(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

大伙房水庫(kù)輸水隧洞是遼寧省大伙房輸水(一期)工程的主體工程，全長(zhǎng)85.32km，洞室埋深在52～600m之間，開(kāi)挖洞徑8.03m，屬于大斷面特長(zhǎng)深埋隧洞，主要采用TBM施工。在采用開(kāi)敞式TBM施工過(guò)程中，隧洞開(kāi)挖面后方150～200m范圍內(nèi)，由于掘進(jìn)機(jī)和后配套設(shè)備占據(jù)，此距離范圍內(nèi)隧洞凈空位移量測(cè)很難有效實(shí)施。根據(jù)現(xiàn)狀研究，目前常用的位移監(jiān)測(cè)方法有：?常規(guī)有尺測(cè)量法，雖然成本低、簡(jiǎn)便可靠、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，但不能監(jiān)測(cè)重大部位隧洞變形。在拱頂下沉量測(cè)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)上難以提供監(jiān)測(cè)過(guò)程中所需的穩(wěn)定平臺(tái)；?全站儀無(wú)尺量法，此法雖能對(duì)隧洞進(jìn)行非接觸三維位移監(jiān)測(cè)，但要在掘進(jìn)機(jī)上提供架設(shè)儀器的平臺(tái)以及基準(zhǔn)點(diǎn)的通視空間十分困難，且成本高昂，在TBM施工環(huán)境下適應(yīng)性較差；?鉆孔位移計(jì)量測(cè)法，主要依賴埋設(shè)的位移計(jì)進(jìn)行，但埋設(shè)孔需要利用掘進(jìn)機(jī)上的錨桿鉆機(jī)，因受機(jī)載鉆機(jī)鉆孔位置限制，鉆孔位移計(jì)難以布設(shè)在主要位移矢量方向上，特別是兩側(cè)邊墻難以埋設(shè)。基于以上敘述，本文提出一種適用于TBM施工環(huán)境的隧洞凈空位移監(jiān)測(cè)方法——激光準(zhǔn)直TBM隧洞凈空位移監(jiān)測(cè)法。

1 基本原理

激光準(zhǔn)直TBM隧洞凈空位移監(jiān)測(cè)法利用掘進(jìn)機(jī)與隧洞周邊之間的縱向空間，通過(guò)對(duì)拱頂和兩側(cè)邊墻三點(diǎn)位量測(cè)獲取斷面上最大位移。準(zhǔn)直激光源設(shè)于圍巖變形已穩(wěn)定地段，以提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)光束，如圖1所示。根據(jù)圍巖變形的空間效應(yīng)，一般圍巖變形主要發(fā)生在距掌子面3倍洞徑內(nèi)，超出此長(zhǎng)度認(rèn)為圍巖變形已趨穩(wěn)定。所以，全位移的最大值可表示為

為確保激光源設(shè)于變形已穩(wěn)定地段，實(shí)測(cè)中按不小于6倍洞徑考慮；在膨脹性圍巖施工段，采用串聯(lián)接力方式將激光源引至不小于10倍洞徑或更遠(yuǎn)處。

umax=u0+u1max

式中umax——全位移最大值,mm;

u0——刀盤(pán)尾部測(cè)試前已發(fā)生位移,mm；

u1——測(cè)出位移,mm；

u1max——最大測(cè)出位移,mm。

當(dāng)測(cè)點(diǎn)緊貼刀盤(pán)尾部埋設(shè)時(shí)，u0很小可忽略不計(jì)，即u0=0，故所測(cè)u1即為圍巖變形中主要位移量，即umax≈u1max。

圖1 激光準(zhǔn)直法工作原理圖

2 測(cè)量方案

激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)法通過(guò)獲取拱頂和兩側(cè)邊墻三點(diǎn)位置進(jìn)行隧洞凈空位移監(jiān)測(cè)，其測(cè)量方法如圖2所示。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，分別于緊貼掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)尾部、拱頂、兩側(cè)邊墻最大跨度巖面處埋設(shè)測(cè)點(diǎn)并安裝靶器，并于其后方不小于6倍洞徑且變形已趨于穩(wěn)定地段安設(shè)準(zhǔn)直激光源，測(cè)量時(shí)激光源發(fā)出基準(zhǔn)光束并射向靶器。掘進(jìn)機(jī)在隧洞施工推進(jìn)時(shí)，靶器隨圍巖變形發(fā)生位移，滑動(dòng)靶器上的靶標(biāo)使之對(duì)準(zhǔn)光斑(刻線對(duì)準(zhǔn)或線陣元件控制)，由靶器上測(cè)量模塊測(cè)量讀出位移量。

圖2 激光準(zhǔn)直法技術(shù)方案布置圖

3 精度評(píng)定

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，并分別采用基線場(chǎng)、靜態(tài)測(cè)試、動(dòng)態(tài)測(cè)試方法，對(duì)激光準(zhǔn)直測(cè)量的可靠性和精度進(jìn)行理論分析，得出隧洞激光準(zhǔn)直位移監(jiān)測(cè)在采用手動(dòng)刻線對(duì)準(zhǔn)方式測(cè)量時(shí)，可達(dá)到毫米～亞毫米級(jí)位移量測(cè)精度。在置信概率95%條件下能取得建筑變形一級(jí)及以上滿意的量測(cè)精度，見(jiàn)下表。

激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)精度評(píng)定結(jié)果 單位：mm

注評(píng)定環(huán)境為室內(nèi)，基線長(zhǎng)40～60m，手動(dòng)刻線對(duì)準(zhǔn)，置信概率95%。

4 各類圍巖監(jiān)測(cè)及分析

4.1 Ⅱ類圍巖

監(jiān)測(cè)斷面位于36+200西岔，為TBM圓形斷面，緊貼刀盤(pán)尾部埋設(shè)，埋深300～350m，巖性為混合巖，監(jiān)測(cè)期間未進(jìn)行初期支護(hù)。圖3為西岔附近Ⅱ類圍巖TBM圓形斷面圍巖凈空位移隨時(shí)間(3a)和距離變化(3b)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖3 Ⅱ類圍巖TBM圓形斷面凈空位移散點(diǎn)及回歸曲線

Ⅱ類圍巖TBM斷面凈空位移主要發(fā)生在距開(kāi)挖面0.5倍洞徑范圍內(nèi)(距刀盤(pán)尾部1～2m)，位移發(fā)展的時(shí)間為1～3h。Ⅱ類硬巖地層的變形在開(kāi)挖后很短時(shí)間和距離內(nèi)完成，不及時(shí)量測(cè)將很難測(cè)出。該埋深條件下，Ⅱ類圍巖TBM圓形斷面凈空位移最大值為2.4mm(拱頂下沉回歸值，下同)，其相對(duì)值(位移與跨度之比，下同)為0.1%，最大水平收斂相對(duì)值小于0.03%，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4.2 Ⅲ類圍巖

監(jiān)測(cè)斷面位于張家街，為TBM圓形斷面，緊貼刀盤(pán)尾部埋設(shè)，埋深230m，巖性為混合花崗巖。初期支護(hù)為鋼架噴射混凝土。圖4為張家街下方TBM施工環(huán)境下圍巖凈空位移隨時(shí)間變化(4a)和隨距離變化(4b)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖4 Ⅲ類圍巖TBM圓形斷面凈空位移散點(diǎn)及回歸曲線

Ⅲ類圍巖TBM斷面凈空位移主要發(fā)生在距開(kāi)挖面約1.5倍洞徑，位移發(fā)展的時(shí)間為10h以內(nèi)。相對(duì)Ⅱ類圍巖，其變形趨于穩(wěn)定的時(shí)間和距離均增加，但主要變形仍在一天內(nèi)完成。埋深200～500m時(shí)，Ⅲ類圍巖的凈空位移以水平收斂更為顯著，拱頂下沉與水平收斂之比在0.5～1之間。該埋深條件下，Ⅲ類圍巖收斂相對(duì)值最大為0.13%，水平收斂最大值為10mm，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4.3 Ⅳ類圍巖

監(jiān)測(cè)斷面為馬蹄形，位于房家堡子斷層段邊緣，埋深330m，巖性為破碎混合巖，初期支護(hù)為格柵鋼架噴射混凝土。圖5為馬蹄形斷面施工環(huán)境下Ⅳ類圍巖凈空位移隨時(shí)間變化的監(jiān)測(cè)結(jié)果，(5a)為房家堡子斷層邊緣地段，(5b)為拱頂下沉與水平收斂最大值分布情況(回歸值)。

圖5 Ⅳ類圍巖馬蹄形斷面凈空位移散點(diǎn)、回歸曲線及凈空位移特性

Ⅳ類圍巖馬蹄形斷面凈空位移隨時(shí)間變化曲線呈以下形態(tài)(見(jiàn)圖6)，初期急劇變形之后有一緩慢變形增長(zhǎng)階段，其主要變形在5～10天內(nèi)完成。與Ⅲ類圍巖相比，Ⅳ類圍巖變形趨于穩(wěn)定的時(shí)間明顯增加。

圖6 Ⅳ類圍巖凈空位移隨時(shí)間變化形態(tài)

埋深300～450m時(shí)，Ⅳ類圍巖凈空位移以水平收斂較為顯著，拱頂下沉與水平收斂之比在0.7～1之間。該埋深條件下，Ⅳ類圍巖凈空位移相對(duì)值最大為0.18%，水平收斂最大值為15mm，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4.4 Ⅴ類圍巖

監(jiān)測(cè)斷面為馬蹄形，位于三道溝靠近四道河子河谷邊緣，埋深420～430m，大理巖與硅質(zhì)碳質(zhì)板巖互層，巖體破碎，初期支護(hù)為格柵鋼架噴錨支護(hù)。圖7為馬蹄形施工環(huán)境下Ⅴ類圍巖凈空位移隨時(shí)間變化的監(jiān)測(cè)結(jié)果，(7a)為三道溝靠近河谷邊緣，(7b)為拱頂下沉與水平收斂最大值分布情況(回歸值)。

圖7 Ⅴ類圍巖馬蹄形斷面凈空位移散點(diǎn)、回歸曲線及凈空位移特性

Ⅴ類圍巖斷面凈空位移隨時(shí)間變化曲線與Ⅳ類圍巖凈空位移形態(tài)相似，即在初期急劇變形之后有明顯的緩慢變形增長(zhǎng)階段，其變形趨穩(wěn)時(shí)間達(dá)到10天以上。趨穩(wěn)距離(距開(kāi)挖面)按掘進(jìn)速度估計(jì)約2.5倍洞徑及以上。埋深300～450m時(shí)，Ⅴ類圍巖拱頂下沉與水平收斂之比，較Ⅳ類圍巖更接近于1。該埋深條件下，Ⅴ類圍巖凈空位移相對(duì)值最大為0.23%，水平收斂最大值為19mm，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)踐表明，基于三點(diǎn)量測(cè)的激光準(zhǔn)直隧洞凈空位移監(jiān)測(cè)，在掘進(jìn)機(jī)及后配套設(shè)備范圍內(nèi)可進(jìn)行隧洞斷面凈空位移量測(cè)，技術(shù)上可行，精度也符合TBM施工環(huán)境下位移控制的監(jiān)測(cè)要求，量測(cè)過(guò)程可單人進(jìn)行，具有操作方便、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)各類圍巖的掘進(jìn)過(guò)程中，激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)結(jié)果有效反映了不同斷面、不同埋深條件下隧洞圍巖凈空位移變形特性，為隧洞施工掘進(jìn)的順利進(jìn)行提供了理論依據(jù)和技術(shù)保證。激光準(zhǔn)直法作為一種有效的新型位移監(jiān)測(cè)方法，將在今后類似施工中發(fā)揮更大的作用。fffffa