超长距离TBM精准贯通关键技术研究

超长距离TBM精准贯通关键技术研究

曹瑞东

中国水利水电第八工程局有限公司 湖南长沙 410004

摘要：近年来，随着我国经济的发展和社会生产生活的需求，为拓展地下空间，充分发挥资源价值和可持续发展，随着国内隧洞施工的发展，超长距离、大断面和复杂地质情况下隧洞施工采用TBM设备掘进施工的工程越来越多，如何确保TBM在超长距离、大断面的单向掘进隧洞中精准贯通，是隧洞施工的重点研究方向。本文依托新疆XE工程——国内首台隧洞直径达到8米级并且单向隧洞掘进长度超过13km的TBM施工隧洞，开展超长距离TBM精准贯通关键技术的研究，有效的提高了数据采集质量及产出成果精度，实现了该隧洞的高精度贯通，对后续TBM施工超长距离隧洞提供重要的技术支持。

关键词：TBM、超长距离、隧洞、精准贯通

1.工程概况

本项目依托新疆XE工程开展，隧洞全长24.3km，其中单台TBM掘进距离长达21.7km。采用1台7.8m直径敞开式TBM掘进，分为TBM4-1长12.9km、TBM4-2长8.8km两段施工。地层岩性主要为：泥盆系二长片麻岩、黑云母斜长片麻岩、华力西晚期花岗岩。Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，石英含量20～35%，饱和抗压强度51-150Mpa。

图1.1.1-1TBM分段施工图

TBM设备由中铁装备设计制造，设备总长298m，刀盘直径7.83m，主要由设备主机、后配套拖车部分（含设备桥、喷浆桥等12段框架式结构拖车）、加利福利亚道岔及辅助设备3部分组成，总重1800t。设备主机部分，长25m，总重600t；后配套拖车部分，总重约900t；加利福利亚道岔及辅助设备，长106m，总重约300t。

图1.1.1-2TBM组装始发

2.研究的意义

随着国内隧洞的发展，超长距离、大断面复杂地质情况下隧洞施工一般使用大型设备TBM施工，在掘进过程中，如何使用大型设备TBM在超长距离的单向掘进隧洞中精准贯通，是国内隧洞施工的重点研究方向。而在施工过程中，隧洞施工具有不可逆性，同时也具有一次成型性的特点，所以测量对隧洞的精准贯通起着非常重要作用，而国内目前没有直径达到8米级并且单向隧洞掘进长度超过13km的TBM施工隧洞，因此在国内没有可以直接参考借鉴的测量经验，保证本工程控制测量的精度，确保TBM隧洞精准贯通成为工程的难点。

本工程单台TBM掘进距离长达21.7km，TBM超长距离隧洞轴线偏差控制难，贯通误差大，TBM长距离掘进关键设备耐久性要求高。如何确保TBM掘进施工隧洞的轴线精度控制，是本项目TBM隧洞施工的重点研究方向。因此有针对性的制定控制测量方案及作业实施中的注意事项，严格落实测量方案及相关措施，有效提高数据采集质量及产出成果精度，对保证TBM隧洞掘进轴线精度控制有重大的应用意义。

3.超长距离TBM精准贯通关键技术原理

目前国内单向隧洞掘进长度超过13km的8米级TBM工程施工隧洞精准贯通参考少。 本工程超长距离TBM精准贯通技术主要是利用设计院提供首级GPS控制点，按照同网型和同精度原则组织GPS网复测，然后依据二等GPS网精度指标进行复测成果统计，如未达测量要求则重新进行优化重组。由于洞内控制测量的横向测量精度受洞内测角精度的影响最大，为了提高控制网外业数据采集质量及成果的精度，利用TBM机导向系统所显示的姿态与设备实际姿态偏差，并研发了TBM导向系统配套VMT防震装置，减少误差，在贯通前测定出可靠的显示与实际姿态的偏差并及时纠偏。最后利用联系竖井或通风井作为联系测量孔（需确保成孔垂直度满足联系测量要求），将两井定向成果与洞内精密导线平差数据对比，经过数据对比及贯通测量成果检核，实现了应用两井定向成果指导TBM设备精准贯通。

超长距离TBM隧洞精准贯通，根据TBM施工的实际情况，关键技术在于控制测量精度主要是四个方面因素：洞外GPS控制点精度；洞内精密导线的精度；贯通前联系测量成果的精度；TBM姿态的定位测量精度。通过双线导向全圆观测法的应用，进行成果产出数据采集，对比不同轴线测量控制密度和隧洞轴线控制效果，确定TBM隧洞轴线控制的最佳测量控制里程间隔，测量预埋标识的布置形式、布置间距和标识结构，追求隧洞轴线控制最佳效果、最少测量频次、最可靠标识结构，尽量减少轴线复测对TBM掘进时间的影响，又确保隧洞轴线可控，实现精准贯通。

4.超长距离TBM精准贯通关键技术

4.1施工工艺流程

长距离TBM隧洞精准贯通施工工艺流程如下图：

图4.1.1-1长距离TBM隧洞精准贯通施工工艺流程图

4.2布置地面控制网

（1） 设计院的首级GPS控制点

工程施工之前，设计院会给施工单位首级GPS控制点，我们根据设计院提供首级GPS控制点，按照同网型、同精度原则组织GPS网复测，如下图所示。

图4.2.1-1首级GPS控制图

图4.2.1-2图2现场复测控制网

表4.2.1-2GPS测量的精度指标

（2）二等控制网

依据二等GPS网精度指标进行控制，进行平差后最弱点和最弱边精度统计。

表4.2.1-3平差后最弱边精度统计

表4.2.1-4平差后最弱点精度统计

经以上复测成果统计显示，地面GPS网点结构不尽合理，点位距离不均且点位跨度较大，未达到规范限定指标最弱边相对中误差≤1/150000要求，故使用COSA-CODAPS软件对网型结构进行优化重组。

（3）优化控制网

图4.2.1-1优化后GPS控制点网型图

表4.2.1-5平差后最弱边精度统计

表4.2.1-6平差后最弱点精度统计

由以上统计可得出以下结论：设计院提供GPS点网为工程全线整体布网，局部加密的控制网点，相对于标段独立使用存在网形结构不合理的因素。平差计算要选取合理的已知点，已知点使用前必须进行精度检测。网形结构的科学合理优化对于测控精度的提高具有重要意义。

4.3双导线洞内精密导线网

（1）隧洞两侧做标墩

为减弱仪器对中误差及旁遮光影响，洞内全线控制点布设为标墩形式；标墩视线距离隧道两侧建筑物不少于1.2米，高出洞内排水面1.1米以上；洞内直线段控制点边长不小于550 m，曲线段控制点边长不小于300米。洞内高程点埋设于左、右线标墩基础上，标墩基础高出施工排水水面，便于测量作业。

图4.3.1-1隧洞两侧做标墩

（2）采用观测法观测

导线测量前对仪器进行常规检查与校正。施测过程中，严格仪器整平、对中。洞内外观测均在大气稳定和成像清晰的条件下进行。

洞内平面精密导线布设成交叉双导线形式，采用方向观测法观测，每测站观测4个测点目标测回数不低于9测回，构成多闭合环约束条件。

（3） 软件复核

内业数据处理需严格气象改正及加乘常数改正，采用天顶距改正并进行投影面改正（投影面640），检查测角中误差、方位角闭合差、坐标闭合差等各项指标是否超标，平差时在方位角闭合差及导线全长相对闭合差满足要求后，采用COSA软件进行严密平差计算。

经严格执行方案措施，精密导线网在布网终止点DY36(位于掘进里程12.4㎞处)。经全网平差后取得了较高的测量精度。具体指标见下表。

表4.3.1-2平差后精度指标统计

4.4设备姿态确定

（1）设备固有特征点标记

TBM机导向系统显示姿态与设备实际姿态存在着偏差。因此在贯通前测定出可靠的显示与实际姿态的偏差并及时纠偏是设备顺利贯通的必要保证。实际姿态根据TBM设备固有特征点进行数据 采集，数据交由导向系统自身软件进行推算。

（2）独立采集两次设备特征点数据

为确保姿态偏差的准确性，独立采集两次TBM机特征点数据，分别采用不同点位验算与显示姿态比对且两次数据采集里程大于10米距离。

图4.4.1-1采集特征点

（3）推算姿态指导TBM设备纠偏

经两次TBM特征点推算实际姿态与显示姿态差值的比对较差优于5㎜，故采用TBM推算姿态指导TBM设备纠偏。具体比对数据详见下表。

图4.4.1-2WMT掘进软件姿态纠偏

表4.4.1-2第一次TBM特征点数据采集成果

表4.4.1-3第二次TBM特征点数据采集成果

表4.4.1-4两次TBM特征点推算姿态与实际姿态比对表

（4）VMT支座防震技术

在隧洞掘进施工过程中，为有效控制TBM掘进机掘进方向、确保掘进施工精度，必须对TBM的位置进行持续监控测量，这对TBM掘进姿态和掘进精度显得尤为重要。为了避免隧道TBM掘进机掘进出现偏差及改向通常采用VMT仪器（隧洞激光导向仪）对设备位置进行定点测量和检测，VMT测量仪器安装在岩壁上，TBM掘进中会对周围岩体产生较大振动，由于VMT与设备距离过小通常会跟随岩壁产生振动，易发生位移无法确保VMT本身的位置稳定，影响测量的准确性，造成人为误差，同时振动对VMT仪器本身造成较大损伤，长时间处于振动环境会影响VMT使用寿命。

为解决上述技术问题，依托现场TBM施工过程导向系统测量误差，通过施工过程不断总结分析，创新研发了一种VMT防震安装支座解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有吸振功能、提高测量准确性、防止隧洞激光导向仪振伤以及确保测量进度的VMT防震安装支座。

该装置采用如图所示包括安装架、外安装套和内安装套，所述外安装套设于安装架上，所述内安装套设于外安装套内，所述外安装套与内安装套之间抵紧有多个弹性抵紧组件，各所述弹性抵紧组件绕内安装套的周向间隔布置，所述内安装套内设有用于安装隧洞激光导向仪的安装板。

图4.4.1-1VMT防震支座

与现有技术相比，本发明装置的优点在于。该VMT防震安装支座，使用时，第一步：用安装螺栓将安装架安装在已成洞的岩壁上，并确保有效连接；第二步：用VMT（隧洞激光导向仪）安装螺栓将隧洞激光导向仪安装在安装板上；这样隧洞激光导向仪就与隧洞壁形成了软连接。在TBM前进过程中对隧洞岩壁产生的震动可被弹性抵紧组件吸收，从而减少隧洞激光导向仪的振动，防止被振伤，提高了测量的准确性，确保测量进度。本VMT防震安装支座具有吸振功能、提高了测量准确性、防止隧洞激光导向仪振伤以及确保测量进度。

该VMT防震安装支座，弹性件通过有抵紧块抵紧于内安装套上，抵紧块可设置成弧形，与内安装套的外壁适配，增大抵紧面积，提高稳定性。

本实施新型的VMT防震安装支座，抵紧块与外安装套之间设有间距调节机构。在内安装套安装时，先通过间距调节机构缩小抵紧块与外安装套之间的间距，使各抵紧块之间的空间增大，便于内安装套插入，在内安装套插入后，再过间距调节机构增大抵紧块与外安装套之间的间距，使抵紧块在弹性件的弹力作用下，抵紧在内安装套上，从而实现对内安装套的安装。

4.5地面钻孔两点定向

（1）根据轴线地面打两井点

根据隧洞轴线，在出洞前打两井，选取距离贯通面66米覆盖深度12米处钻设联系测量孔，需确保成孔垂直度满足联系测量要求。

图4.5.1-1地面钻孔两井定向

（2）两井定向后与洞内精密导线对比

两井定向成果与洞内精密导线平差数据对比可知，洞内导线网最弱边及最弱点均位于导线网最远端，两井定向成果最弱边及最弱点位于控制网中间部位，两井定向成果在接收端位置点位精度优于洞内精密导线网点位精度。数据比对见下表。

表4.5.1-2两井定向成果与洞内精密导线成果导向姿态比对表

（3）两井定向成果指导设备掘进

经过数据对比及贯通测量成果检核，证明了选用两井定向成果指导TBM设备贯通对于偏差纠正及提高隧洞贯通精度有着重要的实践意义。

2018年1月~2020年8月，新疆XE工程项目TBM4-1段顺利贯通，TBM4-1段单向开挖12941.5 m，其贯通精度为横向 -18 mm、纵向 12 mm（已登录官网和杂志）。该项目采用本工法关键测量技术利用地面控制网、洞内精密导线网、设备的姿态数据和地面钻孔两井定向等措施，确保设备在隧洞掘进时精准贯通。与传统隧洞贯通相比，该技术具有一定的准确性和较高的实际应用价值，施工过程简便高效，提高了TBM设备在超长距离隧洞情况下的掘进施工，避免设备出洞偏差，大幅节约施工工期和出洞偏差处理成本。可在类似项目推广和借鉴，具备显著社会效益，同时为后续工程进展创造了有利的条件。

图4.5.1-1TBM掘进精准贯通现场

5.结语

本文依托新疆XE工程，开展超长距离TBM精准贯通关键技术的研究和应用，通过利用地面控制网、双导线洞内精密导线网、设备出洞前姿态测定、地面钻孔两井定向等方法，结合浅埋地质采取洞内双导线测量技术基础上，提出了地面钻孔两井定向与地下精密导线联合定向，并研发了TBM导向系统配套VMT防震装置，减少误差，实现超长距离隧洞TBM掘进最大轴线偏差小于10毫米的高精准贯通，在新疆XE工程全线18台TBM设备集群施工中首台8米级TBM全线高精度精准贯通，创造了国内敞开式TBM掘进施工最浅埋深最长掘进记录，TBM综合性能指标稳居全线前列，拓展了敞开式TBM设备在超长距离隧洞施工领域的适应性和可靠性。

参考文献：

[1]中华人民共和国交通部.公路隧道设计规范（JTGD70-2004）.北京；人民交通出版社，2004.

[2] 中华人民共和国交通部.公路隧道设计细则（JTGD70-2010）.北京；人民交通出版社，2010.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部、中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.水利水电工程地质勘察规范.（GB50487-2008）.北京；中国计划出版社，2009.

作者简介：

曹瑞东、出生年月1983.1、性别：男、民族：汉、籍贯：河南省西平县、

学历：硕士研究生、职称：高级工程师、研究方向：地铁盾构施工

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