袁 偉

(遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 117200)

TBM施工的隧洞貫通精度問題是隧洞施工的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。大伙房水庫輸水工程主體是一條長達(dá)85.32km的世界第一長隧洞，隧洞施工以TBM工法為主，最大相向貫通長度達(dá)13.8km，超出了現(xiàn)行規(guī)范中給出的最大相向貫通長度僅為10km的范圍。如何確定極限貫通誤差，如何實(shí)現(xiàn)高精度貫通，是亟待解決的科學(xué)問題[2- 4]。隨著我國大型跨流域調(diào)水工程的實(shí)施及公路鐵路事業(yè)的蓬勃發(fā)展，超長隧洞會(huì)越來越多。TBM應(yīng)用于超長隧洞中是一大趨勢(shì)，已成為隧洞工程施工的主要方法之一[5- 14]。目前TBM施工超長隧洞在貫通測(cè)量方面可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)不多，也無相關(guān)的規(guī)程、規(guī)范。為此以大伙房輸水隧洞為工程實(shí)例，探討激光導(dǎo)向系統(tǒng)在其隧洞TBM施工中高精度控制測(cè)量中的應(yīng)用，并對(duì)其問題進(jìn)行分析，研究成果可為TBM施工超長隧洞在貫通測(cè)量方面提供了成功的經(jīng)驗(yàn)和借鑒，為TBM施工超長隧洞的布置、設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)，也為建設(shè)更長隧洞工程的貫通測(cè)量控制技術(shù)進(jìn)行了有益的探索，這必將有利地推進(jìn)隧洞施工技術(shù)的進(jìn)步。

1 輸水隧洞貫穿測(cè)量控制誤差估算公式及誤差標(biāo)準(zhǔn)

1.1 貫通誤差估算公式

橫向和豎向貫通誤差使影響隧洞貫穿精度的重要衡量指標(biāo)，為此本文對(duì)這兩個(gè)方向貫穿的誤差進(jìn)行估算，方程為：

(1)

(2)

(3)

式中，myβ—測(cè)量貫通面所產(chǎn)生的橫向誤差值，mm；myl—測(cè)量貫通面由于距離測(cè)定所產(chǎn)生的橫向誤差值，mm；mβ—測(cè)量控制導(dǎo)線的角度測(cè)量誤差，(″)；ml/l—測(cè)量控制導(dǎo)線的對(duì)中邊線的誤，mm；Rx、dy—貫穿斷面測(cè)量垂向和投影距離，mm；n—次數(shù)。豎向貫通誤差計(jì)算方程和橫向誤差一致。

洞外和洞內(nèi)測(cè)量高程對(duì)豎向貫通影響誤差的估算方程為：

(4)

(5)

(6)

式中，mh、m′h—洞外和洞內(nèi)測(cè)量高程所產(chǎn)生的誤差，mm；MΔ、MΔ′—洞外和洞內(nèi)測(cè)量不同高程差之間的誤差；L、L′—洞內(nèi)和洞外不同水準(zhǔn)路線洞間的長度，km。

由于在隧洞未貫通時(shí)為了簡化洞內(nèi)的基本導(dǎo)線，將導(dǎo)線端點(diǎn)之間的誤差作為貫通橫向測(cè)量誤差，因此這樣計(jì)算較為安全，考慮到超長隧洞的實(shí)際情況，對(duì)傳統(tǒng)貫通橫向測(cè)量誤差進(jìn)行改進(jìn)，提出改進(jìn)后的誤差計(jì)算方程為：

(7)

式中，mb—貫通橫向高程測(cè)量誤差，mm；ms—測(cè)量誤差均值，mm；n—測(cè)量導(dǎo)線的數(shù)目；mβ—測(cè)量誤差的角度，(″)；ρ—固定值，本文取值為206250；L—導(dǎo)向的總長度，mm；h—測(cè)量導(dǎo)向的起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的高程差值，mm。

1.2 貫通誤差分配標(biāo)準(zhǔn)

單向掘進(jìn)長度在SL52—93《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》中還沒有作出其極限貫通誤差限差的規(guī)定，屬超長隧洞。針對(duì)大伙房超長輸水隧洞的實(shí)際工程概況，對(duì)超長輸水隧洞極限貫穿誤差及分配值提出相對(duì)應(yīng)的要求，見表1—2。

表1 水工隧洞開挖極限貫通誤差

表2 貫通中誤差分配值表

2 測(cè)量導(dǎo)線的布設(shè)

2.1 基本導(dǎo)線點(diǎn)的布設(shè)

導(dǎo)線點(diǎn)的基本位置主要安裝在隧洞兩側(cè)的巖壁上，導(dǎo)線標(biāo)石為澆筑的混凝土基巖平臺(tái)，隧洞基巖低于周圍平臺(tái)的高度在5～10cm之間，在平臺(tái)的中部區(qū)域布置一根不銹鋼錨筋，錨筋進(jìn)入巖石的深度為20cm，點(diǎn)位標(biāo)志設(shè)定為錨筋外露區(qū)域的0.5cm處，在上面進(jìn)行護(hù)蓋方式進(jìn)行保護(hù)，以免施工中損壞點(diǎn)位標(biāo)志，具體布設(shè)的方式如圖1所示，大伙房輸水隧洞測(cè)量導(dǎo)線布置現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖1 基本導(dǎo)線點(diǎn)埋設(shè)示意圖

圖2 大伙房輸水隧洞二期工程測(cè)量導(dǎo)線布置現(xiàn)場(chǎng)

2.2 施工導(dǎo)線的布設(shè)

結(jié)合隧洞內(nèi)部實(shí)際情況對(duì)貫通導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定，主要布設(shè)在隧洞中心軸線上，為了便于檢驗(yàn)，將隧洞內(nèi)布設(shè)的施工導(dǎo)線按多環(huán)導(dǎo)向進(jìn)行布設(shè)，按照隧洞內(nèi)部的通視條件對(duì)相似的長邊導(dǎo)線進(jìn)行布設(shè)，直線間距高于300m，導(dǎo)線段邊的曲線長度高于80m。

隧洞內(nèi)導(dǎo)線布設(shè)主要是對(duì)施工進(jìn)行指導(dǎo)，對(duì)隧洞軸線進(jìn)行間斷性的延伸，在基礎(chǔ)導(dǎo)向基礎(chǔ)上進(jìn)行導(dǎo)向的加密操作，間隔為50m左右進(jìn)行埋點(diǎn)的布設(shè)。同時(shí)結(jié)合隧洞內(nèi)部工程的實(shí)際情況可靈活機(jī)動(dòng)的選取的布設(shè)的方式，基本導(dǎo)線和相鄰埋點(diǎn)基本重合，上一個(gè)導(dǎo)線基本點(diǎn)主要用于施工導(dǎo)線的測(cè)量，注意對(duì)施工導(dǎo)線基本點(diǎn)的復(fù)核和校對(duì)工作。

基本導(dǎo)線和高程的標(biāo)石具有一致性，三角光電測(cè)距和基本導(dǎo)線點(diǎn)采用同步觀測(cè)方式，不同層次導(dǎo)線具有確切的編號(hào)，在隧洞巖壁上劃定明顯的標(biāo)志，方便施工中確定標(biāo)記。對(duì)導(dǎo)線點(diǎn)的樁號(hào)和偏離坐標(biāo)值進(jìn)行成果計(jì)算和導(dǎo)出，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況進(jìn)行修訂。

2.3 閉合環(huán)處理

(1)控制點(diǎn)設(shè)定：采用鋼結(jié)構(gòu)作為閉合導(dǎo)線的控制節(jié)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)受溫度影響具有一定的韌性和伸縮性，由于隧洞常年溫度可控制在11℃左右，因此隧洞內(nèi)部的鋼結(jié)構(gòu)受溫度影響較低，為了對(duì)控制點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢定，需要定期對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)測(cè)，通過復(fù)測(cè)表明各控制點(diǎn)的坐標(biāo)一直低于1mm，滿足精度的要求。

(2)閉合環(huán)設(shè)定：采用交叉觀測(cè)的方式對(duì)隧洞內(nèi)部折光影響進(jìn)行消除，并在隧洞外部到貫通面之間布設(shè)4個(gè)導(dǎo)線閉合環(huán)。

(3)加乘修正測(cè)量導(dǎo)線的邊長，將所有投影改正后的導(dǎo)線邊長的高程統(tǒng)一到211.9m，采用南方平差軟件進(jìn)行高程的平差處理，各閉合導(dǎo)線的平差誤差見表3。

表3 各閉合環(huán)平精度表

3 TBM激光導(dǎo)向系統(tǒng)

3.1 基本原理

采用激光導(dǎo)向系統(tǒng)對(duì)隧洞主體掘進(jìn)速度和主軸方向進(jìn)行準(zhǔn)確控制，按照設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)主軸導(dǎo)向方向的測(cè)量誤差進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并需要及時(shí)復(fù)勘檢查隧洞內(nèi)部的控制點(diǎn)位，隧洞主體掘進(jìn)方向按照設(shè)計(jì)軸線方向進(jìn)行精準(zhǔn)控制。在隧洞TBM掘進(jìn)工程中，采用激光導(dǎo)向系統(tǒng)對(duì)其主要控制點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)調(diào)整和修正，為保證激光導(dǎo)向系統(tǒng)的控制測(cè)量的精準(zhǔn)性，導(dǎo)向的高精測(cè)量主要采用TCA1800型機(jī)器人全站儀進(jìn)行控制。

在TBM掘進(jìn)裝置上安裝激光導(dǎo)向系統(tǒng)，控制TBM掘進(jìn)的方向和設(shè)計(jì)導(dǎo)向具有高度一致性，對(duì)激光導(dǎo)向系統(tǒng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)采用傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行采集，激光導(dǎo)向系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線方向中心線以及軸線設(shè)計(jì)位置進(jìn)行連續(xù)、高密度提取，并將偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件終端的顯示，如圖3所示，這樣有助于施工人員對(duì)掘進(jìn)位置及時(shí)效性進(jìn)行準(zhǔn)確控制。施工人員按照軟件顯示的數(shù)據(jù)偏差對(duì)TBM掘進(jìn)方向進(jìn)行調(diào)整。

采用激光導(dǎo)向系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)TBM掘進(jìn)數(shù)據(jù)的連續(xù)輸出和自動(dòng)導(dǎo)出，采用激光導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)向控制的成本較低，并能實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)的測(cè)量控制，按照軸線設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的偏差進(jìn)行TBM掘進(jìn)方向的高精度測(cè)量以及導(dǎo)向的準(zhǔn)確把控。

圖3 激光導(dǎo)向系統(tǒng)的TBM導(dǎo)線數(shù)據(jù)顯示

3.2 激光導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)量控制方法

激光導(dǎo)向系統(tǒng)主要結(jié)合隧洞邊墻上通過激光站發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)信息的采集，并將采集的坐標(biāo)信息和導(dǎo)向控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和關(guān)聯(lián)單元的有效控制。

激光束對(duì)水平夾角、測(cè)量目標(biāo)單元、軸線方向的缺陷光影度、左右偏向轉(zhuǎn)交、目標(biāo)單元的坐標(biāo)信息、水平測(cè)量單元之間的距離進(jìn)行測(cè)定，將數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)電纜采集到計(jì)算器控制終端，對(duì)輸水隧洞軸線控制單元數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，對(duì)安裝軸線和導(dǎo)向方向之間的偏差進(jìn)行把控，對(duì)TBM刀盤位置偏差進(jìn)行準(zhǔn)確分析，施工人員依據(jù)此偏差數(shù)據(jù)對(duì)TBM掘進(jìn)方向進(jìn)行調(diào)整。

隨著隧洞主體掘進(jìn)工程的不斷進(jìn)行，激光導(dǎo)向系統(tǒng)與目標(biāo)單元之間用電纜進(jìn)行連接，當(dāng)控制單元和激光導(dǎo)向系統(tǒng)之間的距離在100～250m范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)控制單元的位置進(jìn)行安裝前置。激光導(dǎo)向系統(tǒng)對(duì)隧洞內(nèi)外的中繼目標(biāo)單元、調(diào)制設(shè)備進(jìn)行傳輸聯(lián)機(jī)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用電腦終端進(jìn)行采集，并對(duì)TBM的所在的位置進(jìn)行分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一采集，不同數(shù)據(jù)單元之間采用并聯(lián)串口進(jìn)行連接，將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到激光導(dǎo)向系統(tǒng)內(nèi)，對(duì)出現(xiàn)故障的區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

4 TBM激光導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量控制實(shí)例分析

4.1 工程實(shí)際貫穿精度分析

為分析激光導(dǎo)向系統(tǒng)在超長隧洞測(cè)量控制中的精度，結(jié)合大伙房輸水工程二期建設(shè)項(xiàng)目為實(shí)例，對(duì)其中3個(gè)標(biāo)段的主體隧洞貫穿精度進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)合前面敘述的貫穿精度分析方法對(duì)其不同方向的貫穿誤差進(jìn)行分析，3個(gè)標(biāo)段的貫穿精度分析結(jié)果見表4—6。

表4 大伙房輸水工程二期第一標(biāo)段貫通精度

表5 大伙房輸水工程二期第二標(biāo)段貫通精度

表6 大伙房輸水工程二期第三標(biāo)段貫通精度

第一個(gè)標(biāo)段為雙向貫通長度達(dá)13.8km(含主支洞)，TBM單向掘進(jìn)長度10.7km，從支洞口至貫通面測(cè)量導(dǎo)線長12.3km。洞內(nèi)平面控制等級(jí)采用二等導(dǎo)線，洞內(nèi)高程控制等級(jí)采用三等幾何水準(zhǔn)。第二個(gè)標(biāo)段支洞之間為雙向貫通，長度達(dá)10.3km(含主支洞)，第三個(gè)標(biāo)段，雙向貫通長度達(dá)9.5km(含主支洞)，從三個(gè)標(biāo)段的貫通誤差精度可看出，采用激光導(dǎo)向系統(tǒng)對(duì)其貫穿進(jìn)行高精度測(cè)量控制后，TBM施工的橫向、豎向、縱向均可滿足表2中不同支洞長度的分配許可值要求的精度，且均小于要求的許可誤差，具有較高的貫穿精度。

4.2 TBM軸線方向測(cè)量誤差分析

在貫穿精度分析的基礎(chǔ)上，對(duì)采用激光導(dǎo)向系統(tǒng)控制TBM掘進(jìn)軸線的點(diǎn)位中誤差進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表7。

從分析結(jié)果可看出，在不同軸線方位角內(nèi)，采用激光導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量的軸線點(diǎn)位中誤差均在0.010m范圍內(nèi)，符合SL52—93《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》要求的輸水隧洞掘進(jìn)軸線點(diǎn)位中誤差的要求，可見采用激光導(dǎo)向系統(tǒng)在大伙房輸水二期工程中軸線定位具有較好的測(cè)量和控制，這主要是因?yàn)榧す鈱?dǎo)向系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線方向中心線以及軸線設(shè)計(jì)位置進(jìn)行連續(xù)、高密度提取，并將偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件終端的顯示，施工人員可按照此偏差數(shù)據(jù)調(diào)整TBM的掘進(jìn)方向，從而確保軸線點(diǎn)位高精度測(cè)量控制。

表7 激光導(dǎo)向系統(tǒng)下TBM掘進(jìn)軸線的點(diǎn)位中誤差

4.3 影響TBM掘進(jìn)偏差的因素及解決方法

(1)系統(tǒng)無法對(duì)隧洞圓形開挖斷面進(jìn)行施工和控制測(cè)量之間的偏差進(jìn)行控制。采取的解決措施為：在主導(dǎo)線網(wǎng)內(nèi)部布設(shè)電子全站儀，并加密觀測(cè)的次數(shù)，是全站儀對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次點(diǎn)位的采集，采用水準(zhǔn)儀對(duì)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)測(cè)定，從而控制測(cè)量的精準(zhǔn)度，為TBM的導(dǎo)向精準(zhǔn)度提高重要的基礎(chǔ)。

(2)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)信息干擾大，使得儀器無法正常工作。

(3)施工現(xiàn)場(chǎng)濕度大，使得電動(dòng)全站儀無法反射棱鏡。采取的解決措施為為保證除塵和通風(fēng)系統(tǒng)的良好運(yùn)行，遇到特殊情況需要暫停TBM的現(xiàn)場(chǎng)施工，并加大通風(fēng)系統(tǒng)，將電動(dòng)經(jīng)緯儀與兩個(gè)棱鏡之間的距離控制在70m之間，采用有線連接的方式對(duì)原TBM的無線連接進(jìn)行替代，使得采集的數(shù)據(jù)能夠傳遞保持通暢。

(4)對(duì)于TBM所在位置的采集。在工程施工過程中，由于設(shè)備自振和工程施工灰塵的影響，使得數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性較差，在TBM啟動(dòng)和換步過程之間屬于較為穩(wěn)定的情況，這一階段數(shù)據(jù)采集較為精準(zhǔn)。解決的措施主要為采集的數(shù)據(jù)用于TBM開挖質(zhì)量分析，可對(duì)TBM的開挖斷面情況進(jìn)行基本反映。

5 結(jié)語

(1)在采用激光導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行超長輸水隧洞TBM施工測(cè)量工程時(shí)，應(yīng)采用雙向閉合導(dǎo)線，隧洞掘進(jìn)中導(dǎo)線網(wǎng)每六個(gè)點(diǎn)組成一個(gè)閉合環(huán)并進(jìn)行平差計(jì)算，及時(shí)為TBM提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，使TBM的激光導(dǎo)線系統(tǒng)按照準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行掘進(jìn)。

(2)激光導(dǎo)向系統(tǒng)在隧洞規(guī)則表面進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，其方向準(zhǔn)確度較高，由于方向偏差產(chǎn)生的TBM導(dǎo)向誤差現(xiàn)象不會(huì)產(chǎn)生，但測(cè)定表面出現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象，則表明調(diào)整方向偏差過大，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行方向調(diào)整和偏移值的重新設(shè)定。

(3)采用雙后盾掘進(jìn)中，由于TBM掘進(jìn)的定向問題，使得控制測(cè)量較難，如何實(shí)現(xiàn)超長輸水隧洞雙后盾掘進(jìn)高精度測(cè)量是以后需要深究的方向。