深埋TBM隧洞岩性界面区围岩破坏特征与支护技术研究

姚志宾， 熊永润， 付廉杰， 全永威， 牛文静， 胡 磊, *

(1. 东北大学 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室， 辽宁 沈阳 110819； 2. 东北大学 辽宁省深部工程与智能技术重点实验室， 辽宁 沈阳 110819; 3. 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)

0 引言

在“向地球深部进军”战略的实施下，我国加快了隧洞工程建设的步伐。随着隧洞工程的不断发展，埋深大、长度大、修建难度大是目前及今后较长时期隧道及地下工程建设普遍面临的问题，有众多的新难题和科技创新需求需要攻克和解决[1-2]。特别是深部硬岩开挖时，除常见的结构型塌方灾害外，受较高的原岩地应力影响，在开挖过程中或随后一段时间内，可能出现岩爆、应力-结构型塌方等高地应力灾害，严重威胁施工人员及设备安全[3]。

岩爆是在开挖或其他外界扰动下，岩体中聚积的弹性变形势能突然释放，导致围岩爆裂、弹射的动力灾害现象。在深部岩体工程开挖过程中，岩爆常常威胁施工人员和设备的安全，导致施工进度延误，造成较大的经济损失[4-5]。岩爆的孕育过程及发生受地应力、开挖、支护方式等多种因素的影响，在隧洞工程建设过程中，出现过众多类型的岩爆，其破坏等级各异、特征多样、机制复杂[6]。

此外，应力-结构型塌方和结构型塌方的发生也使得隧洞围岩破坏类型更加复杂，对现场施工、支护设计等提出了更严峻的挑战。在深埋TBM隧洞中，将具有良好自支撑能力的围岩在应力和结构面等共同作用下发生的坍塌破坏定义为应力-结构型塌方[7]； 将围岩自支撑能力差，在结构面和自重作用下发生的坍塌定义为结构型塌方。应力-结构型塌方区域有显著的诸如平行临空面的片状、薄板状等高应力破坏特征。由于深埋TBM隧洞灾害的复杂性，已有许多学者对不同类型灾害的发生机制、预警及防控等进行了室内试验、数值模拟及现场监测研究，并取得了丰硕的研究成果[8-14]。

随着隧洞岩体工程所处地质和应力环境日渐复杂，地质条件对隧洞围岩的破坏也有着重要影响。Li等[15]基于现场岩爆调查、微震监测，对深埋TBM隧洞软硬交互地层区域岩爆孕育规律及机制进行了研究，研究表明隧洞开挖过程中自硬岩至软岩方向围岩中岩爆频率、强度大于软岩自硬岩方向，开挖顺序、地质情况密切影响着隧洞围岩岩爆情况。李桐等[16]基于微震监测系统研究了某深埋隧洞开挖过程中岩爆位置偏转现象、岩体破裂演化规律及岩爆位置偏转机制，认为围岩中结构面的存在对岩爆位置偏转有一定的影响，岩爆位置偏转与局部应力集中密切相关。

地质条件复杂的区域，围岩破坏类型、破坏机制等更加复杂。周辉等[17]基于层状复合岩石开展三轴压缩试验，研究围岩对复合地层岩体变形破坏的影响，研究表明应力作用下层状复合岩石层理间易产生膨胀，且不同层理岩体间变形不协调，在层间黏结力作用下，层状岩体发生相对错动现象。王晓雷等[18]针对不同层理倾角片麻岩开展单轴压缩试验，研究了不同层理倾角片麻岩力学性质及应变场演化特征，表明片麻岩破坏模式随着层理倾角的增加逐渐由张拉剪切混合破坏向沿层理面的剪切滑移破坏转化。Yang等[19]利用有限元方法研究了复合地层中深埋隧洞的收敛变形和破坏特征，研究结果表明，软岩在水平方向发生拉伸破坏，顶部和底部软岩区出现剪切破坏，隧洞围岩的破坏规律同时受应力和岩性的控制。Feng等[20]借助数值模拟方法分析了隧洞软硬岩接触带区域开挖前后的应力应变变化规律，结果表明岩性界面区开挖后应力向硬岩区转移和集中，软岩区虽有更大的塑性变形范围，但其应力释放程度低于硬岩区，因而软岩侧以挤压性的大变形破坏为主。Yang等[21]对嘉园隧洞工程中4种软硬地层的接触条件进行了分析，结果表明，接触带下方的支护结构承受的围岩压力比一般地层大。

上述研究均表明，不同地质条件下围岩破坏特征差异明显，相较于地质良好的情况下，开挖区域围岩中存在岩性分界导致该区域的破坏呈现频次高、规模大和机制复杂的特征； 另外，岩性界面区域破坏预警难度相对较大，且往往需加强支护强度，工程难度显著增加。但无论是岩性界面区围岩破坏特征还是系统性的支护技术，目前研究均不成熟，仍需深入研究。

鉴于此，本文以深埋TBM隧洞岩性界面区域围岩为研究对象，综合应用灾害现场调查、微震监测、支护体受力监测等手段开展岩性界面区域围岩破坏与支护体受力特征研究，以期研究结果为隧洞安全高效开挖及支护提供参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

某深埋隧洞埋深约700 m，洞径7.8 m，采用敞开式TBM开挖。隧洞岩性为华力西晚期侵入变质黑云母花岗岩及奥陶系黑云母石英片岩等，局部区域发育有蚀变带、片理及片麻理等地质结构。隧洞岩性属于坚硬岩，岩石强度超过120 MPa。通过水压致裂法对该隧洞开展了地应力测量，得到最大埋深处的水平应力分量分别为21.6 MPa和15.0 MPa。其中，平均最大水平主应力方向为N45°E，与隧洞轴线呈70°～80°的夹角。勘察设计阶段利用强度应力比法评估出该隧洞K22+200～K34+655段存在中等岩爆风险。

隧洞施工阶段在K22+200～K34+655段遭遇了较突出的岩爆、应力-结构型塌方和结构型塌方等灾害，造成设备和支护系统损坏(如图1所示)，常需采用钢筋排和钢拱架加固围岩，不仅增加工程支护量，还严重制约施工进度。为此，对该隧洞开挖过程中的灾害进行微震监测与预警。

(a) 岩爆破坏锚网支护(爆坑深度0.8 m)

(b) 岩性界面区发生的岩爆导致钢拱架变形图1 隧洞典型岩爆灾害导致的支护系统损坏Fig. 1 Typical rockburst disaster and support characteristics of tunnel

1.2 微震监测布置

选用中科微震的SSS微震监测设备，在隧洞掌子面后方布置2组监测断面，共8个传感器，监测开挖过程中的岩体破裂微震活动。每组监测断面布置4个传感器，第1组布置在护盾后5 m范围内，编号G1—G4； 第2组布置在护盾后约20 m位置处，编号G5—G8。2组传感器在空间上呈交错布置。微震监测系统布置示意如图2所示。在微震传感器的选型方面，速度型传感器和加速度型传感器的灵敏度均能满足开展隧道岩爆微震监测的要求。但对于TBM隧洞工程，掘进速度快、工序衔接程度高、施工环境嘈杂，综合考虑传感器快速随钻移动、频繁拆装过程中的使用寿命，速度型传感器更具优势，更适合工期较长的隧洞微震监测[22-23]，且速度型传感器已在多个深埋隧道工程的岩爆监测预警中得到成功应用，如巴基斯坦N-J引水隧洞工程[15]。因此，本工程选择了速度型传感器对该隧洞开挖过程中的岩爆进行微震监测。微震监测信息采集设备布置在主控室附近，通过光纤与洞外建立通讯，实现设备的远程监控和数据的实时传输。为有效监测开挖区域的破裂信号，微震传感器随掌子面的推进而动态移动。当掌子面向前推进15～20 m时，在护盾后方5 m范围内布置新的监测断面，并回收第2组传感器将其重新布置在该断面。

图2 微震监测系统布置示意图(单位： m)Fig. 2 Layout of microseismic monitoring system (unit: m)

2 岩性界面区围岩破坏特征

2.1 岩体结构特征

通过空间展布图可以很直观地对研究区域的地质条件、破坏情况等进行描述。在TBM隧洞中，通常参考时钟的刻度将隧洞断面划分为12个方位(如图3所示)，并将其作为空间展布图的纵坐标，横坐标为隧洞桩号。因此，隧洞洞壁上的某个确定的点与空间展布图横、纵坐标唯一对应。将结构面或岩性界面迹线、出水点、爆坑边界轮廓等在空间展布图上进行绘制，即可得到相应地质展布图或破坏展布图。

图3 隧洞断面方位划分示意图(面向掌子面)Fig. 3 Schematic of tunnel cross-section orientation division (facing working face)

K36+060～+010段岩性界面区的地质及破坏展布图如图4所示。其中，K36+040～+010段结构面较发育，主要赋存3组陡倾结构面，产状分别为100°～130°∠70°、270°～290°∠60°、10°～20°∠60°。此外，该洞段局部发育有宽度较小的暗色矿物条带。

图4 K36+060～+010段岩性界面区的地质及破坏展布图Fig. 4 Geological profile and disaster distribution of lithologic interface area of section K36+060～+010

隧洞开挖至K36+040附近时，在拱顶9：00～3：00方位揭露1条延伸较长的蚀变带，宽约1.5 m，倾角70°，走向320°～330°。蚀变带两侧的岩性有明显差异，形成了典型的岩性界面。蚀变带南侧区域为灰白色变质黑云母花岗岩，北侧区域为黑云母富集的灰黑色变质黑云母花岗岩，如图5所示。

(a) 灰白色变质黑云母花岗岩(南侧)

(b) 灰黑色变质黑云母花岗岩(北侧)图5 隧洞南北两侧岩性Fig. 5 Different lithologies on south and north sides of tunnel

2.2 岩性特征

在K36+060～+010段左右两侧分别选取岩样，利用X射线衍射试验测定2种岩样的矿物成分与含量。2种岩样主要矿物成分均为石英、斜长石和黑云母。其中，灰白色变质黑云母花岗岩试样中黑云母质量分数仅为2%，而灰黑色变质黑云母花岗岩试样矿物成分中的黑云母质量分数高达70%。

基于单轴压缩试验，分别获取灰白色、灰黑色变质黑云母花岗岩的力学参数。灰白色变质黑云母花岗岩单轴抗压强度为168 MPa，弹性模量为75 GPa； 灰黑色变质黑云母花岗岩单轴抗压强度为92 MPa，弹性模量为43 GPa。通过对比发现，灰白色变质黑云母花岗岩的单轴抗压强度、弹性模量等力学参数显著高于灰黑色变质黑云母花岗岩，即隧洞南侧的岩性较硬，北侧相对南侧较软，在同一断面隧洞岩性呈南硬北软的特征。

2.3 围岩破坏特征

K36+060～+010段岩性界面区开挖过程中主要发生了岩爆、塌方等灾害，其中，塌方灾害包括应力-结构型塌方和结构型塌方。K36+060～+010段岩性界面区3种典型围岩破坏如图6所示。高应力环境下隧洞同一断面位置南硬北软的岩性特征，导致隧洞开挖过程中的围岩破坏类型及其沿岩性界面的空间分布呈现出不同特征。

2.3.1 围岩破坏类型

岩性界面区域开挖过程中岩爆和结构型塌方灾害频发，且同一个断面既有岩爆又有结构型塌方灾害。图6(a)示出K36+039～+037段9：00～0：00方位发生的岩爆，爆坑长约2 m、宽约3 m、深约0.48 m，破坏岩石呈片状、板状，爆坑内壁光滑、新鲜。根据《水利水电工程地质勘察规范》[24]中的规定“中等岩爆爆坑深度为0.3～1.0 m”，判定该次岩爆为中等岩爆。图6(b)示出K36+039～+037段0：00～2：00方位发生的结构型塌方破坏，塌腔附近岩体破碎，以暗色矿物为破坏边界，塌腔最大深度约为0.82 m。

(a) K36+039～+037段中等岩爆

(b) K36+039～+037段结构型塌方

(c) K36+057～+055段应力-结构型塌方图6 K36+060～+010段开挖过程中岩性界面区3种典型围岩破坏Fig. 6 Typical damage during excavation of section K36+060～+010

2.3.2 围岩破坏空间分布

由图4可知，岩性界面区域的灾害类型以蚀变带为界在硬、软两侧呈区域性分布特征。其中，岩爆均发生在隧洞南侧硬岩区域的完整部位； 应力-结构型塌方灾害发生在南侧硬岩区域结构面较发育且交汇的位置，结构面走向常与应力方向呈小角度相交。图6(c)为硬岩侧(灰白色变质黑云母花岗)区域0：00～1：00方位发生的应力-结构型塌方。该区域围岩较完整，发育1组产状265°∠85°的结构面。结构型塌方均发生在北侧的软岩侧区域，且区域内多发育2～3组结构面，以暗色矿物边界为结构型塌方的边界。

分析岩性界面南北两侧的灾害特征可知： 南侧硬岩区域发生的破坏数量较多，且岩爆等级以中等为主，局部发生1次强烈岩爆(如图7所示)，深度为1.1 m，对围岩的破坏程度大； 北侧软岩区域发生的破坏数量相对较少，且主要为沿着不利结构面发生的结构型塌方，塌腔深度受结构面和暗色矿物分布特征控制。

图7 K36+031附近区域发生的强烈岩爆Fig. 7 Strong rockburst occurred in section K36+031 section

3 岩性界面区开挖过程中的微震时空演化特征及围岩破坏机制

3.1 微震时空演化特征

为研究岩性界面区不同类型破坏的形成机制，分析开挖过程中围岩破坏的微震响应特征及规律。选取K36+041～+035段作为同一断面岩爆和塌方伴随发生的典型区段，对该区域开挖过程中的微震监测结果进行分析，结果如图8所示。

(a) 2021-02-13—2021-02-14

(b) 2021-02-14—2021-02-15

(c) 2021-02-15—2021-02-16E代表能量； 颜色由蓝转向红表示能量升高。图8 K36+041～+035段开挖过程中微震时空分布及参数特征Fig. 8 Temporal and spatial distribution and parameter characteristics of microseisms during excavation of section K36+041～+035

由图8可知，K36+041～+035段开挖期间微震事件聚集区主要分布在隧洞南侧，隧洞南侧硬岩区域的微震事件数、微震释放能显著大于隧洞北侧的软岩区域。例如： 2021-02-14—2021-02-15共掘进5 m，隧洞南侧区域累计微震事件数为31个，微震释放能为181 970 J； 隧洞北侧区域累计微震事件数为9个，微震释放能为372 J。

K36+080～+000段开挖过程中微震事件云图如图9所示。由图9可知： 1)K36+080～+000段开挖过程中微震事件的分布呈区域性特征，沿隧洞断面方向岩爆、结构型塌方破坏与微震活动具有良好的空间相关性。2)隧洞南侧主要发生岩爆和应力-结构型塌方灾害，而隧洞北侧主要发生结构型塌方灾害。除此之外，沿隧洞轴线方向不同类型破坏区域微震活动性也存在显著差异。该区域开挖过程中K36+080～+050段围岩微震活动性相对较弱，仅发生较少次数的应力-结构型塌方和结构型塌方； K36+050～+030段开挖过程中围岩微震活动性强，对应区域发生多次中等岩爆和强烈岩爆。由此可见： 岩爆区域能量释放程度高于应力-结构型塌方区域，结构型塌方破坏区域能量释放最少。

颜色由蓝转向红表示微震事件数升高。图9 K36+080～+000段开挖过程中微震事件云图Fig. 9 Characteristics of damage and microseismic activity during excavation of section K36+080～+000

3.2 围岩破坏机制

冯夏庭等[25]的研究表明，岩爆发生前，岩体内部小破裂事件形成的裂纹贯通，通常会产生能量高的大破裂事件。谭双等[13]的研究结果表明，微震视体积突增是深埋隧洞塌方发生的前兆信号。基于此，结合隧洞南北两侧围岩的情况可知，大能量破裂事件(简称大能量事件，本文中指微震释放能大于1 000 J的破裂事件)与南侧岩爆活动有较好的相关性，隧洞北侧微震视体积最大的破裂事件与塌方活动有较好的相关性。将上述事件作为关键事件进行分析，其发生时间、微震释放能、微震视体积等主要信息如表1所示。

表1 开挖过程中的关键微震事件信息Table 1 Key microseismic event information during excavation

结合图8和表1对微震事件发生的先后顺序、部位等信息进行分析，结果表明： 1)绝大部分大能量事件发生于TBM掘进期间，主要位于掌子面附近，少部分大能量事件发生于TBM检修期间，如事件⑦发生于掌子面后8 m的已揭露区域。2)大能量事件发生部位均位于隧洞南侧，隧洞北侧区域无大能量事件发生。此外，对事件①等大能量事件与事件②等微震视体积大的破裂事件发生的先后顺序进行分析。结果表明，隧洞南侧大能量事件发生时间较隧洞北侧微震视体积大的破裂事件早。由此可知，深埋TBM隧洞顺隧洞轴向岩性界面区域开挖过程中，岩爆活动早于塌方活动发生。

以上对岩性界面区微震活动特征及规律的分析结果表明，受南硬北软的岩性特征影响，在硬岩侧产生了更大的应力集中，对应该侧围岩发生了更多的岩体破裂。当围岩较完整时，能够聚集更多的能量，能量的突然释放导致围岩产生大量的破裂且伴随大能量事件产生，可诱发较高等级的岩爆，因而围岩呈片状、板状、块状的高应力破坏特征，而当爆坑揭露后，未充分释放的能量仍有可能进一步释放，进而加剧围岩破坏程度； 当围岩发育有一定数量和规模的结构面时，围岩内部聚集有一定的能量，在能量释放过程中导致岩体产生破裂，且与部分不利结构面交错切割发生规模较大的应力-结构型塌方破坏，因而在塌腔内部有结构面揭露，但在塌腔边缘有显著的片状、板状等高应力张拉破坏特征。北侧软岩区域的微震活动性相对较弱，表明该侧围岩产生的破裂事件较少，主要沿较软弱的暗色矿物或交汇的不利结构面发生结构型失稳破坏，因而其破坏边界受暗色矿物控制。

在更大的应力集中下，隧洞硬岩侧大能量事件随着掌子面的推进不断产生，呈现“边挖边爆”的特征，而结构型塌方的发生时间受地质及施工条件的控制，通常滞后于掌子面的开挖。

综合上述分析可知，受南硬北软的岩性特征影响，在岩性界面区域围岩能量释放程度和破裂呈现不同的特征。隧洞开挖后，硬岩侧应力集中程度较高，对应的破坏数量较多且较易产生以高应力岩爆、应力-结构型塌方为主的局部破坏； 软岩侧应力集中程度较低，高应力破坏特征不显著，产生的破坏主要受暗色矿物、交汇的结构面等不利地质结构影响，发生结构型塌方破坏。因而，隧洞开挖过程中发生的灾害呈现为同一断面既有岩爆又有塌方，对围岩支护措施选取有较大的影响。

4 岩性界面区支护体受力特征

4.1 空间分布特征

岩性界面区域开挖过程中同一断面既有岩爆又有结构型塌方发生，围岩支护的选取常较难决策。为保证安全采用了“锚杆+钢拱架+钢筋排”的高强度联合支护体系。但高强度支护不仅增加施工成本，且严重影响施工进度。为此，在微震监测的基础上对岩性界面区不同灾害类型下的支护体受力特征进行监测，并利用拱架应变计分别分析了岩爆区域、结构型塌方区域和既有岩爆又有结构型塌方区域的拱架受力特征。

不同灾害类型下的钢拱架受力情况如图10所示。仅发生岩爆的区域围岩岩性主要为灰白色变质黑云母花岗岩，围岩坚硬且完整性较好，在10：30～0：00方位形成了1个深约0.58 m的爆坑，采用间距1.8 m的HW125型钢拱架支护； 仅发生结构型塌方的区域围岩岩性主要为灰黑色变质黑云母花岗岩，强度较低且完整性较差，在0：00～3：30方位形成了1个深约1.4 m的塌腔，采用间距0.9 m的 HW150型钢拱架支护； 岩爆和结构型塌方伴随发生的区域围岩岩性主要为变质黑云母花岗岩，局部发育蚀变矿物和多条软弱结构面，同一断面不同位置分别形成了深约0.7 m的塌腔和0.4 m的爆坑，采用间距0.9 m的HW125型钢拱架支护。

(a) 仅发生岩爆的区域

(b) 仅发生结构型塌方的区域

(c) 岩爆和结构型塌方伴随发生的区域“-”表示测点受压，“+”表示测点受拉。图10 不同灾害类型下的钢拱架受力情况Fig. 10 Stress of steel arch frame in different disasters

由图10可知： 仅发生岩爆的区域钢拱架间距较大，但整体受力较小，爆坑中心测点受压值为68.4 MPa； 仅发生结构型塌方的区域钢拱架强度较大，但整体受力较大，且塌腔中心测点受力最大，达到393.88 MPa； 岩爆和结构型塌方伴随发生的区域爆坑中心与塌腔中心受力均较大，分别为270.77 MPa和165.27 MPa。通过对比可知： 仅发生岩爆的区域爆坑外围岩完整性较好，拱架整体受力并不大； 仅发生结构型塌方的区域围岩自稳能力差，钢拱架受力大，尤其是当塌腔深度超过1.0 m时，可能导致钢拱架变形； 岩爆和结构型塌方伴随发生时，会导致该区域钢拱架整体受力较大。仅发生岩爆的区域受力较小，主要由于岩爆是较完整岩体局部破裂化形成的灾害，虽然局部位置产生了破坏，但整体仍具有一定的自稳性，因而工程中也常对岩爆区域采取非对称支护。

4.2 时间演化特征

采用钢拱架受力与最终受力的比值可对钢拱架受力的收敛趋势进行定量化分析。当钢拱架受力与最终受力的比值超过95%时，则视为该钢拱架受力已趋于稳定。不同类型灾害区域钢拱架受力与最终受力的比值随开挖天数的变化曲线如图11所示。由图11可知： 开挖30 d时，仅发生结构型塌方的区域钢拱架受力已超过了最终值的95%，岩爆和结构型塌方伴随发生的区域钢拱架受力约为最终值的88%，而仅发生岩爆的区域钢拱架受力为最终值的86%。此外，仅发生结构型塌方的区域钢拱架受力稳定时间约为28 d，岩爆和结构型塌方伴随发生的区域钢拱架受力稳定时间约为43 d，而仅发生岩爆的区域钢拱架受力稳定时间约为60 d。

图11 不同类型灾害区域钢拱架受力与最终受力的比值随开挖天数的变化曲线Fig. 11 Stress stability time of steel arch in different disasters

由此可见，仅发生结构型塌方的区域虽然钢拱架整体受力较大，但是其受力稳定时间较短，这表明在结构型塌方发生后围岩内部没有明显的能量释放和岩体破裂，按照相应结构型塌方段支护的设计要求支护即可加固围岩。然而，仅发生岩爆的区域及岩爆和结构型塌方伴随发生的区域在开挖后较长一段时间内支护体受力仍未达到收敛，表明围岩内部仍有能量释放和岩体破裂，因而其支护除需按照要求设计外，还需在硬岩侧的应力集中区域进行应力释放。

5 岩性界面区围岩支护及防控技术

5.1 破坏风险评估

灾害的识别和评估是进行灾害控制的首要步骤。对于深埋TBM隧洞，岩性交界面往往处于压密状态，同时由于TBM刀盘的阻隔难以直接观测到掌子面的地质信息，岩性交界面的识别难度增加。可采用多种手段综合识别岩性交界面，例如： 通过观察岩渣判断是否存在不同岩性； 通过TBM参数变化判断岩体性质的变化程度； 通过超前地质预报中反射面的形态和位置判断交界面的产状和出露位置； 通过微震监测结果中微震事件的空间分布，特别是掌子面前面微震事件的空间分布规律，判断岩体结构的特征。识别出岩性交界面后，进一步分析微震事件的能量、数量和空间分布特征等信息，并结合岩性界面的空间位置、性质等信息，综合判断掌子面前方岩爆及塌方的风险。

5.2 围岩适应性支护及防控技术

基于对岩性界面区域的围岩破坏特征、微震响应规律、识别方法、破坏风险判断和支护体受力特征的分析，结合岩爆防控“三步走”的总体思想[26]，可对该隧洞开挖过程中的围岩支护措施进行优化。

当岩爆等级较低时，岩爆破坏性小，以结构型塌方为主体进行支护即可。随着岩爆等级升高，支护及防控的主体逐渐过渡为岩爆。当岩爆等级为中等时，除采取与塌方破坏规模对应的支护措施外，还需施作应力释放孔以释放围岩内部积蓄的能量； 当岩爆等级为强烈及极强岩爆时，围岩应力集中程度高、岩爆破坏范围大，需以岩爆为主体，采用“减能—释能—吸能”的防控体系，控制并降低岩爆等级。综上所述，岩性界面区不同灾害类型的支护及防控技术如表2所示。

表2 岩性界面区不同灾害类型的支护及防控技术Table 2 Support methods of different disaster types in lithologic interface area

6 结论与讨论

本文以深埋TBM隧洞顺轴向岩性界面区围岩为研究对象，结合微震监测、支护体受力监测等手段，对某具有南硬北软岩性特征的隧洞围岩破坏与支护体受力特征进行了研究，并对不同类型破坏提出了支护措施优化建议，得到以下结论：

1)受南硬北软岩性特征的影响，该隧洞岩性界面区域开挖过程中同一断面岩爆与结构型塌方伴随发生，硬、软两侧的灾害类型呈区域性分布，且硬岩侧破坏数量及破坏程度均高于软岩侧。

2)岩爆、结构型塌方破坏与微震活动具有良好的空间相关性。岩性界面区域围岩应力集中程度和破坏呈现不同的特征。

3)仅发生结构型塌方的区域钢拱架整体受力较大，受力稳定时间较短，依据塌腔深度采取相应的支护措施即可加固围岩； 仅发生中等岩爆的区域及中等岩爆与结构型塌方伴随发生的区域，钢拱架受力稳定时间较长，除需按照设计要求进行支护外，还需在硬岩的应力集中区域进行应力释放。

4)当岩爆等级较低时，以结构型塌方为主体进行支护。随着岩爆等级升高，支护及防控的主体逐渐过渡为岩爆。

本文依托某TBM隧洞工程，针对岩性界面与隧洞轴线呈小夹角时的围岩破坏特征及支护技术进行了研究，但岩性界面与隧洞轴线呈不同夹角时围岩的破坏特征及支护技术尚待研究。此外，岩性界面区的识别技术和风险预测方法尚不完善，亦待进一步研究。

参考文献(References)：

[1] 洪开荣. 我国隧道及地下工程发展现状与展望[J]. 隧道建设, 2015, 35(2): 95.

HONG Kairong. State-of-art and prospect of tunnels and underground works development in China[J]. Tunnel Construction, 2015, 35(2): 95.

[2] 钱七虎. 依托中国的独特优势，加速迈向科技强国的伟大目标[J]. 科技导报, 2020, 38(10): 1.

QIAN Qihu. Relying on China′s unique advantages, accelerate the great goal of becoming a powerful country through science and technology[J]. Science & Technology Review, 2020, 38(10): 1.

[3] 李永亮, 乔志斌, 牛文静, 等. 微震监测技术在某深埋铁路隧道施工管理中的应用[J]. 隧道建设(中英文), 2019, 39(11): 1881.

LI Yongliang, QIAO Zhibin, NIU Wenjing, et al. Application of microseismic monitoring technology to construction management of a deep buried railway tunnel[J]. Tunnel Construction, 2019, 39(11): 1881.

[4] 冯夏庭, 陈炳瑞, 张传庆, 等. 岩爆孕育过程的机制、预警与动态调控[M]. 北京: 科学出版社, 2013.

FENG Xiating, CHEN Bingrui, ZHANG Chuanqing, et al. Mechanism, early warning and dynamic regulation of rockburst incubation process[M]. Beijing: Science Press, 2013.

[5] FENG X T. Rockburst: mechanisms, monitoring, warning, and mitigation[M]. Holland: Elsevier-Health Sciences Division, 2017.

[6] 冯夏庭，肖亚勋，丰光亮. 岩爆孕育过程研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2019, 38(4): 649.

FENG Xiating, XIAO Yaxun, FEGN Guangliang. Study on incubation process of rockbursts[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2019, 38(4): 649.

[7] XIAO Y X, FEGN X T, FENG G L, et al. Mechanism of evolution of stress-structure controlled collapse of surrounding rock in caverns: a case study from the Baihetan hydropower station in China[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2016, 51: 56.

[8] 赵周能, 冯夏庭, 肖亚勋, 等. 不同开挖方式下深埋隧道微震特性与岩爆风险分析[J]. 岩土工程学报, 2016, 38(5): 867.

ZHAO Zhouneng, FENG Xiating, XIAO Yaxun, et al. Microseismic characteristics and rockburst risk analysis of deep buried tunnel under different excavation methods[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2016, 38(5): 867.

[9] FENG G L, FEGN X T, CHEN B R, et al. A microseismic method for dynamic warning of rockburst development processes in tunnels[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2015, 48(5): 1.

[10] ZHOU J, LI X B, MITRI H S. Evaluation method of rockburst: State-of-the-art literature review[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2018, 81: 632.

[11] FEGN X T, YOUNG R P, REYES-MONTES J M, et al. ISRM suggested method for in situ acoustic emission monitoring of the fracturing process in rock masses[J]. Rock Mechanics & Rock Engineering, 2019, 52(5): 1395.

[12] 刘乃飞, 李宁, 李国锋, 等. 库尉输水隧洞塌方机制分析及加固效果评价[J]. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(12): 2531.

LIU Naifei, LI Ning, LI Guofeng, et al. Analysis of the collapse mechanism of the Kuyu water conveyance tunnel and assessment of the effectiveness of its ground reinforcements[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(12): 2531.

[13] 谭双, 李邵军, 王雪亮, 等. 深埋引水隧洞塌方孕育过程微震规律研究: 以Neelum-Jhelum工程为例[J]. 岩石力学与工程学报, 2018, 37(增刊2): 4115.

TAN Shuang, LI Shaojun, WANG Xueliang, et al. Study on microseismic law during landslide preparation of deep diversion tunnel: Taking Neelum-Jhelum project as an example [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2018, 37(S2): 4115.

[14] FENG G L, FENG X T, ZHAO Z N, et al. Analysis of a collapse in deep tunnel based on microseismic monitoring[J]. Applied Mechanics & Materials, 2012, 256/257/258/259: 1181.

[15] LI P X, FENG X T, FENG G L. Rockburst and microseismic characteristics around lithological interfaces under different excavation directions in deep tunnels[J]. Engineering Geology, 2019, 260: 105209.

[16] 李桐， 冯夏庭， 王睿， 等. 深埋隧道岩爆位置偏转及其微震活动特征[J]. 岩土力学, 2019, 40(7): 2847.

LI Tong, FENG Xiating, WANG Rui, et al. Rockburst position deflection and microseismic activity characteristics of deep buried tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics, 2019, 40(7): 2847.

[17] 周辉， 宋明， 张传庆， 等. 水平层状复合岩体变形破坏特征的围压效应研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(2): 465.

ZHOU Hui, SONG Ming, ZHANG Chuanqing, et al. Study on confining pressure effect of deformation and failure characteristics of horizontal layered composite rock mass[J]. Rock and Soil Mechanics, 2019, 40(2): 465.

[18] 王晓雷， 蒋鹏程， 闫顺玺， 等. 层状片麻岩力学性质与变形场演化特征研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2020, 37(6): 1255.

WANG Xiaolei, JIANG Pengcheng, YAN Shunxi, et al. Study on mechanical properties and deformation field evolution characteristics of layered gneiss[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2020, 37(6): 1255.

[19] YANG S Q, TAO Y, XU P, et al. Large-scale model experiment and numerical simulation on convergence deformation of tunnel excavating in composite strata[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2019, 94: 103133.

[20] FENG W K, HUANG R Q, LI T B. Deformation analysis of a soft-hard rock contact zone surrounding a tunnel[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2012, 32: 190.

[21] YANG W B, JIANG Y J, GU X X, et al. Deformation mechanism and mechanical behavior of tunnel within contact zone: a case study[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2021, 80: 5657.

[22] XIAO Y X, FEGN X T, CHRN B R, et al. Excavation-induced microseismicity in the columnar jointed basalt of an underground hydropower station[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2017, 97: 99.

[23] HU L, FENG X T, XIAO Y X, et al. Characteristics of the microseismicity resulting from the construction of a deeply-buried shaft[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2019, 85: 114.

[24] 水利水电工程地质勘察规范: GB 50487—2008[S]. 北京: 中国计划出版社, 2009.

Code for geological investigation of water resources and hydropower engineering: GB 50487-2008[S]. Beijing: China Planning Press, 2009.

[25] 冯夏庭, 陈炳瑞, 明华军, 等. 深埋隧洞岩爆孕育规律与机制: 即时型岩爆[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(3): 433.

FENG Xiating, CHEN Bingrui, MING Huajun, et al. The law and mechanism of rockburst preparation in deep buried tunnels: Instant rockburst[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(3): 433.

[26] 冯夏庭, 张传庆, 陈炳瑞, 等. 岩爆孕育过程的动态调控[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(10): 1983.

FENG Xiating, ZHANG Chuanqing, CHEN Bingrui, et al. Dynamic control of rockburst incubation process[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(10): 1983.