某深埋TBM隧洞巖爆特征及其綜合監(jiān)測方法

韓 強

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)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(nèi)許多長大深埋輸水隧洞工程的青睞[1]，但在不良地質(zhì)條件下施工時，TBM法仍存在明顯短板，若處理不當(dāng)，極易造成TBM卡機、人員傷亡等事故[2]。在諸多不良地質(zhì)條件中，巖爆因其具有突發(fā)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(zhàn)。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(dǎo)致圍巖爆裂、彈射的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象[3]。巖爆的孕育及發(fā)生受地應(yīng)力、地質(zhì)條件、開挖方式等多種因素的影響，其特征也呈現(xiàn)出多樣性。根據(jù)巖爆發(fā)生時間與施工時間和空間的關(guān)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(yīng)影響過程中發(fā)生的巖爆[4]；時滯型巖爆是指在開挖卸荷應(yīng)力調(diào)整平衡后，外界擾動作用下而發(fā)生的巖爆，根據(jù)發(fā)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(qū)域一定時間內(nèi)，多次發(fā)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(shè)備和支護系統(tǒng)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(jiān)測預(yù)警方法無疑是至關(guān)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(xiàn)場數(shù)據(jù)，分析了深埋TBM隧洞巖爆的發(fā)生時間、發(fā)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(guī)律、破壞模式、巖爆位置、巖爆次數(shù)與到掌子面的距離關(guān)系、巖爆次數(shù)與開挖后暴露時間關(guān)系等巖爆特征規(guī)律進行了分析總結(jié)。通過前人研究成果的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)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(jié)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(fā)射、應(yīng)力等巖爆孕育過程實時監(jiān)測技術(shù)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(yīng)用，但當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件變化快，出現(xiàn)斷層、巖性變化時，會對巖爆預(yù)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?qū)Φ刭|(zhì)條件進行超前判識，并實現(xiàn)對巖爆風(fēng)險超前預(yù)警和及時更新。

鑒于此，文章依托某深埋TBM隧洞，分析總結(jié)了該隧洞巖爆災(zāi)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(jiān)測與超前預(yù)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(zhì)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(shè)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?？偟貏菔潜备吣系停瑬|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(fā)育，設(shè)計坡度為1/3000。目前有TBM-1、TBM-2、TBM-3三臺設(shè)備開挖掘進施工。

1.2 地質(zhì)特征

深埋1#隧洞段位于侵蝕構(gòu)造中山區(qū)，主要是受地殼應(yīng)力場擠壓和右旋作用形成的隆起區(qū)。新構(gòu)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(zhì)構(gòu)造活躍。通過地應(yīng)力測試成果并結(jié)合自重應(yīng)力計算，最大水平主應(yīng)力為7.2～21.6MPa，最小水平主應(yīng)力為4.6～15.0MPa，鉛直應(yīng)力為3.1～18.0MPa，最大水平主應(yīng)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(qū)域圍巖應(yīng)力量級屬于高地應(yīng)力區(qū)。

隧址區(qū)圍巖為華力西晚期侵入變質(zhì)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(jié)理裂隙不發(fā)育，但具有弱片麻理、片理結(jié)構(gòu)，且隱節(jié)理發(fā)育。片理產(chǎn)狀與最大主應(yīng)力方向小夾角相交，地下水不發(fā)育。

2 巖爆災(zāi)害特征

該隧道應(yīng)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(zhì)條件?？辈煸O(shè)計階段利用巖石強度應(yīng)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(fēng)險。在隧洞實際開挖過程中，也面臨了較為突出的巖爆災(zāi)害，導(dǎo)致施工延期超過半年。通過分析該TBM隧道巖爆災(zāi)害特征，發(fā)現(xiàn)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(fā)生在護盾內(nèi)部，從護盾揭露時爆坑已經(jīng)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(yù)警的及時性和超前性要求較高，在超前預(yù)警的基礎(chǔ)上才可以采取針對性的調(diào)控措施。

(2)巖爆連續(xù)發(fā)生。通過分析巖爆在隧道軸線的分布情況發(fā)現(xiàn)，巖爆呈現(xiàn)區(qū)域連續(xù)性發(fā)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?guī)r爆中等巖爆易發(fā)生在有結(jié)構(gòu)面發(fā)育的位置。特別是結(jié)構(gòu)面交匯區(qū)域附近巖爆風(fēng)險更高，巖爆造成的破壞程度更強。

圖1 巖爆災(zāi)害空間展布特征

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

3 巖爆綜合監(jiān)測與超前預(yù)警方法

受該隧道巖爆災(zāi)害特征影響，其巖爆監(jiān)測和預(yù)警難度較大。要求能夠?qū)Φ刭|(zhì)條件超前判識，對巖爆風(fēng)險超前預(yù)警并及時更新。為此，加強與相關(guān)科研單位合作，進行產(chǎn)研結(jié)合的巖爆專題研究。在該隧道建立了結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報、TBM掘進參數(shù)反饋和微震監(jiān)測的巖爆綜合監(jiān)測和超前預(yù)警方法。

3.1 巖爆綜合監(jiān)測

(1)不良地質(zhì)體超前地質(zhì)預(yù)報

利用地震探測技術(shù)加強對地下水和斷層、破碎帶等構(gòu)造以及裂隙等不良地質(zhì)的超前預(yù)報。通過在隧道掌子面后方設(shè)置傳感器，并通過錘擊巖體產(chǎn)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(chǔ)上分析反射波的阻抗變化，以超前探測斷層、破碎帶。當(dāng)掌子面前方發(fā)育有斷層或剛性斷裂時，巖爆風(fēng)險會升高。此外，在巖性的“軟”“弱”交界面附近的巖爆風(fēng)險一般高于其他位置。因此，通過探測圍巖和不良地質(zhì)變化情況，對巖爆風(fēng)險進行初判。

圖2 基于地震波探測技術(shù)的地質(zhì)超前預(yù)報

(2)TBM掘進參數(shù)反饋

TBM隧洞受其特殊結(jié)構(gòu)限制，掌子面的地質(zhì)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(qū)對出露的地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進行分析。但巖爆大多為即時型巖爆，在護盾內(nèi)已經(jīng)發(fā)生。因此，為了能對巖爆進行準確的超前預(yù)警，需提前對掌子面前方的圍巖類別進行判斷。TBM掘進參數(shù)反映了巖體的強度和質(zhì)量等級，利用推力、貫入度等參數(shù)，可以建立其與圍巖等級的定量關(guān)系[13]。在此基礎(chǔ)上，可以利用巖體的強度應(yīng)力比，在施工期對圍巖潛在的巖爆風(fēng)險進行動態(tài)評估。

(3)微震監(jiān)測

隧道巖爆孕育過程會產(chǎn)生一系列巖體破裂事件，這些巖體發(fā)生破裂后產(chǎn)生的震動波沿周圍的介質(zhì)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(shù)，如圖3所示。通過分析微震參數(shù)時空演化特征，可對隧道開挖過程潛在的巖爆風(fēng)險進行動態(tài)預(yù)警。本工程由東北大學(xué)巖爆微震監(jiān)測團隊，采用SSS微震監(jiān)測系統(tǒng)對隧道開挖過程中的巖爆風(fēng)險進行監(jiān)測與動態(tài)預(yù)警。

圖3 TBM隧洞巖爆微震監(jiān)測[16]

3.2 巖爆超前預(yù)警

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

圖4為一次典型的輕微巖爆預(yù)警案例。根據(jù)2021年1月2日9點前幾日的微震活動發(fā)現(xiàn)，預(yù)警區(qū)域內(nèi)左側(cè)拱頂不斷有微震事件聚集，微震事件數(shù)達到了47個，且微震釋放能達到了1741.5J。經(jīng)過計算，該區(qū)域發(fā)生輕微巖爆的概率最大，達到了53.7%。因此，對該區(qū)域進行了輕微巖爆預(yù)警。當(dāng)日15點左右，在隧洞K36+344處的11點方向位置發(fā)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(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)準確預(yù)警了此次巖爆，現(xiàn)場通過及時采取系統(tǒng)錨網(wǎng)支護對巖爆進行了有效控制。

圖4 典型巖爆預(yù)警案例

3.3 巖爆風(fēng)險防控

基于巖爆預(yù)警結(jié)果，現(xiàn)場區(qū)分巖爆等級并進行了針對性的巖爆風(fēng)險防控。通過防控，降低巖爆發(fā)生等級和破壞程度，甚至規(guī)避巖爆的發(fā)生。采取的具體措施如下：

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

(2)利用TBM刀盤噴水系統(tǒng)，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(yīng)力釋放，減少巖爆的發(fā)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(yīng)力。應(yīng)力釋放孔鉆孔完成后，向孔內(nèi)注入高壓水，加快應(yīng)力釋放、軟化圍巖，降低巖爆危害。

4 結(jié)語

(1)1#隧洞埋深大、應(yīng)力高，并且?guī)r質(zhì)硬、脆，在開挖過程中巖爆風(fēng)險高。巖體因發(fā)育弱片麻理、片理結(jié)構(gòu)和隱節(jié)理，且片理產(chǎn)狀與最大主應(yīng)力方向小夾角相交，導(dǎo)致隧道開挖后巖爆災(zāi)害突出。

(2)該隧道巖爆災(zāi)害現(xiàn)象突出，巖爆以即時型為主，并且易成片連續(xù)發(fā)生，與塌方破壞交織發(fā)生。巖爆特征導(dǎo)致巖爆預(yù)警與防控難度大，需結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報、TBM掘進參數(shù)反饋、微震監(jiān)測手段對巖爆進行綜合監(jiān)測。

(3)當(dāng)監(jiān)測信息表明掌子面前方賦存有斷層、剛性斷裂或巖性發(fā)生變化時，及時更新微震信息并對巖爆風(fēng)險進行動態(tài)定量化預(yù)警。在巖爆預(yù)警的基礎(chǔ)上，采取針對性的防控措施，以確保圍巖的穩(wěn)定性，并加快施工進度，發(fā)揮TBM快速掘進的優(yōu)勢。