CN113551637A - 基于tbm施工隧洞全过程围岩变形的监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TBM施工隧洞全过程围岩变形的监测装置。它包括超前钻机、阵列式位移计、数据采集装置和多点位移计；超前钻机设置在TBM上；超前钻机在隧洞开挖上半部180°范围内钻孔、且可调节钻孔仰俯角度，调节范围在0～8°之间；阵列式位移计和多点位移计分别位于超前钻机在隧洞上形成的超前钻孔和锚杆钻机在隧洞上形成的锚杆钻孔中；阵列式位移计用于测量隧洞轴线方向的超前钻孔的围岩深部变形；多点位移计用于测量超前钻孔孔口位置的围岩深部变形；阵列式位移计和多点位移计分别与数据采集装置连接。本发明具有高效低成本地获取隧洞开挖全过程围岩变形监测数据，能提供TBM掘进过程中掌子面前方的预变形和围岩总变形优点。本发明还公开了监测TBM施工隧洞全过程围岩变形的方法。

Description

基于TBM施工隧洞全过程围岩变形的监测装置及方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程安全监测技术领域，更具体地说它是一种TBM施工隧洞全过程围岩变形的监测装置。本发明还涉及监测TBM施工隧洞全过程围岩变形的方法。

背景技术

TBM(全断面隧道掘进机)是集开挖掘进、支护、作业面照明、排水、除尘、通风、降温和出碴运输为一体的高科技洞室施工设备，具有掘进速度高、安全性高、人员劳动强度低及施工环境好等优点，近年来已广泛应用于水利水电、交通、铁路等地下工程建设。面对各领域复杂多变的隧道(洞)地质条件，TBM随机配套的超前钻机对隧洞超前地质勘探方面的作用十分重要，主要体现在超前地质钻孔揭露围岩岩性、地质灾害等的判识及分析。

隧洞开挖施工过程中，随着围岩的卸荷松弛，其围岩变形也随之发生。掌握TBM施工隧洞开挖过程中围岩变形的发生及发展过程，对于指导设计、反馈施工等具有十分重要的作用。

传统隧洞施工方法，主要是等待掌子面后围岩暴露后，通过在围岩表面布置收敛测点、钻孔埋设多点位移计或开挖辅助洞布置监测设施等方法来监测围岩变形。如监测断面位置与能测得的变形量相互关系图(如图6所示)可知，传统布置收敛测点、钻孔埋设多点位移计方法中，隧洞开挖时围岩总变形量为μ_∞，围岩露暴后产生的总变形量为μ_x，传统监测方法能测得的围岩总变形量为μ₀。由于围岩变形在掌子面前方、围岩未完全暴露前就已经开始发生，加之掌子面后一定范围内受TBM机具占压，无法及时在围岩表面开展收敛观测，也无法及时钻孔埋设监测仪器。因此，这种监测方法只能观测到监测设施安装之后的围岩变形增量，围岩暴露前和暴露初期的前期变形量无法获取，因而导致无法得到隧洞开挖全过程的围岩总变形量；若采用开挖辅助洞布置监测设施的方法，则成本高，且效率低，无法及时获取TBM掘进过程中掌子面前方的预变形和围岩总变形；上述方法对于指导动态设计、动态支护作用有很大局限性；因此，开发一种监测隧洞开挖全过程围岩变形的装置及方法很有必要。

发明内容

本发明的第一目的是为了提供一种基于TBM施工隧洞全过程围岩变形的监测装置，能高效低成本地获取隧洞开挖全过程围岩变形监测数据，能提供TBM掘进过程中掌子面前方的预变形和围岩总变形，实现隧洞围岩变形全过程动态监测，为预判TBM开挖隧洞围岩变形响应、合理确定支护参数提供真实可靠的数据支撑，并反馈到隧洞开挖动态设计及施工中，避免隧洞开挖后因围岩卸荷变形过大导致TBM卡机或支护过强造成浪费。

本发明的第二目的是为了提供监测TBM施工隧洞全过程围岩变形的方法。

为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：一种基于TBM施工隧洞全过程围岩变形的监测装置，其特征在于：包括超前钻机、阵列式位移计、数据采集装置和多点位移计；

超前钻机设置在TBM上(超前钻机及其安装的多种钻具均为现有技术)，具有调节方位及钻孔角度的功能，钻机上可安装多种钻具进行钻孔作业；超前钻机在隧洞开挖上半部180°范围内钻孔、且可调节钻孔仰俯角度(孔与岩壁的夹角)，调节范围在0～8°之间；

阵列式位移计位于超前钻机在隧洞上形成的超前钻孔(即1#监测孔)中，多点位移计位于锚杆钻机在隧洞上形成的锚杆钻孔(即2#监测孔)中；阵列式位移计用于测量隧洞轴线方向的超前钻孔的围岩深部变形；多点位移计用于测量超前钻孔孔口位置的围岩深部变形；

阵列式位移计和多点位移计分别与数据采集装置连接。

在上述技术方案中，阵列式位移计包括测量单元节、高强度柔性连接部件、阵列式位移计引出电缆、滑轮组；

高强度柔性连接部件两端分别与测量单元节紧密连接；滑轮组固定于测量单元节上；

测量单元节包括测量单元首节、测量单元中间节和测量单元尾节；测量单元首节和测量单元尾节分别连接在测量单元中间节上；测量单元中间节有多节；

阵列式位移计引出电缆从测量单元尾节引出。

在上述技术方案中，测量单元节采用高强度钢作为保护外壳，内置(MEMS，微机电***)加速度传感器，可获取测点部位的重力方向变形，测量单元节直径约2cm。

在上述技术方案中，高强度柔性连接部件采用抗拉强度为0.5MPa的材料，高强度柔性连接部件的抗拉强度为0.5MPa，能承受较大应力与变形；

阵列式位移计引出电缆外包裹耐磨织物保护层，所述耐磨织物保护层延展性好、耐磨损、抗冲击、抗老化，如玻璃纤维布、硅胶布等，防止电缆在拉伸过程中磨损。

在上述技术方案中，滑轮组包括多个滑轮；

测量单元节两侧各设置一个滑轮，滑轮与隧洞壁贴合，便于阵列式位移计推送入钻孔内。

在上述技术方案中，多点位移计包括锚头、测杆、传感器固定端和多点位移计引出电缆；锚头设置在测杆上；

测杆设置在传感器固定端上；多点位移计引出电缆从传感器固定端引出。

在上述技术方案中，锚头有多个；测杆有多根；每个锚头配套一根测杆。

在上述技术方案中，数据采集装置包括自动记录数据采集仪、数据传输线和便携计算机；

阵列式位移计引出电缆、多点位移计引出电缆分别与自动记录数据采集仪连接；

自动记录数据采集仪通过数据传输线与便携计算机连接；数据传输线一端连接自动记录数据采集仪，另一端连接便携式计算机，用于数据提取过程中的数据传输。

所述自动记录数据采集仪用于实现数据的采集、转换、存储、数据上传功能等；自动记录数据采集仪支持3G\4G全网通信，可将采集数据实时上传云平台或者服务器；当隧洞内无3G\4G信号时，自动记录数据采集仪可将采集数据自动存储在自动记录数据采集仪的内置存储器内；

所述便携计算机用于定期从自动记录数据采集仪上读取上一时间段的监测数据。

为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：采用所述的基于TBM施工隧洞全过程围岩变形的监测装置来监测TBM施工隧洞全过程围岩变形的方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤a)：当TBM到达预定监测部位后，即调整液压钻机(即超前钻机)的方位及仰俯角，在隧洞顶部按仰角约3～5°进行超前钻取1#监测孔(即1号监测孔)，1#监测孔的孔径50mm、深度30m左右；

步骤b)：当TBM到达预定监测部位后，利用锚杆钻机在1#监测孔附近的隧洞顶部向上竖直进行2#监测孔钻孔，2#监测孔(即2号监测孔)的孔径91mm、深度20m左右；

步骤c)：待1#监测孔钻孔完毕、且孔内清洗干净后，即可进行阵列式位移计推送入孔工作，将阵列式位移计的测量单元首节及固定的滑轮组放入1#监测孔内，然后逐节缓慢地将后续测量单元节通过滑轮组推送入1#监测孔内，直至测量单元尾节置入1#监测孔内；

步骤d)：待2#监测孔钻孔完毕，即可进行多点位移计安装，多点位移计安装完毕后，向2#监测孔内灌注水泥浆(水灰比0.5：1)，并做好孔口保护，引出多点位移计引出电缆，便于后期进行人工观测；

步骤e)：待阵列式位移计和多点位移计安装完毕，将阵列式位移计引出电缆、多点位移计引出电缆与自动记录数据采集仪连接；自动记录数据采集仪一般安装于隧洞侧面中下部位置，便于后期进行数据提取；设置好自动记录数据采集仪的自动采集频次(一般1～2h/次)，接通电源，开始监测数据自动采集与储存；

步骤f)：现场人员定期(2～3天/次)携带便携计算机与数据传输线，进行上一时间段内自动记录数据采集仪监测数据的提取；将数据传输线***自动记录数据采集仪的USB接口，进行采集数据的传输与提取，便于后期整理分析；

步骤g)：返回后方工作室后，提取便携计算机上的本地储存数据，进行原始数据的处理与分析；

隧洞掘进过程中，通过定期取得的连续观测数据，可得到隧洞开挖全过程围岩变形监测数据，能提供TBM掘进过程中掌子面前方的预变形和围岩总变形，根据隧洞开挖全过程中掌子面前方的预变形和围岩总变形指导动态设计、并反馈施工。

在上述技术方案中，数据处理分析时，当TBM掘进掌子面与1#监测孔孔底距离≥5m时，钻孔孔底还未受施工扰动，此时以1#监测孔孔底作为不动基准点，可推算沿1#监测孔深度方向的阵列式位移计每个单元节的变形量(推算阵列式位移计每个单元节的变形量的方法为现有技术)；

数据处理分析时，当TBM掘进掌子面与1#监测孔孔底距离＜5m时，1#监测孔孔口距掌子面距离＞25m，围岩暴露时间较长，大部分围岩变形已经发生，但仍有缓慢变形增长；此时以1#监测孔的孔口多点位移计最深测点作为不动基准点，得到1#监测孔孔口相对于2#监测孔孔底的变形(2#监测孔位于1#监测孔的孔口位置，可以监测1#监测孔孔口位置的变形)，进一步可推算沿1#监测孔深度方向的阵列式位移计每个单元节的变形量；

数据处理分析时，通过定期取得的阵列式位移计和多点位移计连续观测数据，可以按上述方法计算得到每个单元节沿时间的连续变形量(1～2h/次)，从而得出隧洞开挖过程中，阵列式位移计每个单元节位置的围岩全过程变形数据。

本发明具有如下优点：

本发明能高效低成本地获取隧洞开挖全过程围岩变形监测数据，能提供TBM掘进过程中掌子面前方的预变形和围岩总变形，实现隧洞围岩变形全过程动态监测，为预判TBM开挖隧洞围岩变形响应、合理确定支护参数提供真实可靠的数据支撑，并反馈到隧洞开挖动态设计及施工中，避免隧洞开挖后因围岩卸荷变形过大导致TBM卡机或支护过强造成浪费。相对传统监测围岩初始变形的观测方法，本发明既解决无法获取围岩初始变形的缺陷与不足问题，且在成本和效率上具有显著的技术优势。

本发明采用阵列式位移计和多点位移计进行监测，监测精度高，监测设施埋设安装完毕后，可实现监测数据自动采集、储存，人工提取数据方便。

附图说明

图1为本发明设计的监测隧洞开挖全过程围岩变形的钻孔示意图。

图2为本发明设计的监测孔、孔内阵列式位移计、孔内多点位移计、采集装置布置示意图。

图3为本发明中的阵列式位移计示意图。

图4为本发明中的多点位移计示意图。

图5为数据处理分析原理示意图。

图6为传统技术在围岩表面布置监测设施来监测围岩变形的监测断面位置与能测得的变形量相互关系图。

图1中的A表示掌子面。

图2中的a为1#监测孔2相对于隧洞顶部的仰角，为3～5°。

图6中，D表示TBM施工隧洞的直径；μ表示围岩变形；μ_∞为隧洞开挖时围岩总变形量；μ_x为围岩露暴后产生的总变形量；μ₀为传统监测方法测得的围岩总变形量；A为传统监测断面；B为掌子面；M为开挖推进方向；图6中，横坐标x为掌子面相对传统监测断面距离，单位为m；纵坐标μ为监测断面围岩变形，单位为m。

图中1-超前钻机，2-1#监测孔，3-阵列式位移计，31-测量单元节，311-测量单元首节，312-测量单元中间节，313-测量单元尾节，32-高强度柔性连接部件，33-阵列式位移计引出电缆，34-滑轮组，341-滑轮，4-数据采集装置，5-自动记录数据采集仪，6-数据传输线，7-便携式笔记本电脑，8-TBM刀盘，9-TBM护盾，10-2#监测孔，11-多点位移计，111-锚头，112-测杆，113-传感器固定端，114-多点位移计电缆。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

本发明所述的监测隧洞开挖全过程围岩变形的装置及方法，利用TBM向隧洞轴线方向的超前钻孔及安装在其内的阵列式位移计、和沿隧洞径向的锚杆钻孔及安装在其内的多点位移计、以及数据采集装置，获取隧洞开挖全过程围岩变形监测数据，能提供TBM掘进过程中掌子面前方的预变形和围岩总变形，实现隧洞围岩变形全过程动态监测，为预判TBM开挖隧洞围岩变形响应、合理确定支护参数提供真实可靠的数据支撑，并反馈到隧洞开挖动态设计及施工中；克服了传统技术的局限性(①即埋设安装多点位移计等监测设施无法获取隧洞开挖初期的围岩初始变形，导致隧洞开挖后因围岩卸荷变形过大导致TBM卡机或支护过强造成浪费，从而对指导动态设计、动态支护作用产生局限性；②或开挖辅助洞布置监测设施的方法无法高效低成本地获取隧洞开挖全过程围岩变形监测数据，能提供TBM掘进过程中掌子面前方的预变形和围岩总变形的局限)。

参阅图1和图2，本发明所述基于TBM施工隧洞全过程围岩变形的监测装置主要包括四部分，其一为超前钻机1，1#监测孔2；其二为阵列式位移计3；其三为2#监测孔10，多点位移计11；其四为数据采集装置4(包括自动记录数据采集仪5，数据传输线6，便携式笔记本电脑7)；另有TBM工作部分(包括TBM刀盘8，TBM护盾9)。

参阅图2和图3，当TBM到达预定监测部位后，打开TBM随机配套的超前钻机1钻取1#监测孔2，1#监测孔2位于隧洞顶部，仰角约为3～5°，孔径50mm，孔深约30m；

当1#监测孔2钻孔完毕后进行阵列式位移计3安装埋设，先将测量单元首节311前端放入1#监测孔2内，通过滑轮组34缓慢向1#监测孔2内推进，当测量单元首节311上固定的滑轮组34进入1#监测孔2后，再依次将阵列式位移计其余测量单元节通过滑轮组34推送进入1#监测孔2内，测量单元节31上固定有滑轮组34，能保证阵列式位移计3可以被顺利推送进入1#监测孔2；

阵列式位移计3沿着钻孔深度方向推进平铺展开，测量单元首节311位于1#监测孔2孔底，测量单元尾节313位于1#监测孔2孔口，测量单元尾节313连接阵列式位移计引出电缆33，滑轮组34的两侧滑轮341与1#监测孔2内壁贴合，在测量单元首节311、测量单元尾节313各固定一个滑轮组34，测量单元中间节312按照每3～5m布置一个滑轮组34。

参阅图2和图4，当TBM到达预定监测部位后，利用锚杆钻孔机具钻取2#监测孔10，2#监测孔2位于隧洞顶部，钻孔方向竖直向上，孔径91mm，孔深约20m；

当2#监测孔10钻孔完毕后、进行多点位移计11安装埋设；根据2#监测孔10钻孔深度，选择合理的测点数量，各个锚头111之间的间距从2#监测孔10孔口至孔底依次增加，测杆112与锚头111配套，传感器固定端113安装于2#监测孔10孔口处，做好2#监测孔10孔口保护及多点位移计引出电缆114的敷设与保护。

参阅图3，阵列式位移计3主要由测量单元节31、高强度柔性连接部件32、阵列式位移计引出电缆33、滑轮组34组成；高强度柔性连接部件32两端分别与测量单元节31连接；滑轮组34固定于测量单元节31上；测量单元节31包括测量单元首节311、测量单元中间节312和测量单元尾节313；测量单元首节311和测量单元尾节313分别连接在测量单元中间节312两端；测量单元中间节312有多节；阵列式位移计引出电缆33从测量单元尾节313引出；

阵列式位移计3由一系列连续相接的MEMS加速度传感器构成，数据管理软件可根据传感器测得的数据，经处理后得到每个单元节沿重力方向的空间形态，从而实现对目标物的倾斜和变形监测。

参阅图4，多点位移计11主要由锚头111、测杆112、传感器固定端113和多点位移计引出电缆114组成；

多点位移计11可获取沿2#监测孔10孔深方向，由孔底至孔口的多个沿程不同深度处的变形数据。

参阅图2，数据采集装置4主要包括自动记录数据采集仪5、数据传输线6和便携计算机7；

阵列式位移计引出电缆33和多点位移计引出电缆114与自动记录数据采集仪5连接，自动记录数据采集仪5可提前设置固定采集频次，进行监测数据的自动采集与储存，当定期进行监测数据提取时，将数据传输线6一端与自动记录数据采集仪5连接，另一端与便携计算机7(如便携式笔记本电脑)连接，可提取自动记录数据采集仪5已储存的前一时间段内采集的监测数据。

结合上述示意图说明，本发明所述的基于TBM施工隧洞全过程围岩变形的监测装置来监测隧洞开挖全过程围岩变形的方法，其具体步骤如下：

步骤a)：当TBM到达预定监测部位后，即调整超前钻机1的方位及仰俯角，在隧洞顶部按仰角3～5°进行超前钻取1#监测孔2，1#监测孔2的孔径50mm、深度30m左右；

步骤b)：当TBM到达预定监测部位后，利用锚杆钻机在1#监测孔2附近隧洞顶部向上竖直进行2#监测孔10钻孔，2#监测孔10孔径91mm、深度20m左右；

步骤c)：待1#监测孔2施钻完毕后，对钻孔内部进行清洗，确保1#监测孔2内部无障碍阻挡；

步骤d)：将阵列式位移计3上的测量单元首节311放入1#监测孔2内，缓慢向孔内推进，当测量单元首节311上固定的滑轮组34进入1#监测孔2后，逐节将剩余测量单元节(包括测量单元中间节312和测量单元尾节313)缓慢推入1#监测孔2内；向1#监测孔2孔内推送过程中，注意缓慢均匀用力，遇1#监测孔2孔内有阻碍时可通过反复抽拉克服滞阻，直至将所有测量单元节31送入孔内；

步骤e)：待2#监测孔10钻孔完毕，即可进行多点位移计11安装；多点位移计11安装完毕后，向2#监测孔10孔内灌注水泥浆(水灰比0.5：1)，并做好孔口保护，引出多点位移计引出电缆114保护，便于后期进行人工观测；

步骤f)：待阵列式位移计3和多点位移计11安装完毕，将阵列式位移计引出电缆33、多点位移计引出电缆114与自动记录数据采集仪5连接，自动记录数据采集仪5一般安装于隧洞侧面中下部位置，便于后期进行数据提取，设置好自动记录数据采集仪5的采集频次(一般1～2h/次)，接通电源，开始监测数据自动采集与储存；

步骤g)：监测人员携带便携计算机7与数据传输线6，进行上一时间段内阵列式位移计3和多点位移计11监测数据的提取；通过定期提取自动记录数据采集仪5自动采集的监测数据，可以得到每个测量单元节31的连续数据；

步骤h)：返回后方工作室后，提取携带便携计算机7(如便携式笔记本电脑)上的本地储存数据，进行原始数据的整理与分析，经计算可以得到每个测量单元节31沿时间的连续变形量(1～2h/次)，从而得出隧洞开挖过程中，每个测量单元节31位置的围岩全过程变形数据；

隧洞掘进过程中，通过定期取得的连续观测数据，可得到隧洞开挖全过程围岩变形监测数据，能提供TBM掘进过程中掌子面前方的预变形和围岩总变形，根据隧洞开挖全过程中掌子面前方的预变形和围岩总变形指导动态设计、并反馈施工。

进一步地，数据处理分析过程如下(参阅图5)：

(1)当TBM掘进掌子面与超前钻孔(即1#监测孔2)孔底距离L大于一定限值时(通常取L>5m，根据实际情况确定)，由于1#监测孔2孔底距离TBM较远故受掘进影响较弱，可认为孔底阵列位移计端头处为不动点；

①1#监测孔2孔底处阵列位移计的测量单元首节311编号为1，单节测量单元节的编号自孔底至孔口逐渐增加，单节测量单元节的编号记为i＝1,2,…,n，n为阵列式位移计总节数，n大于或等于2；

②在阵列位移计安装完毕后，取得可靠初始值时记为0时刻；

③在随后TBM掘进过程中的t时刻，在平行于隧洞洞轴线的铅直平面内，基于重力感应原理第i节测量单元节的加速度传感器感测并计算得到的该单节测量单元节与水平方向的夹角为

相对于t-1时刻，第i节测量单元节的角度变化量为

顺时针转动为正，反之为负；则第i节测量单元节在t时刻相对于t-1时刻在铅直方向上的位移变化量为

(l为阵列位移计单节长度)，第i节测量单元节在t时刻在铅直方向上的累计位移量为

式(1)中：i为测量单元节的单节编号，i小于或等于n，n为阵列式位移计总节数，n大于或等于2；t为TBM掘进过程中的时刻，t大于或等于0，单位为时分秒；l为阵列式位移计的测量单元节的单节长度，单位为m；

是累计位移量，单位为m；

为第i节测量单元节在t时刻相对于t-1时刻在铅直方向上的位移变化量，单位为m；

为相对于t-1时刻，第i节测量单元节的角度变化量；

为基于重力感应原理第i节测量单元节的加速度传感器感测并计算得到的该单节测量单元节与水平方向的夹角；

(2)当TBM掘进掌子面与超前钻孔(即1#监测孔2)孔底距离L等于一定限值时(通常取L＝5m，根据实际情况确定)，该时刻记为t_e，第i节测量单元节在t_e时刻在铅直方向上的累计位移量为

式(2)中：i为测量单元节的单节编号，i小于或等于n，n为阵列式位移计总节数，n大于或等于2；t为TBM掘进过程中的时刻，t大于或等于0，单位是时分秒；l为阵列式位移计的测量单元节的单节长度，单位为m；

是累计位移量，单位为m；

为第i节测量单元节在t_e时刻相对于t_e-1时刻在铅直方向上的位移变化量，单位为m；

为相对于t_e-1时刻，第i节测量单元节的角度变化量；

为基于重力感应原理第i节测量单元节加速度传感器感测并计算得到的该单节测量单元节与水平方向的夹角；

(3)当TBM掘进掌子面与超前钻孔(即1#监测孔2)孔底距离L小于一定限值时(通常取L＜5m)(TBM掘进掌子面与钻孔孔底距离＜5m时，钻孔孔口距掌子面距离＞25m)，由于2#监测孔孔底距离TBM较远故受掘进影响较弱，此时以多点位移计最深测点为不动点，该情况下的不动点与L>5m情况下的不动点相反，阵列式位移计各单节测量单元节的铅直方面位移量从1#监测孔2孔口第n至孔底第1节测量单元节开始计算，将之与多点位移计孔口相对变形累加，得到此时1#监测孔2沿孔深方向的总位移量；

①阵列式位移计变形计算(相对于1#监测孔孔口位置的测量单元末节)

在TBM掘进过程中的t(t>t_e)时刻，在平行于隧洞洞轴线的铅直平面内，基于重力感应原理第i节测量单元节的加速度传感器感测并计算得到的该单节测量单元节与水平方向的夹角为

相对于t-1(t-1>t_e)时刻，第i节测量单元节的角度变化量为

逆时针转动为正，反之为负；则第i节测量单元节在t时刻相对于t-1时刻在铅直方向上的位移变化量为

(l为阵列位移计单节长度，且t>t_e)，第i节测量单元节在t(t>t_e)时刻在铅直方向上的相对累计位移量为

式(3)中：i为测量单元节的单节编号，i小于或等于n，n为阵列式位移计总节数，n大于或等于2；t为TBM掘进过程中的时刻，t大于或等于0，单位是时分秒；

为相对累计位移量，单位为m；

为第i节测量单元节在t(t>t_e)时刻相对于t-1(t-1>t_e)时刻在铅直方向上的位移变化量，单位为m；

为第i节测量单元节在t_e时刻相对于t_e-1时刻在铅直方向上的位移变化量，单位为m；l为阵列式位移计的测量单元节的单节长度，单位为m；

为在TBM掘进过程中的t(t>t_e)时刻，在平行于隧洞洞轴线的铅直平面内，基于重力感应原理第i节测量单元节的加速度传感器感测并计算得到的该单节测量单元节与水平方向的夹角；

为相对于t-1(t-1>t_e)时刻，第i节测量单元节的角度变化量；t_e表示TBM掘进掌子面与超前钻孔孔底距离L等于一定限值时(通常取L＝5m，根据实际情况确定)，该时刻记为t_e；

为相对于t_e-1时刻，第i节测量单元节的角度变化量；

为基于重力感应原理第i节测量单元节的加速度传感器感测并计算得到的该单节测量单元节与水平方向的夹角；

②多点位移计变形计算(相对于2#监测孔孔底的不动点)

在TBM掘进过程中的t(t>t_e)时刻，多点位移计孔口处相对于不动点孔底的变形为H^t；

③各测量单元节相对于不动点的累计位移量

假定1#与2#监测孔孔口处的变形一致，则有各测量单元节在t(t>t_e)时刻在铅直方向上的总累计位移为

式(4)中：i为测量单元节的单节编号，i小于或等于n，n为阵列式位移计总节数，n大于或等于2；t为TBM掘进过程中的时刻，t大于或等于0，单位是时分秒；

是累计位移量，单位为m；H^t为在TBM掘进过程中的t(t>t_e)时刻，多点位移计孔口处相对于不动点孔底的变形，单位为m；

为第i节测量单元节在t(t>t_e)时刻在铅直方向上的相对累计位移量；

为第i节测量单元节在t(t>t_e)时刻相对于t-1(t-1>t_e)时刻在铅直方向上的位移变化量，单位为m；

为第i节测量单元节在t_e时刻相对于t_e-1时刻在铅直方向上的位移变化量，单位为m；l为阵列式位移计的测量单元节的单节长度，单位为m；

为在TBM掘进过程中的t(t>t_e)时刻，在平行于隧洞洞轴线的铅直平面内，基于重力感应原理第i节测量单元节的加速度传感器感测并计算得到的该单节测量单元节与水平方向的夹角；

为相对于t-1(t-1>t_e)时刻，第i节测量单元节的角度变化量；t_e表示TBM掘进掌子面与超前钻孔孔底距离L等于一定限值时(通常取L＝5m，根据实际情况确定)，该时刻记为t_e；

为相对于t_e-1时刻，第i节测量单元节的角度变化量；

为基于重力感应原理第i节测量单元节的加速度传感器感测并计算得到的该单节测量单元节与水平方向的夹角；

(4)基于以上计算方法和步骤，可得到任意时刻t任何单节测量单元节i在铅直方向上的累计位移量

该累计位移量也即是隧洞围岩在铅直方向上的沉降量，正值为下沉，反之为上抬。

本发明的监测隧洞开挖全过程围岩变形的装置及方法中，利用TBM配套的超前钻机和锚杆钻机(本发明中的超前钻机1用于钻取1#监测孔2；锚杆钻机是用于钻取2#监测孔10)来钻孔安装阵列式位移计和多点位移计，作为围岩变形的测量装置，通过引出电缆与自动记录数据采集仪连接，采用本地采集方式，能高效低成本地获取隧洞开挖全过程围岩变形监测数据，能提供TBM掘进过程中掌子面前方的预变形和围岩总变形，实现隧洞围岩变形全过程动态监测，为预判TBM开挖隧洞围岩变形响应、合理确定支护参数提供真实可靠的数据支撑，并反馈到隧洞开挖动态设计及施工中，避免隧洞开挖后因围岩卸荷变形过大导致TBM卡机或支护过强造成浪费。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (10)

1.一种基于TBM施工隧洞全过程围岩变形的监测装置，其特征在于：包括超前钻机(1)、阵列式位移计(3)、数据采集装置(4)和多点位移计(11)；

超前钻机(1)设置在TBM上；超前钻机(1)在隧洞开挖上半部180°范围内钻孔、且调节钻孔仰俯角度为0～8°；

阵列式位移计(3)位于超前钻机(1)在隧洞上形成的1#监测孔(2)中；

多点位移计(11)位于锚杆钻机在隧洞上形成的2#监测孔(10)中；

阵列式位移计(3)用于测量隧洞轴线方向的超前钻孔的围岩深部变形；多点位移计(11)用于测量超前钻孔孔口位置的围岩深部变形；

阵列式位移计(3)和多点位移计(11)分别与数据采集装置(4)连接。

2.根据权利要求1所述的基于TBM施工隧洞全过程围岩变形的监测装置，其特征在于：阵列式位移计(3)包括测量单元节(31)、高强度柔性连接部件(32)、阵列式位移计引出电缆(33)、滑轮组(34)；

高强度柔性连接部件(32)两端分别与测量单元节(31)连接；滑轮组(34)固定于测量单元节(31)上；

测量单元节(31)包括测量单元首节(311)、测量单元中间节(312)和测量单元尾节(313)；测量单元首节(311)和测量单元尾节(313)分别连接在测量单元中间节(312)上；测量单元中间节(312)有多节；

阵列式位移计引出电缆(33)从测量单元尾节(313)引出。

3.根据权利要求2所述的基于TBM施工隧洞全过程围岩变形的监测装置，其特征在于：测量单元节(31)采用高强度钢作为保护外壳，内置加速度传感器。

4.根据权利要求3所述的基于TBM施工隧洞全过程围岩变形的监测装置，其特征在于：高强度柔性连接部件(32)的抗拉强度为0.5MPa；阵列式位移计引出电缆(33)外包裹耐磨织物保护层。

5.根据权利要求4所述的基于TBM施工隧洞全过程围岩变形的监测装置，其特征在于：滑轮组(34)包括多个滑轮(341)；

测量单元节(31)两侧各设置一个滑轮(341)。

6.根据权利要求5所述的基于TBM施工隧洞全过程围岩变形的监测装置，其特征在于：多点位移计(11)包括锚头(111)、测杆(112)、传感器固定端(113)和多点位移计引出电缆(114)；锚头(111)设置在测杆(112)上；

测杆(112)设置在传感器固定端(113)上；多点位移计引出电缆(114)从传感器固定端(113)引出。

7.根据权利要求6所述的基于TBM施工隧洞全过程围岩变形的监测装置，其特征在于：锚头(111)有多个；测杆(112)有多根；每个锚头(111)配套设置在一根测杆(112)上。

8.根据权利要求7所述的基于TBM施工隧洞全过程围岩变形的监测装置，其特征在于：数据采集装置(4)包括自动记录数据采集仪(5)、数据传输线(6)和便携计算机(7)；

阵列式位移计引出电缆(33)、多点位移计引出电缆(114)分别与自动记录数据采集仪(5)连接；

自动记录数据采集仪(5)通过数据传输线(6)与便携计算机(7)连接。

9.采用权利要求1-8中任一权利要求所述的基于TBM施工隧洞全过程围岩变形的监测装置来监测TBM施工隧洞全过程围岩变形的方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤a)：当TBM到达预定监测部位后，调整超前钻机(1)方位及仰俯角，在隧洞顶部按仰角3～5°进行超前钻取1#监测孔(2)，1#监测孔(2)的孔径50mm、深度30m；

步骤b)：当TBM到达预定监测部位后，利用锚杆钻机在1#监测孔(2)的隧洞顶部向上竖直进行2#监测孔(10)钻孔，2#监测孔(10)的孔径91mm、深度20m；

步骤c)：待1#监测孔(2)钻孔完毕、且孔内清洗干净后，进行阵列式位移计(3)推送入孔工作，将测量单元首节(311)及固定的滑轮组(34)放入1#监测孔(2)内，然后逐节缓慢地将后续测量单元节(31)通过滑轮组(34)推送入1#监测孔(2)内，直至测量单元尾节(313)置入1#监测孔(2)内；

步骤d)：待2#监测孔(10)钻孔完毕，进行多点位移计(11)安装，多点位移计(11)安装完毕后，向2#监测孔(10)内灌注水泥浆，并做好孔口保护，引出多点位移计引出电缆(114)；

步骤e)：待阵列式位移计(3)和多点位移计(11)安装完毕，将阵列式位移计引出电缆(33)、多点位移计引出电缆(114)与自动记录数据采集仪(5)连接；自动记录数据采集仪(5)安装于隧洞侧面中下部位置；设置自动记录数据采集仪(5)的自动采集频次，接通电源，开始监测数据自动采集与储存；

步骤f)：现场人员定期携带便携计算机(7)与数据传输线(6)，进行上一时间段内自动记录数据采集仪(5)监测数据的提取；

步骤g)：返回后方工作室后，提取便携计算机(7)上的本地储存数据，进行原始数据的处理与分析；

隧洞掘进过程中，通过定期取得的连续观测数据，得到隧洞开挖全过程中的围岩变形，以指导动态设计、并反馈施工。

10.根据权利要求9所述的监测TBM施工隧洞全过程围岩变形的方法，其特征在于：数据处理分析时，当TBM掘进掌子面与1#监测孔(2)孔底距离≥5m时，以1#监测孔(2)孔底作为不动基准点，推算沿1#监测孔(2)深度方向的阵列式位移计每个单元节的变形量；

数据处理分析时，当TBM掘进掌子面与1#监测孔(2)孔底距离＜5m时，1#监测孔(2)孔口距掌子面距离＞25m，以1#监测孔(2)的孔口多点位移计(11)最深测点作为不动基准点，得到1#监测孔(2)孔口相对于2#监测孔(10)孔底的变形，进一步推算沿1#监测孔(2)深度方向的阵列式位移计每个单元节的变形量；

数据处理分析时，通过定期取得的阵列式位移计(3)和多点位移计(11)连续观测数据，按上述方法计算得到每个单元节沿时间的连续变形量，从而得出隧洞开挖过程中，阵列式位移计每个单元节位置的围岩全过程变形数据。

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