冉建西，沈 瑋，王恩輝

(1.水利部新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 83000；2.長(zhǎng)江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所，湖北 武漢 430010)

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的高速發(fā)展，大型引調(diào)水工程越來越多，水利行業(yè)進(jìn)入長(zhǎng)距離隧洞大開發(fā)的時(shí)代。其中，監(jiān)控量測(cè)信息化技術(shù)是地下空間開發(fā)利用、保證施工安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。監(jiān)控量測(cè)信息化技術(shù)可以掌握隧洞圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的動(dòng)態(tài)，利用監(jiān)測(cè)結(jié)果為設(shè)計(jì)和施工提供重要參考依據(jù)?？梢酝ㄟ^優(yōu)化設(shè)計(jì)，使主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)合理的目的；預(yù)測(cè)隧洞、圍巖及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，又為施工工序的調(diào)整及應(yīng)采取的安全措施提供意見；收集施工方法與巖土體變形的關(guān)系的相關(guān)數(shù)據(jù)，為今后的同類工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

隨著我國(guó)隧洞施工技術(shù)的進(jìn)步，盾構(gòu)機(jī)等大型掘進(jìn)設(shè)備得以廣泛應(yīng)用，但盾構(gòu)機(jī)體部遮擋物多，通視空間少，給管片襯砌結(jié)構(gòu)的收斂量測(cè)工作帶來諸多困擾。由于盾構(gòu)法構(gòu)造特點(diǎn)，存在阻礙收斂鋼尺張拉、全站儀通視界面不足、激光準(zhǔn)直設(shè)備停換站頻繁等諸多問題，傳統(tǒng)的收斂監(jiān)測(cè)設(shè)備不能滿足盾構(gòu)通過后同步采集變形數(shù)據(jù)的要求。因此，本文將陣列式位移計(jì)用于盾構(gòu)隧洞施工變形監(jiān)測(cè)，其安裝快速方便、及時(shí)監(jiān)測(cè)，不會(huì)與盾構(gòu)施工相互干擾，可在盾構(gòu)法施工隧洞工程中逐步推廣。

1 監(jiān)測(cè)概述

本工程盾構(gòu)施工洞段采用陣列式位移計(jì)對(duì)管片內(nèi)壁進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)。隧洞施工期位移監(jiān)測(cè)主要采用收斂變形監(jiān)測(cè)、拱頂沉降監(jiān)測(cè)。收斂監(jiān)測(cè)斷面一般按照布置三點(diǎn)三線制、五點(diǎn)五線制標(biāo)點(diǎn)布置，構(gòu)成封閉三角形；拱頂沉降測(cè)量值為絕對(duì)標(biāo)高位移差，在頂拱正中布置1個(gè)標(biāo)點(diǎn)。各標(biāo)點(diǎn)利用收斂?jī)x進(jìn)行收斂量測(cè)，由三角函數(shù)關(guān)系式推導(dǎo)拱頂點(diǎn)在鉛垂線方向上的變化規(guī)律，通過收集各測(cè)線位移數(shù)據(jù)繪制收斂變形曲線，比對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)控制值得關(guān)系并加以分析，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工。

1.1 監(jiān)測(cè)儀器和技術(shù)指標(biāo)

量測(cè)使用CK-ADM陣列式位移計(jì)，是一種基于微電子機(jī)械系統(tǒng)測(cè)試原理的新型傳感器，運(yùn)用柔性關(guān)節(jié)連接多個(gè)單位長(zhǎng)度的測(cè)量單元，每個(gè)測(cè)量單元即為一節(jié)，長(zhǎng)度一般為50cm/1m。每個(gè)測(cè)量單元內(nèi)部由微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)、溫度模塊和通信模塊組成。產(chǎn)品可用于巖土工程的變形測(cè)量，如邊坡滑移、隧道、路基沉降，橋梁撓度等變形監(jiān)測(cè)，也適用于動(dòng)態(tài)環(huán)境下的加速度、位移、溫度的測(cè)試，具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能。產(chǎn)品具有精度高、可重復(fù)利用、自動(dòng)實(shí)時(shí)采集等特點(diǎn)。儀器如圖1所示。

圖1 CK-ADM陣列式位移計(jì)

CK-ADM陣列式位移計(jì)內(nèi)部采用CAN總線協(xié)議，在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)進(jìn)行收斂觀測(cè)時(shí)，可減少狹小空間內(nèi)大功率機(jī)電設(shè)備的電磁干擾，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)工作溫度：-30～70℃；

(2)量測(cè)方向：三維坐標(biāo)，可選定X/Y/Z三軸；

(3)角位移量程：0°～360°；

(4)分辨率：±1～2s(每節(jié))；

(5)系統(tǒng)穩(wěn)定性：±1.5mm(32m)。

(6)測(cè)量精度：0.04%FS。

1.2 監(jiān)測(cè)儀器的安裝

本工程CK-ADM陣列式位移計(jì)安裝在盾構(gòu)法施工隧洞內(nèi)，在上半拱吊裝布置。具體采用懸吊方式對(duì)陣列式位移計(jì)進(jìn)行安裝固定：將陣列式位移計(jì)套入剛度較大的保護(hù)管內(nèi)，并通過鉛絲的吊箍固定于管片連接螺栓上，將陣列式位移計(jì)1～8個(gè)節(jié)點(diǎn)與隧洞上半拱接觸。陣列式位移計(jì)1、4、7節(jié)點(diǎn)位移建立三點(diǎn)三線制測(cè)線，A、B點(diǎn)布設(shè)在拱肩兩側(cè)，C點(diǎn)布設(shè)在拱頂正中，分別觀測(cè)三線的位移量ΔAB、ΔAC、ΔBC，拱頂沉降測(cè)量值Δh，如圖2所示。當(dāng)隧洞出現(xiàn)收斂或下沉變形時(shí)，測(cè)量單位發(fā)生傾斜，可顯示變形平面內(nèi)的變化曲線。

圖2 陣列式位移計(jì)監(jiān)測(cè)斷面布置圖

陣列式位移計(jì)需配套數(shù)據(jù)采集儀使用，可通過手機(jī)藍(lán)牙連接陣列式位移計(jì)，手機(jī)APP端口具有顯示設(shè)備配置、設(shè)備靜態(tài)信息、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)同步、歷史數(shù)據(jù)讀取等功能。還能展示陣列式位移計(jì)實(shí)時(shí)的二維圖形及三維圖形，可實(shí)時(shí)查看CK-ADM陣列式位移計(jì)的實(shí)時(shí)變形姿態(tài)。

陣列式位移計(jì)監(jiān)測(cè)斷面間距可依照SL 725—2016《水利水電工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)水工隧洞變形監(jiān)測(cè)的規(guī)定[1]：施工收斂變形和拱頂沉降監(jiān)測(cè)，Ⅴ類圍巖可按照10～30m設(shè)定監(jiān)測(cè)斷面間距，具體布置時(shí)可根據(jù)圍巖性態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

1.3 測(cè)量頻率及控制值

按照GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，盾構(gòu)法隧道工程施工中開挖面后方的管片結(jié)構(gòu)、周圍巖土體和周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)頻率可按下表1確定[2]。

表1 盾構(gòu)法隧道工程監(jiān)測(cè)頻率

盾構(gòu)法隧道管片結(jié)構(gòu)豎向位移、凈空收斂控制值應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件、隧道設(shè)計(jì)參數(shù)、工程監(jiān)測(cè)等級(jí)及當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)等確定，當(dāng)無(wú)地方經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可按表2確定[2]。

表2 盾構(gòu)法隧道管片結(jié)構(gòu)豎向位移、凈空收斂項(xiàng)目控制值

2 測(cè)量數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用

管片脫出盾尾后，應(yīng)立即安裝陣列式位移計(jì)同步采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以最短時(shí)間取得管片位移初始值。讀取采集單元內(nèi)7d量測(cè)數(shù)據(jù)，收斂量測(cè)記錄表可按SL 377—2007《水利水電工程錨噴支護(hù)技術(shù)規(guī)范》表B.0.2-1要求填寫[3]，并繪制各測(cè)線位移u與時(shí)間t的收斂變形位移時(shí)態(tài)曲線，及對(duì)應(yīng)的距開挖掌子面關(guān)系圖。若位移時(shí)態(tài)曲線趨于平緩，可確定收斂變形量和時(shí)間的關(guān)系函數(shù)，原陣列式位移計(jì)向前換站；若曲線仍呈現(xiàn)放射形態(tài)，應(yīng)繼續(xù)觀測(cè)。利用根據(jù)測(cè)量信息調(diào)整盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)。

2.1 回歸分析

由于陣列式位移計(jì)可重復(fù)利用，每個(gè)斷面監(jiān)測(cè)時(shí)間不能過長(zhǎng)，所以回歸分析工作就顯得很必要。當(dāng)位移時(shí)態(tài)曲線趨于平緩時(shí)，須對(duì)原始收斂變形數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，推求最終的各測(cè)線位移量?；貧w分析函數(shù)一般為指數(shù)函數(shù)[4]：

(1)

式中，a、b—回歸常數(shù)；t—收斂觀測(cè)時(shí)間，d；u—測(cè)線位移量，mm。

求未知常數(shù)a、b，可將公式(1)取自然對(duì)數(shù)有[5]：

(2)

令a′=lna，b′=-b，u′=lnu，直接利用Excel工具欄中的數(shù)據(jù)回歸分析功能，通過對(duì)Ln(ΔAB)、Ln(ΔAC)、Ln(ΔBC)、Ln(Δh)與1/t列出圖表，選擇指數(shù)型趨勢(shì)線，顯示公式及回歸系數(shù)R2，得出a′、b′、R2，即可推出a=ea′，b=-b′。

2.2 圍巖穩(wěn)定判別

(1)最終測(cè)線位移量與盾構(gòu)法隧道管片結(jié)構(gòu)豎向位移、凈空收斂控制值比較，也可作為圍巖是否穩(wěn)定的初步判斷。參考TB 10108—2002《鐵路隧洞噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)則》的Ⅲ級(jí)管理制度作為位移監(jiān)測(cè)管理方式，可按表3確定[6]。

表3 位移監(jiān)測(cè)管理表

根據(jù)量測(cè)結(jié)果，必須按施工安全評(píng)價(jià)流程圖開展工作。施工安全性評(píng)價(jià)可根據(jù)三個(gè)位移控制管理等級(jí)采取相應(yīng)的工程對(duì)策措施，如圖3所示。

圖3 施工安全評(píng)價(jià)流程圖

(2)對(duì)位移量和時(shí)間回歸函數(shù)求二階導(dǎo)數(shù)，得[5]：

(3)

3 工程實(shí)例

新疆某無(wú)壓引水輸水隧洞工程全長(zhǎng)92.35km，縱坡1/5000，開挖洞徑5.5m。極軟巖地層采用3臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，施工段長(zhǎng)18.97km，埋深60～110m。管片采用平板型預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，管片厚350mm，管環(huán)內(nèi)外徑分別為4.5、5.2m，混凝土標(biāo)號(hào)C50。

本文主要研究隧洞樁號(hào)SD69+530-SD75+955段盾構(gòu)隧洞管環(huán)變形情況。該段長(zhǎng)6.43km，沿線為山前沖洪積平原區(qū)，地形平坦。地表分布第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)洪積含礫粉土層，一般厚2.0m。隧洞洞身段穿過的巖性以新近系紅色、灰色泥巖為主，局部夾泥質(zhì)砂巖，屬極軟巖，砂巖呈巨厚層狀，泥巖、泥質(zhì)砂巖呈中厚層狀，巖層總體產(chǎn)狀300°NE∠3°，與洞軸線夾角42°，為Ⅴ類圍巖。該段地下水均為碎屑巖類孔隙裂隙水，屬于層間微承壓水，含水層巖性為泥質(zhì)砂巖?？紫读严端宦裆钜话阍?.9～19.8m，水位高于隧洞頂部54.7～60.9m，總體屬中-弱等透水層。該段泥巖的自由膨脹率一般為45%～70%，屬弱膨脹巖。

3.1 量測(cè)成果引用

針對(duì)盾構(gòu)洞段的泥巖地層，長(zhǎng)江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所監(jiān)測(cè)人員在該地層的管環(huán)上共布置7組陣列式位移計(jì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，每組分為兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，間距20m，對(duì)管片結(jié)構(gòu)豎向位移、凈空收斂進(jìn)行量測(cè)。各組實(shí)測(cè)收斂位移平均數(shù)據(jù)繪制該洞段收斂變形位移時(shí)態(tài)曲線如圖4所示。

泥巖洞段管片結(jié)構(gòu)7d內(nèi)測(cè)線的最大位移量分別為：ΔAB7=5.15mm、ΔAC7=2.97mm、ΔBC7=2.82mm，拱頂沉降測(cè)量最大值Δh7=3.75mm，豎向位移量大于側(cè)向位移量。從圖4可以看出，各測(cè)點(diǎn)變形在3～4d后逐漸減速，此時(shí)監(jiān)測(cè)斷面距開挖面在75～95m之間，約14～17倍開挖洞徑。收斂變形位移時(shí)態(tài)曲線趨于平緩，可進(jìn)行回歸分析。

根據(jù)公式(1)、(2)及相關(guān)方法進(jìn)行回歸計(jì)算，得出三測(cè)線收斂及頂拱沉降指數(shù)函數(shù)，見表4。

表4 管片結(jié)構(gòu)收斂變形回歸分析函數(shù)

表4回歸系數(shù)R2在0.74～0.97之間，說明位移u與時(shí)間t指數(shù)函數(shù)關(guān)系擬合度良好。

3.2 分析與評(píng)價(jià)

收斂位移數(shù)據(jù)應(yīng)結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況及時(shí)分析，利用回歸分析函數(shù)對(duì)變形趨勢(shì)預(yù)測(cè)。按照上文所述方法和控制準(zhǔn)則，并結(jié)合盾構(gòu)機(jī)施工、地質(zhì)情況等影響因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)成果的綜合分析，對(duì)施工措施的評(píng)價(jià)和建議，以及圍巖穩(wěn)定情況的分析與評(píng)價(jià)。

(1)最終位移量

當(dāng)t趨向于∞時(shí)，按照表4各測(cè)線及沉降指數(shù)函數(shù)計(jì)算，得管片結(jié)構(gòu)各最終位移量分別為：UΔAB=9.16mm、UΔAC=3.09mm、UΔBC=7.61mm、UΔh=5.90mm。

(2)圍巖穩(wěn)定性判別

盾構(gòu)洞段主要為泥巖地層，遇水易分解，可等同于堅(jiān)硬土，管片結(jié)構(gòu)沉降控制值取un=10mm，管片結(jié)構(gòu)凈空收斂控制值0.2%D=11mm。最終凈空收斂量UΔAB、UΔAC、UΔBC以及最終沉降量UΔh均小于控制值0.2%D、un、，滿足規(guī)范要求。

位移量和時(shí)間二階導(dǎo)數(shù)按照公式(3)計(jì)算分別為：

根據(jù)回歸分析函數(shù)推測(cè)，實(shí)測(cè)位移值達(dá)到最終位移量的90%大致需要14～17d，即泥巖隧洞管片結(jié)構(gòu)收斂變形從2周后開始趨于穩(wěn)定。

(3)施工措施的評(píng)價(jià)和建議

AB側(cè)線、頂拱沉降實(shí)測(cè)7日位移值在控制值的1/3～2/3之間，按照位移Ⅲ級(jí)管理制度屬Ⅱ級(jí)管理，應(yīng)注意加強(qiáng)觀測(cè)。若陣列式位移計(jì)已換站，可在滿足通視的情況下，在原監(jiān)測(cè)斷面使用收斂鋼尺繼續(xù)觀測(cè)，并提前對(duì)管片壁后間隙二次注漿加固。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程首次將陣列式位移計(jì)應(yīng)用于在盾構(gòu)隧洞施工收斂監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，取得了較好的效果。通過對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，新近系泥巖洞段管片結(jié)構(gòu)收斂變形結(jié)論及建議如下。

(1)各測(cè)點(diǎn)變形在前3天為加速階段，第3天至第14天為衰減階段，之后進(jìn)入穩(wěn)定階段。加速階段監(jiān)測(cè)斷面與開挖面已有14～17倍開挖洞徑的距離，后兩個(gè)階段中掘進(jìn)空間的變化可能對(duì)管片變形影響小。

(2)預(yù)計(jì)管片結(jié)構(gòu)凈空收斂最終值為3.09～9.16mm，頂拱最終沉降為5.9mm。

(3)在條件允許的情況下，建議陣列式位移計(jì)觀測(cè)時(shí)間至少在2周以上，變形進(jìn)入穩(wěn)定階段后再換站。

(4)因行業(yè)側(cè)重點(diǎn)不同，GB 50911—2013給出的盾構(gòu)法隧道管片結(jié)構(gòu)豎向位移、凈空收斂控制值要求嚴(yán)格，但水工隧洞大都位處山嶺，我們?nèi)≈禃r(shí)應(yīng)酌情放寬指標(biāo)。