某TBM隧洞收斂監測分析及應用

關鍵詞：引水工程；TBM隧洞；收斂監測；數據分析

中圖分類號：TV223 文獻標志碼：A 文章編號:1003-5168(2025)13-0062-04

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.13.012

Analysis and Application of TBM Tunnel Convergence Monitoring in the Subsequent Optimization Project

LYU Zehuan (Guangdong Yuehai YuedongWater Supply Co.，Ltd.， Jieyang 522Ooo， China)

Abstract: [Purposes] To analyze the convergence behavior of TBM-driven tunnels during the construction process，ensuring both constuction safety and engineering quality.[Methods] Taking a certain TBM tunnel as an example，this study conducts safety monitoring on the convergence of the TBM tunnel by employing flexible inclinometers and convergence meters，and then performs a comparative analysis of the collcted data.[Findings] It was revealed from the comparative analysis that there was a 1 mm accuracy deviation between diferent monitoring instruments.The flexible inclinometer delivers advanced precision with smart monitoring capabilities，though subject to installation limitations，whereas the convergence meter，while operationally straightforward，exhibits higher susceptibility to environmental interference.[Conclusions] The research outcomes not only provide a solid foundation for ensuring rational adjustments of the TBM's machine posture during tunneling in this project，but also offer operational safeguards for subsequent construction and long-term operation. Furthermore，they serve as a valuable reference for other water diversion projects employing TBM methods，particularly in the selection of convergence monitoring systems， construction safety control，and engineering quality assurance.

Keywords: water diversion project; TBM tunnel; convergence monitoring; data analysis

0 引言

引水工程作為一種重要的水資源調配手段，在解決水資源短缺和分配不均，促進區域經濟發展等方面發揮著關鍵作用。在引水工程的建設中，全斷面隧道掘進機（TunnelBoringMachine，簡稱

TBM)以其高效、安全、環保等諸多優勢，在引水工程中得到了越來越廣泛的應用。某工程TBM隧洞主要位于花崗巖弱、微風化新鮮巖體中，巖質堅硬，巖體較完整，工程地質條件較好，以Ⅱ類及Ⅲ類圍巖為主，花崗巖中存在抗壓強度為 250～380MPa 的特堅硬巖脈，局部侵入巖脈的單軸飽和抗壓強度可達 300MPa^[2] ，掘進隧洞段長約 3770m ，TBM隧洞段最小曲線半徑為 500m ，縱坡為 0.34% ，為上坡方向掘進。該工程TBM隧洞采用 Φ4600mm 雙護盾TBM掘進機施工，采用全段拼裝通用5片式雙面楔形管片，且在 IV 、V類圍巖段設置鋼筋混凝土二襯。

1外部因素影響分析

外部環境因素對TBM隧洞收斂有著不可忽視的影響，因此在利用柔性測斜儀和收斂計進行測量時，應對外部環境因素進行分析。其中地質情況、地下水和地震等方面的影響尤為顯著。地質情況方面3，洞身主要位于花崗巖弱、微風化帶中，巖質堅硬，其對TBM掘進帶來了較大的難度，強大的掘進力導致隧洞周圍巖石應力分布發生變化，進而影響隧洞的收斂情況，且其掘進產生較大的震動，也對隧洞結構的穩定性有影響；地下水方面，由于隧洞埋深超 200m ，且穿越較多的斷層破裂帶，山體附近存在水庫，因此地下水豐富，地下水的壓力及侵蝕作用會對隧洞收斂造成影響；地震方面，粵東地區地震活動相對較少，但在工程設計和施工中仍需要考慮地震的影響。

2 監測設計

2.1 監測目的

由于TBM隧洞埋深超 200m ，其洞身穿越弱風化巖層，僅在頭尾少量穿越強風化地層，其中弱風化花崗巖及石英砂巖巖質堅硬，對刀具磨損較大，弱風化泥質粉砂巖巖質較軟，層間裂隙發育，層間軟弱夾層對圍巖穩定有一定影響4。在穿越斷層破裂帶時存在塌方、涌水、卡機等風險，施工難度及不確定性較大。

因此，該工程TBM隧洞采用柔性測斜儀和收斂計進行數據分析，以預測巖體的變形趨勢及收斂變形情況，并及時采取相應的措施，確保施工和人員的安全及TBM姿態的調整控制。通過與收斂計測量結果進行對比，驗證TBM隧洞內使用柔性測斜儀的實用性和精確性。

2.2 監測原理

設置在TBM隧洞的柔性測斜儀采用ADM陣列位移計（MEMS微機電系統），其數據波動最優可達到 0.01mm ，并創新性地采用溫區補償模型，真正做到 -40～60^°C 溫區補償，保障了測量精度與穩定性。根據計算原理，由單節計算公式 d=L?sinθ_i 可得累加每節位移量，則某時刻從端點至第 i 節累加變形見式(1)。

以上式中： d 為三維軸線中 (X，Y，Z) 單節相對基準線的變形值， mm;L 為單節長度，取 0.5m 或 為單節對應軸與重力方向的夾角，； D_i 為某時刻從端點至第i節的累加位移， mm 。

收斂計通過測量兩個基準點間的相對位移，并利用數顯位移計讀出兩次讀數，并以此計算出差值，是一種利用機械傳遞位移進行監測的方法[5]。其分辨率為 0.01mm ，測量精度為 0.06mm 。基線兩點間收斂值 s 的計算見式（2）。

S=(D₀+L₀)-(D_n+L_n)

式中： D₀ 為首次數顯讀數， mm L₀ 為首次鋼尺長度， mm;D_n 為第 n 次數顯讀數， mm;L_n 為第 n 次鋼尺長度， mm 。

2.3 監測方案

本研究選擇地質條件為 IV，V 類圍巖、巖芯以碎裂石為主的部位作為監測斷面。在每個監測斷面布置柔性測斜儀，以實現斷面管片收斂情況的自動化監測。柔性測斜儀安裝完成后，隧洞無線網絡通過終端轉換為光纖網絡，再通過光纖網口轉換器接入數據采集單元，監測數據通過內置網絡模塊傳輸至后臺，具體設置如圖1所示。在同一斷面設置3處收斂計作為對比組，分別測量S1S2、S2S3、S1S3累計變化和變化速率，與柔性測斜儀檢測結果進行對比，以此判斷柔性測斜儀的精度和準確性，具體設置如圖2所示。根據設計要求，當測量數據累計變化達到 ±20mm ，變化速率達到 ±3mm/d 時達到報警值，此時應采取相應的保護措施并進行安全風險評估。

3數據分析

本研究對TBM隧洞其中一個測量斷面進行數據分析，并以柔性測斜儀及收斂計的測量周期30d為例，具體測量的累計變化及變化速率數據如圖3和圖4所示。由圖3可知，柔性測距儀測得最大累計變化為 1.25mm ，最大變化速率為 0.05mm/d 由圖4可知，收斂計測得最大累計變化為S1S2的1.08mm ，最大變化速率為S2S3的 -1.42mm/d 。兩者整體的累計變化及變化速率變化曲線基本穩定，通過使用柔性測斜儀與收斂計測量該TBM斷面，其累計變化值均超過 ±20mm ，變化速率均未超過±3mm/d ，表明該斷面未達到預警值。

通過對比選取斷面的數據可知，所采用的柔性測斜儀與收斂計精度偏差約為 1mm ，且柔性測距儀的精度更高，而造成收斂計誤差較大的主要原因為其容易受溫度、人為等外部因素干擾，而柔性測斜儀安裝更為牢固，可有效地避免人為因素造成的誤差。因此，在布設時，不僅應選擇在能夠準確反映TBM隧洞變形情況的位置，也要避開施工設備、管道等可能對測量造成干擾的物體。

4結語

TBM隧洞段的施工質量和安全對整個工程的順利進行是至關重要的。通過對比發現，采用柔性測斜儀的優勢在于其測量精度高、更智能化但安裝受限，適用于I、V類圍巖斷面成型較好的隧洞及一些要求測量精度高且易于安裝的應急工程。而采用收斂計測量收斂的優勢在于簡單方便，缺點為容易受環境干擾從而影響測量精度，適用于大多數引水隧洞工程。

在穿越斷層破裂帶時，選擇適合的安全監測設備不僅能夠提前預警巖體不穩定情況，為施工人員采取應對措施提供參考，而且能極大保障工程安全、質量及工期，也為后續施工及運行提供準確的

參考依據。

參考文獻：

[1]章慧，趙健，楊凡.TBM掘進擠壓變形洞段加固支護技術探討[J].土工基礎，2023，37(2)：206-208，212.

[2]方騰衛，馮日榮，張建偉，等.TBM引水隧洞組合結構承載下管片錯臺和張開度特性研究[J].廣東水利水電，2023(11):1-8.

[3]李宗林，譚忠盛，周振梁，等.基于TBM振動監測的圍巖參數感知技術研究[J].鐵道科學與工程學報，2025，22(4):1853-1869.

[4]劉啟波，方騰衛，張建偉，等.不同隧洞圍巖壓力計算方法對管片力學特性影響研究[J].水利規劃與設計，2023(9):79-85，99.

[5]王傳樂，李二兵，譚躍虎，等.新型接觸式隧洞收斂監測系統及其應用[J].南京工業大學學報（自然科學版），2018，40(6):96-103.

[6]張爭，劉永智，范新宇，等.變形隧洞圍巖收斂監測及回歸分析[J].西北水電，2020(5)：61-63.

[7]李世民，李世陽，苑廣會，等.隧洞圍巖收斂變形監測數據分析[J].云南水力發電，2012，28(6)：1-2，8.

（欄目編輯：孫艷梅）