基于声发射试验的TBM隧道施工围岩损伤及应用研究*

赵海雷，钱彤途，孙振川，张 兵，杨延栋，黄 兴

(1.中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458； 2.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001； 3.西安电子科技大学，陕西 西安 710071；4.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071)

0 引言

全断面隧道掘进机作为岩石隧道工程中最先进的开挖装备，在我国已广泛应用于铁路、水利水电、城市轨道工程及煤矿巷道工程等领域[1]。与传统的钻爆法相比，隧道掘进机(TBM)可实现连续掘进，同时完成破岩、出渣和支护等作业，掘进速度为常规钻爆法的3～10倍，具有施工速度快、效率高、隧道成型好、对周边环境影响小、作业安全及节省劳动力等优点，特别适用于深埋长隧道施工[2-5]。随着TBM在隧道掘进中的广泛应用，国内外众多学者针对TBM的破岩机制、围岩扰动损伤演变规律及实际工程应用中遇到的问题从多个角度进行了分析研究。

初步研究表明，钻爆法和TBM法开挖对深部围岩变形破坏行为、围岩应力场及其演化特征的影响具有显著差异[6-7]。相对于钻爆法开挖，TBM法是逐渐向前开挖，围岩卸荷具有连续性，可认为应力变化处于相对静态，掘进过程中围岩的受扰范围较小，导致隧道周边围岩松动范围相对较小。受残余应力影响，围岩中封闭了较高能量，应力集中现象较明显，隧道开挖后若不进行及时支护，会增大围岩破坏力，加大TBM掘进过程中被卡风险[8]。但目前多为理论研究隧道开挖过程中围岩的损伤破坏规律，现场数据获取不多，结果往往难以指导现场施工[9-10]。声发射作为一种先进的监测手段，可综合全面地研究围岩破裂损伤时空演化规律、破裂损伤机理及破裂强度[11]。国内外许多专家学者利用声发射在室内及现场开展了大量研究工作。例如，Marin等[12]开展了隧道及洞室声发射监测，对隧道开挖后围岩的损伤与破坏进行了全面研究，并根据声发射现场监测数据与分析结果，提出基于张拉破坏的破坏源尺寸评价模型；李庶林等[13]、赵兴东等[14]进行了单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究，得到岩石破坏全过程力学特征和声发射特征；徐速超等[15]进行了矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究，得出矽卡岩在循环加卸载作用下具有反凯塞效应的结果。

以上大量研究揭示了声发射监测技术的独特性，但目前对声发射监测技术的研究主要通过室内试验和理论分析，针对现场数据展开的研究大部分也是基于钻爆法施工，对于TBM施工过程中围岩损伤声发射现场监测数据的处理，可供借鉴的案例很少。基于此，为了获得高黎贡山隧道正洞TBM开挖过程中围岩损伤的变化过程，开展了深埋硬岩TBM施工过程中声发射监测试验，为获取复杂地质条件下超前钻孔的打设区域、支护锚杆打设深度及高地应力区TBM合理的掘进参数提供科学依据。

1 工程概况

高黎贡山隧道作为大理—瑞丽铁路的控制性工程，具有“三高四活跃”的地质特点，施工条件十分艰苦，隧道全长34.5km，其中出口段13.5km，最大埋深1 155m。TBM施工段含4条断层和2段蚀变岩带，存在破碎、易收敛变形、涌水、高地温等不良地质，对TBM在复杂地质条件下的适应性提出了挑战。隧道出口分为正洞和平导洞，正洞采用国产直径9.03m“彩云号”TBM施工，平导洞采用国产6.36m“彩云1号”TBM施工，平导洞TBM先于正洞TBM始发掘进。该隧道TBM掘进段如图1所示。

图1 高黎贡山隧道TBM掘进段示意(单位：m)

2 声发射试验

2.1 声发射系统

本试验采用由AE传感器、前置放大器、声发射采集卡、主机系统和处理软件等组成的SHSM型声发射仪，其工作原理如图2所示。试验中采用PVC管作为推送杆将探头安装至预定位置，水是良好的耦合剂，因此钻孔内一直保持有水状态。在TBM不断推进过程中，该系统可实现在掌子面前后一定范围内不间断实时监测。

图2 声发射监测系统及原理

2.2 监测钻孔与声发射探头布置

为了完整监测TBM经过监测断面前后的围岩扰动情况，放置探头的钻孔末端与正洞留有一定间距以保证探头不被损坏。声发射参数依据探头所接收到的声发射信号确定，因此探头的布置影响接收信号的质量，决定了定位算法速度和结果的可靠度。根据定位算法特点和现场试验可行性，尽量发挥探头空间阵列作用，将试验用8个探头布置在1-1，2-2号断面，每个断面4个探头，4个探头位于近似菱形的顶点，8个探头连起来形成棱柱，其中，两断面间距4m，每个断面布设3个钻孔，长度分别为22，21，23m，倾角向下分别为2°，4°，6°，中间的1个钻孔为备用钻孔，在试验中并未使用。探头具体布置以1-1号断面为例，上、下分别布置67，72，69，79号4个探头，孔内探头间距为4m，距孔底1m，如图3所示。声发射监测区域如图4所示。为了保证传感器和孔壁耦合，孔内须保持有水状态。

图3 1-1号断面钻孔布置(单位：m)

图4 声发射监测区域

2.3 声发射监测参数设置

试验参数准确性直接关系监测结果真实度和可信度。本次试验现场条件复杂，岩体节理、裂隙较发育，存在渗流现象，对声发射应力波的传播可能存在较强衰减效应，因此，选用峰值频率为16.6kHz的R.45I.C型低频声发射探头，所采集应力波具有更远穿透性和传播距离，试验中的定位结果显示，该型传感器接收的最远声源信号距离可达18m。

1)波速设置 高黎贡山隧道正洞掌子面声发射监测孔的单孔声波测试结果显示，该处岩体的平均波速为4.38km/s，现场所取岩样通过室内声发射系统AST(自动传感器测试)功能测试显示其平均波速为4.21km/s，由于现场岩体相对完整，且所取试样试验值与现场实测值相差不大，因此取实测值4.38km/s作为该处岩体的平均波速。

2)滤波参数设置 试验中采用声发射系统进行连续监测，TBM掘进过程中伴随着多种噪声干扰。监测过程中采用水作为耦合剂，可自然去除应力波中的剪切波；为尽可能屏蔽绝大部分电磁干扰，传感器信号传输线和声发射仪均用金属材料包裹；为有效获取岩石破裂声发射信号，最大限度消除噪声信号，将信号振幅阈值设为40dB；考虑所选用传感器的响应频谱，将模拟滤波器的频率采集范围设为1～100kHz；在声发射系统输出的定位结果中，设置滤除了平均频率较低的声发射事件(低于5kHz)及q值(代表定位准确度，范围为0～1，其值越接近1表明定位越准确)较小(小于0.5)的声发射事件。

由于TBM工作过程由掘进、立拱、喷射混凝土、换刀、换步及故障停机等多部分组成，为研究TBM掘进状态下掌子面前后岩体的扰动情况，对照TBM监控系统的时间-状态-桩号记录，仅选取各时间段掘进状态下监测到的声发射事件进行分析，而忽略停机状态下可能定位到的声发射事件。声发射监测中的典型信号波形如图5所示，可知由该型声发射传感器采集得到的应力波有效频率范围集中在10～100kHz。

图5 声发射监测中的典型信号波形

3)波形设置 采集卡采样频率为 1MHz，预触发时间256μs，每个声发射事件波形记录长度1k。

4)定位设置 定位类型为三维定位，定位参数波速为 4.2km/s，迭代次数为256次。

综上所述，市政工程绿色施工技术需要施工人员树立绿色环保意识，在施工过程中注意环境保护，节约水资源，避免对周围环境与居民生活造成影响。绿色施工需要合理设计市政工程施工组织、保证施工材料绿色环保、保证市政工程施工环境，控制污染。

3 声发射动态监测区域范围确定

声发射系统具有不间断实时监测的特点，试验中该系统监测掌子面在监测断面前后一定范围内的声发射现象，试验结果反映了该监测区域围岩在距掌子面不同距离和TBM在不同参数条件下掘进的损伤演化过程。现场声发射监测定位结果显示，在传感器阵列包裹的区域及区域外都定位到声发射事件，这表明掌子面前方一定区域岩体均在TBM开挖影响范围内。为了选定监测区域范围，选取某一时间段声发射结果进行重放，如图6所示，经过统计分析可发现，声发射事件基本集中在传感器包裹的5m×5m×5m空间范围内，而在其他区域声发射事件离散程度高，定位可靠度也大大降低，因此选取该空间为监测区域。以隧道轴线和监测区域对称面的交点为原点，掘进方向为z轴，竖直方向为y轴，纸面向外为x轴建立空间坐标系，其中原点为实际隧道中对应桩位224+550m处。

图6 某一时间段声发射重放及投影

4 掌子面距离及掘进速度对围岩损伤演化影响

4.1 沿轴向围岩损伤演化规律

为探究掌子面距离对围岩的扰动情况，将掌子面距离和声发射事件、能量总数对应起来。本次试验监测了TBM穿过隧道桩位224+565—224+535m时监测区域内的声发射事件(监测区域为224 550±2m)，此区间TBM开始掘进时间为某日11:11，截止时间为次日11:48，共持续24h37min，由于期间TBM工作具有不连续性，声发射系统只在TBM工作时采集信号，前、后共采集到22组数据，完整记录了掌子面推进过程中的围岩扰动情况。

声发射现象活动规律如图7所示，TBM开挖单位长度声发射系统在监测区域内定位到的声发射事件数用单位长度事件个数表示，定位到的声发射事件能量之和则用单位长度事件能量表示[16]。其中，横坐标正数表示TBM已经过声发射监测断面，负数表示TBM还未过监测断面。

图7 TBM掘进时监测区域内声发射活动规律

由图7可知，当掌子面掘进到距监测中心-9m以上时，监测区域内定位到的声发射事件极少。掘进到距监测中心-9～0m(-D～0，D为洞径)时逐渐监测到声发射事件，岩石中的能量也随之释放，证明该段隧道围岩已受到扰动与损伤，其中，距离-8m时声发射事件数和能量有一集中区，分析原因可能与TBM掘进速度有关。当掌子面距监测中心0～7m时，监测区域内定位到的声发射事件数和能量释放开始大幅度增加，并在3m时达到峰值，说明在掌子面穿越监测区域过程中及穿过后一小段距离的时间内，围岩由于受到应力扰动影响及开挖卸荷作用，节理、裂隙快速扩展，围岩中累计的弹性变形急剧释放，转化为波的形式向空间传播。随着TBM向开挖面继续推进，监测区域内围岩所受扰动逐渐降低，声发射事件逐渐减少，能量释放也逐渐降为零。

TBM在深埋隧道掘进时，由于原岩应力较高，掌子面附近经常会出现岩爆现象，崩落的大尺寸块石常常导致卡机事件发生。为了降低在高应力区掘进时岩爆事件的发生率，可在掌子面前方一定区域提前钻孔进行应力释放。由以上分析可知，围岩受扰动，节理、裂隙扩展主要集中在掌子面正前方及后方一定距离，因此提前钻孔的位置可设在高应力区域正前方，钻孔深度在9m左右较合适。

4.2 沿径向围岩损伤演化规律

为了分析围岩扰动在径向的分布规律，选取不同时刻监测区域内的声发射事件在监测断面上的投影进行分析。由TBM掘进时监测区域内声发射活动规律可知，掌子面距离监测断面0～7m时，声发射现象比较剧烈，因此，选取掌子面距监测断面1，3，5m时的声发射活动进行分析，得到径向声发射活动规律如图8所示。

图8 不同时刻径向声发射活动规律

由图8可知，随着距隧道内壁距离的增加，声发射事件数呈快速递减趋势，围岩破裂释放的能量变化和声发射事件数量变化趋势一致。其中，在距离隧道内壁0～2m时，声发射事件个数和能量释放保持在一个较高水平，说明围岩此时由于卸荷作用，原来受挤压的节理、裂隙逐渐大规模扩展，能量释放也逐渐增多，微裂纹形成与贯通，形成松动区；在2～9m时，声发射事件数和围岩破裂释放的能量都处于较低水平，主要因为该区域围岩以旧裂隙的扩展和新裂隙的萌生微破裂为主，且随着距离的增加微破裂的数目逐渐减小，该区域定义为损伤区；在距离隧道内壁9～14m时，受监测设备空间布置的限制，不能准确、完整监测到声发射活动，但从监测到的信号来看，声发射事件数和围岩破裂释放能量基本上处于低水平，该区域定义为围岩扰动区。

基于以上分析，在施工支护时，为了保证围岩安全，按照要求，锚杆的锚固深度须穿过松动区，且保证其在完整岩石区的入岩深度不小于1m，因此，建议施工现场不良地质段锚杆打设深度不小于3m。

4.3 掘进速度对围岩损伤演化影响

围岩扰动是受岩石自身完整性及外力作用综合因素影响的结果，这不仅包括与掌子面的距离，还包括TBM掘进过程中的参数变化，尤其是掘进速度的影响最大。为探究TBM掘进速度对围岩扰动的影响，提取一段时间内不同时刻的TBM掘进速度进行分析。由于声发射活动的统计单位为个/m，为了与声发射活动统计单位相匹配，选取每米时间段内TBM掘进速度平均值作为该段的速度，并将声发射活动和掘进速度进行相关性比较，如图9所示。

图9 声发射活动与掘进速度相关性比较

由图9可知，在监测时间段内，TBM掘进速度整体较平稳，变化不大，个别区段略有浮动。在掌子面距监测中心-9～-7m时，掘进速度有小幅度增大，声发射事件个数也随之有小幅度增加，而此时由于距掌子面较远，对监测区域的影响较稳定，因此，推断该处波动是受掘进速度的影响，随着掘进速度提高，TBM刀盘对掌子面的压力增大，围岩受到的应力波幅度和频率都有所提高，围岩节理、裂隙扩展增加，损伤演化范围和速率也随之增加。在掌子面临近监测区域时，TBM掘进速度较稳定，监测区域的声发射活动主要受掌子面影响，掘进速度的影响无法推断。当TBM掘进到高应力地区时常产生岩爆现象，通过提前进行钻孔泄压，在一定程度上可起到降低岩爆发生强度和概率作用。此外，适当降低掘进速度、减小刀盘轴向压力、降低围岩受应力波影响，也可在一定程度减少岩爆危害。

5 结语

1)沿隧道轴线方向，TBM掘进时掌子面前约9m范围内围岩已开始受到不同程度的损伤与扰动，TBM开挖后围岩损伤破裂主要集中在掌子面后7m范围内，其中掌子面后3m时最大。

2)沿隧道径向，围岩扰动范围为0～14m，其中2m范围内为松动区，2～9m为损伤区，9～14m为扰动区。

3)在掌子面前进行应力解除操作时，钻孔布置应确保穿过声发射强活动区域，深度以9m为宜。

4)在掌子面后，应在强损伤破裂区形成前及时对围岩进行喷锚支护，尽量保证围岩的完整性，锚杆长度要足以穿过松动区，保证其在完整岩石区的入岩深度不小于1m，建议施工现场不良地质段锚杆打设深度不小于3m。

5)TBM掘进到高应力区域时，为了防止岩爆等自然灾害发生，一方面可提前进行钻孔泄压，另一方面可适当降低掘进速度，减小刀盘轴向压力。