TBM隧道施工监控量测现状及发展趋势

TBM隧道施工监控量测现状及发展趋势田龙平1（1.重庆交通大学河海学院，重庆400074）摘要：TBM（TunnelBoringMachine）隧道掘进机，是集钻、掘进、支护于一体，使用电子、信息、遥测、遥控等技术对全部作业进行指导和监控的全断面隧道掘进施工机械。近年来，对其施工阶段进行的监控量测发展较为迅猛。从TBM隧道常规监控量测技术现状；其他监控量测技术在TBM隧道中的应用现状；特殊条件下TBM隧道的监控量测及监控数据处理等几个方面介绍了TBM隧道施工监控量测现状及发展趋势。即日趋多样化、智能化、人性化、远程化等。同时，具体的监控理论、数据处理模型及特殊TBM隧道监控方面仍存在一定不足，但对现有工程有一定指导意义。关键词：TBM；监控量测；研究现状；发展趋势中图分类号：文献标志码：A文章编号：PREESENTSITUATIONANDDEVELOPMENGTRENDOFTBMTUNNELCONSTRUCTIONMONITORINGTIANLongping1(SchoolofRiverandOceanEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)Abstract:TBM(TunnelBoringMachine)isamachinewhichisintegratedofdrilling,excavating,supporting.Ituseelectronicinformation,telemetry,remotecontroltechnologyforguidanceandmonitorthewholesectionoftunnelingconstruction.Inrecentyears,themonitoringoftheconstructionstageisdevelopingmorerapidly.ThepaperfromtheconventionalTBMtunnelmonitoringtechnologypresentsituation;OthermonitoringtechnologyintheapplicationstatusofTBMtunnel;UnderspecialconditionsoftheTBMtunnelmonitoringmeasurementandmonitoringdataprocessingandsoontointroducetheTBMtunnelconstructionmonitoringpresentsituationanddevelopmenttrend.That’sincreasinglydiversified,intelligence,humannature,remoteetc.Atthesametime,thespecificmonitoringtheory,themodelofdataprocessingandspecialTBMtunnelmonitoringaspectsstillhavedeficiencies,butstillhascertainguidingsignificancetotheexistingengineering.Keywords:TBM;monitoringmeasurement;recentstate;developmenttrend1引言TBM现已广泛应用于水利水电、矿山开采、交通、市政、国防等工程中。无论是在城市环境，还是在非城市环境中，我国采用这些技术与采用传统的钻爆法相比，都将减少成本和节省时间。鉴于西部地区极其恶劣的环境条件以及复杂的地质条件的限制，TBM更适合于这种环境使用，以减少人力，降低事故发生率，改善工程条件和取得最大的效能[1-3]。而TBM施工所面临的基本问题是空洞、掌子面的稳定、地表沉降及其他开挖类型面临的问题。其缺点是对多变的地质条件(断层、破碎带、挤压带、涌水及坚硬岩石等)的适应性较差。近年来采用了盾构外壳保护型的掘进机，施工既可以在软弱和多变的地层中掘进又能在中硬岩层中开挖施工。国内外许多工程实例都说明必须做好隧道线路的地质预测和预报，才能充分发挥掘进机快速施工的优点。因此，首先要做好隧道所在地区的地质勘探工作，对隧道经过地区整体工程地质和水文地质情况要清楚；其次，在掘进过程中，要做好掌子面前方的超前地质预报,准确了解掌子面前方的地质情况，以便预先研究和采取相应的处理措施[4]。隧道施工监控量测是保证工程质量的重要措施，也是判断围岩和衬砌是否稳定，保证施工安全，指导施工顺序，进行施工管理，提供设计信息的重要手段。但是由于TBM机组在空间上的阻挡，采集数据的局限性，布置测点之前既有部分位移发生TBM施工监控量测难度较钻爆法滞后性更大。且对于特殊条件下可能遇到上下错位相邻的两条隧道的情况[5]。深埋及较长隧道，海底隧道等的监控量测都有较大难度。TBM隧道现行基本监测方法采用隧道现场调查、地面地质补充调查、洞内地质调查等。基于上述情况，下面就几个方面简述我国TBM隧道施工监控量测的研究状况及其进展。2隧道常规监控量测现状常规隧道监测项目如下[6]：表1监控量测必测项目序号量测项目常用仪器备注1洞内、外观察数码相机、罗盘仪2拱顶下沉水准仪、钢挂尺或全站仪3净空变化收敛计、全站仪4地表沉降水准仪、铟钢尺或全站仪浅埋段表2监控量测选测项目序号量测项目常用仪器1围岩压力压力盒2刚架内力钢筋计、应变计3锚杆轴力钢筋计4围岩内部位移多点位移计5隧底隆起水准仪、铟钢尺或全站仪6孔隙水压力水压计7水量三角堰、流量计8纵向位移多点位移计、全站仪2.1TBM施工引起的地表沉降监控主要监控内容为隧道轴线方向的地表沉降,横断面上的地表沉降、地层分层沉降、地层水平位移(主要量测隧道上、下、两边的位移为隧道前进方向和时间的函数)、孔隙水压力、各种邻近构筑物及地下管线的变位等[7]。辅助监控内容为作用在隧道上的水土压力、管片接逢的张开量、地层应力、地层土性参数的扰动变化范围(疏松区范围)等。赵晓勇等[8]做了TBM法下穿涵洞时的沉降变形的研究，对涵洞的应力和变形进行了计算，得出了不均匀沉降规律。为今后计算TBM隧道施工及类似工程设计提供参考。肖敏等[9]提出基于Web的隧道盾构法施工动态监控系统，对隧道地表沉降做出了很好监控，该理论可应用于TBM隧道施工中。王穗辉[10]等将人工神经网络用于地表变形预测。即先由实测资料，应用神经网络建立盾构推进与变形量的映射关系，然后待估的变形量经训练好的神经网络映射即可得到预测。结果表明：效果优于其它方法。2.2TBM施工引起的地层变位研究目前对TBM施工引起的地层变位的研究，局限在现场的实测、简化计算、有限元的数值模拟计算，以及智能预测、控制系统模型的研究。张书丰等[11]做了TBM施工引起地层变位的实时决策系统的研究,分析各个模块的功能，以灰色模型为例，建立了TBM施工引起地层变位的安全监控模型。该系统可将监测数据、监控模型、系统评判可视化，实现了对地层变位的综合评判，有助于TBM施工的信息化管理和反馈。2.3TBM施工中的净空位移监测隧洞在开挖后，在开挖卸荷作用下，岩体内储存的大量应变被突然猛烈的释放，致使围岩损伤破坏，极可能导致围岩发生局部剥落、坍方和岩爆等灾害现象，给地下洞室围岩的稳定性和施工安全带来严重的威胁[12]。针对净空位移监测采用常规收敛量测方法难以满足某些TBM施工段的要求，其关键问题是受TBM设备阻挡，量测位置受限，现有监测方法难以在掘进机及后配套设备范围内有效实施，无法及时获取开挖初期敏感部位的位移。目前在TBM施工条件下进行隧道净空位移监测的经验十分缺乏[13]。但宋冶等[14]通过对激光准直TBM隧道净空位移监测方法的研究，利用开敞式掘进机与隧道周边之间的纵向通视空间，通过对拱顶和两侧边墙三点位应用激光准直法来实现，从而解决TBM施工中现有监测方法难以有效实施净空位移监测的难题。2.4对TBM施工管片的收敛变形监测与分析TBM隧道开挖后必须及时进行支护，双护盾TBM采用预制混凝土管片进行衬砌，管片装配完成后即为永久结构。围岩收敛到一定程度与管片接触后，围岩压力由管片与围岩共同承担，管片的稳定性成为评价围岩稳定性的重要因素，而管片收敛变形是围岩应力释放的直接体现。现行管片监测采用常规仪器采集数据，且应进行长期监测。陈志刚等[15]通过有限元方法对TBM管片环在盾构推进时的受力稳定性进行了分析。张坤勇等[16]从埋深对TBM法掘进隧道应力变形的影响出发，采用大型非线性有限单元程序ADI-NA，对不同埋深下TBM法掘进隧道时的围岩稳定性进行数值分析。研究不同隧道埋深对围岩应力变形和塑性区发展趋势的影响，并对支护管片变形规律进行了分析，有较好的指导意义。3其他监控量测技术在TBM隧道中的应用现状3.1超前预报在TBM隧道监控量测中的应用超前预报“以地质分析为核心，综合物探与地质分析相结合，洞内外结合，长短预测结合以及物性参数互补”为预报原则[17]，并建立较为完善的隧道超前地质综合预报方法体系和组织机构。用模糊神经网络方法，实现隧道常见不良地质情况的综合预报，综合预报结果准确率较高。常见超前预报方法有TSP(tunnelseismicprediction)法[18]、地质雷达(groundpenetratingradar，GPR)法[19]、瞬变电磁法(transientelectromagneticmethod，TEM)法[20]、BEAM(boreelectricalaheadmonitoring)法[21]、陆地声纳法、红外线探水法等超前物探方法。3.2声发射及微震技术在TBM隧道监控量测中的应用冯夏庭等[22]做了深埋隧洞TBM施工过程围岩损伤演化声发射试验，声发射监测技术评价围岩的损伤具有其他监测手段没有的独特优势。试验成果对于评价围岩损伤范围评价及损伤机制的认识具有重要意义；对掌子面前应力释放孔的从力学的角度揭示损伤演化的机制和松动区、损伤区和扰动区划分的依据，为支护措施设计与支护时机的选取提供科学依据。陈炳瑞等[23]针对深埋硬岩隧洞TBM掘进过程中开展微震实时监测存在的困难与不足，对现有微震监测技术进行优化与改进。利用改进的微震系统，监测深埋隧洞TBM掘进过程中微震活动，可以有效除环境噪音的影响，获得岩爆发生前的微震信息，获得岩爆发生前有效微震活动的演化特征与规律，为岩爆的发生提供较准确的预警信息。3.3远程传输系统在TBM施工中的应用随着现代通讯技术的飞速发展，远程传输系统也有了很大的进步，基于web及GPRS的无线远程传输方式加上自动采集监测系统，实现实时监测。该系统在洞内采用电波的无线通讯传输。自动控制监测软件通过数据传输方式与现场自动采集系统建立通讯联系，完成系统管理、数据采集，数据处理、可视化显示等基本功能。并可通过远程网络视频监控系统，将旁通道的现场施工情况实时地传回地面上的监控中心以及各个管理部门，实现24h不间断监控。该应用在一定程度上避免了相关专家亲临现场带来的风险，有较好的应用价值。3.4数值模拟及数据处理方法在TBM隧道监控中的应用通过对监控数据的回归分析可以得到围岩变形量与时间的关系式，进而可以用来预测围岩变形。目前，国内外对隧道监测管理信息系统的研究主要还停留在对监测成果数据的分析和管理上。罗寿斌等[24]采用多参数曲线拟合模型对实测数据进行了回归分析，表明采用多参数曲线拟合模型对隧道围岩变形情况进行回归分析，拟合值与实测值吻合度更高，误差更小；回归方程的相关系数更高，剩余标准离差更小。4特殊条件下TBM隧道的监控量测4.1深埋TBM隧道监控量测深埋隧道及水下隧道一般具有距离长、埋深大、围岩压力大、止水要求高等特点，施工极为复杂，常常成为整个项目的控制性工程，其监控量测一直是该领域的难题[25]。G．L．Dollineger等[26]采用试验分析了深埋TBM施工过程对岩体应力变形的影响。声发射、微震量测技术等可有效的解决此种情况的监控量测问题。4.2岩溶