阵列式位移计在盾构隧洞施工监测中的应用

冉建西，沈 玮，王恩辉

(1.水利部新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 83000；2.长江科学院工程安全与灾害防治研究所，湖北 武汉 430010)

近年来，随着我国经济、技术的高速发展，大型引调水工程越来越多，水利行业进入长距离隧洞大开发的时代。其中，监控量测信息化技术是地下空间开发利用、保证施工安全的关键环节之一。监控量测信息化技术可以掌握隧洞围岩、支护结构和周边环境的动态，利用监测结果为设计和施工提供重要参考依据。可以通过优化设计，使主体结构设计达到优质、安全、经济合理的目的；预测隧洞、围岩及结构的稳定性和安全性，又为施工工序的调整及应采取的安全措施提供意见；收集施工方法与岩土体变形的关系的相关数据，为今后的同类工程设计提供参考依据。

随着我国隧洞施工技术的进步，盾构机等大型掘进设备得以广泛应用，但盾构机体部遮挡物多，通视空间少，给管片衬砌结构的收敛量测工作带来诸多困扰。由于盾构法构造特点，存在阻碍收敛钢尺张拉、全站仪通视界面不足、激光准直设备停换站频繁等诸多问题，传统的收敛监测设备不能满足盾构通过后同步采集变形数据的要求。因此，本文将阵列式位移计用于盾构隧洞施工变形监测，其安装快速方便、及时监测，不会与盾构施工相互干扰，可在盾构法施工隧洞工程中逐步推广。

1 监测概述

本工程盾构施工洞段采用阵列式位移计对管片内壁进行位移监测。隧洞施工期位移监测主要采用收敛变形监测、拱顶沉降监测。收敛监测断面一般按照布置三点三线制、五点五线制标点布置，构成封闭三角形；拱顶沉降测量值为绝对标高位移差，在顶拱正中布置1个标点。各标点利用收敛仪进行收敛量测，由三角函数关系式推导拱顶点在铅垂线方向上的变化规律，通过收集各测线位移数据绘制收敛变形曲线，比对数据进控制值得关系并加以分析，从而指导设计、施工。

1.1 监测仪器和技术指标

量测使用CK-ADM阵列式位移计，是一种基于微电子机械系统测试原理的新型传感器，运用柔性关节连接多个单位长度的测量单元，每个测量单元即为一节，长度一般为50cm/1m。每个测量单元内部由微电子机械系统(MEMS)加速度计、温度模块和通信模块组成。产品可用于岩土工程的变形测量，如边坡滑移、隧道、路基沉降，桥梁挠度等变形监测，也适用于动态环境下的加速度、位移、温度的测试，具有实时动态监测功能。产品具有精度高、可重复利用、自动实时采集等特点。仪器如图1所示。

图1 CK-ADM阵列式位移计

CK-ADM阵列式位移计内部采用CAN总线协议，在盾构机内进行收敛观测时，可减少狭小空间内大功率机电设备的电磁干扰，保证监测数据的稳定可靠。主要技术指标如下：

(1)工作温度：-30～70℃；

(2)量测方向：三维坐标，可选定X/Y/Z三轴；

(3)角位移量程：0°～360°；

(4)分辨率：±1～2s(每节)；

(5)系统稳定性：±1.5mm(32m)。

(6)测量精度：0.04%FS。

1.2 监测仪器的安装

本工程CK-ADM阵列式位移计安装在盾构法施工隧洞内，在上半拱吊装布置。具体采用悬吊方式对阵列式位移计进行安装固定：将阵列式位移计套入刚度较大的保护管内，并通过铅丝的吊箍固定于管片连接螺栓上，将阵列式位移计1～8个节点与隧洞上半拱接触。阵列式位移计1、4、7节点位移建立三点三线制测线，A、B点布设在拱肩两侧，C点布设在拱顶正中，分别观测三线的位移量ΔAB、ΔAC、ΔBC，拱顶沉降测量值Δh，如图2所示。当隧洞出现收敛或下沉变形时，测量单位发生倾斜，可显示变形平面内的变化曲线。

图2 阵列式位移计监测断面布置图

阵列式位移计需配套数据采集仪使用，可通过手机蓝牙连接阵列式位移计，手机APP端口具有显示设备配置、设备静态信息、实时数据读取、实时数据展示、数据同步、历史数据读取等功能。还能展示阵列式位移计实时的二维图形及三维图形，可实时查看CK-ADM阵列式位移计的实时变形姿态。

阵列式位移计监测断面间距可依照SL 725—2016《水利水电工程安全监测设计规范》对水工隧洞变形监测的规定[1]：施工收敛变形和拱顶沉降监测，Ⅴ类围岩可按照10～30m设定监测断面间距，具体布置时可根据围岩性态进行调整。

1.3 测量频率及控制值

按照GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》，盾构法隧道工程施工中开挖面后方的管片结构、周围岩土体和周边环境监测频率可按下表1确定[2]。

表1 盾构法隧道工程监测频率

盾构法隧道管片结构竖向位移、净空收敛控制值应根据工程地质条件、隧道设计参数、工程监测等级及当地工程经验等确定，当无地方经验时，可按表2确定[2]。

表2 盾构法隧道管片结构竖向位移、净空收敛项目控制值

2 测量数据分析及应用

管片脱出盾尾后，应立即安装阵列式位移计同步采集监测数据，以最短时间取得管片位移初始值。读取采集单元内7d量测数据，收敛量测记录表可按SL 377—2007《水利水电工程锚喷支护技术规范》表B.0.2-1要求填写[3]，并绘制各测线位移u与时间t的收敛变形位移时态曲线，及对应的距开挖掌子面关系图。若位移时态曲线趋于平缓，可确定收敛变形量和时间的关系函数，原阵列式位移计向前换站；若曲线仍呈现放射形态，应继续观测。利用根据测量信息调整盾构机掘进参数。

2.1 回归分析

由于阵列式位移计可重复利用，每个断面监测时间不能过长，所以回归分析工作就显得很必要。当位移时态曲线趋于平缓时，须对原始收敛变形数据进行回归分析，推求最终的各测线位移量。回归分析函数一般为指数函数[4]：

(1)

式中，a、b—回归常数；t—收敛观测时间，d；u—测线位移量，mm。

求未知常数a、b，可将公式(1)取自然对数有[5]：

(2)

令a′=lna，b′=-b，u′=lnu，直接利用Excel工具栏中的数据回归分析功能，通过对Ln(ΔAB)、Ln(ΔAC)、Ln(ΔBC)、Ln(Δh)与1/t列出图表，选择指数型趋势线，显示公式及回归系数R2，得出a′、b′、R2，即可推出a=ea′，b=-b′。

2.2 围岩稳定判别

(1)最终测线位移量与盾构法隧道管片结构竖向位移、净空收敛控制值比较，也可作为围岩是否稳定的初步判断。参考TB 10108—2002《铁路隧洞喷锚构筑法技术规则》的Ⅲ级管理制度作为位移监测管理方式，可按表3确定[6]。

表3 位移监测管理表

根据量测结果，必须按施工安全评价流程图开展工作。施工安全性评价可根据三个位移控制管理等级采取相应的工程对策措施，如图3所示。

图3 施工安全评价流程图

(2)对位移量和时间回归函数求二阶导数，得[5]：

(3)

3 工程实例

新疆某无压引水输水隧洞工程全长92.35km，纵坡1/5000，开挖洞径5.5m。极软岩地层采用3台土压平衡盾构机掘进，施工段长18.97km，埋深60～110m。管片采用平板型预制钢筋混凝土结构，管片厚350mm，管环内外径分别为4.5、5.2m，混凝土标号C50。

本文主要研究隧洞桩号SD69+530-SD75+955段盾构隧洞管环变形情况。该段长6.43km，沿线为山前冲洪积平原区，地形平坦。地表分布第四系上更新统-全新统洪积含砾粉土层，一般厚2.0m。隧洞洞身段穿过的岩性以新近系红色、灰色泥岩为主，局部夹泥质砂岩，属极软岩，砂岩呈巨厚层状，泥岩、泥质砂岩呈中厚层状，岩层总体产状300°NE∠3°，与洞轴线夹角42°，为Ⅴ类围岩。该段地下水均为碎屑岩类孔隙裂隙水，属于层间微承压水，含水层岩性为泥质砂岩。孔隙裂隙水水位埋深一般在3.9～19.8m，水位高于隧洞顶部54.7～60.9m，总体属中-弱等透水层。该段泥岩的自由膨胀率一般为45%～70%，属弱膨胀岩。

3.1 量测成果引用

针对盾构洞段的泥岩地层，长江科学院工程安全与灾害防治研究所监测人员在该地层的管环上共布置7组阵列式位移计监测项目，每组分为两个监测断面，间距20m，对管片结构竖向位移、净空收敛进行量测。各组实测收敛位移平均数据绘制该洞段收敛变形位移时态曲线如图4所示。

泥岩洞段管片结构7d内测线的最大位移量分别为：ΔAB7=5.15mm、ΔAC7=2.97mm、ΔBC7=2.82mm，拱顶沉降测量最大值Δh7=3.75mm，竖向位移量大于侧向位移量。从图4可以看出，各测点变形在3～4d后逐渐减速，此时监测断面距开挖面在75～95m之间，约14～17倍开挖洞径。收敛变形位移时态曲线趋于平缓，可进行回归分析。

根据公式(1)、(2)及相关方法进行回归计算，得出三测线收敛及顶拱沉降指数函数，见表4。

表4 管片结构收敛变形回归分析函数

表4回归系数R2在0.74～0.97之间，说明位移u与时间t指数函数关系拟合度良好。

3.2 分析与评价

收敛位移数据应结合施工经验和现场环境状况及时分析，利用回归分析函数对变形趋势预测。按照上文所述方法和控制准则，并结合盾构机施工、地质情况等影响因素进行监测成果的综合分析，对施工措施的评价和建议，以及围岩稳定情况的分析与评价。

(1)最终位移量

当t趋向于∞时，按照表4各测线及沉降指数函数计算，得管片结构各最终位移量分别为：UΔAB=9.16mm、UΔAC=3.09mm、UΔBC=7.61mm、UΔh=5.90mm。

(2)围岩稳定性判别

盾构洞段主要为泥岩地层，遇水易分解，可等同于坚硬土，管片结构沉降控制值取un=10mm，管片结构净空收敛控制值0.2%D=11mm。最终净空收敛量UΔAB、UΔAC、UΔBC以及最终沉降量UΔh均小于控制值0.2%D、un、，满足规范要求。

位移量和时间二阶导数按照公式(3)计算分别为：

根据回归分析函数推测，实测位移值达到最终位移量的90%大致需要14～17d，即泥岩隧洞管片结构收敛变形从2周后开始趋于稳定。

(3)施工措施的评价和建议

AB侧线、顶拱沉降实测7日位移值在控制值的1/3～2/3之间，按照位移Ⅲ级管理制度属Ⅱ级管理，应注意加强观测。若阵列式位移计已换站，可在满足通视的情况下，在原监测断面使用收敛钢尺继续观测，并提前对管片壁后间隙二次注浆加固。

4 结语

本工程首次将阵列式位移计应用于在盾构隧洞施工收敛监测项目，取得了较好的效果。通过对多个监测断面的实测数据分析，新近系泥岩洞段管片结构收敛变形结论及建议如下。

(1)各测点变形在前3天为加速阶段，第3天至第14天为衰减阶段，之后进入稳定阶段。加速阶段监测断面与开挖面已有14～17倍开挖洞径的距离，后两个阶段中掘进空间的变化可能对管片变形影响小。

(2)预计管片结构净空收敛最终值为3.09～9.16mm，顶拱最终沉降为5.9mm。

(3)在条件允许的情况下，建议阵列式位移计观测时间至少在2周以上，变形进入稳定阶段后再换站。

(4)因行业侧重点不同，GB 50911—2013给出的盾构法隧道管片结构竖向位移、净空收敛控制值要求严格，但水工隧洞大都位处山岭，我们取值时应酌情放宽指标。