TBM隧道施工監(jiān)控量測特點與方法探討

蘇航　曾德榮　馬維文

【摘要】在分析復(fù)合式TBM工程施工技術(shù)特點的基礎(chǔ)上（與普通鉆爆法有較大的不同），通過某市軌道交通復(fù)合式TBM工程的數(shù)值解和實際量測得到的收斂和拱頂位移進行對比分析以及實際圍巖支付狀況成果分析與判定標(biāo)準(zhǔn)。最后分析一些實際影響實際量測結(jié)果的因素，提出成果分析的一些新方法。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合式TBM；監(jiān)控量測；數(shù)值分析お

Characteristics and Methods of Construction Supervision of the TBM tunnel

Su Hang，Zeng De—rong，Ma Wei—wen

（Chongqing Jiaotong UniversityChongqing400074）

【Abstract】Composite TBM project is quite different from ordinary drilling and blasting method. This article analyzes the convergence and vaults displacement of the numerical solution and the actual value according to rail transport composite TBM project， the payments of the actual wall rock. At last， it analyzes some factors which may affect the actual measurement results， propose some methods to result analysis.

【Key words】Composite TBM；Monitoring and Measuring；Numerical Analysisお

1. TBM隧道監(jiān)控量測

（1）隧道施工監(jiān)控量測是保證工程質(zhì)量的重要措施，也是判斷圍巖和襯砌是否穩(wěn)定，保證施工安全，指導(dǎo)施工順序，進行施工管理，提供設(shè)計信息的重要手段。[1]其中，周邊位移是隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化最直觀的反映，通過周邊位移量測可以判斷圍巖穩(wěn)定程度以及指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

（2）TBM施工與普通鉆爆施工相比，采用滾刀進行破巖，避免了爆破作業(yè)，成洞周圍巖層不會受爆破震動而破壞，洞壁完整光滑，超挖量少。因此，TBM施工方法比鉆爆法得到的周邊圍巖應(yīng)力變化更小，同時在TBM施工監(jiān)控量測中數(shù)據(jù)較鉆爆法施工更小。但是由于TBM機組在空間上的阻擋，TBM施工監(jiān)控量測難度較鉆爆法滯后性更大。

因此，以某市復(fù)合式TBM工程的施工量測中，主要采用水平儀和收斂儀對隧道內(nèi)的水平收斂和拱頂下沉量進行量測，以達(dá)到判斷圍巖穩(wěn)定的目的。

圖1有限元模型

2. 數(shù)值模擬分析

（1）根據(jù)設(shè)計地質(zhì)說明，該隧道沿線屬構(gòu)造剝蝕淺丘地貌，區(qū)間隧道埋深10～50m，覆跨比大于1.5。隧道圍巖巖層平緩，巖體較完整。圍巖主要為較完整的塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)的砂質(zhì)泥巖和塊狀砌狀砌體結(jié)構(gòu)砂巖。因此，在隧道數(shù)值模擬中簡化設(shè)置埋深均為30m，土層根據(jù)實際勘測簡化分為兩層，上層為風(fēng)化砂質(zhì)泥巖（其物理參數(shù)為：彈性模量為500MPa；泊松比為0.4；重度24KN/m3），下層為風(fēng)化砂巖（其物理參數(shù)為：彈性模量為1000MPa；泊松比為0.3；重度23KN/m3），且都為粘彈性體，縱向長度為120m，監(jiān)測斷面則在隧道內(nèi)10m處，避免洞口處采用約束條件而對其收斂和拱頂下沉數(shù)據(jù)的影響。其中圍巖和管片（其物理參數(shù)為：彈性模量為27600MPa；泊松比為0.2；重度25KN/m3）均采用實體單元。從而得到相關(guān)有限元模型如圖1所示：

圖2X方向的位移云圖

（2）隧道內(nèi)管片襯砌內(nèi)徑為5.4m，管片厚度為0.3m，外徑為6m。此次通過隧道內(nèi)管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移來分析模型中的水平收斂和拱頂位移，圖2和圖3分別為管片關(guān)于X方向和Y方向的位移云圖。

3. 數(shù)據(jù)對比分析

3.1水平收斂對比分析。

（1）隧道內(nèi)壁面兩點連線方向的位移之和稱為“收斂”，收斂值為兩次量測的距離之差。收斂加速度則為兩次單日收斂速度之間的差值和兩次速度時間之間的比值。在隧道施工監(jiān)控量測中一般水平直徑作為收斂線，對其進行量測。在數(shù)值模擬中，簡化為每個計算步為10m（即每天開挖10m），設(shè)開挖到監(jiān)控斷面為第一天，此時監(jiān)控斷面距掌子面距離為0m，取水平直徑上的兩個節(jié)點的X方向的位移，然后相加得到收斂值。此次，通過多斷面求平均值得到的收斂值（如表1所示），累計收斂與掌子面距離的關(guān)系圖（如圖4所示）以及收斂加速度與累計天數(shù)的關(guān)系圖（如圖5所示）。

圖3Y方向的位移云圖

表1收斂值對比表

距離ふ譜用婢嗬氌

（單位：m） 累計天數(shù) 模擬だ奐剖樟勃

（單位：mm） 實際だ奐剖樟勃

（單位：mm） 模擬收斂ぜ鈾俁齲ǖオの籱m/天） 實際收斂ぜ鈾俁齲ǖオの籱m/天）

0 1 0.2699 0 0.2699 0

10 2 0.8757 0 0.3359 0

20 3 2.3051 0 0.8236 0

30 4 2.4205 0 —1.314 0

40 5 2.5265 0.42 —0.0094 0

50 6 2.6655 0.8 0.033 0.42

60 7 2.7609 1.07 —0.0436 0.38

70 8 2.8423 1.32 —0.014 0.27

80 9 2.8895 1.53 —0.0342 0.25

90 10 2.9619 1.71 0.0252 0.21

100 11 2.9933 1.84 —0.041 0.18

圖4累計收斂與掌子面距離關(guān)系圖

（2）由于隧道內(nèi)復(fù)合式TBM機組在空間上的阻擋，所以無法在開挖后立即對靠掌子面附近的點進行布點量測。所以前面三天基本無法量測，同時也就導(dǎo)致了測量點距掌子面較遠(yuǎn)才能量測。而且在隧道內(nèi)布點有時會受周圍管線以及人行道的影響，無法將量測點準(zhǔn)確的布到水平方向的兩直徑點上。在模擬數(shù)值分析中，收斂在第二天，同時也離開掌子面一定距離內(nèi)出現(xiàn)最大值，而且該階段位移占總位移的40%左右，然而在實際施工監(jiān)控量測中無法得到該數(shù)據(jù)。

3.2拱頂位移對比分析。

（1）隧道拱頂內(nèi)壁的絕對下沉量稱為拱頂下沉值。下沉加速度則為兩次單日下沉速度的差值和兩次下沉速度時間之間的差值。數(shù)值模擬中監(jiān)控斷面和時間均和收斂監(jiān)控的斷面和時間頻率相同。布點則一般取隧道的頂點作為量測點。在數(shù)值模擬分析中，取隧道頂點Y方向的位移作為拱頂下沉值。從而得到模擬位移和實際位移的比較（如表2所示），累計位移與掌子面距離關(guān)系圖（如圖6所示）以及下沉值與累計天數(shù)的關(guān)系圖（如圖7所示）。

圖5收斂加速度與累計天數(shù)的關(guān)系圖

表2下沉值對比表

距離掌子っ婢嗬氌

（單位：m） 累計天數(shù) 模擬だ奐莆灰篇

（單位：mm） 實際だ奐莆灰篇

（單位：mm） 模擬下沉ぜ鈾俁齲ǖオの籱m/天） 實際下沉ぜ鈾俁齲ǖオの籱m/天）

0 1 0.2699 0 0.2699 0

10 2 0.7604 0 0.2206 0

20 3 1.3144 0 0.0635 0

30 4 3.0814 0 1.213 0

40 5 3.2434 0.4 —1.605 0

50 6 3.3484 0.9 —0.057 0.4

60 7 3.4644 1.3 0.011 0.5

70 8 3.8964 1.6 0.316 0.4

80 9 4.2004 1.8 —0.128 0.3

90 10 4.2894 2.1 —0.215 0.2

100 11 4.3204 2.3 —0.058 0.3

圖6累計位移與掌子面距離關(guān)系圖

（2）拱頂位移的對比和水平收斂的對比相同，都因無法及時布點進行量測，出現(xiàn)了最后的累計位移偏小，而且對數(shù)值模擬中出現(xiàn)最大下沉值的時間和距掌子面一定距離的階段無法量測。而且，在隧道監(jiān)控布點一般將后視點和量測頂點布在同一斷面上，這樣可以消除因土體重力產(chǎn)生的下沉。但是，后視點和頂點因土體的下沉值一般不相同，因此，在實際工程量測中也會帶來一點的測量誤差。

4. 量測方法探討

（1）從上面的數(shù)據(jù)分析中可以得到，無論是拱頂下沉還是水平收斂都受到了TBM機組空間上的影響，而得到了較真實情況更小的位移值，有時則影響了對危險情況的判斷。為解決現(xiàn)有監(jiān)測方法難以滿足工程TBM施工環(huán)境下隧道凈空位移監(jiān)測要求，有些學(xué)者提出可以利用掘進機與隧道周邊之間的縱向通視空間，通過對拱項和兩側(cè)邊墻三點位應(yīng)用激光準(zhǔn)直法來實現(xiàn)。[4]

圖7下沉加速度與累計天數(shù)的關(guān)系圖

（2）隧道內(nèi)拱頂和兩側(cè)邊墻最大跨度處一般是隧道斷面產(chǎn)生最大變形的部位，其位移矢量主要位于豎直（拱頂）和水平方向上（邊墻）。但是，由于TBM機組空間上的阻擋，導(dǎo)致拱頂和兩側(cè)邊墻最大跨度處在距離掌子面近的那段距離內(nèi)無法量測。同時，由有限元模型以及隧道內(nèi)力學(xué)性質(zhì)，可知隧道內(nèi)除拱頂和兩側(cè)邊墻外的其他點都有向隧道中心收斂的性質(zhì)。所以，認(rèn)為可以通過測量隧道周長或是面積的變化，來確定圍巖的穩(wěn)定性。

（3）首先，我們將測量元件埋入隧道襯砌管片中或者貼在管片上面。此元件可以采用電測試應(yīng)變儀器或是其他測量儀器。然后將導(dǎo)線拉到方便測量的地方。然后通過元件的自身物理參數(shù)以及量測數(shù)據(jù)推到計算出兩次量測之間的周長變化值。

（4）如果采用上述的量測方法，相關(guān)規(guī)范中規(guī)定的拱頂位移和水平收斂因此也無法實現(xiàn)對圍巖性質(zhì)的判斷。所以，我們可以通過實際的隧道的半徑和變化的位移值求得周長或是面積的變化來判斷圍巖的穩(wěn)定性。同時，由于隧道下部變化較上部變化小，因此可以乘上一個相關(guān)的安全系數(shù)，以確保安全性。

5. 結(jié)論

TBM隧道施工較普通鉆爆法施工有很多優(yōu)點，但在施工監(jiān)控量測方面則比鉆爆法

更難。TBM機組在空間上的阻擋對監(jiān)控量測的實施帶來了很大的困難，因此新的量測方法的探究很有必要。

但是在實際工程中，還有很多其他的影響因素，例如隧道內(nèi)水環(huán)境較差，復(fù)合式TBM周期性的更換刀片，周邊圍巖節(jié)段性的差異，通風(fēng)管道影響精確布點等。因此在實際施工監(jiān)控量測中，實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)都會有偏差。但是實測數(shù)據(jù)是對現(xiàn)場情況直接的反映，因此，應(yīng)重視并認(rèn)真分析實際量測數(shù)據(jù)，以免發(fā)送坍塌等事故。

參考文獻

[1]王成 隧道工程 人民交通出版社 2009.

[2]陳建勛 公路工程試驗檢測人員考試用書—隧道（第二版） 2012.

[3]田愛軍， 楊松林 全站儀ATR 功能在隧道圍巖收斂測量中的應(yīng)用 工程勘察 2007年第4期.

[4]宋冶，唐與，穆國華，王 剛 TBM施工條件下隧道凈空位移監(jiān)測 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2009年03期.