TBM隧道巖爆機理及預(yù)防措施研究

摘要：運用TMB施工時，遭遇到巖爆地質(zhì)災(zāi)害的狀況概率極大，由此導(dǎo)致TMB損壞、報廢的事故時有發(fā)生，嚴重時甚至造成人員傷亡事故。巖爆對施工的安全隱患極大，為了預(yù)防并減少TMB隧道掘進過程中巖爆的發(fā)生，通過對巖爆發(fā)生的特點、條件進行闡述，并對TBM隧道掘進時巖爆發(fā)生機理及預(yù)防措施進行分析研究。

關(guān)鍵詞：隧道;TBM巖爆;預(yù)防措施

0" "引言

TMB掘進機作為目前在施工中常用于深埋隧道挖掘的一種機器，具有高效作業(yè)、有效縮短工期、提高施工質(zhì)量等優(yōu)勢。隧道掘進機可以分為全斷面隧道掘進機（Tunnel Boring Machine）和部分斷面掘進機。全斷面隧道掘進機（TBM）主要以巖石地層為掘進對象，因其具有一次開挖完成隧道、安全系數(shù)高、對環(huán)境的污染小、施工工期短等特點而被廣泛應(yīng)用。TBM與盾構(gòu)的主要區(qū)別就是不具備泥水壓、土壓等維護掌子面穩(wěn)定的功能，開挖速度是傳統(tǒng)鉆爆工法的5倍，所以目前大型工程項目如地鐵隧道、地下管線隧道的建設(shè)工程項目中大都采用TBM進行作業(yè)。

在高速公路施工當中，遭遇到高埋深隧道的情況越來越多，而在這些工程當中均會遭遇到一些斷層破碎巖體等不良地質(zhì)條件。如果在施工之前，不能及時探查這些不良地質(zhì)空間的位置和形態(tài)，制定有效的處理解決辦法，那么極有可能在施工過程中出現(xiàn)巖爆、塌方等的地質(zhì)災(zāi)害，嚴重危害到施工人員的生命安全。

TMB具有高效作業(yè)、有效縮短工期、提高施工質(zhì)量等優(yōu)勢，但其對不良地質(zhì)和變化幅度較大的地層適應(yīng)力較差。運用TMB施工時，遭遇到巖爆地質(zhì)災(zāi)害的狀況概率極大，由此導(dǎo)致TMB損壞、報廢的事故時有發(fā)生，嚴重時甚至造成人員傷亡事件。為此在施工前，科學開展地質(zhì)情況調(diào)查，針對可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害制定必要的防御措施，是提高TMB施工的安全可靠性和防范巖爆地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要手段。

1" "巖爆概述

1.1" "巖爆的概念

巖爆是在工程施工進行挖掘時，改變了巖體周圍環(huán)境，使得巖石平衡的地應(yīng)力被破壞，造成地勢被破壞的巖石地質(zhì)層向挖掘臨空面剛性彈性模量發(fā)生變化，進而導(dǎo)致因挖掘造成的破碎的巖石能量釋放的現(xiàn)象。

1.2" "隧道巖爆發(fā)生的條件

進行高埋深隧道挖掘施工，會使施工隧道內(nèi)周圍巖石的應(yīng)力場環(huán)境發(fā)生極大改變。當巖石所能夠承受的最大壓強超過巖石周圍環(huán)境的地應(yīng)力時，巖石保持地應(yīng)力均衡。當巖石周圍被挖掘采空時，巖石四周均一的地應(yīng)力就會分散、轉(zhuǎn)移，之后巖石在被挖空方向發(fā)生地應(yīng)力狀態(tài)變化，最終以巖爆的表現(xiàn)形式表現(xiàn)出來。

整塊的巖石在周圍出現(xiàn)臨空環(huán)境時易產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象。由于完整的巖石具有較高的彈性模量，一旦出現(xiàn)臨空面巖石均衡的地應(yīng)力被改變，只能向臨空面進行散發(fā)，進而產(chǎn)生巖爆。TMB這種隧道掘進方式，在巖石中掘進時對周圍巖石破壞較小，可以較好地保持巖石周圍的整體性。但是在巖石能量聚集彈性模量較大的地方，依舊無法避免在施工過程中出現(xiàn)巖爆狀況。

1.3" "巖爆特點

巖爆的特點較多，主要有突發(fā)性、危害性、衰減性等。巖爆在未發(fā)生前并無明顯的預(yù)兆，是一種突然間的能量的釋放，即使在發(fā)生之前做過相關(guān)的巡查。巖爆的發(fā)生往往會造成開挖工作破壞、設(shè)備損壞和人員傷亡等，是巖石地下工程和巖石力學領(lǐng)域的難題。巖爆時，巖塊從圍巖母體彈射出來，一般呈中厚邊薄的不規(guī)則片狀。巖爆發(fā)生的地點，多在新開挖工作面及其附近，個別的也有距新開挖工作面較遠處。巖爆發(fā)生的頻率和強度隨著暴露后的時間延長而衰減。

2" "TBM工作原理

2.1" "盤形滾刀破巖機理

在機器巨大的向前推進力作用下，安裝在最前端刀盤上的盤型滾刀緊挨著待掘進的巖體，隨著盤型滾刀刀盤的轉(zhuǎn)動，機器向前推進。當巖石所能承受的最大抗壓強量低于TMB掘進向前的推力時，巖石隨著刀盤的轉(zhuǎn)動進而產(chǎn)生剝落，掌子面被盤形滾刀擠壓碎裂從而形成多道同心圓溝槽。隨著溝槽深度的增加，巖體外表裂紋加深擴大，當超過巖石的縱切和拉伸強度時，相鄰?fù)膱A溝槽間的巖石成片剝落。TMB掘進時會對后方巖層進行擠壓，巖石破碎更有利于掘進工作的進行。

2.2" "掘進機工作機理

掘進機支撐板撐緊洞壁，以承受刀盤掘進時傳來的反作用、反扭矩。刀盤旋轉(zhuǎn)，推進液壓缸推壓刀盤，一組盤形滾刀切入巖石，在巖面上作同心圓軌跡滾動破巖，巖碴靠自重掉入洞底，由鏟斗將其鏟起，巖碴靠巖碴自重經(jīng)溜槽落入皮帶機出碴，從而連續(xù)掘進成洞。

3" "巖爆的預(yù)測方法

3.1" "建模分析法

在隧道工程項目施工前，根據(jù)項目的調(diào)查情況和對項目地已有的勘測資料和數(shù)據(jù)，通過概念模型及數(shù)學模型對該項目進行建模。然后通過三維有限元數(shù)值運算、反演分析以及對隧道不同開挖工序的模擬，初步模擬分析出項目施工區(qū)域地應(yīng)力的數(shù)量級閾值、施工中可能發(fā)生巖爆的具體位置及巖爆所涉及的范圍大小。依據(jù)建模分析結(jié)果，設(shè)計切實可行的實施方案及應(yīng)急管理措施，將危害降低到最小。建模分析法可以為施工中巖爆的防治和處理提供初步的理論依據(jù)。

3.2" "超前地質(zhì)探測分析法

巖爆發(fā)生雖然是突發(fā)性的，但是根據(jù)其發(fā)生所具備的相關(guān)條件，可以應(yīng)用先進的探測技術(shù)對其進行預(yù)報。目前，超前地質(zhì)探測分析主要有超前鉆探、雷達、聲反射、紅外線探測等方法。將幾種方法綜合運用，判斷可能發(fā)生巖爆高地應(yīng)力的范圍，可使制定的施工方案和技術(shù)路線更加合理、科學、安全。眾所周知，許多工程項目在施工前和施工中都使用超前地質(zhì)探測技術(shù)。使用超前地質(zhì)探測技術(shù)，為施工過程中的巖爆現(xiàn)象提前準備應(yīng)急措施，提前處理施工中可能遇到的不利影響，有利于隧道開挖工作安全、有序的進行。

3.3" "巖芯餅化法

巖芯餅化是一種巖體力學現(xiàn)象，高地應(yīng)力區(qū)鉆井過程中巖芯裂成餅狀較為普遍。巖餅厚度與巖芯的直徑大小有著比例關(guān)系，一般約為直徑的1/4到1/5，所以即使在施工操作時選取類型大小不同的鉆孔，只要操作的孔徑相同，那么所取得巖餅的厚度就大致相近。所有巖餅的表面均為新鮮破裂面，且邊緣部分粗糙，多數(shù)內(nèi)部隱約見有順槽。

一般通過對比分析施工鉆取所得的巖屑和取出的巖芯成分，來進行巖爆的預(yù)測。針對強度較低的巖石地質(zhì)，可以依據(jù)鉆出巖屑體積大小與理論鉆孔體積大小的比值，來分析判斷巖爆發(fā)生的幾率大小。同時在鉆孔過程中，可以通過鉆頭與巖石之間的摩擦聲等現(xiàn)象，作為巖爆發(fā)生幾率的輔助判斷信息。

3.4" "微震監(jiān)測法

微震監(jiān)測是指在TMB掘進過程中通過儀器，對掘進過程中周圍巖石發(fā)生震動的情況進行檢測、數(shù)據(jù)記錄，并對震動數(shù)據(jù)進行分析評價的一種方法。微地震監(jiān)測技術(shù)通過采用一些HSP、BEAM等的方法進行微震監(jiān)測，對TMB掘進過程中前方巖石周圍環(huán)境改變時，發(fā)生細微振動的情況進行有效反饋，觀測和分析TMB掘進時巖體周圍中產(chǎn)生的微小地震事件，來監(jiān)測其對巖石地引力變化的影響。微震監(jiān)測法可以實現(xiàn)實時、全方位、立體、數(shù)字化、遠程監(jiān)測。

當巖石整體由于由于人為因素或自然因素發(fā)生破裂、移動時，產(chǎn)生的一種微弱地震波向周圍傳播。通過在巖石地質(zhì)層破裂區(qū)周圍的空間內(nèi)布置多組檢波器，可實時采集微震數(shù)據(jù)。微震數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，采用震動定位原理，可確定破裂發(fā)生的位置，并在三維空間上顯示出來。通過在掌子面隧道邊墻預(yù)埋敏感元件，對發(fā)生在掌子面前方的微震進行捕捉，給巖爆的預(yù)防提供依據(jù)。微震越多、越密集，該位置巖爆可能性就愈大。對于微震越密集的部位，在施工中必須采取相應(yīng)的措施。

3.5" "TMB掘進參數(shù)的調(diào)整

在易發(fā)生巖爆的地質(zhì)段，對TMB掘進施工參數(shù)進行合理匹配，可以有效減少對巖石周圍地應(yīng)力環(huán)境變化，防止巖爆的發(fā)生，進而保障TMB掘進工作的順利開展。在掘進開始時，要選擇較為低的TMB掘進速度，待周圍巖石環(huán)境的變化趨于穩(wěn)定后，可以上調(diào)掘進速度。但要控制好TMB掘進的推進速度，嚴格控制好貫入度值。

在掘進當中如果遇到較為細碎的巖石層，要降低TMB的掘進推力、速度，及時觀察掘進時電機電流和扭矩的變化情況。同時TMB掘進的刀盤轉(zhuǎn)速要及時調(diào)低，防止細碎巖石出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象。同時注意傳送帶上碎石渣的傳送狀況，保證皮帶機上碎石傳送量少且不連續(xù)。

4" "巖爆的處治措施

4.1" "開展宏觀地質(zhì)應(yīng)力矢量研究

在進行TMB掘進施工時，對進行掘進施工時隧道周圍宏觀的地質(zhì)情況進行研究必不可少。其中主要是對掘進區(qū)域內(nèi)主要地應(yīng)力進行研究，主要地應(yīng)力的大小及方向?qū)κ┕て鸬街匾挠绊懽饔谩Ｈ绻麕r石地應(yīng)力方向和掘進隧道的方向一致，則極少發(fā)生巖爆現(xiàn)象。若巖石地應(yīng)力方向與掘進隧道成斜交叉或正交叉狀態(tài)，則極易在TMB掘進施工過程中出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。這是由于對隧道經(jīng)過挖掘后，相當于在完整巖石中出現(xiàn)臨空面，使得巖石周圍環(huán)境發(fā)生劇烈變化，巖石穩(wěn)定的地引力狀態(tài)被破壞，巖石巨大的彈性模量爆發(fā)，巖石向臨空面進行力的轉(zhuǎn)移，進而發(fā)生巖爆現(xiàn)象。

4.2" "對挖掘的隧道進行支撐保護

TMB隧道掘進施工破壞了巖石周圍環(huán)境的穩(wěn)定，使得巖石穩(wěn)定的地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)展轉(zhuǎn)變。為了避免巖石整體性破壞，破碎后的巖石失去穩(wěn)勢，需在施工過程中采取一定措施，對掘進區(qū)域內(nèi)的巖石進行有效支護。常用的支護方法有超前錨桿、管棚支護、超前小鋼管支護等。巖石破碎情況不同，采取的支護方式也不同。

4.3" "進行有效的微震監(jiān)測

在TMB掘進隧道施工時要進行微震監(jiān)測，提前對前方巖石地質(zhì)進行預(yù)測分析。可通過采用一些HSP、BEAM等方法進行微震監(jiān)測，對TMB掘進時前方巖石周圍環(huán)境改變時發(fā)生細微振動的情況進行有效反饋，對巖石進行的微震狀態(tài)進行捕獲進行分析。如果進行掘進時前方巖石微震頻率增加，微震密集，則巖石發(fā)生巖爆的幾率較大。可通過提前鉆孔釋壓和提前強支護，對巖石地引力進行改變，以利于巖石內(nèi)部巨大的彈性模量的及早釋放，從而減少或避免巖爆的產(chǎn)生。

4.4" "合理控制TMB掘進參數(shù)

TMB隧道掘進施工時，操作人員要根據(jù)不同的巖石地質(zhì)類型進行刀具的更換和掘進推進速度的調(diào)節(jié)。嚴禁在硬巖較多的地質(zhì)條件下，隨意提高機器掘進的速度。這不僅容易使機器產(chǎn)生超負荷運行故障，還容易使穩(wěn)定的巖石狀態(tài)突然間遭受到破壞，造成巖石地引力瞬間改變，巖石巨大的彈性模量瞬時爆發(fā)，給施工造成造成安全隱患。

5" "結(jié)語

TMB具有高效作業(yè)、有效縮短工期、提高施工質(zhì)量等優(yōu)勢，但其對不良地質(zhì)和變化幅度較大的地層適應(yīng)力較差。運用TMB施工時，遭遇到巖爆地質(zhì)災(zāi)害的狀況概率極大，由此導(dǎo)致TMB損壞、報廢的事故時有發(fā)生，嚴重時甚至造成人員傷亡事件。為此在施工前，科學開展地質(zhì)情況調(diào)查，針對可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害制定必要的防御措施，是提高TMB施工的安全可靠性和防范巖爆地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要手段。

TMB隧道掘進施工時，要對施工環(huán)節(jié)的巖石及早進行宏觀地質(zhì)應(yīng)力矢量研究，同時在挖掘隧道過程中進行支撐保護。掘進過程當中，利用儀器對前方巖石地質(zhì)環(huán)境進行有效的微震監(jiān)測，同時根據(jù)不同巖石地質(zhì)類別進行合理的TMB挖掘推進和貫入度值控制，可以有效地掌握巖爆發(fā)生的機理和環(huán)境條件，減少TMB掘進時巖爆發(fā)生的概率。

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