基于聲發射試驗的TBM隧道施工圍巖損傷及應用研究*

趙海雷，錢彤途，孫振川，張 兵，楊延棟，黃 興

(1.中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458； 2.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001； 3.西安電子科技大學，陜西 西安 710071；4.中國科學院武漢巖土力學研究所，湖北 武漢 430071)

0 引言

全斷面隧道掘進機作為巖石隧道工程中最先進的開挖裝備，在我國已廣泛應用于鐵路、水利水電、城市軌道工程及煤礦巷道工程等領域[1]。與傳統的鉆爆法相比，隧道掘進機(TBM)可實現連續掘進，同時完成破巖、出渣和支護等作業，掘進速度為常規鉆爆法的3～10倍，具有施工速度快、效率高、隧道成型好、對周邊環境影響小、作業安全及節省勞動力等優點，特別適用于深埋長隧道施工[2-5]。隨著TBM在隧道掘進中的廣泛應用，國內外眾多學者針對TBM的破巖機制、圍巖擾動損傷演變規律及實際工程應用中遇到的問題從多個角度進行了分析研究。

初步研究表明，鉆爆法和TBM法開挖對深部圍巖變形破壞行為、圍巖應力場及其演化特征的影響具有顯著差異[6-7]。相對于鉆爆法開挖，TBM法是逐漸向前開挖，圍巖卸荷具有連續性，可認為應力變化處于相對靜態，掘進過程中圍巖的受擾范圍較小，導致隧道周邊圍巖松動范圍相對較小。受殘余應力影響，圍巖中封閉了較高能量，應力集中現象較明顯，隧道開挖后若不進行及時支護，會增大圍巖破壞力，加大TBM掘進過程中被卡風險[8]。但目前多為理論研究隧道開挖過程中圍巖的損傷破壞規律，現場數據獲取不多，結果往往難以指導現場施工[9-10]。聲發射作為一種先進的監測手段，可綜合全面地研究圍巖破裂損傷時空演化規律、破裂損傷機理及破裂強度[11]。國內外許多專家學者利用聲發射在室內及現場開展了大量研究工作。例如，Marin等[12]開展了隧道及洞室聲發射監測，對隧道開挖后圍巖的損傷與破壞進行了全面研究，并根據聲發射現場監測數據與分析結果，提出基于張拉破壞的破壞源尺寸評價模型；李庶林等[13]、趙興東等[14]進行了單軸受壓巖石破壞全過程聲發射特征研究，得到巖石破壞全過程力學特征和聲發射特征；徐速超等[15]進行了矽卡巖單軸循環加卸載試驗及聲發射特性研究，得出矽卡巖在循環加卸載作用下具有反凱塞效應的結果。

以上大量研究揭示了聲發射監測技術的獨特性，但目前對聲發射監測技術的研究主要通過室內試驗和理論分析，針對現場數據展開的研究大部分也是基于鉆爆法施工，對于TBM施工過程中圍巖損傷聲發射現場監測數據的處理，可供借鑒的案例很少。基于此，為了獲得高黎貢山隧道正洞TBM開挖過程中圍巖損傷的變化過程，開展了深埋硬巖TBM施工過程中聲發射監測試驗，為獲取復雜地質條件下超前鉆孔的打設區域、支護錨桿打設深度及高地應力區TBM合理的掘進參數提供科學依據。

1 工程概況

高黎貢山隧道作為大理—瑞麗鐵路的控制性工程，具有“三高四活躍”的地質特點，施工條件十分艱苦，隧道全長34.5km，其中出口段13.5km，最大埋深1 155m。TBM施工段含4條斷層和2段蝕變巖帶，存在破碎、易收斂變形、涌水、高地溫等不良地質，對TBM在復雜地質條件下的適應性提出了挑戰。隧道出口分為正洞和平導洞，正洞采用國產直徑9.03m“彩云號”TBM施工，平導洞采用國產6.36m“彩云1號”TBM施工，平導洞TBM先于正洞TBM始發掘進。該隧道TBM掘進段如圖1所示。

圖1 高黎貢山隧道TBM掘進段示意(單位：m)

2 聲發射試驗

2.1 聲發射系統

本試驗采用由AE傳感器、前置放大器、聲發射采集卡、主機系統和處理軟件等組成的SHSM型聲發射儀，其工作原理如圖2所示。試驗中采用PVC管作為推送桿將探頭安裝至預定位置，水是良好的耦合劑，因此鉆孔內一直保持有水狀態。在TBM不斷推進過程中，該系統可實現在掌子面前后一定范圍內不間斷實時監測。

圖2 聲發射監測系統及原理

2.2 監測鉆孔與聲發射探頭布置

為了完整監測TBM經過監測斷面前后的圍巖擾動情況，放置探頭的鉆孔末端與正洞留有一定間距以保證探頭不被損壞。聲發射參數依據探頭所接收到的聲發射信號確定，因此探頭的布置影響接收信號的質量，決定了定位算法速度和結果的可靠度。根據定位算法特點和現場試驗可行性，盡量發揮探頭空間陣列作用，將試驗用8個探頭布置在1-1，2-2號斷面，每個斷面4個探頭，4個探頭位于近似菱形的頂點，8個探頭連起來形成棱柱，其中，兩斷面間距4m，每個斷面布設3個鉆孔，長度分別為22，21，23m，傾角向下分別為2°，4°，6°，中間的1個鉆孔為備用鉆孔，在試驗中并未使用。探頭具體布置以1-1號斷面為例，上、下分別布置67，72，69，79號4個探頭，孔內探頭間距為4m，距孔底1m，如圖3所示。聲發射監測區域如圖4所示。為了保證傳感器和孔壁耦合，孔內須保持有水狀態。

圖3 1-1號斷面鉆孔布置(單位：m)

圖4 聲發射監測區域

2.3 聲發射監測參數設置

試驗參數準確性直接關系監測結果真實度和可信度。本次試驗現場條件復雜，巖體節理、裂隙較發育，存在滲流現象，對聲發射應力波的傳播可能存在較強衰減效應，因此，選用峰值頻率為16.6kHz的R.45I.C型低頻聲發射探頭，所采集應力波具有更遠穿透性和傳播距離，試驗中的定位結果顯示，該型傳感器接收的最遠聲源信號距離可達18m。

1)波速設置 高黎貢山隧道正洞掌子面聲發射監測孔的單孔聲波測試結果顯示，該處巖體的平均波速為4.38km/s，現場所取巖樣通過室內聲發射系統AST(自動傳感器測試)功能測試顯示其平均波速為4.21km/s，由于現場巖體相對完整，且所取試樣試驗值與現場實測值相差不大，因此取實測值4.38km/s作為該處巖體的平均波速。

2)濾波參數設置 試驗中采用聲發射系統進行連續監測，TBM掘進過程中伴隨著多種噪聲干擾。監測過程中采用水作為耦合劑，可自然去除應力波中的剪切波；為盡可能屏蔽絕大部分電磁干擾，傳感器信號傳輸線和聲發射儀均用金屬材料包裹；為有效獲取巖石破裂聲發射信號，最大限度消除噪聲信號，將信號振幅閾值設為40dB；考慮所選用傳感器的響應頻譜，將模擬濾波器的頻率采集范圍設為1～100kHz；在聲發射系統輸出的定位結果中，設置濾除了平均頻率較低的聲發射事件(低于5kHz)及q值(代表定位準確度，范圍為0～1，其值越接近1表明定位越準確)較小(小于0.5)的聲發射事件。

由于TBM工作過程由掘進、立拱、噴射混凝土、換刀、換步及故障停機等多部分組成，為研究TBM掘進狀態下掌子面前后巖體的擾動情況，對照TBM監控系統的時間-狀態-樁號記錄，僅選取各時間段掘進狀態下監測到的聲發射事件進行分析，而忽略停機狀態下可能定位到的聲發射事件。聲發射監測中的典型信號波形如圖5所示，可知由該型聲發射傳感器采集得到的應力波有效頻率范圍集中在10～100kHz。

圖5 聲發射監測中的典型信號波形

3)波形設置 采集卡采樣頻率為 1MHz，預觸發時間256μs，每個聲發射事件波形記錄長度1k。

4)定位設置 定位類型為三維定位，定位參數波速為 4.2km/s，迭代次數為256次。

綜上所述，市政工程綠色施工技術需要施工人員樹立綠色環保意識，在施工過程中注意環境保護，節約水資源，避免對周圍環境與居民生活造成影響。綠色施工需要合理設計市政工程施工組織、保證施工材料綠色環保、保證市政工程施工環境，控制污染。

3 聲發射動態監測區域范圍確定

聲發射系統具有不間斷實時監測的特點，試驗中該系統監測掌子面在監測斷面前后一定范圍內的聲發射現象，試驗結果反映了該監測區域圍巖在距掌子面不同距離和TBM在不同參數條件下掘進的損傷演化過程。現場聲發射監測定位結果顯示，在傳感器陣列包裹的區域及區域外都定位到聲發射事件，這表明掌子面前方一定區域巖體均在TBM開挖影響范圍內。為了選定監測區域范圍，選取某一時間段聲發射結果進行重放，如圖6所示，經過統計分析可發現，聲發射事件基本集中在傳感器包裹的5m×5m×5m空間范圍內，而在其他區域聲發射事件離散程度高，定位可靠度也大大降低，因此選取該空間為監測區域。以隧道軸線和監測區域對稱面的交點為原點，掘進方向為z軸，豎直方向為y軸，紙面向外為x軸建立空間坐標系，其中原點為實際隧道中對應樁位224+550m處。

圖6 某一時間段聲發射重放及投影

4 掌子面距離及掘進速度對圍巖損傷演化影響

4.1 沿軸向圍巖損傷演化規律

為探究掌子面距離對圍巖的擾動情況，將掌子面距離和聲發射事件、能量總數對應起來。本次試驗監測了TBM穿過隧道樁位224+565—224+535m時監測區域內的聲發射事件(監測區域為224 550±2m)，此區間TBM開始掘進時間為某日11:11，截止時間為次日11:48，共持續24h37min，由于期間TBM工作具有不連續性，聲發射系統只在TBM工作時采集信號，前、后共采集到22組數據，完整記錄了掌子面推進過程中的圍巖擾動情況。

聲發射現象活動規律如圖7所示，TBM開挖單位長度聲發射系統在監測區域內定位到的聲發射事件數用單位長度事件個數表示，定位到的聲發射事件能量之和則用單位長度事件能量表示[16]。其中，橫坐標正數表示TBM已經過聲發射監測斷面，負數表示TBM還未過監測斷面。

圖7 TBM掘進時監測區域內聲發射活動規律

由圖7可知，當掌子面掘進到距監測中心-9m以上時，監測區域內定位到的聲發射事件極少。掘進到距監測中心-9～0m(-D～0，D為洞徑)時逐漸監測到聲發射事件，巖石中的能量也隨之釋放，證明該段隧道圍巖已受到擾動與損傷，其中，距離-8m時聲發射事件數和能量有一集中區，分析原因可能與TBM掘進速度有關。當掌子面距監測中心0～7m時，監測區域內定位到的聲發射事件數和能量釋放開始大幅度增加，并在3m時達到峰值，說明在掌子面穿越監測區域過程中及穿過后一小段距離的時間內，圍巖由于受到應力擾動影響及開挖卸荷作用，節理、裂隙快速擴展，圍巖中累計的彈性變形急劇釋放，轉化為波的形式向空間傳播。隨著TBM向開挖面繼續推進，監測區域內圍巖所受擾動逐漸降低，聲發射事件逐漸減少，能量釋放也逐漸降為零。

TBM在深埋隧道掘進時，由于原巖應力較高，掌子面附近經常會出現巖爆現象，崩落的大尺寸塊石常常導致卡機事件發生。為了降低在高應力區掘進時巖爆事件的發生率，可在掌子面前方一定區域提前鉆孔進行應力釋放。由以上分析可知，圍巖受擾動，節理、裂隙擴展主要集中在掌子面正前方及后方一定距離，因此提前鉆孔的位置可設在高應力區域正前方，鉆孔深度在9m左右較合適。

4.2 沿徑向圍巖損傷演化規律

為了分析圍巖擾動在徑向的分布規律，選取不同時刻監測區域內的聲發射事件在監測斷面上的投影進行分析。由TBM掘進時監測區域內聲發射活動規律可知，掌子面距離監測斷面0～7m時，聲發射現象比較劇烈，因此，選取掌子面距監測斷面1，3，5m時的聲發射活動進行分析，得到徑向聲發射活動規律如圖8所示。

圖8 不同時刻徑向聲發射活動規律

由圖8可知，隨著距隧道內壁距離的增加，聲發射事件數呈快速遞減趨勢，圍巖破裂釋放的能量變化和聲發射事件數量變化趨勢一致。其中，在距離隧道內壁0～2m時，聲發射事件個數和能量釋放保持在一個較高水平，說明圍巖此時由于卸荷作用，原來受擠壓的節理、裂隙逐漸大規模擴展，能量釋放也逐漸增多，微裂紋形成與貫通，形成松動區；在2～9m時，聲發射事件數和圍巖破裂釋放的能量都處于較低水平，主要因為該區域圍巖以舊裂隙的擴展和新裂隙的萌生微破裂為主，且隨著距離的增加微破裂的數目逐漸減小，該區域定義為損傷區；在距離隧道內壁9～14m時，受監測設備空間布置的限制，不能準確、完整監測到聲發射活動，但從監測到的信號來看，聲發射事件數和圍巖破裂釋放能量基本上處于低水平，該區域定義為圍巖擾動區。

基于以上分析，在施工支護時，為了保證圍巖安全，按照要求，錨桿的錨固深度須穿過松動區，且保證其在完整巖石區的入巖深度不小于1m，因此，建議施工現場不良地質段錨桿打設深度不小于3m。

4.3 掘進速度對圍巖損傷演化影響

圍巖擾動是受巖石自身完整性及外力作用綜合因素影響的結果，這不僅包括與掌子面的距離，還包括TBM掘進過程中的參數變化，尤其是掘進速度的影響最大。為探究TBM掘進速度對圍巖擾動的影響，提取一段時間內不同時刻的TBM掘進速度進行分析。由于聲發射活動的統計單位為個/m，為了與聲發射活動統計單位相匹配，選取每米時間段內TBM掘進速度平均值作為該段的速度，并將聲發射活動和掘進速度進行相關性比較，如圖9所示。

圖9 聲發射活動與掘進速度相關性比較

由圖9可知，在監測時間段內，TBM掘進速度整體較平穩，變化不大，個別區段略有浮動。在掌子面距監測中心-9～-7m時，掘進速度有小幅度增大，聲發射事件個數也隨之有小幅度增加，而此時由于距掌子面較遠，對監測區域的影響較穩定，因此，推斷該處波動是受掘進速度的影響，隨著掘進速度提高，TBM刀盤對掌子面的壓力增大，圍巖受到的應力波幅度和頻率都有所提高，圍巖節理、裂隙擴展增加，損傷演化范圍和速率也隨之增加。在掌子面臨近監測區域時，TBM掘進速度較穩定，監測區域的聲發射活動主要受掌子面影響，掘進速度的影響無法推斷。當TBM掘進到高應力地區時常產生巖爆現象，通過提前進行鉆孔泄壓，在一定程度上可起到降低巖爆發生強度和概率作用。此外，適當降低掘進速度、減小刀盤軸向壓力、降低圍巖受應力波影響，也可在一定程度減少巖爆危害。

5 結語

1)沿隧道軸線方向，TBM掘進時掌子面前約9m范圍內圍巖已開始受到不同程度的損傷與擾動，TBM開挖后圍巖損傷破裂主要集中在掌子面后7m范圍內，其中掌子面后3m時最大。

2)沿隧道徑向，圍巖擾動范圍為0～14m，其中2m范圍內為松動區，2～9m為損傷區，9～14m為擾動區。

3)在掌子面前進行應力解除操作時，鉆孔布置應確保穿過聲發射強活動區域，深度以9m為宜。

4)在掌子面后，應在強損傷破裂區形成前及時對圍巖進行噴錨支護，盡量保證圍巖的完整性，錨桿長度要足以穿過松動區，保證其在完整巖石區的入巖深度不小于1m，建議施工現場不良地質段錨桿打設深度不小于3m。

5)TBM掘進到高應力區域時，為了防止巖爆等自然災害發生，一方面可提前進行鉆孔泄壓，另一方面可適當降低掘進速度，減小刀盤軸向壓力。