TBM 施工条件下隧道净空位移监测.pdf

第 28 卷 第 3 期 岩石力学与工程学报 Vol.28 No.3 2009 年 3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2009 收稿日期收稿日期2008–09–07；修回日期修回日期2008–11–24 作者简介作者简介宋 冶1957–，男，1984 年毕业于西南交通大学隧道及地下铁道工程专业，现任教授级高级工程师，主要从事隧道支护及监测技术方面 的研究工作。E-mailsungyeh TBM 施工条件下隧道净空位移监测施工条件下隧道净空位移监测 宋 冶 1，唐 与2，穆国华2，王 刚1 1. 中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 610031；2. 辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110179 摘要摘要以辽宁大伙房输水工程为背景，介绍 TBM 施工条件下隧道净空位移监测技术。根据试验，提出一种激光 准直 TBM 隧道净空位移监测方法，它利用开敞式掘进机与隧道周边之间的纵向通视空间，通过对拱顶和两侧边 墙三点位应用激光准直法来实现，从而解决 TBM 施工中现有监测方法难以有效实施净空位移监测的难题。同时， 研制出 SWL–I 型 TBM 隧道激光位移监测系统，具有满意的量测精度和简便的操作特性，已在该工程 Robbins 和 Wirth 两种开敞式掘进机施工环境中得到应用验证，并获得掘进机刀盘尾部拱顶和两侧边墙围岩净空位移的变 化特性曲线，实现了 TBM 施工条件下的净空位移监测。 关键词关键词隧道工程；大伙房输水工程；TBM 施工；净空位移监测；SWL–I 监测系统 中图分类号中图分类号U 459 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200903–0621–07 MONITORING OF TUNNEL CLEARANCE DISPLACEMENTS UNDER CONDITION OF TBM CONSTRUCTION SONG Ye1，TANG Yu2，MU Guohua2，WANG Gang1 1. Southwest Research Institute Co.，Ltd. of CREC，Chengdu，Sichuan 610031，China；2. Liaoning Runzhong Water Supply Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110179，China AbstractTaking Dahuofang Water Transfer Project in Liaoning Province as background，the monitoring technique of tunnel clearance displacements in the tunnel boring machineTBM bid segments is introduced under condition of TBM construction. Based on the tests，a monitoring of TBM tunnel clearance displacements with laser collimation is proposed. It comes true by utilizing the longitudinal intervisible space between the boring machine and tunnel profile and using the laser collimation to the three measuring points on the crown and two sidewalls. Thereby，the problem that the tunnel clearance displacement under condition of TBM construction is difficult to be obtained with existing monitoring s can be resolved. Also，the SWL–I tunnel laser displacement monitoring system with satisfying measuring precision，simple and easy-to-operate characteristics is developed. The system has been applied and verified in the construction of Dahuofang Water Transfer Project by use of Robbins and Wirths open TBMs. The displacement characteristic curves of surrounding rock in the tunnel crown and both sidewalls at the end of the machine cutterhead are obtained firstly；and the monitoring of tunnel clearance displacements under condition of TBM construction has been realized. Key words tunneling engineering； Dahuofang Water Transfer Project； TBM construction； monitoring of clearance displacement；SWL–I monitoring system 1 引引 言言 TBM 施工中，由于掘进机及后配套设备几乎占 据隧道开挖面后方 150～200 m 范围内整个空间， 在这一区间，受通视条件限制，用现有隧道监测方 法对隧道净空位移量测很难有效实施。国内外资料 及工程实例[1 ～13]显示，目前在 TBM 施工条件下进 622 岩石力学与工程学报 2009年 行隧道净空位移监测的经验十分缺乏。 图 1 为辽宁大伙房输水工程 TBM 标段招标文 件要求的位移量测断面，需要测定隧洞拱顶下沉以 及两侧边墙的水平相对位移。同时，该工程规定， TBM 施工段位移量测断面应埋设在 TBM 护盾后并 及时量测初读数。显然，上述要求在掘进机及后配 套设备范围内用现有监测方法很难实现。 图 1 辽宁大伙房输水工程招标文件要求的 TBM 标段周边 位移量测断面 Fig.1 Displacement measuring section of TBM bid segment required in bidding document of Liaoning Dahuofang Water Transfer project 其关键是要解决如何利用 TBM 与隧洞之间的 剩余空间实施有效监测。对此，建设单位与中铁西 南科学研究院有限公司合作，依托该工程开展 TBM 施工条件下隧道净空位移监测技术研究。 2 工程背景工程背景 大伙房输水工程是辽宁省“十五”期间开工的 重点建设项目之一，隧洞全长 85 316.11 m，为目前 世界引水隧洞最长的跨流域调水工程。全隧共设 3 个 TBM 标段和 5 个 DB钻爆法标段，如图 2 所 示。其中，TBM 标段总长 63.71 km，采用 3 台直径 800 cm的Robbins和Wirth开敞式岩石掘进机施工， 单机连续掘进长度 18～20 km，是国内外大断面 TBM 隧洞中最长的。图 3 所示为 TBM3 标掘进机 进洞前整装情况。 3 现有监测方法现有监测方法 3.1 常规收敛量测常规收敛量测 对于隧道净空位移量测，目前一般采用尺带收 敛计、挂尺水准抄平等接触量测方法进行。这种方 法具有成本低、简便可靠、能适应恶劣施工环境的 优点。本文针对 TBM 施工环境下，上述常规方法 能否满足本工程施工监测要求问题进行了现场试 验。 图 4 为本工程掘进机前 30 m 结构图。利用其 上下层空间，提出 2 种常规位移量测方案[14]，如 图 5 所示。试验表明，在上述施工环境下，采用常 规量测方法存在以下问题 1 常规方法不能靠近隧洞变形敏感部位进行 监测，无法获取净空主要位移。同时，由于掘进机 设备上众多构件使收敛计拉钢尺的空间随时被阻挡 而无法完成量测，尤其在刀盘附近的上层空间更为 突出见图 6。因此，现场实际完成的常规方法量测 断面，其上层收敛基线的初测距离均在 30 m 以外。 而下层收敛基线通过降低高度至距基底 1.5 m 以 下， 才能完成紧贴刀盘后部的初测见图 7， 但由于 偏离断面变形敏感部位较远，其监测意义已不大。 2 对于拱顶下沉量测，掘进机上难以提供稳 定的测站平台即使停机时间，只要有人走动均不可 避免产生影响。同时，Wirth 机型在刀盘后 40 m 处的司机室阻挡了与远处后视基准点通视的空间 见图 8。因此，现场试验未实现用水准抄平方法 量测拱顶下沉。 综上可见，采用常规收敛量测方法难以满足本 工程 TBM 施工段的净空位移监测要求，其关键问 题是受 TBM 设备阻挡，量测位置受限，无法及时 获取开挖初期敏感部位的位移。 3.2 全站仪非接触量测全站仪非接触量测 用全站仪可对隧道进行非接触三维净空位移量 图 2 大伙房输水工程隧洞施工标段布置图 Fig.2 Layout of the construction bid segments，Dahuofang Water Transfer Tunnel 拱顶下沉 水平收敛 800 单位cm 15 14 13 12112 隧洞进口 隧洞出口 TBM3/Robbins 18 469.69 16 支洞 85316.11 TBM2/Wirth 22 584.25 66846.42 44262.17 TBM1/Robbins 22 651.35 21610.82 0000.00 DB2 9 6 1 700 DB 8 掘进机方向 7 1 4 单位m 主洞 1 902 DB5 10 5 340.47 8 300.63 5 200.00 2 769.72 DB1 DB3 85 316.11 DB4 第 28 卷 第 3 期 宋 冶，等. TBM 施工条件下隧道净空位移监测 623 图 3 TBM3 标掘进机进洞前整装情况Robbins Fig.3 Full Robbins TBM before tunneling of TBM3 bid segment 图 4 掘进机前 30 m 结构图Wirth TB803E Fig.4 Structure of fore 30 m-long boring machineWirth TB803E 图 5 利用 TBM 上下层空间进行常规量测的咨询方案 Fig.5 Consultation schemes of conventional measurement by utilizing the TBMs upper and lower space 图 6 刀盘后部上层空间 Fig.6 Upper space behind cutterhead 图 7 刀盘后部下层空间收敛量测试验 Fig.7 Convergence test in lower space behind cutterhead 图 8 Wirth 机型司机室阻挡后视点通视空间 Fig.8 Intervisible space of the reference points obstructed by the control cabin of the Wirths machine 测，一般有自由设站和固定测站 2 种方法。由于掘 进机上不能提供稳定的测站平台以及基准点的通视 空间，自由设站方法显然难以适应 TBM 施工环境。 而固定测站在 TBM 施工环境中，类似于 VMT 的 SLS-T 激光导向系统[15]见图 9，可将全站仪固定 在隧道两侧牛腿支架上见图 10，用于测定两侧边 墙的水平位移。但对于拱顶位移，受司机室阻挡 Wirth 机型没有通视条件。这种方法成本较高，施 工阶段不便推广。 图 9 SLS-T 激光导向系统[15] Fig.9 SLS-T laser guidance system[15] 图 10 TBM 全站仪固定测站方法 Fig.10 Fixed stationing in TBM 3.3 钻孔位移计量测钻孔位移计量测 钻孔位移计的埋设孔需要利用掘进机上的锚杆 钻机，但受机载钻机钻孔位置限制，钻孔位移计难 以布设在主要位移矢量方向上，在两侧边墙尤为 突出，如图 11 所示。 a 方案 1 ≈200 ≈250 ≈250 单位cm 收敛基线 下沉测点 机上平台 ≈200 b 方案 2 刀盘后部设 备占用空间 全站仪 624 岩石力学与工程学报 2009年 图 11 掘进机锚杆钻机钻孔位置示意 Fig.11 Sketch of drilling hole by TBMs roof drill 4 激光准直激光准直 TBM 隧道净空位移监测 方法 隧道净空位移监测 方法 4.1 技术方案技术方案 为解决现有监测方法难以满足本工程 TBM 施 工环境下隧道净空位移监测要求，本文提出一种适 用于开敞式 TBM 施工环境下隧道净空位移监测方 法，即利用掘进机与隧道周边之间的纵向通视空 间，通过对拱顶和两侧边墙三点位应用激光准直法 来实现。 该方法技术方案如图 12 所示紧贴掘进机刀盘 尾部，在拱顶和两侧边墙最大跨度处岩面埋设测点 并安装靶器，在其后方不小于 6 倍洞径的变形已稳 定地段安装准直激光源，它提供基准光束射向靶器。 当掘进机推进时，围岩变形使靶器随之位移，滑动 手动或电动靶器上的靶标使之对准光斑刻线对准 或线阵元件控制，由靶器上测量模块测量位移。 4.2 技术特性技术特性 拱顶和两侧边墙最大跨度处一般是隧道断面产 生最大变形的部位， 其位移矢量主要位于竖直拱顶 和水平方向上边墙。因此，技术方案采用上述三 点位量测可获取断面上最大净空位移。 准直激光源设于围岩变形已稳定或相对稳定地 段，以提供基准光束。根据围岩变形的空间效应， 一般围岩变形发展主要发生在距掌子面 3 倍洞径 内，超出此长度围岩变形趋于稳定。如图 13 所示， 其中 u0为刀盘尾部测试前已发生位移，u1为测出位 移新掘进位置 B 位移曲线与原掘进位置 A 位移曲 线之差，u1max为最大测出位移，umax为全位移最大值， umax u0u1max。当测点紧贴刀盘尾部埋设时，u0很小 可忽略，所测 u1即为围岩变形中主要位移量，umax≈ u1max。实施中按不小于 6 倍洞径考虑，目的是确保 激光源设于变形稳定地段。必要时如膨胀性围岩可 通过常规引点以串联接力方式将激光源引至更远 处，以确保基准光束稳定。 4.3 现场试验现场试验 针对上述技术方案，本文在 TBM1 标 Robbins 掘进机施工段进行了现场试验。试验段位于 III 类围 岩中按水工隧洞设计规范L/T5195–2004分 类，埋深 200～230 m。试验含常规水平收敛量测 对比，断面布置如图 14 所示。图 15 为现场试验情 况，其中图 15a为靶器量测端，图 15b为准直激 光源端距离靶器 48 m，相当于 6 倍洞径。 结果见图 16显示，采用上述方法可获取刀盘 图 12 激光准直法技术方案 Fig.12 Technical scheme of laser collimation 图 13 激光准直法工作原理 Fig.13 Working principle of laser collimation 激光束 L≥6D D 拱顶 边墙 边墙 准直激光源 靶器 靶器 拱顶 边墙 刀盘后部设备占用空间 边墙 刀盘 B位移曲线 u0 u1 u1max D umax 正在变形地段≈3D 变形趋于稳定地段 刀盘尾部 准直光束 A位移曲线 L≥6D 准直光源 第 28 卷 第 3 期 宋 冶，等. TBM 施工条件下隧道净空位移监测 625 图 14 试验断面布置 Fig.14 Layout of testing section a b 图 15 激光准直法现场试验情况 Fig.15 In-situ test with laser collimation a 拱顶和边墙位移变化 b 与常规收敛所测位移对比 图 16 试验测出的掘进机刀盘尾部拱顶和边墙位移变化 及与常规收敛所测位移对比 Fig.16 Variation of crown and sidewall displacements behind cutterhead of boring machine measured by test and comparison with the displacement measured by conventional convergence 尾部拱顶和两侧边墙变形敏感部位的位移数据。而 常规方法由于收敛基线偏离敏感部位较远，与激光 准直法相比，其测出位移很小，监测意义不大。 综上可见，针对 TBM 施工环境下的隧道净空 位移监测，所述利用掘进机与隧道周边之间的纵向 通视空间、在拱顶和两侧边墙进行三点量测的激光 准直方法，技术可行，在掘进机及后配套设备范围 内可获取断面上最大净空位移，满足本工程 TBM 隧道净空位移监测要求。 5 监测系统监测系统 在试验基础上，本文针对上述方法研制开发出 SWL–I TBM 隧道激光位移监测系统，从而实现利 用掘进机与隧道周边之间纵向通视空间、通过拱顶 和两侧边墙应用激光准直法进行 TBM 施工条件下 净空位移监测的现场应用。 5.1 系统特性系统特性 SWL–I TBM 隧道激光位移监测系统由靶器、 磁性测点及小光斑准直激光源构成[16]，其主要特性 如下 1 靶器采用快速装卸的移动式结构，仅在量 测时通过磁性和定位销强制对中安装在测点上，测 完即取下，可避免遮挡基准光束射向下一断面的前 方测点，使得一只激光器能完成相邻若干断面同一 位置测点的量测任务，同时可避免掘进机撑靴移 位、喷混凝土对测点的干扰。 2 靶器采用主动寻的测量方式，具有 PSD， CCD 等片式阵列元件的激光位移系统不具备的大 量程位移量测特性，尤其适应于软弱围岩的变形监 测要求。 3 系统的安装、量测均利用掘进机及后配套 设备提供的平台进行，其中电动线阵元件控制的靶 器具有遥测特性，其量测无需利用上述平台。 5.2 精度评定精度评定 系统精度检定分别采用静态重复性测试和动态 位移不确定度测试包括靶器对中误差， 每次观测均 取下靶器然后再重新安装，检定距离为 40 m，指标 计算按 测量不确定度评定与表示 JJF1059–1999 规定执行。图 17 给出同一批次 3 套 SWL–I 系统共 a 重复性测试残差 140 150 收敛基线 单位cm 激光靶 0 5 10 15 20 0 10 20 3040 50 60 掘进距离/m 位移/mm 激光准直 常规收敛 0 5 10 15 20 0 10 20 3040 50 60 掘进距离/m 位移/mm 左边墙水平 拱顶下沉 右边墙水平 钢拱架 指盾 0 10 20 30 40 50 0.30.20.1－0.1 －0.2－0.3 残差区间/mm 频率/ s 0.11 mm  0.00 mm n 90 0.0 626 岩石力学与工程学报 2009年 b 动态测试误差 图 17 SWL–I 系统精度测试标准差直方图置信概率 95 Fig.17 Histogram of standard deviation of SWL–I system precision testfiducial probability is 95 9只激光器进行重复性测试和位移不确定度测试的 标准差分布直方图其中 s 为标准差，为均值，n 为样本数，表 1 为精度评定结果。结果显示， SWL–I TBM 隧道激光位移监测系统在采用手动 刻线对准方式寻的时，室内环境可达到亚毫米级量 测精度置信概率 95。 表 1 SWL–I 系统精度评定结果 Table 1 uating results of SWL–I system precision 重复性/mm 位移误差/mm 0.2～0.3 0.5～0.9 6 现场应用现场应用 SWL–I TBM隧道激光位移监测系统在大伙房 输水工程 Robbins 和 Wirth 两种开敞式掘进机施工 环境中实现应用。结果显示，该系统在上述 Robbins 和 Wirth 机型条件下，测点可紧贴掘进机刀盘尾部 埋设和量测，准直激光源可置于刀盘后6～7D 48～55 m处，量测过程只需一人即可进行。图 18 为现场应用情况，图 19 为在大伙房输水工程中首次 取得的掘进机刀盘尾部硬岩 水工隧洞设计规范 L/T5195–2004中 II，III 类围岩净空位移特征曲 线量测结果[17]。 a 拱顶准直激光源 b 靶器端量测 图 18 SWL–I 系统现场应用情况 Fig.18 Application cases of SWL–I system in field a II 类围岩埋深 310 m b III 类围岩埋深 230 m 图 19 SWL–I 系统测得的大伙房输水工程围岩净空位移 特征曲线[17] Fig.19 Displacement characteristic curves of clearance displacement of surrounding rock in Dahuofang Water Transfer Project measured by SWL–I system[17] 7 结结 论论 1 对本工程 Robbins 和 Wirth 两种开敞式 TBM 施工环境下净空位移监测现场试验结果表 明，现有监测方法难以在掘进机及后配套设备范围 内有效实施，主要是受掘进机设备阻挡，量测空间 受限，但采用激光准直法可行。 2 在试验基础上，提出一种激光准直 TBM 隧道净空位移监测方法，利用开敞式掘进机与隧道 周边之间的纵向通视空间，通过对拱顶和两侧边墙 三点应用激光准直法来实现。其特征是紧贴掘进 机刀盘尾部，分别在上述三点位安装靶器、在其后 方 L≥6D 的相同点位安装准直激光源，后者发出基 准光束射向靶器，靶器主动寻的测出位移。该方法 技术可靠，适用性强，可在掘进机及后配套设备范 围获取断面最大净空位移，从而解决 TBM 施工条 件下现有监测方法受掘进机设备阻挡难以有效实施 的难题。 3 针对激光准直 TBM 隧道净空位移监测方 法，研制出 SWL–I TBM 隧道激光位移监测系统。 0 5 10 15 20 掘进距离/m 净空位移/mm 10 －2 10 －1 100 101 102 拱顶下沉 水平收敛 回归曲线 0 5 10 15 20 掘进距离/m 净空位移/mm 拱顶下沉 水平收敛 回归曲线 10 －2 10 －1 100 101 102 0 10 20 30 40 50 0.8 0.6 0.4 0.2－0.2 －0.4 －0.6 误差/mm 频率/ s 0.31 mm  0.15 mm n 90 0.0 第 28 卷 第 3 期 宋 冶，等. TBM 施工条件下隧道净空位移监测 627 该系统采用主动寻的结构，具有大量程特性，尤适 应软弱围岩变形监测要求。该系统结构简单，操作 简便只需一人即可量测，成本低廉，便于推广， 并能取得满意的量测精度。该系统在大伙房输水工 程 Robbins 和 Wirth 两种开敞式掘进机施工环境中 得到应用验证，并测得掘进机刀盘尾部拱顶和两侧 边墙围岩净空位移的变化特性曲线，实现了 TBM 施工环境下的净空位移监测，现已申请专利。 参考文献参考文献References [1] 铁道部工程管理中心. 西安安康铁路秦岭隧道 TBM 掘进施工技 术总结[M]. 北京 中国铁道出版社， 2004.Construction Management Center of Ministry of Railways of China. TBM tunnelling technical summary in Qinling tunnel of XianAnkang railway[M]. Beijing China Railway Publishing House，2004.in Chinese [2] 王梦恕，李典璜，张镜剑，等. 岩石隧道掘进机TBM施工及工程 实例[M]. 北京中国铁道出版社，2004.WANG Mengshu，LI Dianhuang，ZHANG Jingjian，et al. Tunnelling with rock TBM and related case studies[M]. BeijingChina Railway Publishing House， 2004.in Chinese [3] 曹催晨，孟晋忠，樊安顺，等. TBM 在国内外的发展及其在万家 寨引黄工程中的应用[J]. 水利水电技术， 2001， 324 29–32.CAO Cuichen， MENG Jinzhong， FAN Anshun， et al. Development of TBM at home and abroad and application in YRDP[J]. 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