激光准直监测法在TBM隧洞施工中的应用

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

大伙房水库输水隧洞是辽宁省大伙房输水(一期)工程的主体工程，全长85.32km，洞室埋深在52～600m之间，开挖洞径8.03m，属于大断面特长深埋隧洞，主要采用TBM施工。在采用开敞式TBM施工过程中，隧洞开挖面后方150～200m范围内，由于掘进机和后配套设备占据，此距离范围内隧洞净空位移量测很难有效实施。根据现状研究，目前常用的位移监测方法有：ⓐ常规有尺测量法，虽然成本低、简便可靠、环境适应性强，但不能监测重大部位隧洞变形。在拱顶下沉量测时，掘进机上难以提供监测过程中所需的稳定平台；ⓑ全站仪无尺量法，此法虽能对隧洞进行非接触三维位移监测，但要在掘进机上提供架设仪器的平台以及基准点的通视空间十分困难，且成本高昂，在TBM施工环境下适应性较差；ⓒ钻孔位移计量测法，主要依赖埋设的位移计进行，但埋设孔需要利用掘进机上的锚杆钻机，因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，特别是两侧边墙难以埋设。基于以上叙述，本文提出一种适用于TBM施工环境的隧洞净空位移监测方法——激光准直TBM隧洞净空位移监测法。

1 基本原理

激光准直TBM隧洞净空位移监测法利用掘进机与隧洞周边之间的纵向空间，通过对拱顶和两侧边墙三点位量测获取断面上最大位移。准直激光源设于围岩变形已稳定地段，以提供稳定的基准光束，如图1所示。根据围岩变形的空间效应，一般围岩变形主要发生在距掌子面3倍洞径内，超出此长度认为围岩变形已趋稳定。所以，全位移的最大值可表示为

为确保激光源设于变形已稳定地段，实测中按不小于6倍洞径考虑；在膨胀性围岩施工段，采用串联接力方式将激光源引至不小于10倍洞径或更远处。

umax=u0+u1max

式中umax——全位移最大值,mm;

u0——刀盘尾部测试前已发生位移,mm；

u1——测出位移,mm；

u1max——最大测出位移,mm。

当测点紧贴刀盘尾部埋设时，u0很小可忽略不计，即u0=0，故所测u1即为围岩变形中主要位移量，即umax≈u1max。

图1 激光准直法工作原理图

2 测量方案

激光准直监测法通过获取拱顶和两侧边墙三点位置进行隧洞净空位移监测，其测量方法如图2所示。在实际测量时，分别于紧贴掘进机刀盘尾部、拱顶、两侧边墙最大跨度岩面处埋设测点并安装靶器，并于其后方不小于6倍洞径且变形已趋于稳定地段安设准直激光源，测量时激光源发出基准光束并射向靶器。掘进机在隧洞施工推进时，靶器随围岩变形发生位移，滑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读出位移量。

图2 激光准直法技术方案布置图

3 精度评定

通过现场实验，并分别采用基线场、静态测试、动态测试方法，对激光准直测量的可靠性和精度进行理论分析，得出隧洞激光准直位移监测在采用手动刻线对准方式测量时，可达到毫米～亚毫米级位移量测精度。在置信概率95%条件下能取得建筑变形一级及以上满意的量测精度，见下表。

激光准直监测精度评定结果 单位：mm

注评定环境为室内，基线长40～60m，手动刻线对准，置信概率95%。

4 各类围岩监测及分析

4.1 Ⅱ类围岩

监测断面位于36+200西岔，为TBM圆形断面，紧贴刀盘尾部埋设，埋深300～350m，岩性为混合岩，监测期间未进行初期支护。图3为西岔附近Ⅱ类围岩TBM圆形断面围岩净空位移随时间(3a)和距离变化(3b)的监测结果。

图3 Ⅱ类围岩TBM圆形断面净空位移散点及回归曲线

Ⅱ类围岩TBM断面净空位移主要发生在距开挖面0.5倍洞径范围内(距刀盘尾部1～2m)，位移发展的时间为1～3h。Ⅱ类硬岩地层的变形在开挖后很短时间和距离内完成，不及时量测将很难测出。该埋深条件下，Ⅱ类围岩TBM圆形断面净空位移最大值为2.4mm(拱顶下沉回归值，下同)，其相对值(位移与跨度之比，下同)为0.1%，最大水平收敛相对值小于0.03%，满足相关规范要求。

4.2 Ⅲ类围岩

监测断面位于张家街，为TBM圆形断面，紧贴刀盘尾部埋设，埋深230m，岩性为混合花岗岩。初期支护为钢架喷射混凝土。图4为张家街下方TBM施工环境下围岩净空位移随时间变化(4a)和随距离变化(4b)的监测结果。

图4 Ⅲ类围岩TBM圆形断面净空位移散点及回归曲线

Ⅲ类围岩TBM断面净空位移主要发生在距开挖面约1.5倍洞径，位移发展的时间为10h以内。相对Ⅱ类围岩，其变形趋于稳定的时间和距离均增加，但主要变形仍在一天内完成。埋深200～500m时，Ⅲ类围岩的净空位移以水平收敛更为显著，拱顶下沉与水平收敛之比在0.5～1之间。该埋深条件下，Ⅲ类围岩收敛相对值最大为0.13%，水平收敛最大值为10mm，满足相关规范要求。

4.3 Ⅳ类围岩

监测断面为马蹄形，位于房家堡子断层段边缘，埋深330m，岩性为破碎混合岩，初期支护为格栅钢架喷射混凝土。图5为马蹄形断面施工环境下Ⅳ类围岩净空位移随时间变化的监测结果，(5a)为房家堡子断层边缘地段，(5b)为拱顶下沉与水平收敛最大值分布情况(回归值)。

图5 Ⅳ类围岩马蹄形断面净空位移散点、回归曲线及净空位移特性

Ⅳ类围岩马蹄形断面净空位移随时间变化曲线呈以下形态(见图6)，初期急剧变形之后有一缓慢变形增长阶段，其主要变形在5～10天内完成。与Ⅲ类围岩相比，Ⅳ类围岩变形趋于稳定的时间明显增加。

图6 Ⅳ类围岩净空位移随时间变化形态

埋深300～450m时，Ⅳ类围岩净空位移以水平收敛较为显著，拱顶下沉与水平收敛之比在0.7～1之间。该埋深条件下，Ⅳ类围岩净空位移相对值最大为0.18%，水平收敛最大值为15mm，满足相关规范要求。

4.4 Ⅴ类围岩

监测断面为马蹄形，位于三道沟靠近四道河子河谷边缘，埋深420～430m，大理岩与硅质碳质板岩互层，岩体破碎，初期支护为格栅钢架喷锚支护。图7为马蹄形施工环境下Ⅴ类围岩净空位移随时间变化的监测结果，(7a)为三道沟靠近河谷边缘，(7b)为拱顶下沉与水平收敛最大值分布情况(回归值)。

图7 Ⅴ类围岩马蹄形断面净空位移散点、回归曲线及净空位移特性

Ⅴ类围岩断面净空位移随时间变化曲线与Ⅳ类围岩净空位移形态相似，即在初期急剧变形之后有明显的缓慢变形增长阶段，其变形趋稳时间达到10天以上。趋稳距离(距开挖面)按掘进速度估计约2.5倍洞径及以上。埋深300～450m时，Ⅴ类围岩拱顶下沉与水平收敛之比，较Ⅳ类围岩更接近于1。该埋深条件下，Ⅴ类围岩净空位移相对值最大为0.23%，水平收敛最大值为19mm，满足相关规范要求。

5 结 语

实践表明，基于三点量测的激光准直隧洞净空位移监测，在掘进机及后配套设备范围内可进行隧洞断面净空位移量测，技术上可行，精度也符合TBM施工环境下位移控制的监测要求，量测过程可单人进行，具有操作方便、易于实现的优点。在对各类围岩的掘进过程中，激光准直监测结果有效反映了不同断面、不同埋深条件下隧洞围岩净空位移变形特性，为隧洞施工掘进的顺利进行提供了理论依据和技术保证。激光准直法作为一种有效的新型位移监测方法，将在今后类似施工中发挥更大的作用。fffffa