多弧段拟合法住盾构法通缝隧道收敛测量中的应用

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1、多弧段拟合法住盾构法通缝隧道收敛测量中的应用摘要：本方讨论了收敛测量数据处理时椭圆模型的不足，提出了多弧段拟合算法、实施步骤及算例，说明多弧段拟合法的计算成果与实际CAD展点图更为接近，并且能够通过横径变形、纵径变形、相对错台量、相对旋转角等方面参数，全面评定圆形盾构隧道多弧段断面的变形程度。关键词：收敛测量椭圆模型多弧段1、概述由于盾构法通缝隧道的自身结构、周边水土压力、行车动荷载等因素的影响，随着时间的推移，盾构隧道大多产生“横鸭蛋”形变形，为了了解这种变形量的大小，上海地区多采用全断面收敛测量的方法。全断面扫描收敛测量作为评价圆形盾构隧道断面变形情况的重要指标

2、，与沉降、平面位移、渗漏水调查等方法一起，从不同侧面评价盾构隧道健康状况目前，全断面扫描收敛测量数据采集一般采用全站仪、附以机载程序、沿隧道剖面按20cm左右的步长自动逐点采集，数据处理一般采用以椭圆为数据模型进行全断面整体拟合，以拟合的椭圆长轴和短轴与设计半径的较差的大小来评价变形量。本文针对椭圆模型的不足，提出多弧段拟合法的数据处理改进。2、椭圆模型拟合算法及不足长期测量数据处理实践中发现，上述处理方式存在以下不足：1）观测数据剔除粗差的阀值设置困难。拟合前需要剔除管线、手孔等非管片环上的粗差点，一般以实测点偏离拟合椭圆距离为阀值。粗差剔除阀值不能设得太大，其起

3、不到自动数据处理的效果，很多点要手工删除。另一方由于盾构环结构特性，变形较大时，剖面内变形通常表现为相邻管片错台、相对转角，其几何特性实际已不是椭圆，较大时与椭圆偏离2cm分上，因此粗差剔除阀值不能设得太小。断面内测距精度一般能迗到2mm以内，理相的阀值宜设置为4mm左右，但基于椭圆模型，对于变形大的断面这个阀值将剔除很多有效观测点，显然不合适，因此观测数据自动剔除粗差的阀值设置困难。2）变形较大时与水平直径的直接测量值相关较大，不能提供相邻管片的错台、旋转等信息。基于椭圆模型，总体变形较小时求解的变形量与CAD中展点量测的变形量基本一致；对局部变形量较大的区段，椭

4、圆模型把隧道剖面描述为连续的曲线，不能反映现状管片的错台、旋转情况，求解的水平直径常常与实际值相差超过10mm,损失了较大的测量精度。3、多弧段拟合法大量收敛测量断面测量数据表明，由于封顶块周围土压力的分布特点，相对拱底块而言，封顶块在变形过程中容易发生竖向位移。在其变形发展过程中，各管片之间的关系如1所示。由于隧道对称，取一半隧道剖面考虑，如果封顶块向下移动，隧道管片将绕着如图1所示的A点、B点、C点转动。由于基于椭圆模型的算法存在上述不足，本文提出多弧段断面拟合的方法。本文将圆形盾构隧道看作由若干个弧段拼接而成，通过弧段各自的拟合，并把拟合后的各弧段连接成一不规

5、则剖面，与设计断面比较，从而计算断面上各位置的变形量、横向及竖向等典型位置变形量、相邻弧段间的相对错台量与相对旋转量，实现对圆形盾构隧道的精确变形测量。观测和数据处理顺序如下：1）测量时，采集观测数据时应保证每个管片不少于6点，并加测相邻管片拼缝的信息。2）把观测数据以所述管片间的拼接缝作为分界点，将圆形盾构隧道断面划分为若干弧段，对所述弧段逐一作为一形弧段模型进行粗差剔除。剔除粗差的阀值可设为4mm,能较好地自动完成粗差点剔除；3）按弧段模型逐一对各管片采集的数据点进行最小二乘法拟合；对拱底块则采用两侧最下部的观测点及拟定半径计算理论弧段，所有弧段拼接成一个全断面

6、。4、算例某圆形盾构隧道的变形量在CAD中展点后，其横径变形为0.141，其纵径变形为-0.167,针对此圆形盾构隧道分别采用椭圆拟合算法（1）以及本文拟合方法（2）来计算其变形程度。5、结语实际数据处理成果表明，采用多弧段拟合法与采用传统椭圆模型解算成果图比较，更明显说明每片管片内部线性较好，变形、错台主要发生在管片与管片之间的接口部位，采用本文方法的成果与实际CAD展点图更为接近，并且能够通过横径变形、纵径变形、相对错台量、相对旋转角这四个方面综合评定圆形盾构隧道多弧段断面的变形程度。作者简介：郭春生（1974-），男，湖南邵阳人，高级工程师，主要从事工程测量、

7、变形测量方面的研究与测绘质量管理。