TBM隧道施工监控量测特点与方法探讨
苏航 曾德荣 马维文
【摘要】在分析复合式TBM工程施工技术特点的基础上（与普通钻爆法有较大的不同），通过某市轨道交通复合式TBM工程的数值解和实际量测得到的收敛和拱顶位移进行对比分析以及实际围岩支付状况成果分析与判定标准。最后分析一些实际影响实际量测结果的因素，提出成果分析的一些新方法。
【关键词】复合式TBM；监控量测；数值分析お
Characteristics and Methods of Construction Supervision of the TBM tunnel
Su Hang，Zeng De—rong，Ma Wei—wen
（Chongqing Jiaotong UniversityChongqing400074）
【Abstract】Composite TBM project is quite different from ordinary drilling and blasting method. This article analyzes the convergence and vaults displacement of the numerical solution and the actual value according to rail transport composite TBM project， the payments of the actual wall rock. At last， it analyzes some factors which may affect the actual measurement results， propose some methods to result analysis.
【Key words】Composite TBM；Monitoring and Measuring；Numerical Analysisお
1. TBM隧道监控量测
（1）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。[1]其中，周边位移是隧道围岩应力状态变化最直观的反映，通过周边位移量测可以判断围岩稳定程度以及指导现场施工。
（2）TBM施工与普通钻爆施工相比，采用滚刀进行破岩，避免了爆破作业，成洞周围岩层不会受爆破震动而破坏，洞壁完整光滑，超挖量少。因此，TBM施工方法比钻爆法得到的周边围岩应力变化更小，同时在TBM施工监控量测中数据较钻爆法施工更小。但是由于TBM机组在空间上的阻挡，TBM施工监控量测难度较钻爆法滞后性更大。
因此，以某市复合式TBM工程的施工量测中，主要采用水平仪和收敛仪对隧道内的水平收敛和拱顶下沉量进行量测，以达到判断围岩稳定的目的。
图1有限元模型
2. 数值模拟分析
（1）根据设计地质说明，该隧道沿线属构造剥蚀浅丘地貌，区间隧道埋深10～50m，覆跨比大于1.5。隧道围岩岩层平缓，岩体较完整。围岩主要为较完整的块状镶嵌结构的砂质泥岩和块状砌状砌体结构砂岩。因此，在隧道数值模拟中简化设置埋深均为30m，土层根据实际勘测简化分为两层，上层为风化砂质泥岩（其物理参数为：弹性模量为500MPa；泊松比为0.4；重度24KN/m3），下层为风化砂岩（其物理参数为：弹性模量为1000MPa；泊松比为0.3；重度23KN/m3），且都为粘弹性体，纵向长度为120m，监测断面则在隧道内10m处，避免洞口处采用约束条件而对其收敛和拱顶下沉数据的影响。其中围岩和管片（其物理参数为：弹性模量为27600MPa；泊松比为0.2；重度25KN/m3）均采用实体单元。从而得到相关有限元模型如图1所示：
图2X方向的位移云图
（2）隧道内管片衬砌内径为5.4m，管片厚度为0.3m，外径为6m。此次通过隧道内管片结构内力与位移来分析模型中的水平收敛和拱顶位移，图2和图3分别为管片关于X方向和Y方向的位移云图。
3. 数据对比分析
3.1水平收敛对比分析。
（1）隧道内壁面两点连线方向的位移之和称为“收敛”，收敛值为两次量测的距离之差。收敛加速度则为两次单日收敛速度之间的差值和两次速度时间之间的比值。在隧道施工监控量测中一般水平直径作为收敛线，对其进行量测。在数值模拟中，简化为每个计算步为10m（即每天开挖10m），设开挖到监控断面为第一天，此时监控断面距掌子面距离为0m，取水平直径上的两个节点的X方向的位移，然后相加得到收敛值。此次，通过多断面求平均值得到的收敛值（如表1所示），累计收敛与掌子面距离的关系图（如图4所示）以及收敛加速度与累计天数的关系图（如图5所示）。
图3Y方向的位移云图
表1收敛值对比表
距离ふ谱用婢嗬氇
（单位：m） 累计天数 模拟だ奂剖樟勃
（单位：mm） 实际だ奂剖樟勃
（单位：mm） 模拟收敛ぜ铀俣龋ǖオの籱m/天） 实际收敛ぜ铀俣龋ǖオの籱m/天）
0 1 0.2699 0 0.2699 0
10 2 0.8757 0 0.3359 0
20 3 2.3051 0 0.8236 0
30 4 2.4205 0 —1.314 0
40 5 2.5265 0.42 —0.0094 0
50 6 2.6655 0.8 0.033 0.42
60 7 2.7609 1.07 —0.0436 0.38
70 8 2.8423 1.32 —0.014 0.27
80 9 2.8895 1.53 —0.0342 0.25
90 10 2.9619 1.71 0.0252 0.21
100 11 2.9933 1.84 —0.041 0.18
图4累计收敛与掌子面距离关系图
（2）由于隧道内复合式TBM机组在空间上的阻挡，所以无法在开挖后立即对靠掌子面附近的点进行布点量测。所以前面三天基本无法量测，同时也就导致了测量点距掌子面较远才能量测。而且在隧道内布点有时会受周围管线以及人行道的影响，无法将量测点准确的布到水平方向的两直径点上。在模拟数值分析中，收敛在第二天，同时也离开掌子面一定距离内出现最大值，而且该阶段位移占总位移的40%左右，然而在实际施工监控量测中无法得到该数据。
3.2拱顶位移对比分析。
（1）隧道拱顶内壁的绝对下沉量称为拱顶下沉值。下沉加速度则为两次单日下沉速度的差值和两次下沉速度时间之间的差值。数值模拟中监控断面和时间均和收敛监控的断面和时间频率相同。布点则一般取隧道的顶点作为量测点。在数值模拟分析中，取隧道顶点Y方向的位移作为拱顶下沉值。从而得到模拟位移和实际位移的比较（如表2所示），累计位移与掌子面距离关系图（如图6所示）以及下沉值与累计天数的关系图（如图7所示）。
图5收敛加速度与累计天数的关系图
表2下沉值对比表
距离掌子っ婢嗬氇
（单位：m） 累计天数 模拟だ奂莆灰篇
（单位：mm） 实际だ奂莆灰篇
（单位：mm） 模拟下沉ぜ铀俣龋ǖオの籱m/天） 实际下沉ぜ铀俣龋ǖオの籱m/天）
0 1 0.2699 0 0.2699 0
10 2 0.7604 0 0.2206 0
20 3 1.3144 0 0.0635 0
30 4 3.0814 0 1.213 0
40 5 3.2434 0.4 —1.605 0
50 6 3.3484 0.9 —0.057 0.4
60 7 3.4644 1.3 0.011 0.5
70 8 3.8964 1.6 0.316 0.4
80 9 4.2004 1.8 —0.128 0.3
90 10 4.2894 2.1 —0.215 0.2
100 11 4.3204 2.3 —0.058 0.3
图6累计位移与掌子面距离关系图
（2）拱顶位移的对比和水平收敛的对比相同，都因无法及时布点进行量测，出现了最后的累计位移偏小，而且对数值模拟中出现最大下沉值的时间和距掌子面一定距离的阶段无法量测。而且，在隧道监控布点一般将后视点和量测顶点布在同一断面上，这样可以消除因土体重力产生的下沉。但是，后视点和顶点因土体的下沉值一般不相同，因此，在实际工程量测中也会带来一点的测量误差。
4. 量测方法探讨
（1）从上面的数据分析中可以得到，无论是拱顶下沉还是水平收敛都受到了TBM机组空间上的影响，而得到了较真实情况更小的位移值，有时则影响了对危险情况的判断。为解决现有监测方法难以满足工程TBM施工环境下隧道净空位移监测要求，有些学者提出可以利用掘进机与隧道周边之间的纵向通视空间，通过对拱项和两侧边墙三点位应用激光准直法来实现。[4]
图7下沉加速度与累计天数的关系图
（2）隧道内拱顶和两侧边墙最大跨度处一般是隧道断面产生最大变形的部位，其位移矢量主要位于竖直（拱顶）和水平方向上（边墙）。但是，由于TBM机组空间上的阻挡，导致拱顶和两侧边墙最大跨度处在距离掌子面近的那段距离内无法量测。同时，由有限元模型以及隧道内力学性质，可知隧道内除拱顶和两侧边墙外的其他点都有向隧道中心收敛的性质。所以，认为可以通过测量隧道周长或是面积的变化，来确定围岩的稳定性。
（3）首先，我们将测量元件埋入隧道衬砌管片中或者贴在管片上面。此元件可以采用电测试应变仪器或是其他测量仪器。然后将导线拉到方便测量的地方。然后通过元件的自身物理参数以及量测数据推到计算出两次量测之间的周长变化值。
（4）如果采用上述的量测方法，相关规范中规定的拱顶位移和水平收敛因此也无法实现对围岩性质的判断。所以，我们可以通过实际的隧道的半径和变化的位移值求得周长或是面积的变化来判断围岩的稳定性。同时，由于隧道下部变化较上部变化小，因此可以乘上一个相关的安全系数，以确保安全性。
5. 结论
TBM隧道施工较普通钻爆法施工有很多优点，但在施工监控量测方面则比钻爆法
更难。TBM机组在空间上的阻挡对监控量测的实施带来了很大的困难，因此新的量测方法的探究很有必要。
但是在实际工程中，还有很多其他的影响因素，例如隧道内水环境较差，复合式TBM周期性的更换刀片，周边围岩节段性的差异，通风管道影响精确布点等。因此在实际施工监控量测中，实测数据和数值模拟得到的数据都会有偏差。但是实测数据是对现场情况直接的反映，因此，应重视并认真分析实际量测数据，以免发送坍塌等事故。
参考文献
[1]王成 隧道工程 人民交通出版社 2009.
[2]陈建勋 公路工程试验检测人员考试用书—隧道（第二版） 2012.
[3]田爱军， 杨松林 全站仪ATR 功能在隧道围岩收敛测量中的应用 工程勘察 2007年第4期.
[4]宋冶，唐与，穆国华，王 刚 TBM施工条件下隧道净空位移监测 岩石力学与工程学报 2009年03期.
【摘要】在分析复合式TBM工程施工技术特点的基础上（与普通钻爆法有较大的不同），通过某市轨道交通复合式TBM工程的数值解和实际量测得到的收敛和拱顶位移进行对比分析以及实际围岩支付状况成果分析与判定标准。最后分析一些实际影响实际量测结果的因素，提出成果分析的一些新方法。
【关键词】复合式TBM；监控量测；数值分析お
Characteristics and Methods of Construction Supervision of the TBM tunnel
Su Hang，Zeng De—rong，Ma Wei—wen
（Chongqing Jiaotong UniversityChongqing400074）
【Abstract】Composite TBM project is quite different from ordinary drilling and blasting method. This article analyzes the convergence and vaults displacement of the numerical solution and the actual value according to rail transport composite TBM project， the payments of the actual wall rock. At last， it analyzes some factors which may affect the actual measurement results， propose some methods to result analysis.
【Key words】Composite TBM；Monitoring and Measuring；Numerical Analysisお
1. TBM隧道监控量测
（1）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。[1]其中，周边位移是隧道围岩应力状态变化最直观的反映，通过周边位移量测可以判断围岩稳定程度以及指导现场施工。
（2）TBM施工与普通钻爆施工相比，采用滚刀进行破岩，避免了爆破作业，成洞周围岩层不会受爆破震动而破坏，洞壁完整光滑，超挖量少。因此，TBM施工方法比钻爆法得到的周边围岩应力变化更小，同时在TBM施工监控量测中数据较钻爆法施工更小。但是由于TBM机组在空间上的阻挡，TBM施工监控量测难度较钻爆法滞后性更大。
因此，以某市复合式TBM工程的施工量测中，主要采用水平仪和收敛仪对隧道内的水平收敛和拱顶下沉量进行量测，以达到判断围岩稳定的目的。
图1有限元模型
2. 数值模拟分析
（1）根据设计地质说明，该隧道沿线属构造剥蚀浅丘地貌，区间隧道埋深10～50m，覆跨比大于1.5。隧道围岩岩层平缓，岩体较完整。围岩主要为较完整的块状镶嵌结构的砂质泥岩和块状砌状砌体结构砂岩。因此，在隧道数值模拟中简化设置埋深均为30m，土层根据实际勘测简化分为两层，上层为风化砂质泥岩（其物理参数为：弹性模量为500MPa；泊松比为0.4；重度24KN/m3），下层为风化砂岩（其物理参数为：弹性模量为1000MPa；泊松比为0.3；重度23KN/m3），且都为粘弹性体，纵向长度为120m，监测断面则在隧道内10m处，避免洞口处采用约束条件而对其收敛和拱顶下沉数据的影响。其中围岩和管片（其物理参数为：弹性模量为27600MPa；泊松比为0.2；重度25KN/m3）均采用实体单元。从而得到相关有限元模型如图1所示：
图2X方向的位移云图
（2）隧道内管片衬砌内径为5.4m，管片厚度为0.3m，外径为6m。此次通过隧道内管片结构内力与位移来分析模型中的水平收敛和拱顶位移，图2和图3分别为管片关于X方向和Y方向的位移云图。
3. 数据对比分析
3.1水平收敛对比分析。
（1）隧道内壁面两点连线方向的位移之和称为“收敛”，收敛值为两次量测的距离之差。收敛加速度则为两次单日收敛速度之间的差值和两次速度时间之间的比值。在隧道施工监控量测中一般水平直径作为收敛线，对其进行量测。在数值模拟中，简化为每个计算步为10m（即每天开挖10m），设开挖到监控断面为第一天，此时监控断面距掌子面距离为0m，取水平直径上的两个节点的X方向的位移，然后相加得到收敛值。此次，通过多断面求平均值得到的收敛值（如表1所示），累计收敛与掌子面距离的关系图（如图4所示）以及收敛加速度与累计天数的关系图（如图5所示）。
图3Y方向的位移云图
表1收敛值对比表
距离ふ谱用婢嗬氇
（单位：m） 累计天数 模拟だ奂剖樟勃
（单位：mm） 实际だ奂剖樟勃
（单位：mm） 模拟收敛ぜ铀俣龋ǖオの籱m/天） 实际收敛ぜ铀俣龋ǖオの籱m/天）
0 1 0.2699 0 0.2699 0
10 2 0.8757 0 0.3359 0
20 3 2.3051 0 0.8236 0
30 4 2.4205 0 —1.314 0
40 5 2.5265 0.42 —0.0094 0
50 6 2.6655 0.8 0.033 0.42
60 7 2.7609 1.07 —0.0436 0.38
70 8 2.8423 1.32 —0.014 0.27
80 9 2.8895 1.53 —0.0342 0.25
90 10 2.9619 1.71 0.0252 0.21
100 11 2.9933 1.84 —0.041 0.18
图4累计收敛与掌子面距离关系图
（2）由于隧道内复合式TBM机组在空间上的阻挡，所以无法在开挖后立即对靠掌子面附近的点进行布点量测。所以前面三天基本无法量测，同时也就导致了测量点距掌子面较远才能量测。而且在隧道内布点有时会受周围管线以及人行道的影响，无法将量测点准确的布到水平方向的两直径点上。在模拟数值分析中，收敛在第二天，同时也离开掌子面一定距离内出现最大值，而且该阶段位移占总位移的40%左右，然而在实际施工监控量测中无法得到该数据。
3.2拱顶位移对比分析。
（1）隧道拱顶内壁的绝对下沉量称为拱顶下沉值。下沉加速度则为两次单日下沉速度的差值和两次下沉速度时间之间的差值。数值模拟中监控断面和时间均和收敛监控的断面和时间频率相同。布点则一般取隧道的顶点作为量测点。在数值模拟分析中，取隧道顶点Y方向的位移作为拱顶下沉值。从而得到模拟位移和实际位移的比较（如表2所示），累计位移与掌子面距离关系图（如图6所示）以及下沉值与累计天数的关系图（如图7所示）。
图5收敛加速度与累计天数的关系图
表2下沉值对比表
距离掌子っ婢嗬氇
（单位：m） 累计天数 模拟だ奂莆灰篇
（单位：mm） 实际だ奂莆灰篇
（单位：mm） 模拟下沉ぜ铀俣龋ǖオの籱m/天） 实际下沉ぜ铀俣龋ǖオの籱m/天）
0 1 0.2699 0 0.2699 0
10 2 0.7604 0 0.2206 0
20 3 1.3144 0 0.0635 0
30 4 3.0814 0 1.213 0
40 5 3.2434 0.4 —1.605 0
50 6 3.3484 0.9 —0.057 0.4
60 7 3.4644 1.3 0.011 0.5
70 8 3.8964 1.6 0.316 0.4
80 9 4.2004 1.8 —0.128 0.3
90 10 4.2894 2.1 —0.215 0.2
100 11 4.3204 2.3 —0.058 0.3
图6累计位移与掌子面距离关系图
（2）拱顶位移的对比和水平收敛的对比相同，都因无法及时布点进行量测，出现了最后的累计位移偏小，而且对数值模拟中出现最大下沉值的时间和距掌子面一定距离的阶段无法量测。而且，在隧道监控布点一般将后视点和量测顶点布在同一断面上，这样可以消除因土体重力产生的下沉。但是，后视点和顶点因土体的下沉值一般不相同，因此，在实际工程量测中也会带来一点的测量误差。
4. 量测方法探讨
（1）从上面的数据分析中可以得到，无论是拱顶下沉还是水平收敛都受到了TBM机组空间上的影响，而得到了较真实情况更小的位移值，有时则影响了对危险情况的判断。为解决现有监测方法难以满足工程TBM施工环境下隧道净空位移监测要求，有些学者提出可以利用掘进机与隧道周边之间的纵向通视空间，通过对拱项和两侧边墙三点位应用激光准直法来实现。[4]
图7下沉加速度与累计天数的关系图
（2）隧道内拱顶和两侧边墙最大跨度处一般是隧道断面产生最大变形的部位，其位移矢量主要位于竖直（拱顶）和水平方向上（边墙）。但是，由于TBM机组空间上的阻挡，导致拱顶和两侧边墙最大跨度处在距离掌子面近的那段距离内无法量测。同时，由有限元模型以及隧道内力学性质，可知隧道内除拱顶和两侧边墙外的其他点都有向隧道中心收敛的性质。所以，认为可以通过测量隧道周长或是面积的变化，来确定围岩的稳定性。
（3）首先，我们将测量元件埋入隧道衬砌管片中或者贴在管片上面。此元件可以采用电测试应变仪器或是其他测量仪器。然后将导线拉到方便测量的地方。然后通过元件的自身物理参数以及量测数据推到计算出两次量测之间的周长变化值。
（4）如果采用上述的量测方法，相关规范中规定的拱顶位移和水平收敛因此也无法实现对围岩性质的判断。所以，我们可以通过实际的隧道的半径和变化的位移值求得周长或是面积的变化来判断围岩的稳定性。同时，由于隧道下部变化较上部变化小，因此可以乘上一个相关的安全系数，以确保安全性。
5. 结论
TBM隧道施工较普通钻爆法施工有很多优点，但在施工监控量测方面则比钻爆法
更难。TBM机组在空间上的阻挡对监控量测的实施带来了很大的困难，因此新的量测方法的探究很有必要。
但是在实际工程中，还有很多其他的影响因素，例如隧道内水环境较差，复合式TBM周期性的更换刀片，周边围岩节段性的差异，通风管道影响精确布点等。因此在实际施工监控量测中，实测数据和数值模拟得到的数据都会有偏差。但是实测数据是对现场情况直接的反映，因此，应重视并认真分析实际量测数据，以免发送坍塌等事故。
参考文献
[1]王成 隧道工程 人民交通出版社 2009.
[2]陈建勋 公路工程试验检测人员考试用书—隧道（第二版） 2012.
[3]田爱军， 杨松林 全站仪ATR 功能在隧道围岩收敛测量中的应用 工程勘察 2007年第4期.
[4]宋冶，唐与，穆国华，王 刚 TBM施工条件下隧道净空位移监测 岩石力学与工程学报 2009年03期.
