液壓循環(huán)式垂直位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在隧洞施工中的應(yīng)用

陳勃文，尚 層，萬(wàn) 鵬

(1.新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.長(zhǎng)江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所，湖北 武漢 430014)

在隧洞掘進(jìn)施工過(guò)程中，豎向位移或垂直位移的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是直接獲取工程工作性狀的有效方法，但在隧洞TBM施工過(guò)程中，監(jiān)測(cè)工作需要克服沿線的復(fù)雜水文、不良地質(zhì)等條件，并結(jié)合實(shí)際適時(shí)調(diào)整監(jiān)測(cè)工作方案支持TBM施工，避免施工中因監(jiān)測(cè)不到位，而引發(fā)一系列工程質(zhì)量問(wèn)題，進(jìn)而引發(fā)一定的事故[1-5]。然而，這些復(fù)雜條件往往導(dǎo)致傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備沒(méi)有較好的適用性，例如常規(guī)的收斂測(cè)尺測(cè)量隧洞圍巖兩點(diǎn)間的相對(duì)變形，這種方法受施工影響較大，測(cè)量比較繁瑣，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采集；而采用全站儀監(jiān)測(cè)隧洞圍巖變形時(shí)，所需測(cè)回較多，且洞內(nèi)觀測(cè)時(shí)間隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)的增多而增加，影響TBM施工進(jìn)度。采用三維激光掃描法可以獲得隧道整個(gè)內(nèi)壁的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但需要處理的數(shù)據(jù)量太大，另外，TBM工作過(guò)程中振動(dòng)較大，隧道內(nèi)煙塵多、環(huán)境差，測(cè)距系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)等均無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間在如此惡劣的環(huán)境中工作，對(duì)儀器損傷較大，當(dāng)隧道過(guò)長(zhǎng)或彎道半徑較小時(shí)，檢測(cè)精度降低。

為能通過(guò)安全監(jiān)測(cè)及早發(fā)現(xiàn)隧洞工程施工期間的事故隱患，又不影響TBM施工，依托新疆XSDY隧洞工程具體標(biāo)段的圍巖加固施工作業(yè)，利用液壓循環(huán)式垂直位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展對(duì)TBM掘進(jìn)前行加固段的垂直位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)[6-14]。

液壓循環(huán)式垂直位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一套便捷、適應(yīng)性強(qiáng)、精度高的垂直位移觀測(cè)方法，目前國(guó)內(nèi)的貢保臣[15]、朱世峰[16]、常青[17]、李興高[18]、張勇[19]、劉紹堂[20]等人在不同領(lǐng)域、不同工程中已進(jìn)行了一定程度的研究。液壓循環(huán)式垂直位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以觀測(cè)垂直變形在0～40cm的范圍的洞室變形，解決了長(zhǎng)期困擾的TBM洞頂變形監(jiān)測(cè)的難題，提高了監(jiān)測(cè)頻率和觀測(cè)精度，減少了人為干擾，降低了施工難度。

1 工程概況

新疆XSDY二期工程大部分位于新疆阿勒泰山區(qū)，全長(zhǎng)148km，線性工程區(qū)域地形復(fù)雜，隧洞最大埋深700m，隧洞向東沿阿爾泰山南坡中山區(qū)及低山丘陵區(qū)布置。該工程為無(wú)壓洞，設(shè)計(jì)輸水流量為65m3/s，洞底縱坡采用1/2500。隧洞通過(guò)的巖性復(fù)雜多變，共有20多種巖性及4種圍巖類(lèi)別。隧洞采用TBM全斷面掘進(jìn)機(jī)結(jié)合鉆爆法進(jìn)行施工。根據(jù)工程施工和管理運(yùn)行需要，XSDY輸水隧洞沿線共布置有11條施工支洞(均為緩斜井)。TBM施工段采用圓形斷面，開(kāi)挖直徑為7830mm；鉆爆法施工段采用馬蹄形斷面或城門(mén)洞形斷面。如圖1所示。

圖1 支撐布置

2019年9月，XSDY二期工程Ⅲ標(biāo)段1號(hào)洞塔爾廊3號(hào)支洞上游TBM2-1施工段40+260—40+300出現(xiàn)變形較大情況，TBM停止掘進(jìn)。以2019年10月22日為節(jié)點(diǎn)，Ⅲ標(biāo)項(xiàng)目部分兩階段進(jìn)行了加固處理。截至11月20日，加固工作基本完成。

2 工作原理及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的實(shí)施

結(jié)合XSDY二期工程Ⅲ標(biāo)40+260—40+300段圍巖加固工程，采用液壓循環(huán)式垂直位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

2.1 工作原理

液壓循環(huán)式垂直位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由測(cè)頭、NYC型液壓沉降測(cè)量傳感器、管路(包括通液管、通氣管及干燥管)、儲(chǔ)液罐、電纜、量測(cè)裝置(測(cè)讀儀表)、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集端等部分組成。其中NYC型液壓沉降測(cè)量傳感器內(nèi)置高精度微壓傳感器(量程±20cm)。液壓循環(huán)式垂直位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀安裝埋設(shè)完成后，沉降板(安裝板)帶動(dòng)傳感器測(cè)頭隨監(jiān)測(cè)體的沉降同步沉降位移。傳感器測(cè)頭通過(guò)觀測(cè)電纜延伸到數(shù)據(jù)采集模塊處采集數(shù)據(jù)。傳感器測(cè)頭內(nèi)置的高精度微壓傳感器及信號(hào)變送器。通過(guò)使用雙通液管將微壓傳感器感應(yīng)膜片的外面和儲(chǔ)液罐底部連接相通，膜片所受的壓力與膜片到儲(chǔ)液罐液面的高度有關(guān)。使用單通氣管將微壓傳感器感應(yīng)膜片的內(nèi)腔與儲(chǔ)液罐上方空間聯(lián)通，使整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部氣壓達(dá)到壓力自平衡狀態(tài)，以確保傳感器不受大氣壓變化的影響，安裝在通氣管末端的干燥管用來(lái)防止傳感器內(nèi)部受潮。當(dāng)微壓傳感器傳感器膜片和儲(chǔ)液罐液面之間的高差產(chǎn)生變化時(shí)，作用在微壓傳感器感應(yīng)膜上的水壓力也同步產(chǎn)生了變化，水壓力的變化改變了感應(yīng)膜的變形量，致使微壓傳感器的應(yīng)變膜片的電阻值改變，通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置測(cè)得應(yīng)變膜片電阻變化值，從而經(jīng)過(guò)計(jì)算就可得知被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降或抬升[2]。液壓式沉降觀測(cè)裝置安裝如圖2所示。

圖2 液壓式沉降觀測(cè)裝置安裝示意圖

沉降位移量L與輸出的讀數(shù)ΔF具有如下關(guān)系：

L=ΔF=F-Fo

(1)

式中，L—沉降儀的沉降位移測(cè)量值，mm；ΔF—沉降儀實(shí)時(shí)測(cè)量值相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化量，mm；F—沉降儀的實(shí)時(shí)測(cè)量值，mm；Fo—沉降儀的初始測(cè)量值，mm。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)施

施工期收斂變形和拱頂沉降監(jiān)測(cè)，宜根據(jù)圍巖類(lèi)別布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)斷面間距:斷層破碎帶為5～10m。具體布置時(shí)，可根據(jù)圍巖性態(tài)進(jìn)行調(diào)整。收斂變形監(jiān)測(cè)每個(gè)斷面不應(yīng)少于3個(gè)測(cè)點(diǎn)[3]。

在加固段40+260—40+300m樁號(hào)范圍內(nèi)每隔5米布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)見(jiàn)表1，并在巖壁上安裝螺紋鋼作為沉降觀測(cè)標(biāo)點(diǎn)，位移傳感器用金屬卡箍安裝在螺紋鋼桿上。通液管、通氣管與傳感器之間使用襯套式管接頭連接。

表1 頂拱沉降測(cè)點(diǎn)樁號(hào)表(40+*m) 單位：m

基點(diǎn)設(shè)置在中控室頂部附近(40+300m左右)，安裝測(cè)點(diǎn)傳感器8個(gè)，基點(diǎn)傳感器1個(gè)，共9套傳感器。測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

儀器安裝之前均進(jìn)行了儀器率定。采用自動(dòng)化實(shí)施測(cè)量，安裝了DAU2000數(shù)據(jù)采集單元1個(gè)，NDA1705數(shù)據(jù)采集模塊1個(gè)，電纜316m。數(shù)據(jù)采集端設(shè)在中控室，電源采用220V市電，在中控室內(nèi)取電。用便攜式電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，安裝Dsims4.0軟件1套。

XSDY二期工程Ⅲ標(biāo)段測(cè)量班每3h對(duì)觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)一次，土建單位自行記錄。自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)，采集周期設(shè)置為每分鐘采集一次，并實(shí)時(shí)刷新數(shù)據(jù)表和過(guò)程線，并人工記錄拆除過(guò)程相關(guān)信息。拆除后繼續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)2h，后期轉(zhuǎn)為定時(shí)測(cè)量，每30～50min測(cè)量一次，持續(xù)時(shí)間為72h。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 總體變形情況

本次觀測(cè)自2019年12月12日11時(shí)至2019年12月17日11時(shí)，總時(shí)長(zhǎng)為5d(120h)。從觀測(cè)數(shù)據(jù)看，加強(qiáng)支護(hù)洞段柱頂分離后，最大變形發(fā)生40+285樁號(hào)C6測(cè)點(diǎn)，位移值16.09mm，最小測(cè)值40+260樁號(hào)C1測(cè)點(diǎn)，位移值5.78mm。變形總體量級(jí)不大，區(qū)間洞段變形較為均勻，分離24h內(nèi)即到達(dá)最大變形量的80%～90%，24h后變形量1～3mm，趨勢(shì)平緩，測(cè)值穩(wěn)定。拆除過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)變形異常情況。如圖4所示。

圖4 頂拱沉降過(guò)程線圖(40+260—40+300)

3.2 各個(gè)測(cè)點(diǎn)變形情況

因觀測(cè)期間受施工干擾的影響，導(dǎo)致測(cè)值存在一定的跳動(dòng)，屬于正?，F(xiàn)象。通過(guò)采用的高精度、小量程傳感器，實(shí)現(xiàn)精度非常高，感應(yīng)器非常靈敏，特別是受震動(dòng)，洞內(nèi)氣壓變化等因素影響較大。但是這種影響是系統(tǒng)性的，隨機(jī)的，存在一定范圍的。因此，對(duì)趨勢(shì)性變形監(jiān)測(cè)沒(méi)有任何本質(zhì)性影響。同時(shí)通過(guò)高密度采集數(shù)據(jù)，加強(qiáng)對(duì)趨勢(shì)性變形控制，達(dá)到了滿(mǎn)足分析需求和安全控制要求。

40+260樁號(hào)C1。C1號(hào)測(cè)點(diǎn)靠近上游護(hù)盾，護(hù)盾處于脫困施工當(dāng)中，土建單位在鉆孔、爆破、清渣，施工干擾較大。從過(guò)程線看該測(cè)點(diǎn)，受到較大干擾，主要受碰撞、管路彎折、漏水等問(wèn)題影響，測(cè)值存在卡死、或較大跳動(dòng)的情況。經(jīng)過(guò)后期調(diào)整，頂柱分離期間該部位變形總量不大，最終位移值為5.78mm。沒(méi)有大的趨勢(shì)性位移變化，局部是穩(wěn)定的。如圖5所示。

圖5 頂拱沉降過(guò)程

40+265樁號(hào)C2。C2號(hào)測(cè)點(diǎn)靠近上游護(hù)盾，距離C1約5m。從過(guò)程線看該測(cè)點(diǎn)，受到較大干擾，但頂柱分離期間該部位變形總量不大，最終位移值為10.56mm。沒(méi)有大的趨勢(shì)性位移變化，局部是穩(wěn)定的。如圖6所示。

圖6 頂拱沉降過(guò)程線圖(40+265)

40+270樁號(hào)C3。從過(guò)程線看該測(cè)點(diǎn)，頂柱分離期間該部位變形相對(duì)于C1/C2兩個(gè)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)增大許多，最終位移值為14.51mm。沒(méi)有大的趨勢(shì)性位移變化，局部是穩(wěn)定的。如圖7所示。

圖7 頂拱沉降過(guò)程線圖(40+270)

40+275樁號(hào)C4。C4號(hào)測(cè)點(diǎn)靠近區(qū)間中部，從過(guò)程線看，該測(cè)點(diǎn)變形量級(jí)和C2點(diǎn)接近，頂柱分離期間該部位變形總量不大，最終位移值為11.38mm。沒(méi)有大的趨勢(shì)性位移變化，局部是穩(wěn)定的。12月15日至16期間有一段沉降量增加的趨勢(shì)(C3也有同樣現(xiàn)象)，但又恢復(fù)到原先量級(jí)，可能是由于液壓循環(huán)式垂直位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受過(guò)程中補(bǔ)水的影響。如圖8所示。

圖8 頂拱沉降過(guò)程線圖(40+275)

40+280樁號(hào)C5。C5號(hào)測(cè)點(diǎn)靠近區(qū)間中部，從過(guò)程線看，頂柱分離期間該部位變形總量不大，最終位移值為11.17mm。沒(méi)有大的趨勢(shì)性位移變化，局部是穩(wěn)定的。如圖9所示。

圖9 頂拱沉降過(guò)程線圖(40+280)

40+285樁號(hào)C6。C6號(hào)測(cè)點(diǎn)是本次變形最大的測(cè)點(diǎn)，最終位移值為16.09mm。頂柱分離后24h內(nèi)變形量就達(dá)到了15mm左右。從過(guò)程線看，分離期間該部位變形總量在安全范圍內(nèi)，并且后期變化趨勢(shì)平緩，變形沒(méi)有增大的趨勢(shì)，局部是穩(wěn)定的。如圖10所示。

圖10 頂拱沉降過(guò)程線圖(40+825)

40+290樁號(hào)C7。C7號(hào)測(cè)點(diǎn)是本次變形中較大的測(cè)點(diǎn)，最終位移值為13.19mm。頂柱分離后24h內(nèi)變形量就達(dá)到了10mm左右。從過(guò)程線看，分離期間該部位變形總量在安全范圍內(nèi)，并且后期變化趨勢(shì)平緩，變形沒(méi)有增大的趨勢(shì)，局部是穩(wěn)定的。如圖11所示。

圖11 頂拱沉降過(guò)程線圖(40+290)

40+295樁號(hào)C8。C8號(hào)測(cè)點(diǎn)最終位移值為14.22mm，頂柱分離后24h內(nèi)變形量就達(dá)到了14mm左右。從過(guò)程線看，分離期間該部位變形總量在安全范圍內(nèi)，并且后期變化趨勢(shì)平緩，未發(fā)現(xiàn)異常變形情況，局部是穩(wěn)定的。如圖12所示。

圖12 頂拱沉降過(guò)程線圖(40+295)

4 結(jié)語(yǔ)

加強(qiáng)支護(hù)洞段柱頂分離后，最大變形發(fā)生40+285樁號(hào)C6測(cè)點(diǎn)，位移值16.09mm，最小測(cè)值40+260樁號(hào)C1測(cè)點(diǎn)，位移值5.78mm。變形總體量級(jí)不大，區(qū)間洞段變形較為均勻，分離24h內(nèi)即到達(dá)最大變形量的80%～90%，后期趨勢(shì)平緩，測(cè)值穩(wěn)定。頂柱分離一段時(shí)間后，觀測(cè)未發(fā)現(xiàn)變形異常情況。

本次的補(bǔ)強(qiáng)處理采取的方案可行的。及時(shí)采取立柱支撐抑制變形，并通過(guò)加密錨桿支護(hù)、超前噴錨、和補(bǔ)強(qiáng)固結(jié)灌漿的方法是經(jīng)濟(jì)有效的。

液壓循環(huán)式垂直位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一套較為便捷的、適應(yīng)性較強(qiáng)的、精度滿(mǎn)足需求的垂直位移觀測(cè)方法，該系統(tǒng)可以觀測(cè)垂直變形在0～40cm的范圍的洞室變形，解決了長(zhǎng)期困擾的TBM洞頂變形監(jiān)測(cè)的難題，提高了監(jiān)測(cè)頻率和觀測(cè)精度，減少了人為干擾，降低了施工難度。該方法是目前非常有效的TBM施工期監(jiān)測(cè)垂直位移手段，可在相關(guān)建設(shè)項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。