激光準直監(jiān)測法在TBM隧洞施工中的應用

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

大伙房水庫輸水隧洞是遼寧省大伙房輸水(一期)工程的主體工程，全長85.32km，洞室埋深在52～600m之間，開挖洞徑8.03m，屬于大斷面特長深埋隧洞，主要采用TBM施工。在采用開敞式TBM施工過程中，隧洞開挖面后方150～200m范圍內，由于掘進機和后配套設備占據(jù)，此距離范圍內隧洞凈空位移量測很難有效實施。根據(jù)現(xiàn)狀研究，目前常用的位移監(jiān)測方法有：?常規(guī)有尺測量法，雖然成本低、簡便可靠、環(huán)境適應性強，但不能監(jiān)測重大部位隧洞變形。在拱頂下沉量測時，掘進機上難以提供監(jiān)測過程中所需的穩(wěn)定平臺；?全站儀無尺量法，此法雖能對隧洞進行非接觸三維位移監(jiān)測，但要在掘進機上提供架設儀器的平臺以及基準點的通視空間十分困難，且成本高昂，在TBM施工環(huán)境下適應性較差；?鉆孔位移計量測法，主要依賴埋設的位移計進行，但埋設孔需要利用掘進機上的錨桿鉆機，因受機載鉆機鉆孔位置限制，鉆孔位移計難以布設在主要位移矢量方向上，特別是兩側邊墻難以埋設。基于以上敘述，本文提出一種適用于TBM施工環(huán)境的隧洞凈空位移監(jiān)測方法——激光準直TBM隧洞凈空位移監(jiān)測法。

1 基本原理

激光準直TBM隧洞凈空位移監(jiān)測法利用掘進機與隧洞周邊之間的縱向空間，通過對拱頂和兩側邊墻三點位量測獲取斷面上最大位移。準直激光源設于圍巖變形已穩(wěn)定地段，以提供穩(wěn)定的基準光束，如圖1所示。根據(jù)圍巖變形的空間效應，一般圍巖變形主要發(fā)生在距掌子面3倍洞徑內，超出此長度認為圍巖變形已趨穩(wěn)定。所以，全位移的最大值可表示為

為確保激光源設于變形已穩(wěn)定地段，實測中按不小于6倍洞徑考慮；在膨脹性圍巖施工段，采用串聯(lián)接力方式將激光源引至不小于10倍洞徑或更遠處。

umax=u0+u1max

式中umax——全位移最大值,mm;

u0——刀盤尾部測試前已發(fā)生位移,mm；

u1——測出位移,mm；

u1max——最大測出位移,mm。

當測點緊貼刀盤尾部埋設時，u0很小可忽略不計，即u0=0，故所測u1即為圍巖變形中主要位移量，即umax≈u1max。

圖1 激光準直法工作原理圖

2 測量方案

激光準直監(jiān)測法通過獲取拱頂和兩側邊墻三點位置進行隧洞凈空位移監(jiān)測，其測量方法如圖2所示。在實際測量時，分別于緊貼掘進機刀盤尾部、拱頂、兩側邊墻最大跨度巖面處埋設測點并安裝靶器，并于其后方不小于6倍洞徑且變形已趨于穩(wěn)定地段安設準直激光源，測量時激光源發(fā)出基準光束并射向靶器。掘進機在隧洞施工推進時，靶器隨圍巖變形發(fā)生位移，滑動靶器上的靶標使之對準光斑(刻線對準或線陣元件控制)，由靶器上測量模塊測量讀出位移量。

圖2 激光準直法技術方案布置圖

3 精度評定

通過現(xiàn)場實驗，并分別采用基線場、靜態(tài)測試、動態(tài)測試方法，對激光準直測量的可靠性和精度進行理論分析，得出隧洞激光準直位移監(jiān)測在采用手動刻線對準方式測量時，可達到毫米～亞毫米級位移量測精度。在置信概率95%條件下能取得建筑變形一級及以上滿意的量測精度，見下表。

激光準直監(jiān)測精度評定結果 單位：mm

注評定環(huán)境為室內，基線長40～60m，手動刻線對準，置信概率95%。

4 各類圍巖監(jiān)測及分析

4.1 Ⅱ類圍巖

監(jiān)測斷面位于36+200西岔，為TBM圓形斷面，緊貼刀盤尾部埋設，埋深300～350m，巖性為混合巖，監(jiān)測期間未進行初期支護。圖3為西岔附近Ⅱ類圍巖TBM圓形斷面圍巖凈空位移隨時間(3a)和距離變化(3b)的監(jiān)測結果。

圖3 Ⅱ類圍巖TBM圓形斷面凈空位移散點及回歸曲線

Ⅱ類圍巖TBM斷面凈空位移主要發(fā)生在距開挖面0.5倍洞徑范圍內(距刀盤尾部1～2m)，位移發(fā)展的時間為1～3h。Ⅱ類硬巖地層的變形在開挖后很短時間和距離內完成，不及時量測將很難測出。該埋深條件下，Ⅱ類圍巖TBM圓形斷面凈空位移最大值為2.4mm(拱頂下沉回歸值，下同)，其相對值(位移與跨度之比，下同)為0.1%，最大水平收斂相對值小于0.03%，滿足相關規(guī)范要求。

4.2 Ⅲ類圍巖

監(jiān)測斷面位于張家街，為TBM圓形斷面，緊貼刀盤尾部埋設，埋深230m，巖性為混合花崗巖。初期支護為鋼架噴射混凝土。圖4為張家街下方TBM施工環(huán)境下圍巖凈空位移隨時間變化(4a)和隨距離變化(4b)的監(jiān)測結果。

圖4 Ⅲ類圍巖TBM圓形斷面凈空位移散點及回歸曲線

Ⅲ類圍巖TBM斷面凈空位移主要發(fā)生在距開挖面約1.5倍洞徑，位移發(fā)展的時間為10h以內。相對Ⅱ類圍巖，其變形趨于穩(wěn)定的時間和距離均增加，但主要變形仍在一天內完成。埋深200～500m時，Ⅲ類圍巖的凈空位移以水平收斂更為顯著，拱頂下沉與水平收斂之比在0.5～1之間。該埋深條件下，Ⅲ類圍巖收斂相對值最大為0.13%，水平收斂最大值為10mm，滿足相關規(guī)范要求。

4.3 Ⅳ類圍巖

監(jiān)測斷面為馬蹄形，位于房家堡子斷層段邊緣，埋深330m，巖性為破碎混合巖，初期支護為格柵鋼架噴射混凝土。圖5為馬蹄形斷面施工環(huán)境下Ⅳ類圍巖凈空位移隨時間變化的監(jiān)測結果，(5a)為房家堡子斷層邊緣地段，(5b)為拱頂下沉與水平收斂最大值分布情況(回歸值)。

圖5 Ⅳ類圍巖馬蹄形斷面凈空位移散點、回歸曲線及凈空位移特性

Ⅳ類圍巖馬蹄形斷面凈空位移隨時間變化曲線呈以下形態(tài)(見圖6)，初期急劇變形之后有一緩慢變形增長階段，其主要變形在5～10天內完成。與Ⅲ類圍巖相比，Ⅳ類圍巖變形趨于穩(wěn)定的時間明顯增加。

圖6 Ⅳ類圍巖凈空位移隨時間變化形態(tài)

埋深300～450m時，Ⅳ類圍巖凈空位移以水平收斂較為顯著，拱頂下沉與水平收斂之比在0.7～1之間。該埋深條件下，Ⅳ類圍巖凈空位移相對值最大為0.18%，水平收斂最大值為15mm，滿足相關規(guī)范要求。

4.4 Ⅴ類圍巖

監(jiān)測斷面為馬蹄形，位于三道溝靠近四道河子河谷邊緣，埋深420～430m，大理巖與硅質碳質板巖互層，巖體破碎，初期支護為格柵鋼架噴錨支護。圖7為馬蹄形施工環(huán)境下Ⅴ類圍巖凈空位移隨時間變化的監(jiān)測結果，(7a)為三道溝靠近河谷邊緣，(7b)為拱頂下沉與水平收斂最大值分布情況(回歸值)。

圖7 Ⅴ類圍巖馬蹄形斷面凈空位移散點、回歸曲線及凈空位移特性

Ⅴ類圍巖斷面凈空位移隨時間變化曲線與Ⅳ類圍巖凈空位移形態(tài)相似，即在初期急劇變形之后有明顯的緩慢變形增長階段，其變形趨穩(wěn)時間達到10天以上。趨穩(wěn)距離(距開挖面)按掘進速度估計約2.5倍洞徑及以上。埋深300～450m時，Ⅴ類圍巖拱頂下沉與水平收斂之比，較Ⅳ類圍巖更接近于1。該埋深條件下，Ⅴ類圍巖凈空位移相對值最大為0.23%，水平收斂最大值為19mm，滿足相關規(guī)范要求。

5 結 語

實踐表明，基于三點量測的激光準直隧洞凈空位移監(jiān)測，在掘進機及后配套設備范圍內可進行隧洞斷面凈空位移量測，技術上可行，精度也符合TBM施工環(huán)境下位移控制的監(jiān)測要求，量測過程可單人進行，具有操作方便、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。在對各類圍巖的掘進過程中，激光準直監(jiān)測結果有效反映了不同斷面、不同埋深條件下隧洞圍巖凈空位移變形特性，為隧洞施工掘進的順利進行提供了理論依據(jù)和技術保證。激光準直法作為一種有效的新型位移監(jiān)測方法，將在今后類似施工中發(fā)揮更大的作用。fffffa