某深埋TBM隧洞岩爆特征及其综合监测方法

韩 强

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

TBM法以其安全、高效、快速等特点，受到了国内许多长大深埋输水隧洞工程的青睐[1]，但在不良地质条件下施工时，TBM法仍存在明显短板，若处理不当，极易造成TBM卡机、人员伤亡等事故[2]。在诸多不良地质条件中，岩爆因其具有突发性、破坏性和不确定性，给工程施工带来了巨大的困难和挑战。岩爆是在开挖或其他外界扰动下，地下工程岩体中聚积的弹性变形势能突然释放，导致围岩爆裂、弹射的地质灾害现象[3]。岩爆的孕育及发生受地应力、地质条件、开挖方式等多种因素的影响，其特征也呈现出多样性。根据岩爆发生时间与施工时间和空间的关系，可以将岩爆分为即时型岩爆、时滞型岩爆和间歇型岩爆。即时型岩爆是指在开挖卸荷效应影响过程中发生的岩爆[4]；时滞型岩爆是指在开挖卸荷应力调整平衡后，外界扰动作用下而发生的岩爆，根据发生的位置又可分为时空滞后型和时间滞后型[5]；间歇型岩爆是指在同一区域一定时间内，多次发生同等级或是更高等级的岩爆[6]。在TBM施工过程中岩爆具有很强的危害性，如果处理不及时，会造成人员伤亡、设备和支护系统损坏，严重制约施工速度。因此，分析掌握深埋TBM隧洞岩爆特征，并建立针对性的监测预警方法无疑是至关重要的。

杜立杰等[7]基于引汉济渭工程、新疆ABH工程等的大量现场数据，分析了深埋TBM隧洞岩爆的发生时间、发生位置和影响范围特征。张文东等[8]依托锦屏二级水电站引水隧洞，对岩爆沿隧洞轴线的分布规律、破坏模式、岩爆位置、岩爆次数与到掌子面的距离关系、岩爆次数与开挖后暴露时间关系等岩爆特征规律进行了分析总结。通过前人研究成果的对比分析，可以发现不同工程的岩爆特征具有一定的差异性，因此，在深埋TBM隧洞的施工过程中，仍需结合自身实际，分析归纳出具有工程特点的岩爆活动特征。此外，虽然目前微震、声发射、应力等岩爆孕育过程实时监测技术已较为成熟，且在锦屏二级水电站引水隧洞[9]和引汉济渭工程[10]等多个工程中都得到了成功应用，但当地质条件变化快，出现断层、岩性变化时，会对岩爆预警的及时性和准确性带来较大的影响，因此，在长大深埋TBM隧洞的施工过程中，要求能够对地质条件进行超前判识，并实现对岩爆风险超前预警和及时更新。

鉴于此，文章依托某深埋TBM隧洞，分析总结了该隧洞岩爆灾害的特征并针对性建立了适用于深埋TBM隧洞的岩爆综合监测与超前预警方法，以期为深埋TBM隧洞的安全、高效施工提供有益借鉴与参考。

1 工程地质概况

1.1 工程概况

某输水工程全长148.246km，5条输水隧洞总长140.771km。隧道施工以5台TBM设备开挖施工为主，开挖洞径7.8m，纵坡为1/2310～1/3000。其中1#隧洞段长72.89km，该段总体走向由西北向东南，地貌为低山丘陵。总地势是北高南低，东高西低，海拔高程为730～1400m，相对高差670m，洞室最大埋深为668m，地形起伏，沿线冲沟较发育，设计坡度为1/3000。目前有TBM-1、TBM-2、TBM-3三台设备开挖掘进施工。

1.2 地质特征

深埋1#隧洞段位于侵蚀构造中山区，主要是受地壳应力场挤压和右旋作用形成的隆起区。新构造运动期间又被一系列以NWW向的压性断裂和以NW～NNW向的压扭性断裂切割成断块，依次错落和斜翘，形成阶梯状的断垒隆起，水平和垂直升降运动显著[11]。隧洞上覆岩体厚600～720m，地质构造活跃。通过地应力测试成果并结合自重应力计算，最大水平主应力为7.2～21.6MPa，最小水平主应力为4.6～15.0MPa，铅直应力为3.1～18.0MPa，最大水平主应力方向为N31°～58°E，平均值为N45°W，即NW向与隧洞轴线夹角较小，隧洞局部区域围岩应力量级属于高地应力区。

隧址区围岩为华力西晚期侵入变质花岗岩、闪长岩及奥陶系二云母石英片岩等。岩性中～坚硬岩，具有较高的岩爆倾向性。岩体完整，节理裂隙不发育，但具有弱片麻理、片理结构，且隐节理发育。片理产状与最大主应力方向小夹角相交，地下水不发育。

2 岩爆灾害特征

该隧道应力最高可达21.6MPa，岩石强度超过120MPa，局部深洞段具备生岩爆的地质条件。勘察设计阶段利用岩石强度应力比方法计算出，该隧洞桩号K22+200～K34+655m段，长度约12.5km范围的围岩存在潜在中等岩爆风险。在隧洞实际开挖过程中，也面临了较为突出的岩爆灾害，导致施工延期超过半年。通过分析该TBM隧道岩爆灾害特征，发现该隧道存在以下特征：

(1)岩爆类型以即时型岩爆为主，但存在时滞型岩爆。隧道开挖过程中岩爆主要发生在护盾内部，从护盾揭露时爆坑已经形成。但也存在一定的时滞型岩爆，一般情况下，岩爆在空间上滞后掌子面约20～50m，在时间上滞后开挖2～3天。该特征对岩爆预警的及时性和超前性要求较高，在超前预警的基础上才可以采取针对性的调控措施。

(2)岩爆连续发生。通过分析岩爆在隧道轴线的分布情况发现，岩爆呈现区域连续性发生的特征，如图1所示。岩爆的爆坑沿着隧道轴线成片分布，且岩爆中等岩爆易发生在有结构面发育的位置。特别是结构面交汇区域附近岩爆风险更高，岩爆造成的破坏程度更强。

图1 岩爆灾害空间展布特征

(3)地质条件变化快，岩爆塌方交织。该隧道岩性复杂多变，且TBM隧洞开挖速度快使得地质条件突变，岩爆风险变化快。此外，受发育的隐性节理和片理条件影响，隧道开挖过程中易形成不利结构[12]，常出现岩爆且与塌方破坏交织发生。同一个断面既有岩爆又有塌方发生，支护措施的选取难度较大。

3 岩爆综合监测与超前预警方法

受该隧道岩爆灾害特征影响，其岩爆监测和预警难度较大。要求能够对地质条件超前判识，对岩爆风险超前预警并及时更新。为此，加强与相关科研单位合作，进行产研结合的岩爆专题研究。在该隧道建立了结合超前地质预报、TBM掘进参数反馈和微震监测的岩爆综合监测和超前预警方法。

3.1 岩爆综合监测

(1)不良地质体超前地质预报

利用地震探测技术加强对地下水和断层、破碎带等构造以及裂隙等不良地质的超前预报。通过在隧道掌子面后方设置传感器，并通过锤击岩体产生主动震源而获取隧道反馈回的地震波的成像图，如图2所示。在此基础上分析反射波的阻抗变化，以超前探测断层、破碎带。当掌子面前方发育有断层或刚性断裂时，岩爆风险会升高。此外，在岩性的“软”“弱”交界面附近的岩爆风险一般高于其他位置。因此，通过探测围岩和不良地质变化情况，对岩爆风险进行初判。

图2 基于地震波探测技术的地质超前预报

(2)TBM掘进参数反馈

TBM隧洞受其特殊结构限制，掌子面的地质情况常不能得到及时观察和踏勘。只能在护盾揭露后，在L1区对出露的地质条件和结构面产状进行分析。但岩爆大多为即时型岩爆，在护盾内已经发生。因此，为了能对岩爆进行准确的超前预警，需提前对掌子面前方的围岩类别进行判断。TBM掘进参数反映了岩体的强度和质量等级，利用推力、贯入度等参数，可以建立其与围岩等级的定量关系[13]。在此基础上，可以利用岩体的强度应力比，在施工期对围岩潜在的岩爆风险进行动态评估。

(3)微震监测

隧道岩爆孕育过程会产生一系列岩体破裂事件，这些岩体发生破裂后产生的震动波沿周围的介质向外传播。微震传感器可以接收到此类微震信号[14]，并计算震源的位置、能量、震级等参数，如图3所示。通过分析微震参数时空演化特征，可对隧道开挖过程潜在的岩爆风险进行动态预警。本工程由东北大学岩爆微震监测团队，采用SSS微震监测系统对隧道开挖过程中的岩爆风险进行监测与动态预警。

图3 TBM隧洞岩爆微震监测[16]

3.2 岩爆超前预警

TBM隧洞开挖过程中的岩爆超前预警是指在岩爆孕育过程中根据岩爆微震监测信息，预判潜在岩爆的位置及其岩爆等级和发生概率。岩爆预警区域为掌子面前方10m到后方25m。预警区域随隧道掌子面而发生动态移动，预警区域的尺寸确定后保持不变。基于预警区域内的微震事件数、微震释放能、微震视体积等6个参数，利用岩爆定量预警公式，对潜在岩爆的位置及其岩爆等级和发生概率进行计算[14]。受本隧洞工程特点和岩爆灾害特点影响，结合超前地质预报、TBM掘进参数反馈和微震监测对岩爆进行综合监测。当超前地质预报或TBM掘进参数显示围岩前方赋存有断层或刚性断裂等地质构造，或掌子面前方岩性突变时，利用岩爆定量预警方法及时更新微震信息，并对岩爆预警结果进行更新。

图4为一次典型的轻微岩爆预警案例。根据2021年1月2日9点前几日的微震活动发现，预警区域内左侧拱顶不断有微震事件聚集，微震事件数达到了47个，且微震释放能达到了1741.5J。经过计算，该区域发生轻微岩爆的概率最大，达到了53.7%。因此，对该区域进行了轻微岩爆预警。当日15点左右，在隧洞K36+344处的11点方向位置发生了轻微岩爆。围岩以片状剥落为主，最终在隧洞围岩上形成了一个0.22m深的爆坑。微震监测与预警系统准确预警了此次岩爆，现场通过及时采取系统锚网支护对岩爆进行了有效控制。

图4 典型岩爆预警案例

3.3 岩爆风险防控

基于岩爆预警结果，现场区分岩爆等级并进行了针对性的岩爆风险防控。通过防控，降低岩爆发生等级和破坏程度，甚至规避岩爆的发生。采取的具体措施如下：

(1)在岩爆地段，岩石完整性好，根据岩爆发生的时间规律和与刀盘的距离关系，在最佳时间对拱部围岩进行支护。依据岩爆风险合理选择掘进参数，降低开挖速率，减缓岩爆风险。

(2)利用TBM刀盘喷水系统，加大掌子面喷水流量与喷水压力，人工向已开挖洞壁喷水，降低开挖面的岩石温度和脆性，软化表层使应力释放，减少岩爆的发生可能。

(3)在岩爆洞段，只要围岩在TBM护盾后方出露，立即利用锚杆钻机在洞壁上钻孔，释放围岩地应力。应力释放孔钻孔完成后，向孔内注入高压水，加快应力释放、软化围岩，降低岩爆危害。

4 结语

(1)1#隧洞埋深大、应力高，并且岩质硬、脆，在开挖过程中岩爆风险高。岩体因发育弱片麻理、片理结构和隐节理，且片理产状与最大主应力方向小夹角相交，导致隧道开挖后岩爆灾害突出。

(2)该隧道岩爆灾害现象突出，岩爆以即时型为主，并且易成片连续发生，与塌方破坏交织发生。岩爆特征导致岩爆预警与防控难度大，需结合超前地质预报、TBM掘进参数反馈、微震监测手段对岩爆进行综合监测。

(3)当监测信息表明掌子面前方赋存有断层、刚性断裂或岩性发生变化时，及时更新微震信息并对岩爆风险进行动态定量化预警。在岩爆预警的基础上，采取针对性的防控措施，以确保围岩的稳定性，并加快施工进度，发挥TBM快速掘进的优势。