TBM隧洞巖爆監測預警與控制技術研究

呂 斌，付廉杰，黃浦樂，何 龍，胡 磊，姚志賓

(1.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；2.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室 東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3.遼寧省深部工程與智能技術重點實驗室 東北大學，遼寧 沈陽 110819)

巖爆是在高應力條件下開挖卸荷，導致圍巖積蓄的彈性能突然釋放，誘發圍巖爆裂及彈射的工程現象[1]。巖爆嚴重威脅施工過程中人員和設備的安全，嚴重影響工程進度，在隧道、礦山和水電站等工程的施工過程中均有巖爆發生[1]。因此，形成一套巖爆監測預警和控制技術可為隧道的安全高效施工提供保障。

國內外學者對隧洞施工過程中巖爆的監測預警和控制研究較為深入。馮夏庭[2]闡述了巖爆分類，總結了TBM和鉆爆法隧道巖爆的發生特征，揭示了不同施工方法下不同類型巖爆的孕育規律，形成了基于微震監測信息的巖爆預警方法和防控理論，推動了隧道巖爆的預警和防控技術的進步。白國峰[3]討論了拉林鐵路巴玉隧道巖爆施工的預測預報方法和處理措施，討論了不同巖爆等級條件下高原隧道巖爆施工和支護措施的選取，列舉了巖爆隧道施工的準則，可為類似工程提供經驗。杜立杰等[4]依托新疆ABH工程和陜西引漢濟渭工程，通過微震監測系統對現場巖爆等級和位置進行了預警，并給出了不同等級巖爆微震監測預警的準確率，可根據巖爆預警結果對現場施工提供安全保障。楊春寶等[5]分析了引漢濟渭和錦屏二級水電站巖爆的主要特點，提出了巖爆風險識別和控制的常用手段。陶磊等[6]依托秦嶺輸水隧洞，開展了TBM隧道微震監測設備布設方案的優化，并給出了巖爆預警準確率，研究表明，對于微震監測設備布置的優化可提高巖爆預警準確率。王家祥[7]等綜合隧洞應力條件、地質條件和電磁測深結果，對潛在巖爆洞段和巖爆等級進行了預測，結果表明，該技術進行巖爆預警的可靠性較強，可為類似工程的巖爆預測預警提供參考。馬振洲[8]等根據反演的隧洞初始應力場得到開挖后隧洞周圍的應力分布，結合圍巖巖性，根據不同巖爆等級判別準則得到隧道開挖后可能的巖爆等級，并給出了相應的支護對策。吳劍疆[9]討論了在隧洞埋深較大條件下需要解決的工程施工難題，其中對于巖爆的預測、模擬和防治問題進行了分析，目前微震監測已成為一項有效的巖爆監測技術，但對于巖爆發生時間的預測還需要繼續深入研究。蔣銳[10]等依托引漢濟渭工程，總結了工程施工過程中的主要工程地質問題，其中由于該工程最大埋深達2012m，巖爆問題突出，嚴重影響了施工進度，最后對于不同巖爆等級，列舉了現場采用的不同的巖爆支護措施，可為其他巖爆隧道施工過程中巖爆防治提供依據。肖大鵬[11]從全斷面隧道施工過程中的風險出發，建立了包括巖爆在內的多種圍巖失穩類型的故障樹系統，并以此為基礎，對關鍵風險進行了識別，該風險判識方法可為隧道施工過程中找出關鍵風險提供了途徑。紀鵬[12]分析了TBM法開挖過程中巖體能量的演化特征和機制，并以此為基礎得到了針對不同圍巖變形特征的調控策略和方法，最后將該方法應用于遼寧大伙房水庫工程的實際施工中，實現了施工速率大大提高的效果，可為類似工程提供一定的借鑒和參考價值。張小寶[13]等對目前施工過程中巖爆等災害的工程地質勘察進行了總結和歸納，提出了具體的應對措施，包括對地質資料的收集、測繪工作的詳細開展、物探和鉆孔取樣，可根據多種手段獲取的具體信息開展和推進工程地質勘察工作。

本文依托某TBM隧洞，針對施工過程中發生的巖爆災害，采用微震監測預警技術進行巖爆潛在區域和等級預警，并基于巖爆監測預警結果進行巖爆段支護措施的調整，研究成果可為類似工程巖爆段的施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程背景

某TBM隧洞局部地表分布厚度為20～53.2m的第三系泥巖，隧洞穿過圍巖巖性主要為華力西期花崗巖夾黑云母花崗巖，圍巖呈次塊狀-塊狀構造，完整性較好，此外，隧洞沿線發育4條斷層。該TBM隧洞開挖洞徑7.8m，采用全斷面開挖方式，洞段埋深為640～710m。隧址區最大主應力為13.1～21.6MPa，巖石強度應力比為2.77～3.6，為中等-高地應力水平，勘察設計階段評估結果顯示該隧洞中等巖爆段總長為5.88km，占隧洞總長約61%。

1.2 現場巖爆情況

在該隧洞開挖過程中發生了多次巖爆，圖1為2021年1—4月現場破壞情況。由圖1可知，其中1月份無巖爆發生，均為塌方破壞，塌方段落達到了100m，2月份巖爆段落明顯增加，中等巖爆段落增加至60m，且出現了10m長的強烈巖爆段，3月份輕微巖爆段增加至17m，中等巖爆段減少至50m，4月份中等巖爆段和輕微巖爆段長度均有所上升，分別達到40m和89m。總的來說，巖爆段落占全部進尺的29.6%，其中輕微巖爆段落占總巖爆段落的24.0%，中等巖爆段落占總巖爆段落的72.3%，強烈巖爆段落占總巖爆段落的3.7%，施工過程中巖爆帶來的影響較為嚴重。通過分析該隧洞的巖爆特征發現：①巖爆類型以即時型為主，主要發生在護盾內部，圍巖從護盾揭露時爆坑已經形成，但也存在較少的時滯型巖爆，一般在時間上滯后開挖2～3d；②巖爆具有較強的突發性和危害性，且等級以中等巖爆為主，輕微巖爆次之，強烈巖爆最少；③地質條件變化快，巖爆塌方交織，支護措施選取的難度較大。上述巖爆特征使得現場施工人員和設備安全受到嚴重威脅，遲滯了施工進度。

圖1 2021年1—4月圍巖破壞段落統計

圖2為該隧洞施工過程中發生的一次典型中等巖爆，對現場施工人員和設備造成了安全威脅。此次巖爆發生在K35+636.2—K35+626.8區域11:00—12:30方位，爆坑長為3.6m，寬為1.5m，深度0.82m，爆落巖石呈現片狀和薄層狀剝落，巖爆發生在護盾內，圍巖產生較大的悶響聲，爆坑附近發育多條暗色礦物條帶，產狀分別為130°∠40°、90°∠30°和230°∠10°。該破壞區域巖性為灰白色變質黑云母花崗巖和灰黑色變質黑云母花崗巖，巖爆發生后，現場施工人員對該區域進行了支護，支護形式為125型拱架，間距0.9m，并布設錨桿和直徑20mm的鋼筋排。

圖2 K35+636.2—K35+626.8區域中等巖爆

2 巖爆微震監測預警技術

2.1 微震監測預警方案

2.1.1巖爆微震監測

隧道巖爆孕育過程會產生一系列巖體破裂事件，這些巖體破裂發生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此類微震信號[14]，通過計算震源的位置、能量、震級等參數，并分析微震參數時空演化特征對隧道開挖過程潛在的巖爆風險進行動態預警[15-18]。為了保障施工人員安全，提高施工效率，降低巖爆對施工的影響，采用中科微震監測系統(SinoSeiSm)微震監測系統對該隧道進行了巖爆監測預警，系統組成如圖3所示。該微震監測系統主要包括數據服務器、采集儀、防電泳保護卡、授時服務器、電源穩壓器和傳感器，破裂信號由傳感器接收傳至采集儀和數據服務器，即實現破裂信號可視化，便于對其進行處理和分析。其他部分為系統的輔助設備，其中防電泳保護卡的作用為防止由于外界影響導致巔峰電流或電壓的突然形成，從而對設備造成損壞的現象，授時服務器的主要作用為同步網絡的服務器和網絡設備的時間，電源穩壓器的主要作用為保障監測設備電壓的穩定，防止因電壓的波動導致設備損壞。該微震監測系統在復雜惡劣環境下可正常開展監測，滿足潮濕、粉塵含量高等惡劣條件下監測的要求。

圖3 sss微震監測系統組成

為了保障微震監測的有效性和準確性，依據《微震監測巖石力學學會國際建議方法》建立微震傳感器陣列布置方案，如圖4所示。首先，選擇頻率范圍在7～2000Hz、靈敏度為100V/(m/s)的高精度單向速度型微震傳感器，在護盾后方布置兩排共8只微震監測傳感器，傳感器在斷隧道面上呈交錯式分布。第一排傳感器布置在護盾后方0～5m范圍內；第二排傳感器布置在距離第一排傳感器15m左右的位置。微震傳感器隨掌子面的開挖而向前動態移動，保障了微震設備的實時動態監測要求。

圖4 傳感器布置示意圖

2.1.2巖爆預警方法

TBM隧洞開挖過程中的巖爆預警是指在巖爆孕育過程根據微震監測信息，預判潛在巖爆的位置及其巖爆等級和發生概率。依據巖爆定量預警方法可知[2]，巖爆預警區域為掌子面前方10m到后方25m，且預警區域跟隨隧道掌子面而進行動態移動。基于微震事件數、微震釋放能、微震視體積等參數，利用巖爆定量預警方法，計算潛在等級和發生概率。

巖爆預警的流程如圖5所示。首先在隧洞掌子面附近布置微震監測系統，在隧道開挖過程中微震傳感器捕捉到微震事件，并對接收到的事件進行一系列處理，得到巖體破裂事件，進而對破裂事件進行波形識別、到時拾取、事件定位和參數計算，得到潛在巖體破裂的位置和能量，分析得出潛在巖爆風險的區域和等級[9]。

圖5 巖爆監測預警流程圖

2.2 典型巖爆預警案例

微震信息可為巖爆預警的主要輸入信息，圖6為典型巖爆預警洞段的微震事件時空分布圖，從4月30日21:00至5月1日9:00，K35+508—K35+473區域累積產生微震事件22個，微震釋放能1.86E+05J，根據巖爆智能預警軟件計算出該區域潛在中等巖爆風險，并于5月1日9:00發布預警報告。發布預警報告7h后，在K35+488—K35+485區域9:05—12:00發生了中等巖爆，爆坑長度1.8m，寬度0.5m，深度0.36m，如圖7所示，巖爆實際發生情況與預警結果相符。

圖6 微震事件時空分布圖

圖7 巖爆實際發生情況

3 巖爆段支護措施優化

3.1 基于預警結果的巖爆支護措施優化方法

巖爆預警結果為現場支護措施的選取提供了重要參考。基于預警結果的巖爆支護措施優化方法流程圖如圖8所示，首先，參考巖爆預警結果，現場在保障安全的前提下采取支護措施，此后，通過微震監測判識別支護后巖爆風險，若微震信息反映巖爆風險降低，則采用優化后的支護措施進行支護，若巖爆風險未降低，則繼續進行支護措施的優化。

圖8 巖爆段支護措施優化方案流程圖

3.2 支護措施優化前后典型巖爆段支護情況對比分析

3.2.1支護措施優化前某中等巖爆段支護情況

2021年02月19日21:00至02月20日21:00，K36+045—K36+010區域內累積產生微震事件54個，微震釋放能1.4E+05J，如圖9(a)所示。預警該區域潛在中等巖爆風險。為了避免巖爆帶來的危害，現場施工人員對潛在中等巖爆區域加強了支護，采用HW150型鋼拱架(間距0.45m)+鋼筋排+錨桿的支護形式，如圖9(b)所示。采取支護措施后，2月20日21:00—2月24日9:00期間隧洞未掘進，恢復掘進后，從2021年02月24日9:00—02月25日9:00，預警區域內累積產生微震事件31個，累積微震釋放能6.56E+05J，該巖爆段共計使用23榀HW150型鋼拱架，通過該洞段共耗時約2d。

圖9 優化前中等巖爆區域微震事件分布及實際支護措施

3.2.2支護措施優化后某中等巖爆段支護情況

2021年03月08日21:00—03月09日21:00，K35+995—K35+960區域累積產生微震事件54個，累積釋放能1.01E+05J，如圖10(a)所示，預警該區域潛在中等巖爆風險。根據預警結果，現場采用優化后的支護措施對中等巖爆區域進行了支護，支護形式為HW150型鋼拱架(間距0.9m)+鋼筋排+錨桿+超前噴射混凝土，如圖10(b)所示。采用優化后支護措施支護后，03月09日21:00至03月11日14:00期間隧洞未掘進，恢復掘進后，2021年03月11日14:00至03月12日14:00區域累積產生微震事件為22個，微震釋放能為6.45E+02J。該中等巖爆段支護使用5榀HW150型鋼拱架，約1d時間開挖完成，且拱架未發生變形等安全問題，如圖10(c)所示，安全順利地通過了巖爆段。

圖10 中等巖爆支護措施優化后典型照片及支護前后微震事件分布圖

3.2.3對比分析

支護措施優化包括將拱架間距由0.45m調整至0.9m，且加入超前噴射混凝土措施。從微震參數上看，當采用優化前的支護措施時，微震釋放能仍有明顯的提高，說明該支護措施未能達到降低巖爆風險的作用；當采用優化后的支護措施進行支護時，微震事件數和釋放能均大幅度下降，從而降低了潛在巖爆風險，保障了人員和設備安全，如圖11所示。

圖11 中等巖爆支護措施優化前后微震參數對比

支護措施優化產生了諸多有益效果。從支護成本和施工效率來看，通過中等巖爆段，支護措施優化后鋼拱架消耗數量減少了18榀，施工速度了提高了1d。這表明支護措施的優化有利于降低施工成本，提高施工效率，保證TBM安全高效地通過巖爆段。

4 結語

針對某TBM隧洞開挖過程中巖爆段落長且中等巖爆占比多的問題，采用巖爆微震監測技術，對潛在巖爆區域和等級進行監測預警。預警與現場實際巖爆情況對比分析結果顯示，通過微震監測技術進行巖爆預警是可靠的。巖爆預警結果對現場支護措施的選取起到了重要作用。施工方可根據巖爆監測預警結果及時調整潛在巖爆風險區域的支護措施，從而節省了支護成本和時間，提高了施工效率，保障了TBM隧洞的安全高效施工。