某TBM隧洞收斂監(jiān)測(cè)分析及應(yīng)用

關(guān)鍵詞：引水工程；TBM隧洞；收斂監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)：TV223 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào):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(diào)配手段，在解決水資源短缺和分配不均，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在引水工程的建設(shè)中，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TunnelBoringMachine，簡稱

TBM)以其高效、安全、環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì)，在引水工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。某工程TBM隧洞主要位于花崗巖弱、微風(fēng)化新鮮巖體中，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體較完整，工程地質(zhì)條件較好，以Ⅱ類及Ⅲ類圍巖為主，花崗巖中存在抗壓強(qiáng)度為 250～380MPa 的特堅(jiān)硬巖脈，局部侵入巖脈的單軸飽和抗壓強(qiáng)度可達(dá) 300MPa^[2] ，掘進(jìn)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(jìn)。該工程TBM隧洞采用 Φ4600mm 雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)機(jī)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(shè)置鋼筋混凝土二襯。

1外部因素影響分析

外部環(huán)境因素對(duì)TBM隧洞收斂有著不可忽視的影響，因此在利用柔性測(cè)斜儀和收斂計(jì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)對(duì)外部環(huán)境因素進(jìn)行分析。其中地質(zhì)情況、地下水和地震等方面的影響尤為顯著。地質(zhì)情況方面3，洞身主要位于花崗巖弱、微風(fēng)化帶中，巖質(zhì)堅(jiān)硬，其對(duì)TBM掘進(jìn)帶來了較大的難度，強(qiáng)大的掘進(jìn)力導(dǎo)致隧洞周圍巖石應(yīng)力分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響隧洞的收斂情況，且其掘進(jìn)產(chǎn)生較大的震動(dòng)，也對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(huì)對(duì)隧洞收斂造成影響；地震方面，粵東地區(qū)地震活動(dòng)相對(duì)較少，但在工程設(shè)計(jì)和施工中仍需要考慮地震的影響。

2 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)目的

由于TBM隧洞埋深超 200m ，其洞身穿越弱風(fēng)化巖層，僅在頭尾少量穿越強(qiáng)風(fēng)化地層，其中弱風(fēng)化花崗巖及石英砂巖巖質(zhì)堅(jiān)硬，對(duì)刀具磨損較大，弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖巖質(zhì)較軟，層間裂隙發(fā)育，層間軟弱夾層對(duì)圍巖穩(wěn)定有一定影響4。在穿越斷層破裂帶時(shí)存在塌方、涌水、卡機(jī)等風(fēng)險(xiǎn)，施工難度及不確定性較大。

因此，該工程TBM隧洞采用柔性測(cè)斜儀和收斂計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以預(yù)測(cè)巖體的變形趨勢(shì)及收斂變形情況，并及時(shí)采取相應(yīng)的措施，確保施工和人員的安全及TBM姿態(tài)的調(diào)整控制。通過與收斂計(jì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證TBM隧洞內(nèi)使用柔性測(cè)斜儀的實(shí)用性和精確性。

2.2 監(jiān)測(cè)原理

設(shè)置在TBM隧洞的柔性測(cè)斜儀采用ADM陣列位移計(jì)（MEMS微機(jī)電系統(tǒng)），其數(shù)據(jù)波動(dòng)最優(yōu)可達(dá)到 0.01mm ，并創(chuàng)新性地采用溫區(qū)補(bǔ)償模型，真正做到 -40～60^°C 溫區(qū)補(bǔ)償，保障了測(cè)量精度與穩(wěn)定性。根據(jù)計(jì)算原理，由單節(jié)計(jì)算公式 d=L?sinθ_i 可得累加每節(jié)位移量，則某時(shí)刻從端點(diǎn)至第 i 節(jié)累加變形見式(1)。

以上式中： d 為三維軸線中 (X，Y，Z) 單節(jié)相對(duì)基準(zhǔn)線的變形值， mm;L 為單節(jié)長度，取 0.5m 或 為單節(jié)對(duì)應(yīng)軸與重力方向的夾角，； D_i 為某時(shí)刻從端點(diǎn)至第i節(jié)的累加位移， mm 。

收斂計(jì)通過測(cè)量兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)間的相對(duì)位移，并利用數(shù)顯位移計(jì)讀出兩次讀數(shù)，并以此計(jì)算出差值，是一種利用機(jī)械傳遞位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法[5]。其分辨率為 0.01mm ，測(cè)量精度為 0.06mm 。基線兩點(diǎn)間收斂值 s 的計(jì)算見式（2）。

S=(D₀+L₀)-(D_n+L_n)

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

2.3 監(jiān)測(cè)方案

本研究選擇地質(zhì)條件為 IV，V 類圍巖、巖芯以碎裂石為主的部位作為監(jiān)測(cè)斷面。在每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置柔性測(cè)斜儀，以實(shí)現(xiàn)斷面管片收斂情況的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。柔性測(cè)斜儀安裝完成后，隧洞無線網(wǎng)絡(luò)通過終端轉(zhuǎn)換為光纖網(wǎng)絡(luò)，再通過光纖網(wǎng)口轉(zhuǎn)換器接入數(shù)據(jù)采集單元，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸至后臺(tái)，具體設(shè)置如圖1所示。在同一斷面設(shè)置3處收斂計(jì)作為對(duì)比組，分別測(cè)量S1S2、S2S3、S1S3累計(jì)變化和變化速率，與柔性測(cè)斜儀檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以此判斷柔性測(cè)斜儀的精度和準(zhǔn)確性，具體設(shè)置如圖2所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)累計(jì)變化達(dá)到 ±20mm ，變化速率達(dá)到 ±3mm/d 時(shí)達(dá)到報(bào)警值，此時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施并進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

3數(shù)據(jù)分析

本研究對(duì)TBM隧洞其中一個(gè)測(cè)量斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并以柔性測(cè)斜儀及收斂計(jì)的測(cè)量周期30d為例，具體測(cè)量的累計(jì)變化及變化速率數(shù)據(jù)如圖3和圖4所示。由圖3可知，柔性測(cè)距儀測(cè)得最大累計(jì)變化為 1.25mm ，最大變化速率為 0.05mm/d 由圖4可知，收斂計(jì)測(cè)得最大累計(jì)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(jì)變化及變化速率變化曲線基本穩(wěn)定，通過使用柔性測(cè)斜儀與收斂計(jì)測(cè)量該TBM斷面，其累計(jì)變化值均超過 ±20mm ，變化速率均未超過±3mm/d ，表明該斷面未達(dá)到預(yù)警值。

通過對(duì)比選取斷面的數(shù)據(jù)可知，所采用的柔性測(cè)斜儀與收斂計(jì)精度偏差約為 1mm ，且柔性測(cè)距儀的精度更高，而造成收斂計(jì)誤差較大的主要原因?yàn)槠淙菀资軠囟?、人為等外部因素干擾，而柔性測(cè)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(shè)時(shí)，不僅應(yīng)選擇在能夠準(zhǔn)確反映TBM隧洞變形情況的位置，也要避開施工設(shè)備、管道等可能對(duì)測(cè)量造成干擾的物體。

4結(jié)語

TBM隧洞段的施工質(zhì)量和安全對(duì)整個(gè)工程的順利進(jìn)行是至關(guān)重要的。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用柔性測(cè)斜儀的優(yōu)勢(shì)在于其測(cè)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(cè)量精度高且易于安裝的應(yīng)急工程。而采用收斂計(jì)測(cè)量收斂的優(yōu)勢(shì)在于簡單方便，缺點(diǎn)為容易受環(huán)境干擾從而影響測(cè)量精度，適用于大多數(shù)引水隧洞工程。

在穿越斷層破裂帶時(shí)，選擇適合的安全監(jiān)測(cè)設(shè)備不僅能夠提前預(yù)警巖體不穩(wěn)定情況，為施工人員采取應(yīng)對(duì)措施提供參考，而且能極大保障工程安全、質(zhì)量及工期，也為后續(xù)施工及運(yùn)行提供準(zhǔn)確的

參考依據(jù)。

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（欄目編輯：孫艷梅）