長(zhǎng)距離隧洞開挖TBM掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)方向的控制分析

梁大偉

（遼寧宏禹水利工程建設(shè)監(jiān)理有限公司 遼寧 沈陽(yáng) 110006）

1 概況

隨著全斷面掘進(jìn)機(jī)在地下開挖工程中的廣泛應(yīng)用，確立了隧洞工程施工技術(shù)的發(fā)展方向，而盾構(gòu)機(jī)測(cè)量系統(tǒng)是附屬于TBM掘進(jìn)中的全新測(cè)量模式，它表現(xiàn)的形式是如何指導(dǎo)隧洞掘進(jìn)，控制掘進(jìn)方向。根據(jù)隧洞工程的施工經(jīng)驗(yàn)，洞內(nèi)基本導(dǎo)線網(wǎng)宜布設(shè)交叉附合雙導(dǎo)線，互相校核，將精確的數(shù)據(jù)傳遞至盾構(gòu)機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，為隧洞貫通提供測(cè)量技術(shù)的支持，以保證工程的順利實(shí)施。

本文以遼西供水工程隧洞工程為例予以論述。

2 洞口首級(jí)控制網(wǎng)與洞內(nèi)基本導(dǎo)線

2.1 進(jìn)洞口首級(jí)控制網(wǎng)的布設(shè)

遼西供水工程（四段）三標(biāo)段隧洞總長(zhǎng)18.7km，斷面為圓拱斜墻型，成洞斷面尺寸為5.92m×6.063m（寬×高）。隧洞穿越的地層巖性主要為弱風(fēng)化～新鮮狀太古宇大營(yíng)子組（Arjnd）混合巖、混合質(zhì)黑云斜長(zhǎng)片麻巖、長(zhǎng)英片麻巖、黑云二長(zhǎng)片麻巖夾磁鐵石英巖、弱風(fēng)化～新鮮狀新太古代大營(yíng)子混合花崗巖，未發(fā)現(xiàn)有較大的斷裂構(gòu)造穿越洞身。節(jié)理較發(fā)育～不發(fā)育，節(jié)理面多呈平直光滑狀，多閉合，無充填，局部泥質(zhì)充填，巖體完整性差～較完整，巖體多呈次塊狀結(jié)構(gòu)。洞線區(qū)水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，地下水儲(chǔ)藏類型主要為基巖裂隙水。洞室開挖以滲水～滴水為主。洞室圍巖以Ⅲ類為主，進(jìn)口淺埋段為Ⅳ、Ⅴ類。中間僅設(shè)一個(gè)支洞，適合TBM掘進(jìn)機(jī)開挖，但同時(shí)也造成單面掘進(jìn)距離長(zhǎng)，導(dǎo)線精度要求高。

為保證隧洞貫通精度，監(jiān)理人與承包人專業(yè)測(cè)量人員共同研究確定施測(cè)方案及首級(jí)控制網(wǎng)的選點(diǎn)、布設(shè)。

根據(jù)發(fā)包人提供的施工控制網(wǎng)成果，結(jié)合地形的實(shí)際情況，進(jìn)行設(shè)計(jì)、選點(diǎn)、造標(biāo)，布設(shè)洞口首級(jí)控制網(wǎng)。兩個(gè)獨(dú)立進(jìn)洞控制點(diǎn)的起始方向宜選為同一方向，以保證起算數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，進(jìn)洞口控制網(wǎng)布設(shè)成邊角交會(huì)網(wǎng)。如圖1所示。

圖1中，P1和P3為獨(dú)立的進(jìn)洞控制點(diǎn)，GPS17為相同的定向起始方向及起算點(diǎn)，P2為相同的檢查方向，JDL01和JDR01為進(jìn)洞點(diǎn) ，P1、P3、GPS17、P2、JDL01、JDRO1共 同 構(gòu)成進(jìn)洞口首級(jí)控制網(wǎng)。

2.2 進(jìn)洞口首級(jí)控制網(wǎng)的觀測(cè)

觀測(cè)技術(shù)要求嚴(yán)格執(zhí)行《工程測(cè)量規(guī)范》（GB50026—2007）中的相關(guān)規(guī)定。

由于該工程隧洞長(zhǎng)，支洞少，排風(fēng)條件差，貫通距離長(zhǎng)，導(dǎo)線精度要求高，因此觀測(cè)時(shí)，應(yīng)充分考慮外界條件對(duì)測(cè)角、測(cè)距的影響，大氣透明度差的時(shí)段避開觀測(cè)，在外界條件優(yōu)越的情況下，選擇按略高于二等邊角網(wǎng)的精度進(jìn)行觀測(cè)。

2.3 進(jìn)洞口首級(jí)控制網(wǎng)的平差

由于進(jìn)洞控制點(diǎn)是在進(jìn)洞口首級(jí)控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上測(cè)設(shè)的，因此可將首級(jí)控制點(diǎn)作為已知起算點(diǎn)。為了提高進(jìn)洞點(diǎn)的精度，為其單獨(dú)進(jìn)行測(cè)站平差，然后進(jìn)行平面精度分析。為了更好地分析平面精度，分別選取不同位置控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過比較判斷所得數(shù)據(jù)是否滿足工程測(cè)量精度要求。

3 洞內(nèi)基本導(dǎo)線網(wǎng)的控制

3.1 洞內(nèi)基本導(dǎo)線網(wǎng)的布設(shè)

洞內(nèi)基本導(dǎo)線是根據(jù)TBM掘進(jìn)進(jìn)尺，向前施測(cè)，布設(shè)成兩條獨(dú)立的附合導(dǎo)線。直線段可采用交叉對(duì)稱導(dǎo)線，每間隔2點(diǎn)～4點(diǎn)宜選擇一點(diǎn)為兩導(dǎo)線的公共點(diǎn)，以便校核。導(dǎo)線網(wǎng)邊長(zhǎng)依據(jù)設(shè)計(jì)要求和洞內(nèi)觀測(cè)條件確定，導(dǎo)線邊長(zhǎng)宜控制在300m～400m。

3.2 洞內(nèi)基本導(dǎo)線網(wǎng)控制點(diǎn)的布設(shè)

洞內(nèi)基本導(dǎo)線控制點(diǎn)布置在隧洞軸線兩側(cè)不影響施工的位置。有條件可按圖2布設(shè)在洞壁上，距洞底1.5m高的位置。其位置既保證測(cè)量人員能夠方便觀測(cè)，又避免洞內(nèi)與其他輔助設(shè)施的相互影響。在觀測(cè)臺(tái)底部設(shè)置強(qiáng)制對(duì)中設(shè)備，用以保證對(duì)點(diǎn)精度。在觀測(cè)臺(tái)上方的洞壁最好安裝照明燈具，便于測(cè)量人員的操作。

圖1 近洞口控制網(wǎng)布設(shè)示意圖

圖2 洞內(nèi)導(dǎo)線控制點(diǎn)布置示意圖

3.3 洞內(nèi)基本導(dǎo)線的施測(cè)方法

鑒于該隧洞的地質(zhì)條件差，安全性低，采用合理的施測(cè)方法尤為重要，應(yīng)根據(jù)不同精度選擇不同型號(hào)儀器。宜采用左右角觀測(cè)方法，觀測(cè)數(shù)依據(jù)規(guī)范規(guī)定。在進(jìn)行洞內(nèi)基本導(dǎo)線的距離觀測(cè)中，對(duì)導(dǎo)線邊應(yīng)進(jìn)行往返觀測(cè)，并進(jìn)行氣象及溫度、乘常數(shù)和加常數(shù)、傾斜改正。在洞內(nèi)觀測(cè)過程中，要目測(cè)洞內(nèi)通視條件，并考慮灰塵的流動(dòng)和氣流的不穩(wěn)定以及光線的折射對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生的不良影響，所以盡量選擇視線清晰，氣流穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量觀測(cè)。當(dāng)基本導(dǎo)線向前延伸一個(gè)邊，應(yīng)計(jì)算和檢核一次，檢核的內(nèi)容包括：

（1）左右角觀測(cè)的測(cè)角閉合差；

（2）檢查兩次觀測(cè)同一觀測(cè)角的角值之較差Δβ是否超限；

（3）檢查導(dǎo)線邊未端導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)并對(duì)兩次測(cè)量成果進(jìn)行比較，分析點(diǎn)位精度，判斷是否滿足規(guī)范相關(guān)要求。

3.4 隧洞內(nèi)施工導(dǎo)線

TBM掘進(jìn)中，施工測(cè)量是根據(jù)掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭位置，將準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞給安裝在TBM掘進(jìn)機(jī)上的激光導(dǎo)向儀，使系統(tǒng)自動(dòng)引導(dǎo)掘進(jìn)機(jī)按照設(shè)計(jì)的隧洞軸線方向施工。

施工導(dǎo)線是低于基本導(dǎo)線，用于放樣。通過實(shí)踐，筆者認(rèn)為洞內(nèi)施工導(dǎo)線可同洞內(nèi)基本導(dǎo)線結(jié)合使用，既提高工作效率，又進(jìn)一步提高了測(cè)量精度。通過一定的糾偏量，調(diào)整掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)沿設(shè)計(jì)軸線前進(jìn)。在糾偏的過程當(dāng)中，逐漸調(diào)整方位，避免出現(xiàn)水平方向大的偏差，使掘進(jìn)方位角嚴(yán)格平行于設(shè)計(jì)軸線方向，然后調(diào)整一定的角度偏差值使掘進(jìn)方向緩和的歸于設(shè)計(jì)軸線。在TBM盾構(gòu)掘進(jìn)中，由基本導(dǎo)線的坐標(biāo)系統(tǒng)傳遞給激光導(dǎo)向系統(tǒng)，將進(jìn)一步提高掘進(jìn)精度，指導(dǎo)掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)方向。

為避免出現(xiàn)任何形式的粗差和精度不等權(quán)，每隔2km左右將左右兩條導(dǎo)線進(jìn)行聯(lián)測(cè)。洞內(nèi)基本導(dǎo)線的計(jì)算與檢核是隨基本導(dǎo)線向前延伸而逐次進(jìn)行。

3.5 TBM掘進(jìn)機(jī)方位的控制

根據(jù)《水電水利工程施工測(cè)量規(guī)范》（DL/T5173-2007）的規(guī)定以及該工程施工測(cè)量方案的總體設(shè)計(jì)，洞內(nèi)基本導(dǎo)線網(wǎng)執(zhí)行三等導(dǎo)線測(cè)量限差。使用《控制網(wǎng)優(yōu)化與平差》軟件進(jìn)行嚴(yán)密平差，對(duì)平差后的數(shù)據(jù)進(jìn)行平面精度分析。眾所周知，水利工程測(cè)量對(duì)于高程精度的要求比較高，所以對(duì)高程精度也要進(jìn)行精度分析，然后將正確的測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞給TBM掘進(jìn)機(jī)上的激光導(dǎo)向儀，從而時(shí)時(shí)確定TBM掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)方向按設(shè)計(jì)軸線向前開挖。

4 TBM掘進(jìn)機(jī)方向控制應(yīng)注意的幾個(gè)問題

為保證隧洞按設(shè)計(jì)貫通，在TBM掘進(jìn)中掘進(jìn)機(jī)方向控制時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）依據(jù)設(shè)計(jì)要求，做好首級(jí)施工控制網(wǎng)及洞內(nèi)基本導(dǎo)線的設(shè)計(jì)方案；

（2）選擇合理的儀器設(shè)備，做好測(cè)量人員的培訓(xùn)，洞內(nèi)測(cè)量一定要等排煙結(jié)束后方可實(shí)施；

（3）要注意點(diǎn)位之間距離，盡量做到導(dǎo)線邊相等并盡可能拉大距離，提高推刀盤切口姿態(tài)數(shù)據(jù)的精度；

（4）開挖誤差宜控制在水平方向±150mm，垂直方向（即豎向）±50mm。發(fā)現(xiàn)偏差，根據(jù)偏差多少，及時(shí)調(diào)整TBM姿態(tài)；

（5）經(jīng)常檢查激光導(dǎo)向系統(tǒng)，避免導(dǎo)向系統(tǒng)出現(xiàn)故障，影響掘進(jìn)進(jìn)度；

（6）要建立控制點(diǎn)（首級(jí)點(diǎn)、加密點(diǎn)）保護(hù)措施，危險(xiǎn)地帶測(cè)量作業(yè)安全技術(shù)措施；

（7）做好測(cè)量成果資料整理歸檔工作。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的迅速發(fā)展，TBM激光導(dǎo)向系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工系統(tǒng)的開發(fā)也是未來發(fā)展方向之一。目前，主要用于工業(yè)和民用管道施工的微型TBM發(fā)展很快，TBM已在全國(guó)長(zhǎng)隧道工程尤其是長(zhǎng)距離引水工程中得到越來越多的應(yīng)用，并且其技術(shù)水平日益得到提高。隨著測(cè)量技術(shù)的提高，測(cè)量?jī)x器設(shè)備的不斷更新，測(cè)量方法將更加可靠，測(cè)量精度更高，但還要在以后的工程施工中多加實(shí)踐和總結(jié)，為今后TBM施工中測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。展望未來，TBM的應(yīng)用前景將是寬廣而喜人的！陜西水利

[1]張恒，陳壽根，譚信榮，趙玉報(bào).盾構(gòu)掘進(jìn)孤石處理技術(shù)研究 [J].施工技術(shù)，2011，10.

[2]姚曉明.TBM在超長(zhǎng)隧洞施工方法研究[D].西南交通大學(xué)，2011，05.

[3]蒙先軍.長(zhǎng)距離雙護(hù)盾TBM施工探討[J].隧道建設(shè)，2008，04.

[4]梁自張，鄧稀肥，陳壽根.偏橋水電站引水隧洞施工全過程離散單元法仿真模擬研究[J].隧道建設(shè)，2009.02.

[5]張正綠.工程測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.