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

陳勃文，尚 層，萬 鵬

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

在隧洞掘進施工過程中，豎向位移或垂直位移的現(xiàn)場監(jiān)測是直接獲取工程工作性狀的有效方法，但在隧洞TBM施工過程中，監(jiān)測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)合實際適時調(diào)整監(jiān)測工作方案支持TBM施工，避免施工中因監(jiān)測不到位，而引發(fā)一系列工程質(zhì)量問題，進而引發(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)測設(shè)備沒有較好的適用性，例如常規(guī)的收斂測尺測量隧洞圍巖兩點間的相對變形，這種方法受施工影響較大，測量比較繁瑣，不能實現(xiàn)自動化采集；而采用全站儀監(jiān)測隧洞圍巖變形時，所需測回較多，且洞內(nèi)觀測時間隨監(jiān)測點的增多而增加，影響TBM施工進度。采用三維激光掃描法可以獲得隧道整個內(nèi)壁的點云數(shù)據(jù)，但需要處理的數(shù)據(jù)量太大，另外，TBM工作過程中振動較大，隧道內(nèi)煙塵多、環(huán)境差，測距系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)等均無法長時間在如此惡劣的環(huán)境中工作，對儀器損傷較大，當隧道過長或彎道半徑較小時，檢測精度降低。

為能通過安全監(jiān)測及早發(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)式垂直位移自動化監(jiān)測系統(tǒng)開展對TBM掘進前行加固段的垂直位移進行監(jiān)測[6-14]。

液壓循環(huán)式垂直位移自動化監(jiān)測系統(tǒng)是一套便捷、適應(yīng)性強、精度高的垂直位移觀測方法，目前國內(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、不同工程中已進行了一定程度的研究。液壓循環(huán)式垂直位移自動化監(jiān)測系統(tǒng)可以觀測垂直變形在0～40cm的范圍的洞室變形，解決了長期困擾的TBM洞頂變形監(jiān)測的難題，提高了監(jiān)測頻率和觀測精度，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。該工程為無壓洞，設(shè)計輸水流量為65m3/s，洞底縱坡采用1/2500。隧洞通過的巖性復(fù)雜多變，共有20多種巖性及4種圍巖類別。隧洞采用TBM全斷面掘進機結(jié)合鉆爆法進行施工。根據(jù)工程施工和管理運行需要，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，開挖直徑為7830mm；鉆爆法施工段采用馬蹄形斷面或城門洞形斷面。如圖1所示。

圖1 支撐布置

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

2 工作原理及現(xiàn)場監(jiān)測的實施

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

2.1 工作原理

液壓循環(huán)式垂直位移自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要由測頭、NYC型液壓沉降測量傳感器、管路(包括通液管、通氣管及干燥管)、儲液罐、電纜、量測裝置(測讀儀表)、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)式垂直位移自動化監(jiān)測儀安裝埋設(shè)完成后，沉降板(安裝板)帶動傳感器測頭隨監(jiān)測體的沉降同步沉降位移。傳感器測頭通過觀測電纜延伸到數(shù)據(jù)采集模塊處采集數(shù)據(jù)。傳感器測頭內(nèi)置的高精度微壓傳感器及信號變送器。通過使用雙通液管將微壓傳感器感應(yīng)膜片的外面和儲液罐底部連接相通，膜片所受的壓力與膜片到儲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)腔與儲液罐上方空間聯(lián)通，使整個系統(tǒng)內(nèi)部氣壓達到壓力自平衡狀態(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防止傳感器內(nèi)部受潮。當微壓傳感器傳感器膜片和儲液罐液面之間的高差產(chǎn)生變化時，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，通過數(shù)據(jù)采集裝置測得應(yīng)變膜片電阻變化值，從而經(jīng)過計算就可得知被監(jiān)測點的沉降或抬升[2]。液壓式沉降觀測裝置安裝如圖2所示。

圖2 液壓式沉降觀測裝置安裝示意圖

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量值，mm；ΔF—沉降儀實時測量值相對于基準值的變化量，mm；F—沉降儀的實時測量值，mm；Fo—沉降儀的初始測量值，mm。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)測實施

施工期收斂變形和拱頂沉降監(jiān)測，宜根據(jù)圍巖類別布置監(jiān)測點，監(jiān)測斷面間距:斷層破碎帶為5～10m。具體布置時，可根據(jù)圍巖性態(tài)進行調(diào)整。收斂變形監(jiān)測每個斷面不應(yīng)少于3個測點[3]。

在加固段40+260—40+300m樁號范圍內(nèi)每隔5米布設(shè)一個測點見表1，并在巖壁上安裝螺紋鋼作為沉降觀測標點，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 頂拱沉降測點樁號表(40+*m) 單位：m

基點設(shè)置在中控室頂部附近(40+300m左右)，安裝測點傳感器8個，基點傳感器1個，共9套傳感器。測點布置如圖3所示。

圖3 監(jiān)測點布置

儀器安裝之前均進行了儀器率定。采用自動化實施測量，安裝了DAU2000數(shù)據(jù)采集單元1個，NDA1705數(shù)據(jù)采集模塊1個，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。用便攜式電腦進行數(shù)據(jù)存儲和處理，安裝Dsims4.0軟件1套。

XSDY二期工程Ⅲ標段測量班每3h對觀測點觀測一次，土建單位自行記錄。自動化在線監(jiān)測，采集周期設(shè)置為每分鐘采集一次，并實時刷新數(shù)據(jù)表和過程線，并人工記錄拆除過程相關(guān)信息。拆除后繼續(xù)實時監(jiān)測2h，后期轉(zhuǎn)為定時測量，每30～50min測量一次，持續(xù)時間為72h。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 總體變形情況

本次觀測自2019年12月12日11時至2019年12月17日11時，總時長為5d(120h)。從觀測數(shù)據(jù)看，加強支護洞段柱頂分離后，最大變形發(fā)生40+285樁號C6測點，位移值16.09mm，最小測值40+260樁號C1測點，位移值5.78mm。變形總體量級不大，區(qū)間洞段變形較為均勻，分離24h內(nèi)即到達最大變形量的80%～90%，24h后變形量1～3mm，趨勢平緩，測值穩(wěn)定。拆除過程中未發(fā)現(xiàn)變形異常情況。如圖4所示。

圖4 頂拱沉降過程線圖(40+260—40+300)

3.2 各個測點變形情況

因觀測期間受施工干擾的影響，導(dǎo)致測值存在一定的跳動，屬于正常現(xiàn)象。通過采用的高精度、小量程傳感器，實現(xiàn)精度非常高，感應(yīng)器非常靈敏，特別是受震動，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，隨機的，存在一定范圍的。因此，對趨勢性變形監(jiān)測沒有任何本質(zhì)性影響。同時通過高密度采集數(shù)據(jù)，加強對趨勢性變形控制，達到了滿足分析需求和安全控制要求。

40+260樁號C1。C1號測點靠近上游護盾，護盾處于脫困施工當中，土建單位在鉆孔、爆破、清渣，施工干擾較大。從過程線看該測點，受到較大干擾，主要受碰撞、管路彎折、漏水等問題影響，測值存在卡死、或較大跳動的情況。經(jīng)過后期調(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。沒有大的趨勢性位移變化，局部是穩(wěn)定的。如圖5所示。

圖5 頂拱沉降過程

40+265樁號C2。C2號測點靠近上游護盾，距離C1約5m。從過程線看該測點，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。沒有大的趨勢性位移變化，局部是穩(wěn)定的。如圖6所示。

圖6 頂拱沉降過程線圖(40+265)

40+270樁號C3。從過程線看該測點，頂柱分離期間該部位變形相對于C1/C2兩個點測點增大許多，最終位移值為14.51mm。沒有大的趨勢性位移變化，局部是穩(wěn)定的。如圖7所示。

圖7 頂拱沉降過程線圖(40+270)

40+275樁號C4。C4號測點靠近區(qū)間中部，從過程線看，該測點變形量級和C2點接近，頂柱分離期間該部位變形總量不大，最終位移值為11.38mm。沒有大的趨勢性位移變化，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(C3也有同樣現(xiàn)象)，但又恢復(fù)到原先量級，可能是由于液壓循環(huán)式垂直位移自動化監(jiān)測系統(tǒng)受過程中補水的影響。如圖8所示。

圖8 頂拱沉降過程線圖(40+275)

40+280樁號C5。C5號測點靠近區(qū)間中部，從過程線看，頂柱分離期間該部位變形總量不大，最終位移值為11.17mm。沒有大的趨勢性位移變化，局部是穩(wěn)定的。如圖9所示。

圖9 頂拱沉降過程線圖(40+280)

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

圖10 頂拱沉降過程線圖(40+825)

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

圖11 頂拱沉降過程線圖(40+290)

40+295樁號C8。C8號測點最終位移值為14.22mm，頂柱分離后24h內(nèi)變形量就達到了14mm左右。從過程線看，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 頂拱沉降過程線圖(40+295)

4 結(jié)語

加強支護洞段柱頂分離后，最大變形發(fā)生40+285樁號C6測點，位移值16.09mm，最小測值40+260樁號C1測點，位移值5.78mm。變形總體量級不大，區(qū)間洞段變形較為均勻，分離24h內(nèi)即到達最大變形量的80%～90%，后期趨勢平緩，測值穩(wěn)定。頂柱分離一段時間后，觀測未發(fā)現(xiàn)變形異常情況。

本次的補強處理采取的方案可行的。及時采取立柱支撐抑制變形，并通過加密錨桿支護、超前噴錨、和補強固結(jié)灌漿的方法是經(jīng)濟有效的。

液壓循環(huán)式垂直位移自動化監(jiān)測系統(tǒng)是一套較為便捷的、適應(yīng)性較強的、精度滿足需求的垂直位移觀測方法，該系統(tǒng)可以觀測垂直變形在0～40cm的范圍的洞室變形，解決了長期困擾的TBM洞頂變形監(jiān)測的難題，提高了監(jiān)測頻率和觀測精度，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)測垂直位移手段，可在相關(guān)建設(shè)項目中推廣應(yīng)用。