某深埋TBM隧洞巖爆特征及其綜合監測方法

韓 強

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

TBM法以其安全、高效、快速等特點，受到了國內許多長大深埋輸水隧洞工程的青睞[1]，但在不良地質條件下施工時，TBM法仍存在明顯短板，若處理不當，極易造成TBM卡機、人員傷亡等事故[2]。在諸多不良地質條件中，巖爆因其具有突發性、破壞性和不確定性，給工程施工帶來了巨大的困難和挑戰。巖爆是在開挖或其他外界擾動下，地下工程巖體中聚積的彈性變形勢能突然釋放，導致圍巖爆裂、彈射的地質災害現象[3]。巖爆的孕育及發生受地應力、地質條件、開挖方式等多種因素的影響，其特征也呈現出多樣性。根據巖爆發生時間與施工時間和空間的關系，可以將巖爆分為即時型巖爆、時滯型巖爆和間歇型巖爆。即時型巖爆是指在開挖卸荷效應影響過程中發生的巖爆[4]；時滯型巖爆是指在開挖卸荷應力調整平衡后，外界擾動作用下而發生的巖爆，根據發生的位置又可分為時空滯后型和時間滯后型[5]；間歇型巖爆是指在同一區域一定時間內，多次發生同等級或是更高等級的巖爆[6]。在TBM施工過程中巖爆具有很強的危害性，如果處理不及時，會造成人員傷亡、設備和支護系統損壞，嚴重制約施工速度。因此，分析掌握深埋TBM隧洞巖爆特征，并建立針對性的監測預警方法無疑是至關重要的。

杜立杰等[7]基于引漢濟渭工程、新疆ABH工程等的大量現場數據，分析了深埋TBM隧洞巖爆的發生時間、發生位置和影響范圍特征。張文東等[8]依托錦屏二級水電站引水隧洞，對巖爆沿隧洞軸線的分布規律、破壞模式、巖爆位置、巖爆次數與到掌子面的距離關系、巖爆次數與開挖后暴露時間關系等巖爆特征規律進行了分析總結。通過前人研究成果的對比分析，可以發現不同工程的巖爆特征具有一定的差異性，因此，在深埋TBM隧洞的施工過程中，仍需結合自身實際，分析歸納出具有工程特點的巖爆活動特征。此外，雖然目前微震、聲發射、應力等巖爆孕育過程實時監測技術已較為成熟，且在錦屏二級水電站引水隧洞[9]和引漢濟渭工程[10]等多個工程中都得到了成功應用，但當地質條件變化快，出現斷層、巖性變化時，會對巖爆預警的及時性和準確性帶來較大的影響，因此，在長大深埋TBM隧洞的施工過程中，要求能夠對地質條件進行超前判識，并實現對巖爆風險超前預警和及時更新。

鑒于此，文章依托某深埋TBM隧洞，分析總結了該隧洞巖爆災害的特征并針對性建立了適用于深埋TBM隧洞的巖爆綜合監測與超前預警方法，以期為深埋TBM隧洞的安全、高效施工提供有益借鑒與參考。

1 工程地質概況

1.1 工程概況

某輸水工程全長148.246km，5條輸水隧洞總長140.771km。隧道施工以5臺TBM設備開挖施工為主，開挖洞徑7.8m，縱坡為1/2310～1/3000。其中1#隧洞段長72.89km，該段總體走向由西北向東南，地貌為低山丘陵。總地勢是北高南低，東高西低，海拔高程為730～1400m，相對高差670m，洞室最大埋深為668m，地形起伏，沿線沖溝較發育，設計坡度為1/3000。目前有TBM-1、TBM-2、TBM-3三臺設備開挖掘進施工。

1.2 地質特征

深埋1#隧洞段位于侵蝕構造中山區，主要是受地殼應力場擠壓和右旋作用形成的隆起區。新構造運動期間又被一系列以NWW向的壓性斷裂和以NW～NNW向的壓扭性斷裂切割成斷塊，依次錯落和斜翹，形成階梯狀的斷壘隆起，水平和垂直升降運動顯著[11]。隧洞上覆巖體厚600～720m，地質構造活躍。通過地應力測試成果并結合自重應力計算，最大水平主應力為7.2～21.6MPa，最小水平主應力為4.6～15.0MPa，鉛直應力為3.1～18.0MPa，最大水平主應力方向為N31°～58°E，平均值為N45°W，即NW向與隧洞軸線夾角較小，隧洞局部區域圍巖應力量級屬于高地應力區。

隧址區圍巖為華力西晚期侵入變質花崗巖、閃長巖及奧陶系二云母石英片巖等。巖性中～堅硬巖，具有較高的巖爆傾向性。巖體完整，節理裂隙不發育，但具有弱片麻理、片理結構，且隱節理發育。片理產狀與最大主應力方向小夾角相交，地下水不發育。

2 巖爆災害特征

該隧道應力最高可達21.6MPa，巖石強度超過120MPa，局部深洞段具備生巖爆的地質條件。勘察設計階段利用巖石強度應力比方法計算出，該隧洞樁號K22+200～K34+655m段，長度約12.5km范圍的圍巖存在潛在中等巖爆風險。在隧洞實際開挖過程中，也面臨了較為突出的巖爆災害，導致施工延期超過半年。通過分析該TBM隧道巖爆災害特征，發現該隧道存在以下特征：

(1)巖爆類型以即時型巖爆為主，但存在時滯型巖爆。隧道開挖過程中巖爆主要發生在護盾內部，從護盾揭露時爆坑已經形成。但也存在一定的時滯型巖爆，一般情況下，巖爆在空間上滯后掌子面約20～50m，在時間上滯后開挖2～3天。該特征對巖爆預警的及時性和超前性要求較高，在超前預警的基礎上才可以采取針對性的調控措施。

(2)巖爆連續發生。通過分析巖爆在隧道軸線的分布情況發現，巖爆呈現區域連續性發生的特征，如圖1所示。巖爆的爆坑沿著隧道軸線成片分布，且巖爆中等巖爆易發生在有結構面發育的位置。特別是結構面交匯區域附近巖爆風險更高，巖爆造成的破壞程度更強。

圖1 巖爆災害空間展布特征

(3)地質條件變化快，巖爆塌方交織。該隧道巖性復雜多變，且TBM隧洞開挖速度快使得地質條件突變，巖爆風險變化快。此外，受發育的隱性節理和片理條件影響，隧道開挖過程中易形成不利結構[12]，常出現巖爆且與塌方破壞交織發生。同一個斷面既有巖爆又有塌方發生，支護措施的選取難度較大。

3 巖爆綜合監測與超前預警方法

受該隧道巖爆災害特征影響，其巖爆監測和預警難度較大。要求能夠對地質條件超前判識，對巖爆風險超前預警并及時更新。為此，加強與相關科研單位合作，進行產研結合的巖爆專題研究。在該隧道建立了結合超前地質預報、TBM掘進參數反饋和微震監測的巖爆綜合監測和超前預警方法。

3.1 巖爆綜合監測

(1)不良地質體超前地質預報

利用地震探測技術加強對地下水和斷層、破碎帶等構造以及裂隙等不良地質的超前預報。通過在隧道掌子面后方設置傳感器，并通過錘擊巖體產生主動震源而獲取隧道反饋回的地震波的成像圖，如圖2所示。在此基礎上分析反射波的阻抗變化，以超前探測斷層、破碎帶。當掌子面前方發育有斷層或剛性斷裂時，巖爆風險會升高。此外，在巖性的“軟”“弱”交界面附近的巖爆風險一般高于其他位置。因此，通過探測圍巖和不良地質變化情況，對巖爆風險進行初判。

圖2 基于地震波探測技術的地質超前預報

(2)TBM掘進參數反饋

TBM隧洞受其特殊結構限制，掌子面的地質情況常不能得到及時觀察和踏勘。只能在護盾揭露后，在L1區對出露的地質條件和結構面產狀進行分析。但巖爆大多為即時型巖爆，在護盾內已經發生。因此，為了能對巖爆進行準確的超前預警，需提前對掌子面前方的圍巖類別進行判斷。TBM掘進參數反映了巖體的強度和質量等級，利用推力、貫入度等參數，可以建立其與圍巖等級的定量關系[13]。在此基礎上，可以利用巖體的強度應力比，在施工期對圍巖潛在的巖爆風險進行動態評估。

(3)微震監測

隧道巖爆孕育過程會產生一系列巖體破裂事件，這些巖體發生破裂后產生的震動波沿周圍的介質向外傳播。微震傳感器可以接收到此類微震信號[14]，并計算震源的位置、能量、震級等參數，如圖3所示。通過分析微震參數時空演化特征，可對隧道開挖過程潛在的巖爆風險進行動態預警。本工程由東北大學巖爆微震監測團隊，采用SSS微震監測系統對隧道開挖過程中的巖爆風險進行監測與動態預警。

圖3 TBM隧洞巖爆微震監測[16]

3.2 巖爆超前預警

TBM隧洞開挖過程中的巖爆超前預警是指在巖爆孕育過程中根據巖爆微震監測信息，預判潛在巖爆的位置及其巖爆等級和發生概率。巖爆預警區域為掌子面前方10m到后方25m。預警區域隨隧道掌子面而發生動態移動，預警區域的尺寸確定后保持不變。基于預警區域內的微震事件數、微震釋放能、微震視體積等6個參數，利用巖爆定量預警公式，對潛在巖爆的位置及其巖爆等級和發生概率進行計算[14]。受本隧洞工程特點和巖爆災害特點影響，結合超前地質預報、TBM掘進參數反饋和微震監測對巖爆進行綜合監測。當超前地質預報或TBM掘進參數顯示圍巖前方賦存有斷層或剛性斷裂等地質構造，或掌子面前方巖性突變時，利用巖爆定量預警方法及時更新微震信息，并對巖爆預警結果進行更新。

圖4為一次典型的輕微巖爆預警案例。根據2021年1月2日9點前幾日的微震活動發現，預警區域內左側拱頂不斷有微震事件聚集，微震事件數達到了47個，且微震釋放能達到了1741.5J。經過計算，該區域發生輕微巖爆的概率最大，達到了53.7%。因此，對該區域進行了輕微巖爆預警。當日15點左右，在隧洞K36+344處的11點方向位置發生了輕微巖爆。圍巖以片狀剝落為主，最終在隧洞圍巖上形成了一個0.22m深的爆坑。微震監測與預警系統準確預警了此次巖爆，現場通過及時采取系統錨網支護對巖爆進行了有效控制。

圖4 典型巖爆預警案例

3.3 巖爆風險防控

基于巖爆預警結果，現場區分巖爆等級并進行了針對性的巖爆風險防控。通過防控，降低巖爆發生等級和破壞程度，甚至規避巖爆的發生。采取的具體措施如下：

(1)在巖爆地段，巖石完整性好，根據巖爆發生的時間規律和與刀盤的距離關系，在最佳時間對拱部圍巖進行支護。依據巖爆風險合理選擇掘進參數，降低開挖速率，減緩巖爆風險。

(2)利用TBM刀盤噴水系統，加大掌子面噴水流量與噴水壓力，人工向已開挖洞壁噴水，降低開挖面的巖石溫度和脆性，軟化表層使應力釋放，減少巖爆的發生可能。

(3)在巖爆洞段，只要圍巖在TBM護盾后方出露，立即利用錨桿鉆機在洞壁上鉆孔，釋放圍巖地應力。應力釋放孔鉆孔完成后，向孔內注入高壓水，加快應力釋放、軟化圍巖，降低巖爆危害。

4 結語

(1)1#隧洞埋深大、應力高，并且巖質硬、脆，在開挖過程中巖爆風險高。巖體因發育弱片麻理、片理結構和隱節理，且片理產狀與最大主應力方向小夾角相交，導致隧道開挖后巖爆災害突出。

(2)該隧道巖爆災害現象突出，巖爆以即時型為主，并且易成片連續發生，與塌方破壞交織發生。巖爆特征導致巖爆預警與防控難度大，需結合超前地質預報、TBM掘進參數反饋、微震監測手段對巖爆進行綜合監測。

(3)當監測信息表明掌子面前方賦存有斷層、剛性斷裂或巖性發生變化時，及時更新微震信息并對巖爆風險進行動態定量化預警。在巖爆預警的基礎上，采取針對性的防控措施，以確保圍巖的穩定性，并加快施工進度，發揮TBM快速掘進的優勢。