长距离隧洞开挖TBM掘进机掘进方向的控制分析

梁大伟

（辽宁宏禹水利工程建设监理有限公司 辽宁 沈阳 110006）

1 概况

随着全断面掘进机在地下开挖工程中的广泛应用，确立了隧洞工程施工技术的发展方向，而盾构机测量系统是附属于TBM掘进中的全新测量模式，它表现的形式是如何指导隧洞掘进，控制掘进方向。根据隧洞工程的施工经验，洞内基本导线网宜布设交叉附合双导线，互相校核，将精确的数据传递至盾构机测量系统，为隧洞贯通提供测量技术的支持，以保证工程的顺利实施。

本文以辽西供水工程隧洞工程为例予以论述。

2 洞口首级控制网与洞内基本导线

2.1 进洞口首级控制网的布设

辽西供水工程（四段）三标段隧洞总长18.7km，断面为圆拱斜墙型，成洞断面尺寸为5.92m×6.063m（宽×高）。隧洞穿越的地层岩性主要为弱风化～新鲜状太古宇大营子组（Arjnd）混合岩、混合质黑云斜长片麻岩、长英片麻岩、黑云二长片麻岩夹磁铁石英岩、弱风化～新鲜状新太古代大营子混合花岗岩，未发现有较大的断裂构造穿越洞身。节理较发育～不发育，节理面多呈平直光滑状，多闭合，无充填，局部泥质充填，岩体完整性差～较完整，岩体多呈次块状结构。洞线区水文地质条件较简单，地下水储藏类型主要为基岩裂隙水。洞室开挖以渗水～滴水为主。洞室围岩以Ⅲ类为主，进口浅埋段为Ⅳ、Ⅴ类。中间仅设一个支洞，适合TBM掘进机开挖，但同时也造成单面掘进距离长，导线精度要求高。

为保证隧洞贯通精度，监理人与承包人专业测量人员共同研究确定施测方案及首级控制网的选点、布设。

根据发包人提供的施工控制网成果，结合地形的实际情况，进行设计、选点、造标，布设洞口首级控制网。两个独立进洞控制点的起始方向宜选为同一方向，以保证起算数据的统一，进洞口控制网布设成边角交会网。如图1所示。

图1中，P1和P3为独立的进洞控制点，GPS17为相同的定向起始方向及起算点，P2为相同的检查方向，JDL01和JDR01为进洞点 ，P1、P3、GPS17、P2、JDL01、JDRO1共 同 构成进洞口首级控制网。

2.2 进洞口首级控制网的观测

观测技术要求严格执行《工程测量规范》（GB50026—2007）中的相关规定。

由于该工程隧洞长，支洞少，排风条件差，贯通距离长，导线精度要求高，因此观测时，应充分考虑外界条件对测角、测距的影响，大气透明度差的时段避开观测，在外界条件优越的情况下，选择按略高于二等边角网的精度进行观测。

2.3 进洞口首级控制网的平差

由于进洞控制点是在进洞口首级控制网的基础上测设的，因此可将首级控制点作为已知起算点。为了提高进洞点的精度，为其单独进行测站平差，然后进行平面精度分析。为了更好地分析平面精度，分别选取不同位置控制点数据进行比较，通过比较判断所得数据是否满足工程测量精度要求。

3 洞内基本导线网的控制

3.1 洞内基本导线网的布设

洞内基本导线是根据TBM掘进进尺，向前施测，布设成两条独立的附合导线。直线段可采用交叉对称导线，每间隔2点～4点宜选择一点为两导线的公共点，以便校核。导线网边长依据设计要求和洞内观测条件确定，导线边长宜控制在300m～400m。

3.2 洞内基本导线网控制点的布设

洞内基本导线控制点布置在隧洞轴线两侧不影响施工的位置。有条件可按图2布设在洞壁上，距洞底1.5m高的位置。其位置既保证测量人员能够方便观测，又避免洞内与其他辅助设施的相互影响。在观测台底部设置强制对中设备，用以保证对点精度。在观测台上方的洞壁最好安装照明灯具，便于测量人员的操作。

图1 近洞口控制网布设示意图

图2 洞内导线控制点布置示意图

3.3 洞内基本导线的施测方法

鉴于该隧洞的地质条件差，安全性低，采用合理的施测方法尤为重要，应根据不同精度选择不同型号仪器。宜采用左右角观测方法，观测数依据规范规定。在进行洞内基本导线的距离观测中，对导线边应进行往返观测，并进行气象及温度、乘常数和加常数、倾斜改正。在洞内观测过程中，要目测洞内通视条件，并考虑灰尘的流动和气流的不稳定以及光线的折射对观测数据质量产生的不良影响，所以尽量选择视线清晰，气流稳定的状态下进行测量观测。当基本导线向前延伸一个边，应计算和检核一次，检核的内容包括：

（1）左右角观测的测角闭合差；

（2）检查两次观测同一观测角的角值之较差Δβ是否超限；

（3）检查导线边未端导线点坐标并对两次测量成果进行比较，分析点位精度，判断是否满足规范相关要求。

3.4 隧洞内施工导线

TBM掘进中，施工测量是根据掘进机机头位置，将准确的测量数据传递给安装在TBM掘进机上的激光导向仪，使系统自动引导掘进机按照设计的隧洞轴线方向施工。

施工导线是低于基本导线，用于放样。通过实践，笔者认为洞内施工导线可同洞内基本导线结合使用，既提高工作效率，又进一步提高了测量精度。通过一定的纠偏量，调整掘进机姿态沿设计轴线前进。在纠偏的过程当中，逐渐调整方位，避免出现水平方向大的偏差，使掘进方位角严格平行于设计轴线方向，然后调整一定的角度偏差值使掘进方向缓和的归于设计轴线。在TBM盾构掘进中，由基本导线的坐标系统传递给激光导向系统，将进一步提高掘进精度，指导掘进机前进方向。

为避免出现任何形式的粗差和精度不等权，每隔2km左右将左右两条导线进行联测。洞内基本导线的计算与检核是随基本导线向前延伸而逐次进行。

3.5 TBM掘进机方位的控制

根据《水电水利工程施工测量规范》（DL/T5173-2007）的规定以及该工程施工测量方案的总体设计，洞内基本导线网执行三等导线测量限差。使用《控制网优化与平差》软件进行严密平差，对平差后的数据进行平面精度分析。众所周知，水利工程测量对于高程精度的要求比较高，所以对高程精度也要进行精度分析，然后将正确的测量数据传递给TBM掘进机上的激光导向仪，从而时时确定TBM掘进机的掘进方向按设计轴线向前开挖。

4 TBM掘进机方向控制应注意的几个问题

为保证隧洞按设计贯通，在TBM掘进中掘进机方向控制时应注意以下几点：

（1）依据设计要求，做好首级施工控制网及洞内基本导线的设计方案；

（2）选择合理的仪器设备，做好测量人员的培训，洞内测量一定要等排烟结束后方可实施；

（3）要注意点位之间距离，尽量做到导线边相等并尽可能拉大距离，提高推刀盘切口姿态数据的精度；

（4）开挖误差宜控制在水平方向±150mm，垂直方向（即竖向）±50mm。发现偏差，根据偏差多少，及时调整TBM姿态；

（5）经常检查激光导向系统，避免导向系统出现故障，影响掘进进度；

（6）要建立控制点（首级点、加密点）保护措施，危险地带测量作业安全技术措施；

（7）做好测量成果资料整理归档工作。

5 结语

随着计算机硬件和软件的迅速发展，TBM激光导向系统计算机的优化设计和施工系统的开发也是未来发展方向之一。目前，主要用于工业和民用管道施工的微型TBM发展很快，TBM已在全国长隧道工程尤其是长距离引水工程中得到越来越多的应用，并且其技术水平日益得到提高。随着测量技术的提高，测量仪器设备的不断更新，测量方法将更加可靠，测量精度更高，但还要在以后的工程施工中多加实践和总结，为今后TBM施工中测量技术的应用奠定坚实的基础。展望未来，TBM的应用前景将是宽广而喜人的！陕西水利

[1]张恒，陈寿根，谭信荣，赵玉报.盾构掘进孤石处理技术研究 [J].施工技术，2011，10.

[2]姚晓明.TBM在超长隧洞施工方法研究[D].西南交通大学，2011，05.

[3]蒙先军.长距离双护盾TBM施工探讨[J].隧道建设，2008，04.

[4]梁自张，邓稀肥，陈寿根.偏桥水电站引水隧洞施工全过程离散单元法仿真模拟研究[J].隧道建设，2009.02.

[5]张正绿.工程测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2005.