置管片中点挠度与外荷载之间的关系,最后讨论纵缝及封顶块位置对隧道纵向刚度的影响。

(2)直线段盾构隧道在施工阶段力学性能分析。

文章建立直线段盾构隧道施工阶段考虑塑性损伤的壳—弹簧模型,揭示管片宽度、地质条件、千斤顶偏心推力对通用楔形管片受力、变形以及损伤的影响。

(3)曲线段盾构隧道在施工阶段力学性能分析。

文章建立曲线段盾构隧道施工阶段考虑塑性损伤的壳—弹簧模型,揭示曲线半径、管片宽度、地质条件、千斤顶偏心推力对通用楔形管片受力、变形以及损伤的影响。

本文依托天津Z2号线工程,采用abaqus有限元软件研究了施工阶段不同曲线半径、管片宽度、地质条件、千斤顶偏心推力对盾构隧道通用楔形管片力学性能的影响,给出了不同曲线半径、管片宽度、地质条件、千斤顶偏心推力作用下盾构隧道通用楔形管片应力、变形及损伤变化规律,为盾构隧道衬砌结构的设计与施工提供指导。

【精品】盾构隧道管片详细设计研究

【精品】盾构隧道管片详细设计研究

盾构隧道管片详细设计研究盾构隧道管片详细设计研究盾构隧道管片详细设计研究摘要：盾构隧道管片的详细设计国内目前尚无规范可遵循，然而，此项工作却是盾构隧道结构设计中极为关键的一环,其设计是否合理，直接关系到工程的安全、造价及使用。

通过对国内轨道交通工程常用盾构管片细部尺寸的研究及归纳，本文详细论述了各尺寸的设计方法及注意事项，包括结构形式、分块方案、拼装方式、连接形式、接缝设计、手孔设计等内容。

关键词：盾构隧道；管片结构；分块方案；接缝；螺栓；中图分类号：U452.1+3 文献标识码：A文章编号：、概述盾构法施工的隧道在我国地铁、铁路、公路、水利等行业应用的越来越广泛，并取得了良好的经济和社会效益。

但是关于盾构隧道管片的详细设计国内目前尚无规范可遵循，很多设计单位是根据设备厂商所提供的方法进行设计,更多的则是采用模仿。

然而，此项工作却是盾构隧道结构设计中极为关键的一环,其设计是否合理，直接关系到工程的安全、造价及使用,因此，很有必要对盾构管片详细设计进行研究及归纳。

、盾构管片详细设计的内容盾构管片详细设计包括的主要内容有如下几方面：确定隧道内部尺寸、管片结构形式、管片厚度、宽度、分块方案、拼装方式、楔形量、连接方式、防水设计、管片接缝张开量、榫槽的设置、管片螺栓设计、管片手孔设计等。

上述项目基本涵盖了盾构管片详细设计的内容，既以上项目确定后，管片的设计工作也就完成了。

、盾构管片详细设计的主要内容盾构隧道内轮廓对于地铁隧道，由建筑限界和车辆限界决定；对于铁路隧道，出了考虑建筑限界外，还要考虑空气动力学、救援通道、各种附属设施等；对于公路隧道，由车流量和车道数目决定。

另外盾构隧道内径空的确定，还需要考虑施工误差、测量误差、设计拟合误差、不均匀沉降等因素。

目前国内地铁大部分均采用A1型车辆，对应的盾构隧道建筑限界为5200mm[1]。

施工误差、测量误差、设计拟合误差一般考虑50～100mm,不均匀沉降一般考虑50mm，因此地铁盾构隧道内径一般为5400mm，如北京地铁、广州地铁、西安地铁、成都地铁等；也有采用直径为5500mm的情况，如上海地铁、宁波地铁、天津地铁等。

轨道交通盾构法隧道通用环管片动态纠偏施工工法(2)

轨道交通盾构法隧道通用环管片动态纠偏施工工法(2)

轨道交通盾构法隧道通用环管片动态纠偏施工工法轨道交通盾构法隧道通用环管片动态纠偏施工工法一、前言轨道交通盾构法隧道通用环管片动态纠偏施工工法是在轨道交通隧道工程中应用的一种施工工法。

该工法以盾构为基础，通过动态纠偏系统来修正隧道掘进过程中的偏差，确保隧道的水平度、垂直度和水平位置的精确控制。

通过本文将详细介绍这一工法的特点、适应范围、工艺原理、施工工艺、劳动组织、机具设备、质量控制、安全措施、经济技术分析以及工程实例，为读者提供一个全面了解和学习的机会。

二、工法特点该工法具有以下几个显著特点：1）采用盾构作为施工工具，可适应多种地质条件和施工环境；2）动态纠偏系统可以实时监测并修正盾构掘进过程中的偏差，提高隧道掘进的精确性和安全性；3）环管片作为主要建设材料，可快速拼装，提高工程施工效率；4）运用先进的控制系统和传感器，实现对隧道掘进过程的全程监控，提供精确的数据支持。

三、适应范围该工法适用于轨道交通隧道工程的施工，包括地铁、轻轨、高铁等项目。

它可以适应不同的地质条件，如岩石、软土、淤泥等，以及不同的隧道断面类型，如圆形、椭圆形等断面。

四、工艺原理该工法通过盾构掘进机的作用，将隧道断面从起点推进至终点。

在掘进过程中，动态纠偏系统实时监测隧道的水平度、垂直度和水平位置，并根据监测数据进行调整。

具体技术措施包括：1）在盾构掘进机上安装准线仪和倾斜传感器，实时监测隧道掘进机的水平度和垂直度；2）在隧道断面上布置导向仪，通过激光定位系统实时感知隧道的水平位置；3）利用调整悬挂点和控制盾体姿态等方法，纠正盾构掘进过程中的偏差。

五、施工工艺施工工艺分为准备阶段、掘进阶段和固结阶段。

准备阶段包括隧道勘察、设计和施工准备工作；掘进阶段是通过盾构掘进机进行隧道掘进；固结阶段是在掘进完成后，对隧道进行支护和固结。

具体步骤包括：1）机器电器启动和检查；2）盾构掘进机推进；3）动态纠偏系统实时监测和修正；4）环管片的安装和拼装；5）支护材料的喷射；6）隧道固结。

大直径通用楔形管片拼装技术

大直径通用楔形管片拼装技术

大直径通用楔形管片拼装技术张毅 1 徐贤宇 2 荣亮 3（1．中铁隧道股份有限公司，河南郑州 453000；2．中铁隧道集团科研所，河南洛阳 471009） 摘要：武汉长江隧道是我公司第一个大直径泥水盾构过江隧道工程。

盾构隧道管片外径11000mm，内径 10000mm，管片环宽 2000mm，采用双面楔形的通用管片，楔形量为 55mm，采用 9 块等分“大楔型封顶”分块形式。

管片拼装的质量直接影响到盾构掘进工程的安全、进度和隧道整 体的防水质量。

为了保证盾构安全顺利的完成隧道掘进，本人对管片拼装的技术和遇到问题的解决 办法加以研究总结。

关键词：盾尾间隙 点位选取 管片安装 管片旋转 管片椭圆 质量保证Large-diameter General Wedge Segment Assembly technologyZhang Yi1,Xu Xian yu2,Rong Liang3 （1．China Railway Tunnel Stock Co, Ltd., Xinxiang 453000, He’nan；2．China Railway TunnelGroup Scientific Research Institute, Luoyang 471009, He’nan） Abstract: The Wuhan Yangtze River Tunnel is the first company of large diameter shield muddy river tunnel project. Shield Tunnel-diameter 11000 mm, diameter of 10000 mm, the ring-width 2000 mm, using double-sided wedge of the Universal film, for the wedge of 55 mm, using nine sub-"big wedge-shaped cap" block form. The quality of the films assembled a direct impact on the security shield tunneling projects, progress and the overall water quality of the tunnel. In order to ensure the smooth completion of safety shield tunnel boring, I assembled the film's technical problems and solutions to summarize. Key words: Mei space shield，Select the Point，Installation Segment，SegmentRotation，Segment Elliptic，Quality Guarantee.1. 概况本工程施工中，采用错缝拼装通用楔形管片。

浅谈通用型楔形管片

浅谈通用型楔形管片

摘　要：盾构隧道主体结构是由一系列预制的钢筋混凝土管片排列而成的。

而管片的选型、拼装不仅会影响盾构机的姿态、设计线路，同时还会造成成型的隧道管片出现破碎、漏水等影响隧道后期使用的问题。

所以做好管片的选型、拼装尤为重要。

本文结合宁波市轨道交通一号线一期工程某区间使用的通用型楔形管片的工程实例，对通用型楔形管片的选型、拼装进行了分析研究，并提出了控制措施。

关键词：通用型；楔形管片；选型；拼装；控制；措施DOI:10.3772/j.issn.1009-5659.2011.23.022随着社会经济的发展城市人口增多、规模变大，现有的城市交通已经不能满足城市发展的需要。

经济发达的城市开始修建地铁工程，盾构施工技术普遍应用于地铁工程中。

盾构法施工的隧道衬砌方式有两种：单层装配式衬砌和多层混合式衬砌。

在盾构施工中，主要采用单层装配式衬砌，衬砌为预制的钢筋混凝土管片，它们构成了盾构隧道的主体结构并承受四周土体的荷载。

盾构隧道是由一系列管片排列而成的，可以看成一组短折线的集合，近似地拟合成实际线路。

由于采用短折线来代替光滑曲线，实际的线性和设计线性不能完全吻合，两者之间存在一定的偏差。

传统的普通管片对于平面曲线可以通过转弯环来模拟，但对于竖曲线，只能够通过粘贴楔形衬垫来拟合，粘贴工作费时费力，可控性差。

而且，由于加大了环缝间隙，降低了弹性密封垫的压缩率，也不利于防水。

通用型楔形管片可以通过封顶块位置的改变，即选择不同的拼装点位来达到转弯或竖曲线的目的，使得管片的选型灵活多变，随意性较大。

但是不可避免的封顶块位置也需要根据实际情况相对变换，对设备选型和管片的选型及拼装提出了一定的要求。

本文结合宁波市轨道交通一号线一期工程某区间使用的通用型楔形管片的工程实例，对通用型楔形管片的选型、拼装进行了分析研究，并提出了控制措施。

1 管片设计概述本项目盾构区间采用的是预制钢筋混凝土管片，管片外径6200mm，内径5500mm，宽度1200mm，厚度350mm。

大直径通用楔形管片拼装技术

大直径通用楔形管片拼装技术

大直径通用楔形管片拼装技术张毅1 徐贤宇2 荣亮3（1．中铁隧道股份有限公司，河南郑州 453000；2．中铁隧道集团科研所，河南洛阳 471009）摘要：武汉长江隧道是我公司第一个大直径泥水盾构过江隧道工程。

盾构隧道管片外径11000mm，内径10000mm，管片环宽2000mm，采用双面楔形的通用管片，楔形量为55mm，采用9块等分“大楔型封顶”分块形式。

管片拼装的质量直接影响到盾构掘进工程的安全、进度和隧道整体的防水质量。

为了保证盾构安全顺利的完成隧道掘进，本人对管片拼装的技术和遇到问题的解决办法加以研究总结。

关键词：盾尾间隙点位选取管片安装管片旋转管片椭圆质量保证Large-diameter General Wedge Segment Assembly technologyZhang Yi1,Xu Xian yu2,Rong Liang3（1．China Railway Tunnel Stock Co, Ltd., Xinxiang 453000,He’nan；2．China Railway Tunnel Group Scientific Research Institute, Luoyang 471009, He’nan）Abstract: The Wuhan Yangtze River Tunnel is the first company of large diameter shield muddy river tunnel project. Shield Tunnel-diameter 11000 mm, diameter of 10000 mm, the ring-width 2000 mm, using double-sided wedge of the Universal film, for the wedge of 55 mm, using nine sub-"big wedge-shaped cap" block form. The quality of the films assembled a direct impact on the security shield tunneling projects, progress and the overall water quality of the tunnel. In order to ensurethe smooth completion of safety shield tunnel boring, I assembled the film's technical problems and solutions to summarize.Key words: Mei space shield，Select the Point，Installation Segment，Segment Rotation，Segment Elliptic，Quality Guarantee.1. 概况本工程施工中，采用错缝拼装通用楔形管片。

浅谈盾构管片排版技术

浅谈盾构管片排版技术

浅谈盾构管片排版技术【摘要】盾构法施工管模采购计划、管片预生产计划及管片进场计划结合南京地铁二号线茶亭站～莫愁湖站区间工程现场实践，提出的盾构法施工管片排版技术。

【关键词】盾构管片排版一、前言随着国家加大基础设施建设以来，各个省市为了缓解公共交通日趋紧张的局面，都相应开始在城市轨道交通方面加大投入，地铁盾构施工是城市轨道交通施工的一个重要组成部分，而管片排版也是盾构施工前期确定管片生产量和管模采购计划以及管片预生产计划的依据，以下将地铁盾构施工管片排版简要说明。

二、排版总体思路隧道中心线是由不同参数的平面线形和纵断面线形组合而成，而平面线路由不同参数的平曲线和夹直线所组合而成，纵断面线路线形由不同参数的竖曲线和不同坡度的直线组合而成。

盾构施工所使用的管片要通过排版完成对其不同参数的平面、纵断面线形拟合，故管片根据拟合曲线的需求，在设计时长度不同，通过楔形量来完成管片不同位置处的长度变化，管片分为标准环、左转弯、右转弯三类。

通过排版来确定各类管片组合后的线形最接近隧道平面、纵断面线路中心线线形。

三、平面线形排版计算平曲线是由圆曲线和缓和曲线组成，通过转弯环和标准环的组合来拟合平曲线，在组合时可按转弯环拼装的点位为平面楔形量最大点来考虑。

先用一段曲线来考虑，转弯环数量的计算公式如下：θ=2×arctg（δ/D）式中：θ——转弯环的偏转角δ——转弯环的最大楔型量的一半D——管片直径每条平曲线上的转弯环个数为N=（α0+β）/θ式中：α0——平曲线中圆曲线偏角β——平曲线中缓和曲线总偏角平曲线中圆曲线的圆心角为α0＝A－β式中：A——平曲线的总转角β——平曲线中缓和曲线总偏角平曲线中缓和曲线总偏角为β＝β1＋β2式中：β1、β2——分别为ZH~HY、YH~HZ两段缓和曲线偏角平曲线中缓和曲线偏角为βn＝式中：l0——为到ZH或HZ点的距离根据圆心角的计算公式α=180L/（πR）式中：L——段线路中心线的长度R——曲线半径当θ=α时，求出的L为采用1环转弯环和若干标准环组合后的曲线弧长，也就是组合后平曲线线路长度。

盾构隧道通用楔形环管片排版技术探讨

盾构隧道通用楔形环管片排版技术探讨
拟 合轴线
０
图 ３ 曲线拟合
ＡＣ ：— ＡＺｃｏｓ Ｏ ￣
高 琨
（ 兰州市轨道 交通有限公司 ， 甘肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ０ ０ ）
摘 要： 依托兰州轨道交通 １ 号 线一期工程试 验段 ， 针对 通用楔形环 管 片在该盾 构 区间的施工 排版技术 进行探 讨。
通 用楔形环管片通过设计排 版、 轴线拟合调整及施 工调整等措施 ， 确保 了通用楔形 管片在不 同的 曲线半径 或复杂 曲 线 段设 计轴线与隧道轴线耦合 ， 减少管片错 台， 提高了隧道衬砌质量 。为类 似通用 楔形环管 片施 工提供 了一些借鉴
兰州轨道交通 １ 号线 由于线路转弯较多 ， 且转
弯半 径多样 化 ， 通过 论 证 决 定 采 用 全 圆周 错 缝 拼装 通 用 楔形 管片 的形 式 作 为 隧道 衬 砌 Ｊ ， 在 满 足 隧 道 曲线 的基础 上 ， 保 证 了隧道 环 面 的 质量 。通 过 兰 州 轨 道交 通 １ 号 线一期 工 程试 验段 通用 楔形 管 片施 工 就 通 用管 片拼 装排 版技 术予 以探 讨 。
块间以 １ ２ 根Ｍ ３ ０的弧形螺栓连接。
１ ． ２ 工程 地质 及水 文地 质
线拟合 的功能 ， 通过单种楔形环 的拼装组合来拟合
各 种 线路 参数 ， 包括 直线 、 圆 曲线 、 缓 和 曲线 等 。
试 验段 地 层 为第 四系全新 统地 层 （ Ｑ ４ ） ， 自上 而 下依 次 为 ： １—１杂填 土 （ Ｑ ４ ｍ １ ） ， 厚度 １ ． ０ ｍ一 ７ ． １ ｍ，
ｌ 工程 概 况
１ ． １ 设计概 况
３ —１ ｌ 第 四系下更新统卵石层 ， 泥质微胶结 ， 分 布稳定 ， 属低压缩性土 ， 密实状态， 工程地质性质 良

地铁盾构通用环管片楔形量计算方法研究

地铁盾构通用环管片楔形量计算方法研究

要的控制因素。
关键词: 地铁; 盾构隧道; 通用环; 管片楔形量
DOI: 10. 3973 / j. issn. 2096-4498. 2019. 05. 005
文章编号: 2096-4498(2019)05-0746-08
中图分类号: U 45 文献标志码: A
开放科学( 资源服务) 标识码( OSID) :
Abstract: The universal ring segment can be orderly assembled to form metro shield segment, and the capacity of line fitting and construction rectification of the universal ring segment can be affected by taper of segment. In order to determine the calculation method for taper of universal ring segment in metro shield tunnel, detailed comparison among 4 kinds of methods for calculating the taper of the universal ring segment, i. e. method similar to the straight joint, adjacent interleaving, asymmetric interval interleaving and symmetric interval interleaving, are carried out. And then, by taking Line Z2 project of Tianjin Binhai New District rail transit for example, the elevation fitting situation of DTA ( design axis of tunnel) by several calculation methods for the taper of universal ring segment and the fitting situation of the universal ring segment with different tapers to the whole typical interval are systematically analyzed. Finally, a multilevel control design flowchart for calculating the taper of universal ring segment in metro shield tunnels is obtained and proposed. The study results show that: (1) The symmetric interval interleaving calculation method is superior to others when preliminarily calculating the taper of universal ring segment. (2) The preliminarily designed taper of universal ring segment can be determined rapidly by reducing the minimum curve radius by 50-100 m. (3) It should be verified that whether the calculated taper of the universal ring segment meets the control requirements or not; and the elevation deviation of DTA is an important control factor. Keywords: metro; shield tunnel; universal ring; taper of segment

盾构隧道管片结构的理论研究及计算分析

盾构隧道管片结构的理论研究及计算分析

盾构隧道管片结构的理论研究及计算分析摘要：在盾构施工法中，衬砌管片的投资一般占工程投资的30~40%，是影响施工经济性和结构安全性的重要因素。

本文通过理论计算分析，从地层状况和结构尺寸两方面考虑管片设计相关参数对管片受力状况的影响规律。

关键词：盾构隧道衬砌；管片设计方法；地层参数；结构参数Abstract: in the shield construction method, the lining of the investment of engineering general segments of the investment of the 30 to 40%, is to influence the construction of economy and structure of the security of important factor. This article through the theoretical calculation and analysis, from formation conditions and structure size two aspects segment design related parameters on the stress condition the influence law of the tunnel.Keywords: shield tunnel lining; Segment design method; Formation parameters; Structure parameters中图分类号：U455文献标识码：A 文章编号：一、概述盾构法在我国起步较晚，但发展很快。

近年来，黄浦江越江隧道、合流污水工程，尤其是地铁隧道的建设，使盾构法在技术上得到飞快的发展。

盾构隧道管片设计中最大的问题在于模型本身是否能反映工程的实际情况。

通用环管片封顶块点位对盾构隧道质量的影响分析

通用环管片封顶块点位对盾构隧道质量的影响分析

学模 型对线形拟合进 行分析。双而通用楔 形环管片
的拟 合 原 理 如 图 ３ 所示 ，在 确 定 起 始 环 的 前 提 下 ， 根 据 设 计 线 路 要 求 ， 当 前 环 通 过 绕 起 始 环 末 端 面 Ａ Ｂ Ｃ 法线 Ａ 旋 转 一 定 角度 控 制 当 前 环 管 片 中 线
产 生 不 同 的 上 、 下 、 左 、右 超 前 量 。在 直 线 段施 工 时 ，最 理 想 的状 态 是 隧 道 设 计 中 线 与 盾 构 轴 线 管 片
和曲线拟合 ，曲线拟 合又分为平 曲线拟 合和 竖 曲线
【 关键 词】 通用环 管片封顶块 点位 隧道质量 （ 设计 、施工、 运 营） 隧道线Байду номын сангаас 管片破损 隧道 防水
Ｑｕ ａｌ ｉ ｔ ｙ
■ 欧 阳 旋 字 囊 Ｏｕ ｙ ａ ｎ ｇ Ｘ ｕ ａ ｎ ｙ ｕ
［ 摘
要】本文结合长沙地 铁管片拼装的工 程实例 ，从当前
二、 封 顶 块 点 位 确 定 的原 则 和 方 法 １ ． 线 形 的拟 合 原 理 （ 设计 ） 采 用 双 面 通 用 楔 形 环 管 片 进 行 隧 道 线 形 拟 合 时 ， 根 据 平 面 线 形 或 竖 直 线 形 的 不 同 分 为 直 线 拟 合
超 前 量 ， 则 通 过 Ｋ块 的旋 转 予 以实 现 。 另 一 方面 ， 在 盾 构 推 进 施 工 中 ，成 环 管 片 作 为 盾 构 推 进 后 座 ， 对 盾 构 推 进 起 到 一种 导向 作 用 。 为 此 ，在 盾 构 推 进 尤 其 是 曲线 推 进 时 ，通 过 严格 的 计‘ 算 和 量 测 确 定 管 片 的 超 前 量 ，合 理 选 择 封 顶块 的 点位 确 定 施 工 轴 线 线 形 ，有 利 于 隧 道掘 进 方 向精 度 的控 制 。

基于CATIA软件的楔形盾构隧道管片参数化建模与排版

基于CATIA软件的楔形盾构隧道管片参数化建模与排版
BIM 技术的快速发展也带来建模绘图软件功能的
收稿日期: 2018－04－08; 修回日期: 2018－11－22 第一作者简介: 李永明( 1981—) ，男，浙江杭州人，2007 年毕业于武汉理工大学，桥隧工程专业，硕士，高级工程师，现从事隧道工程及地下工程设计 工作。E-mail: stone9975@ sina．com。
392
隧道建设( 中英文)
基于 CATIA 软件的楔形盾构隧道管片参数化建模与排版
李永明，张恺韬，郭哲良，杨 磊，阮 军，张洛瑜
( 浙江省交通规划设计研究院有限公司，浙江 杭州 310011)
摘要: 为提高楔形盾构隧道管片拼装拟合设计效率，基于达索 CATIA V6 软件平台，分析管片几何结构模型建模与隧道设计曲线拟
合原理。通过盾构管片参数换算，建立楔形盾构隧道管片环参数化建模标准库，设计函数运算关系并编辑脚本，然后以局部坐标系
LI Yongming，ZHANG Kaitao，GUO Zheliang，YANG Lei，ＲUAN Jun，ZHANG Luoyu
( Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning，Design ＆ Ｒesearch，Hangzhou 310011，Zhejiang，China)
等［3］、张忠桢等［4］则把管片分为左、右转环，根据隧道 曲线半径与盾构管片参数的关系，计算出曲线段所需 左、右转弯环的数量，实现曲线拟合。盾构管片排版原 理主要分为平面模拟和三维拟合 2 类。平面模拟算法 计算简便，易于操作，但是对隧道曲线拟合度较差。三 维拟合则通过计算管片端面位置和方向等参数，对管 片环不同拼装角度的试算点进行筛选，从而获取最佳 曲线拟合的位姿［5－6］。

盾构隧道通用楔形管片排版系统的核心算法研究

盾构隧道通用楔形管片排版系统的核心算法研究

XZH、YZH— ——ZH 点的坐标， 可由相邻两交点 的坐标及线路里程桩号求得；
ξ— ——转角符号，右偏为“+”，左偏为“-”； A1— — — 本 交 点 与 前 交 点 连 线 的 方 位 角 。 3.2 圆曲线（HY~YH）上任意点的坐标
X=XHY+2Rsin(
90l πR
）·
cos[A1+ξ
篇幅本文以单曲线为例介绍平曲线的坐标法定点算 法[3]。
首先介绍曲线上任意点的切线横距 x 的表达
式：
x=l-
l5 40R2L2s
+
3
l9 456R4L4s
- 599
l13 040R6L6sຫໍສະໝຸດ +Λ（1）
式中 l— ——缓 和曲线上任 意点至 ZH（或 HZ）点 的
曲线长；
Ls— ——缓和曲线长度； R— ——圆曲线半径。
计，通用性强、质量容易保证。 通用楔形管片拼装设计的关键是根据线路的平、竖曲线要素和偏差要求确定环宽和楔
形量，而每一环衬砌的偏差计算是通过排版来实现的。 文章对通用楔形管片排版的主要步骤和核心算法作了介绍，
其中包括平、竖曲线上的坐标法定点算法、线路上理想点的二分法求值算法，以及空间任意点绕任意轴旋转的计算
现代隧道技术
MODERN TU NNELLING TECHNOLOGY
盾构隧道通用楔形管片排版系统的核心算法研究
文 章 编 号 ：1009-6582（2008）05-0034-04
盾构隧道通用楔形管片排版系统的核心算法研究
李伟平 郑国平
（浙江省交通规划设计研究院, 杭州 310006）
摘 要 盾构隧道通用楔形管片是通过前后两环的相对旋转来拟合线路中的直线和曲线要素， 简化了模板设
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局部坐标系中的目标点；最后使用一个逆变换，将局
部坐标系中的目标点转换到全局坐标系中。 坐标系
的平移算法相对简单， 本节仅介绍空间任意点绕过
原点旋转轴旋转的算法。
空 间 中 任 意 点 P [x y z ]，绕 过 原 点 的 向 量
R[n1 n2 n3]，旋 转 θ，得 到 目 标 点 P ′[x′ y′ z′]，其 中 旋 转 矩 阵 如 下[5]：
计，通用性强、质量容易保证。 通用楔形管片拼装设计的关键是根据线路的平、竖曲线要素和偏差要求确定环宽和楔
形量，而每一环衬砌的偏差计算是通过排版来实现的。 文章对通用楔形管片排版的主要步骤和核心算法作了介绍，
其中包括平、竖曲线上的坐标法定点算法、线路上理想点的二分法求值算法，以及空间任意点绕任意轴旋转的计算
90（l+Ls） πR
]
軍 軍 軍 軍 軍軍
軍
Y=YHY+2Rsin(
90l πR
）
·sin[A1+ξ
90（l+Ls） πR
]
軍 軍 軍 軍軍 軍
（3）
式中 l— ——圆曲线上任意点至 YH 点的曲线长；
XHY、YHY— ——HY 点的坐标，可由（2）式求得。
3.3 第二缓和曲线（YH~HZ）上任意点的坐标
中，其轴线形成了一个旋转锥体，而旋转轴即为第 i
ω
环前进端面的法向量D i 。 根据管片上相邻两螺栓的
夹角 α 可求得 360/α 个试算点 Tj （也即前进端面中
心点）。 如果采用错缝拼装方式，则在实际排版过程
中尚需要剔除那些会形成通缝的试算点。
（4） 求 各 试 算 点 Tj 与 理 想 点 Bi+l 的 空 间 距 离 ， 距离最近的那个试算点即为第 i+1 环的实际点 Ai+1。
3 平、竖曲线的定点算法
线路的平面线形要素主要包括直线、 圆曲线和
缓和曲线。 在一般情况下， 一条曲线的半径始终是
不变的，通称单曲线。 为了适应特殊地形，有时需要
在一个曲线上采用几个不同的半径形成复曲线。 在
线 路 平 面 上 最 常 见 的 是 按 直 线 —缓 和 曲 线 —圆 曲
线—缓和曲线—直线顺序组合的单曲线，因此，限于
表 1 平曲线要素
Table 1 Elements of a plane curve
曲 线 要 素 值 /m
半径
缓和曲线 缓和曲线
切线长度 曲线长度
长度
参数
外距
1 600 480 480 465 1 000 1 450
185 544.059 395.328 783.2708 29.283
130
249.8 490.286 824.624 162.43
该区间隧道所在平曲线诸要素如表 1 所示，竖 曲线诸要素如表 2 所示。
通 用 楔 形 管 片 环 宽 1.5 m、外 径 6 m、厚 度 300 mm、 最小旋转角 22.5°、 区间隧道的起点桩号 K1+ 500、终 点 桩 号 K3+100。 试 算 了 四 个 楔 形 量 ，即 10 mm、20 mm、30 mm、40 mm，其最大理论偏差和保证 率为 95％偏差值如表 3 所示。 不难发现，楔形量大 小对偏差影响较大，过大或过小都会造成较大偏差。 从本工程的实际情况看，推荐采用 20 mm 楔形量比 较合理。
X=XHZ+x/cos(
30l2 πRLs
）·
cos（A2+180-ξ
30l2 πLs
軍
）軍 軍 軍 軍軍
軍
（4）
Y=YHZ+x/cos(
30l2 πRLs
）·sin（A2+180-ξ
30l2 πLs
）
軍 軍 軍 軍軍 軍
式中 l — ——第 二缓和曲线 上任意点至 HZ 点的曲
线长；
A2— — — 本 交 点 与 后 交 点 连 线 的 方 位 角 。
## $
6 排版软件的应用
以上述核心算法为基础，采用基于 Visual Basic 语言的 AutoCAD 二次开发 技 术 ， 本 文 作 者 开 发 了 “盾构隧道通用楔形管片排版程序”。根据排版流程， 程序划分为三个功能模块，即前处理模块、排版计算 模块、后处理模块。 限于篇幅，本文仅就一个区间隧 道的排版结果介绍其应用情况。
交点号
交点坐标 N (X) E (Y)
JD0 8 542.583 -1 723.0405 JD1 7 502.398 -1 091.932 JD2 6 619.640 -939.099 JD3 6 666.059 31.898 JD4 5 913.829 185.286 JD5 5 452.573 1 089.517 JD6 4 142.585 1 012.551 JD7 2 981.806 1 491.230
2 通用楔形管片排版的主要步骤
图 1 为通用楔形管片排版原理示意图。
图 1 通用楔形管片排版原理示意 Fig.1 Typesetting principle for universal wedge segments
通用楔形环管片的排版步骤可概括如下： （1） 第 i 环拼装后，即确定了第 i 环前进端面中
xk+1=
1 2
（ak+
bk）为方程的数值解[4]。 对于初始区间（a0，b0）可根据
前一环 的理想点 桩号 Pi 和管片 环宽 B，然后用 （Pi+
0.75B,Pi+1.25B)进行界定。
图 2 二分法数值求解原理 Fig.2 Principle of bisection numerical solution
3.4 竖曲线内任意点的高程
竖曲线的形式有抛物线或圆曲线， 前者应用较
多，本文只介绍二次抛物线型竖曲线。竖曲线上任意
点的高程— ——Z 坐标，可由下式求得：
Z=Z1+
2 2R
p2+i1 p
（5）
式中 Z1— ——竖曲线起点的高程， 可根据前一交点
的高程和坡度值计算；
R— ——抛物线曲率半径；
p— — — 计 算 点 与 竖 曲 线 起 点 的 线 路 水 平 距 离 ；
篇幅本文以单曲线为例介绍平曲线的坐标法定点算 法[3]。
首先介绍曲线上任意点的切线横距 x 的表达
式：
x=l-
l5 40R2L2s
+
3
l9 456R4L4s
- 599
l13 040R6L6s
+Λ
（1）
式中 l— ——缓 和曲线上任 意点至 ZH（或 HZ）点 的
曲线长；
Ls— ——缓和曲线长度； R— ——圆曲线半径。
现代隧道技术
MODERN TU NNELLING TECHNOLOGY
盾构隧道通用楔形管片排版系统的核心算法研究
文 章 编 号 ：1009-6582（2008）05-0034-04
盾构隧道通用楔形管片排版系统的核心算法研究
李伟平 郑国平
（浙江省交通规划设计研究院, 杭州 310006）
摘 要 盾构隧道通用楔形管片是通过前后两环的相对旋转来拟合线路中的直线和曲线要素， 简化了模板设
盾构隧道通用楔形管片排版系统的核心算法研究
现代隧道技术
MODERN TUN NELLING TECHNOLOGY
心的实际点 Ai（此点通常情况下是偏离隧道理论线
ω
ω軍
路的）、端面法向量D i 、楔形面法向量n i。 所谓楔形
面是指通过管片轴线以及管片上楔形量最大和最小
点的平面。
（2） 根据第 i 环实际点和环宽， 即可在隧道理
3.1 第一缓和曲线（ZH~HY）上任意点的坐标
X=XZH+x/cos(
30l2 πRLs
）
·
cos（A1+ξ
30l2 π Ls
）
軍 軍 軍 軍 軍軍
軍
（2）
Y=YZH+x/cos(
30l2 πRLs
）
·sin（A1+ξ
30l2 π Ls
）
軍 軍 軍 軍軍 軍
式中 l — ——圆曲线上任意点至 HY 点的曲线长；
n12+(1-n12)cosθ n1n2(1-cosθ)+n3sinθ n1n3(1-cosθ)-n2sinθ
! #
#
n1n2+(1-cosθ)-n3sinθ
2
2
n2 +(1-n2 )cosθ
n2n3(1-cosθ)+n1sinθ
#
"#（6）
#
#
2
2
#
n1n3+(1-cosθ)+n2sinθ n2n3+(1-cosθ)-n1sinθ n3 +(1-n3 )cosθ
5 空间任意点绕任意轴旋转的计算机 图形学算法
如楔形管片排版步骤 3 所述， 第 i+1 环的前进 端面中心试算点是通过绕第 i 环前进端面的法向量 形成的。空间中一点绕坐标轴旋转的算法比较简单， 但如果旋转所绕的轴不是坐标轴，而是一根任意轴， 则变换过程比较复杂。 首先，需要平移空间坐标，使 原点坐标与旋转轴的起点重合， 得到一个局部坐标 系；然后将局部坐标中的空间点绕旋转轴旋转，得到
130
国内大型盾构隧道已经开始使用通用楔形管 片，如长江南京段上游过江通道隧道工程等。 戴仕敏 等学者研究了其设计理念和特点，采用全圆周错缝拼 装的施工方法，以及施工中控制管片质量的方法[1]；王 腾飞等学者则对通用楔形环空间线路拟合原理和线 路 纠 偏 原 理 进 行 过 研 究 [2]。
通用楔形管片拼装设计的关键是根据线路的 平、竖曲线要素和偏差要求确定环宽和楔形量，而每 一环衬砌的偏差计算是通过排版来实现的。 本文拟 对通用楔形管片拼装排版的主要步骤和核心算法作