TBM隧道施工監(jiān)控量測(cè)特點(diǎn)與方法探討

蘇航　曾德榮　馬維文

【摘要】在分析復(fù)合式TBM工程施工技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上（與普通鉆爆法有較大的不同），通過(guò)某市軌道交通復(fù)合式TBM工程的數(shù)值解和實(shí)際量測(cè)得到的收斂和拱頂位移進(jìn)行對(duì)比分析以及實(shí)際圍巖支付狀況成果分析與判定標(biāo)準(zhǔn)。最后分析一些實(shí)際影響實(shí)際量測(cè)結(jié)果的因素，提出成果分析的一些新方法。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合式TBM；監(jiān)控量測(cè)；數(shù)值分析お

Characteristics and Methods of Construction Supervision of the TBM tunnel

Su Hang，Zeng De—rong，Ma Wei—wen

（Chongqing Jiaotong UniversityChongqing400074）

【Abstract】Composite TBM project is quite different from ordinary drilling and blasting method. This article analyzes the convergence and vaults displacement of the numerical solution and the actual value according to rail transport composite TBM project， the payments of the actual wall rock. At last， it analyzes some factors which may affect the actual measurement results， propose some methods to result analysis.

【Key words】Composite TBM；Monitoring and Measuring；Numerical Analysisお

1. TBM隧道監(jiān)控量測(cè)

（1）隧道施工監(jiān)控量測(cè)是保證工程質(zhì)量的重要措施，也是判斷圍巖和襯砌是否穩(wěn)定，保證施工安全，指導(dǎo)施工順序，進(jìn)行施工管理，提供設(shè)計(jì)信息的重要手段。[1]其中，周邊位移是隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化最直觀的反映，通過(guò)周邊位移量測(cè)可以判斷圍巖穩(wěn)定程度以及指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

（2）TBM施工與普通鉆爆施工相比，采用滾刀進(jìn)行破巖，避免了爆破作業(yè)，成洞周圍巖層不會(huì)受爆破震動(dòng)而破壞，洞壁完整光滑，超挖量少。因此，TBM施工方法比鉆爆法得到的周邊圍巖應(yīng)力變化更小，同時(shí)在TBM施工監(jiān)控量測(cè)中數(shù)據(jù)較鉆爆法施工更小。但是由于TBM機(jī)組在空間上的阻擋，TBM施工監(jiān)控量測(cè)難度較鉆爆法滯后性更大。

因此，以某市復(fù)合式TBM工程的施工量測(cè)中，主要采用水平儀和收斂?jī)x對(duì)隧道內(nèi)的水平收斂和拱頂下沉量進(jìn)行量測(cè)，以達(dá)到判斷圍巖穩(wěn)定的目的。

圖1有限元模型

2. 數(shù)值模擬分析

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)地質(zhì)說(shuō)明，該隧道沿線屬構(gòu)造剝蝕淺丘地貌，區(qū)間隧道埋深10～50m，覆跨比大于1.5。隧道圍巖巖層平緩，巖體較完整。圍巖主要為較完整的塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)的砂質(zhì)泥巖和塊狀砌狀砌體結(jié)構(gòu)砂巖。因此，在隧道數(shù)值模擬中簡(jiǎn)化設(shè)置埋深均為30m，土層根據(jù)實(shí)際勘測(cè)簡(jiǎn)化分為兩層，上層為風(fēng)化砂質(zhì)泥巖（其物理參數(shù)為：彈性模量為500MPa；泊松比為0.4；重度24KN/m3），下層為風(fēng)化砂巖（其物理參數(shù)為：彈性模量為1000MPa；泊松比為0.3；重度23KN/m3），且都為粘彈性體，縱向長(zhǎng)度為120m，監(jiān)測(cè)斷面則在隧道內(nèi)10m處，避免洞口處采用約束條件而對(duì)其收斂和拱頂下沉數(shù)據(jù)的影響。其中圍巖和管片（其物理參數(shù)為：彈性模量為27600MPa；泊松比為0.2；重度25KN/m3）均采用實(shí)體單元。從而得到相關(guān)有限元模型如圖1所示：

圖2X方向的位移云圖

（2）隧道內(nèi)管片襯砌內(nèi)徑為5.4m，管片厚度為0.3m，外徑為6m。此次通過(guò)隧道內(nèi)管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移來(lái)分析模型中的水平收斂和拱頂位移，圖2和圖3分別為管片關(guān)于X方向和Y方向的位移云圖。

3. 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1水平收斂對(duì)比分析。

（1）隧道內(nèi)壁面兩點(diǎn)連線方向的位移之和稱為“收斂”，收斂值為兩次量測(cè)的距離之差。收斂加速度則為兩次單日收斂速度之間的差值和兩次速度時(shí)間之間的比值。在隧道施工監(jiān)控量測(cè)中一般水平直徑作為收斂線，對(duì)其進(jìn)行量測(cè)。在數(shù)值模擬中，簡(jiǎn)化為每個(gè)計(jì)算步為10m（即每天開挖10m），設(shè)開挖到監(jiān)控?cái)嗝鏋榈谝惶?，此時(shí)監(jiān)控?cái)嗝婢嗾谱用婢嚯x為0m，取水平直徑上的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的X方向的位移，然后相加得到收斂值。此次，通過(guò)多斷面求平均值得到的收斂值（如表1所示），累計(jì)收斂與掌子面距離的關(guān)系圖（如圖4所示）以及收斂加速度與累計(jì)天數(shù)的關(guān)系圖（如圖5所示）。

圖3Y方向的位移云圖

表1收斂值對(duì)比表

距離ふ譜用婢嗬氌

（單位：m） 累計(jì)天數(shù) 模擬だ奐剖樟勃

（單位：mm） 實(shí)際だ奐剖樟勃

（單位：mm） 模擬收斂ぜ鈾俁齲ǖオの籱m/天） 實(shí)際收斂ぜ鈾俁齲ǖオの籱m/天）

0 1 0.2699 0 0.2699 0

10 2 0.8757 0 0.3359 0

20 3 2.3051 0 0.8236 0

30 4 2.4205 0 —1.314 0

40 5 2.5265 0.42 —0.0094 0

50 6 2.6655 0.8 0.033 0.42

60 7 2.7609 1.07 —0.0436 0.38

70 8 2.8423 1.32 —0.014 0.27

80 9 2.8895 1.53 —0.0342 0.25

90 10 2.9619 1.71 0.0252 0.21

100 11 2.9933 1.84 —0.041 0.18

圖4累計(jì)收斂與掌子面距離關(guān)系圖

（2）由于隧道內(nèi)復(fù)合式TBM機(jī)組在空間上的阻擋，所以無(wú)法在開挖后立即對(duì)靠掌子面附近的點(diǎn)進(jìn)行布點(diǎn)量測(cè)。所以前面三天基本無(wú)法量測(cè)，同時(shí)也就導(dǎo)致了測(cè)量點(diǎn)距掌子面較遠(yuǎn)才能量測(cè)。而且在隧道內(nèi)布點(diǎn)有時(shí)會(huì)受周圍管線以及人行道的影響，無(wú)法將量測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確的布到水平方向的兩直徑點(diǎn)上。在模擬數(shù)值分析中，收斂在第二天，同時(shí)也離開掌子面一定距離內(nèi)出現(xiàn)最大值，而且該階段位移占總位移的40%左右，然而在實(shí)際施工監(jiān)控量測(cè)中無(wú)法得到該數(shù)據(jù)。

3.2拱頂位移對(duì)比分析。

（1）隧道拱頂內(nèi)壁的絕對(duì)下沉量稱為拱頂下沉值。下沉加速度則為兩次單日下沉速度的差值和兩次下沉速度時(shí)間之間的差值。數(shù)值模擬中監(jiān)控?cái)嗝婧蜁r(shí)間均和收斂監(jiān)控的斷面和時(shí)間頻率相同。布點(diǎn)則一般取隧道的頂點(diǎn)作為量測(cè)點(diǎn)。在數(shù)值模擬分析中，取隧道頂點(diǎn)Y方向的位移作為拱頂下沉值。從而得到模擬位移和實(shí)際位移的比較（如表2所示），累計(jì)位移與掌子面距離關(guān)系圖（如圖6所示）以及下沉值與累計(jì)天數(shù)的關(guān)系圖（如圖7所示）。

圖5收斂加速度與累計(jì)天數(shù)的關(guān)系圖

表2下沉值對(duì)比表

距離掌子っ婢嗬氌

（單位：m） 累計(jì)天數(shù) 模擬だ奐莆灰篇

（單位：mm） 實(shí)際だ奐莆灰篇

（單位：mm） 模擬下沉ぜ鈾俁齲ǖオの籱m/天） 實(shí)際下沉ぜ鈾俁齲ǖオの籱m/天）

0 1 0.2699 0 0.2699 0

10 2 0.7604 0 0.2206 0

20 3 1.3144 0 0.0635 0

30 4 3.0814 0 1.213 0

40 5 3.2434 0.4 —1.605 0

50 6 3.3484 0.9 —0.057 0.4

60 7 3.4644 1.3 0.011 0.5

70 8 3.8964 1.6 0.316 0.4

80 9 4.2004 1.8 —0.128 0.3

90 10 4.2894 2.1 —0.215 0.2

100 11 4.3204 2.3 —0.058 0.3

圖6累計(jì)位移與掌子面距離關(guān)系圖

（2）拱頂位移的對(duì)比和水平收斂的對(duì)比相同，都因無(wú)法及時(shí)布點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)，出現(xiàn)了最后的累計(jì)位移偏小，而且對(duì)數(shù)值模擬中出現(xiàn)最大下沉值的時(shí)間和距掌子面一定距離的階段無(wú)法量測(cè)。而且，在隧道監(jiān)控布點(diǎn)一般將后視點(diǎn)和量測(cè)頂點(diǎn)布在同一斷面上，這樣可以消除因土體重力產(chǎn)生的下沉。但是，后視點(diǎn)和頂點(diǎn)因土體的下沉值一般不相同，因此，在實(shí)際工程量測(cè)中也會(huì)帶來(lái)一點(diǎn)的測(cè)量誤差。

4. 量測(cè)方法探討

（1）從上面的數(shù)據(jù)分析中可以得到，無(wú)論是拱頂下沉還是水平收斂都受到了TBM機(jī)組空間上的影響，而得到了較真實(shí)情況更小的位移值，有時(shí)則影響了對(duì)危險(xiǎn)情況的判斷。為解決現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法難以滿足工程TBM施工環(huán)境下隧道凈空位移監(jiān)測(cè)要求，有些學(xué)者提出可以利用掘進(jìn)機(jī)與隧道周邊之間的縱向通視空間，通過(guò)對(duì)拱項(xiàng)和兩側(cè)邊墻三點(diǎn)位應(yīng)用激光準(zhǔn)直法來(lái)實(shí)現(xiàn)。[4]

圖7下沉加速度與累計(jì)天數(shù)的關(guān)系圖

（2）隧道內(nèi)拱頂和兩側(cè)邊墻最大跨度處一般是隧道斷面產(chǎn)生最大變形的部位，其位移矢量主要位于豎直（拱頂）和水平方向上（邊墻）。但是，由于TBM機(jī)組空間上的阻擋，導(dǎo)致拱頂和兩側(cè)邊墻最大跨度處在距離掌子面近的那段距離內(nèi)無(wú)法量測(cè)。同時(shí)，由有限元模型以及隧道內(nèi)力學(xué)性質(zhì)，可知隧道內(nèi)除拱頂和兩側(cè)邊墻外的其他點(diǎn)都有向隧道中心收斂的性質(zhì)。所以，認(rèn)為可以通過(guò)測(cè)量隧道周長(zhǎng)或是面積的變化，來(lái)確定圍巖的穩(wěn)定性。

（3）首先，我們將測(cè)量元件埋入隧道襯砌管片中或者貼在管片上面。此元件可以采用電測(cè)試應(yīng)變儀器或是其他測(cè)量?jī)x器。然后將導(dǎo)線拉到方便測(cè)量的地方。然后通過(guò)元件的自身物理參數(shù)以及量測(cè)數(shù)據(jù)推到計(jì)算出兩次量測(cè)之間的周長(zhǎng)變化值。

（4）如果采用上述的量測(cè)方法，相關(guān)規(guī)范中規(guī)定的拱頂位移和水平收斂因此也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖性質(zhì)的判斷。所以，我們可以通過(guò)實(shí)際的隧道的半徑和變化的位移值求得周長(zhǎng)或是面積的變化來(lái)判斷圍巖的穩(wěn)定性。同時(shí)，由于隧道下部變化較上部變化小，因此可以乘上一個(gè)相關(guān)的安全系數(shù)，以確保安全性。

5. 結(jié)論

TBM隧道施工較普通鉆爆法施工有很多優(yōu)點(diǎn)，但在施工監(jiān)控量測(cè)方面則比鉆爆法

更難。TBM機(jī)組在空間上的阻擋對(duì)監(jiān)控量測(cè)的實(shí)施帶來(lái)了很大的困難，因此新的量測(cè)方法的探究很有必要。

但是在實(shí)際工程中，還有很多其他的影響因素，例如隧道內(nèi)水環(huán)境較差，復(fù)合式TBM周期性的更換刀片，周邊圍巖節(jié)段性的差異，通風(fēng)管道影響精確布點(diǎn)等。因此在實(shí)際施工監(jiān)控量測(cè)中，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)都會(huì)有偏差。但是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況直接的反映，因此，應(yīng)重視并認(rèn)真分析實(shí)際量測(cè)數(shù)據(jù)，以免發(fā)送坍塌等事故。

參考文獻(xiàn)

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