一种激光准直TBM隧道净空位移监测方法.pdf

本发明公开了一种激光准直TBM隧道净空位移监测方法，利用掘进机与隧道周边之间纵向通视空间、通过对拱顶和两侧边墙三点位应用激光准直原理来实现。其特征是：紧贴掘进机刀盘盾尾、分别在上述三点位安装靶器，在其后方距离L≮5D(洞径)相同点位安装准直激光源，后者发出基准光束射向靶器，靶器主动寻的测出位移。该方法可在掘进机及后配套设备范围内获取断面上最大净空位移，从而实现TBM施工环境下的净空位移监测。具有大量程特性，尤适应软弱围岩的变形监测。该方法在Robbins和Wirth两种掘进机型施工环境实现和验证，技术可靠、适用性强。

1、  一种激光准直TBM隧道净空位移监测方法，利用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原理量测来实现，其特征如下：
1)紧贴掘进机刀盘护盾(C)尾部、分别在拱顶(A)和两侧边墙最大跨度处(B)岩面埋设测点件(6)并安装靶器(1)；
2)在靶器(1)后方不小于5倍洞径(D)的稳定地段的相同点位安装准直激光源(2)，后者发出基准光束通过掘进机与隧道周边之间纵向通视空间射向靶器(1)；
3)当掘进机推进时，围岩变形使靶器(1)随之位移，通过手动或电动滑动靶器(1)上的靶标(3)，使其对准激光束在靶标上产生的光斑，然后通过靶器(1)上的电子数字显示测量模块(9)测量和读出围岩的位移量。

2、  根据权利要求1所述一种激光准直TBM隧道净空位移监测方法，其特征在于：量测中所用的靶器(1)采用快速装卸的移动式结构和主动寻的测量方式；所用测点件(6)采用磁性结构，其上嵌入高能磁芯(8)和定位销(7)；所用准直激光源(2)采用高性能小光斑准直激光器(11)，后者通过万向球铰(12)和锁紧旋钮(14)锁定在激光器支架(13)上。

3、  根据权利要求2所述一种激光准直TBM隧道净空位移监测方法，其特征在于：所述测点件(6)和激光器支架(13)的预埋件，均采用相同的埋设杆(4)。

一种激光准直TBM隧道净空位移监测方法
技术领域
本发明属于应用激光进行位移测量的技术领域，涉及一种适用于TBM及盾构施工环境下隧道净空位移量测的隧道施工监测方法。
背景技术
TBM(隧道掘进机)施工中，由于掘进机及后配套设备几乎占据隧道开挖面后方160～170m范围的整个空间，在这一长度范围内用现有隧道监测方法进行隧道净空位移量测很难有效实施。如果采用常规有尺量测(收敛计和水准仪)以及全站仪无尺量测等手段，由于掘进机及后配套设备的阻挡，在该范围内均难以发挥作用。因此，国内外资料及工程实例显示，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。为了解决掘进机及后配套设备范围内的净空位移量测，针对TBM施工条件下的隧道监测技术需要有所突破和创新。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种适用于TBM施工环境下的隧道净空位移监测方法，可测定掘进机及后配套设备范围内隧道拱顶竖向位移和两侧边墙水平位移，从而解决常规有尺量测以及全站仪无尺量测等手段受掘进机设备阻挡无法实施监测的技术难题。
本发明利用掘进机与隧道周边之间的纵向可通视空间、通过对拱顶和两侧边墙三点位应用激光准直原理量测来实现的，其方法如下：
1)在紧贴掘进机刀盘护盾尾部、分别在拱顶和两侧边墙最大跨度处岩面埋设测点并安装靶器；
2)在靶器后方不小于5倍洞径的稳定地段安装准直激光源，它提供基准光束射向靶器；
3)当掘进机推进时，围岩变形使靶器随之位移，通过手动或电动滑动靶器上的靶标，使其对准激光束在靶标上产生的光斑，然后通过靶器上的电子数字显示测量模块测量和读出围岩的位移量。
在本方法中，拱顶和两侧边墙最大跨度处一般是隧道断面产生变形的最大部位，其位移矢量主要位于竖直(拱顶)和水平方向上(边墙)，本方法采用上述三点位量测可获取断面上的最大位移。准直激光源应设于围岩变形已稳定的地段，以提供稳定的基准光束。根据围岩变形的空间效应，一般围岩变形主要发生在距掌子面3倍洞径内，超出此长度围岩变形已趋稳定。本方法按不小于5倍洞径考虑，目的是确保激光源设于稳定地段。必要时(如膨胀性围岩)可采用串联接力方式将激光源引至不小于10倍洞径甚至更远，以确保激光源设于稳定地段，这就保证了实施本方法的技术可靠性。
在本方法中，使用的靶器采用快速装卸的移动式结构，仅在量测时安装，测完即取下，使整个量测过程用一只靶器即可完成所有测点的量测任务，具有不受施工干扰(尤其是掘进机撑靴移位以及喷射混凝土、架设钢架等环节)和成本低廉的特性。同时，靶器采用主动寻的测量方式测定位移量(重复性精度＜0.5mm)，具有PSD、CCD等片式阵列元件的激光位移系统所不具备的大量程位移量测的特性(＞150mm)，尤适应软弱围岩的变形监测要求。所述靶器操作简便，整个量测过程只需一人即可完成(而常规有尺量测一般需要两人才能完成)。靶器上的测量模块采用电子数字显示方式，方便读取数据且具有较高的位移分辨率(0.01mm)。
在本方法中，为配合靶器快速装卸的移动特性，测点件采用磁性结构，其上嵌入高能磁芯和定位销，使靶器与测点件吸附并强制对中。同时，所述测点件可回收重复使用。
在本方法中，为适应滑动式靶器主动寻的测量方式，激光源采用高性能小光斑准直激光器，具有热稳定性好、射程内光束无抖动且发散小、光斑边缘清晰的特性，可提高靶器寻的精度。同时，激光器支架采用万向球铰结构，可在水平方向360°和竖直方向±30°范围任意旋转激光器，便于基准光束定位时对准靶器。
上述激光源和测点件的安装极为简单，均只需在岩面上钻一个安装孔即可。
综上所述，针对TBM施工环境下的隧道净空位移监测，本发明提出的利用掘进机与隧道周边之间的纵向可通视空间、在拱顶和两侧边墙进行三点量测的激光准直TBM隧道净空位移监测方法，可在掘进机及后配套设备范围内获取断面上最大净空位移，从而实现TBM施工环境下的净空位移监测。系统采用主动寻的测量方式，不同于PSD、CCD等片式阵列元件的激光位移系统，具有大量程特性(＞150mm)，尤适应软弱围岩的变形监测，且量测精度满足使用要求(重复性＜0.5mm，分辨率0.01mm)。同时，系统结构简单，安装简便，量测易行(只需一人即可完成)，成本低廉，便于推广。该方法已在Robbins和Wirth两种掘进机型的施工环境中得到验证，其技术可靠、适用性强。
附图说明
图1是本发明监测系统布置图，左图为纵向视图，右图为横断面；
图2是本发明技术方案工作原理图，左图为纵断面图，右图为横断面；
图3是本发明靶器及测点结构图；
图4是本发明监测系统中准直激光源结构图。
图中标记：1为靶器，2为准直激光源，3为靶标，4为预埋件埋设杆，5为顶紧螺母，6为磁性测点件，7为定位销，8为高能磁芯，9为高能磁芯，10为滑尺，11为高性能小光斑准直激光器，12为万向球铰，13为激光器支架，14为锁紧旋钮，u₀为盾尾测试前已发生位移，u₁为测出位移，u_1max为最大测出位移，u_max为全位移最大值。A为拱顶，B为边墙最大跨度处，C为刀盘护盾，D为洞径。
具体实施方式
如图1所示，紧贴掘进机刀盘盾尾C、分别在拱顶A和两侧边墙最大跨度处B岩面安装靶器1，在其后方不小于5倍洞径D距离L的相同点位安装准直激光源2，后者发出基准光束通过掘进机与隧道周边之间纵向通视空间射向靶器1。当掘进机推进时，围岩变形使靶器1随之位移，通过滑动(手动或电动)靶器1上的靶标3对准光斑(刻线对准或线阵元件控制)，由测量模块9测量和读出位移量。测量的重复性精度＜0.5mm(40m基线场检定)，位移分辨率0.01mm，位移量程＞150mm。
实施中要求准直激光源2设于围岩变形已稳定地段，以提供稳定的基准光束。根据围岩变形的空间效应，一般围岩变形主要发生在距掌子面3倍洞径D内，超出此长度围岩变形已趋稳定(如图2所示，u_max＝u₀+u_1max。当测点紧贴盾尾埋设时，u₀很小可忽略，所测u₁即为围岩变形中主要位移量，u_max≈u_1max)。实施按L≮5D考虑，目的是确保激光源2设于稳定地段，必要时(如膨胀性围岩)可采用串联接力方式将激光源2引至L≮10D甚至更远处以确保激光源设于稳定地段。同时，拱顶和两侧边墙最大跨度处一般是隧道断面产生变形的最大部位，其位移矢量主要位于竖直(拱顶)和水平方向上(边墙)，实施中采用上述三点位量测可获取断面上最大位移。上述方法已在Robbins和Wirth两种掘进机型施工环境中得到验证。
所述靶器1采用快速装卸的移动式结构，仅在量测时通过磁性和定位销强制对中安装在测点件6上，测完即取下，可避免掘进机撑靴移位以及喷混凝土、架设钢架等施工环节的干扰。整个量测过程仅使用一只靶器即可完成所有测点的量测任务。同时，靶器1采用主动寻的测量方式，具有PSD、CCD等片式阵列元件的激光位移系统不具备的大量程位移量测特性，尤适应软弱围岩的变形监测。测点件6采用磁性结构，其上嵌入高能磁芯8和定位销7，用于吸附靶器1并使之强制对中。测点件6通过螺纹与预埋件埋设杆4连接并用顶紧螺母5紧固。
所述准直激光源2采用高性能小光斑准直激光器11，基准光束的有效射程40～60m(适用洞径8～10m的隧道净空位移监测)，有效射程内光斑直径5～10mm、边缘清晰、无抖动。激光器支架13采用万向球铰12，可在水平方向360°和竖直方向±30°范围任意旋转激光器，便于基准光束定位时对准靶器1，基准光束定位后即用锁紧旋钮14固定万向球铰12。
测点件6和激光器支架13的预埋件均采用相同的埋设杆4，其埋设只需在岩面上钻一个安装孔即可。
上述系统的安装、量测以及预埋件的埋设，均利用掘进机及后配套设备提供的平台进行，其中电动和线阵元件控制的靶器具有遥测特性，其量测无需利用上述平台。