呂 斌，付廉杰，黃浦樂(lè)，何 龍，胡 磊，姚志賓

(1.新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；3.遼寧省深部工程與智能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 東北大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

巖爆是在高應(yīng)力條件下開(kāi)挖卸荷，導(dǎo)致圍巖積蓄的彈性能突然釋放，誘發(fā)圍巖爆裂及彈射的工程現(xiàn)象[1]。巖爆嚴(yán)重威脅施工過(guò)程中人員和設(shè)備的安全，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度，在隧道、礦山和水電站等工程的施工過(guò)程中均有巖爆發(fā)生[1]。因此，形成一套巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警和控制技術(shù)可為隧道的安全高效施工提供保障。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧洞施工過(guò)程中巖爆的監(jiān)測(cè)預(yù)警和控制研究較為深入。馮夏庭[2]闡述了巖爆分類(lèi)，總結(jié)了TBM和鉆爆法隧道巖爆的發(fā)生特征，揭示了不同施工方法下不同類(lèi)型巖爆的孕育規(guī)律，形成了基于微震監(jiān)測(cè)信息的巖爆預(yù)警方法和防控理論，推動(dòng)了隧道巖爆的預(yù)警和防控技術(shù)的進(jìn)步。白國(guó)峰[3]討論了拉林鐵路巴玉隧道巖爆施工的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法和處理措施，討論了不同巖爆等級(jí)條件下高原隧道巖爆施工和支護(hù)措施的選取，列舉了巖爆隧道施工的準(zhǔn)則，可為類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)。杜立杰等[4]依托新疆ABH工程和陜西引漢濟(jì)渭工程，通過(guò)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖爆等級(jí)和位置進(jìn)行了預(yù)警，并給出了不同等級(jí)巖爆微震監(jiān)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確率，可根據(jù)巖爆預(yù)警結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工提供安全保障。楊春寶等[5]分析了引漢濟(jì)渭和錦屏二級(jí)水電站巖爆的主要特點(diǎn)，提出了巖爆風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和控制的常用手段。陶磊等[6]依托秦嶺輸水隧洞，開(kāi)展了TBM隧道微震監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)方案的優(yōu)化，并給出了巖爆預(yù)警準(zhǔn)確率，研究表明，對(duì)于微震監(jiān)測(cè)設(shè)備布置的優(yōu)化可提高巖爆預(yù)警準(zhǔn)確率。王家祥[7]等綜合隧洞應(yīng)力條件、地質(zhì)條件和電磁測(cè)深結(jié)果，對(duì)潛在巖爆洞段和巖爆等級(jí)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果表明，該技術(shù)進(jìn)行巖爆預(yù)警的可靠性較強(qiáng)，可為類(lèi)似工程的巖爆預(yù)測(cè)預(yù)警提供參考。馬振洲[8]等根據(jù)反演的隧洞初始應(yīng)力場(chǎng)得到開(kāi)挖后隧洞周?chē)膽?yīng)力分布，結(jié)合圍巖巖性，根據(jù)不同巖爆等級(jí)判別準(zhǔn)則得到隧道開(kāi)挖后可能的巖爆等級(jí)，并給出了相應(yīng)的支護(hù)對(duì)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(duì)于巖爆的預(yù)測(cè)、模擬和防治問(wèn)題進(jìn)行了分析，目前微震監(jiān)測(cè)已成為一項(xiàng)有效的巖爆監(jiān)測(cè)技術(shù)，但對(duì)于巖爆發(fā)生時(shí)間的預(yù)測(cè)還需要繼續(xù)深入研究。蔣銳[10]等依托引漢濟(jì)渭工程，總結(jié)了工程施工過(guò)程中的主要工程地質(zhì)問(wèn)題，其中由于該工程最大埋深達(dá)2012m，巖爆問(wèn)題突出，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度，最后對(duì)于不同巖爆等級(jí)，列舉了現(xiàn)場(chǎng)采用的不同的巖爆支護(hù)措施，可為其他巖爆隧道施工過(guò)程中巖爆防治提供依據(jù)。肖大鵬[11]從全斷面隧道施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)出發(fā)，建立了包括巖爆在內(nèi)的多種圍巖失穩(wěn)類(lèi)型的故障樹(shù)系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了識(shí)別，該風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)方法可為隧道施工過(guò)程中找出關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)提供了途徑。紀(jì)鵬[12]分析了TBM法開(kāi)挖過(guò)程中巖體能量的演化特征和機(jī)制，并以此為基礎(chǔ)得到了針對(duì)不同圍巖變形特征的調(diào)控策略和方法，最后將該方法應(yīng)用于遼寧大伙房水庫(kù)工程的實(shí)際施工中，實(shí)現(xiàn)了施工速率大大提高的效果，可為類(lèi)似工程提供一定的借鑒和參考價(jià)值。張小寶[13]等對(duì)目前施工過(guò)程中巖爆等災(zāi)害的工程地質(zhì)勘察進(jìn)行了總結(jié)和歸納，提出了具體的應(yīng)對(duì)措施，包括對(duì)地質(zhì)資料的收集、測(cè)繪工作的詳細(xì)開(kāi)展、物探和鉆孔取樣，可根據(jù)多種手段獲取的具體信息開(kāi)展和推進(jìn)工程地質(zhì)勘察工作。

本文依托某TBM隧洞，針對(duì)施工過(guò)程中發(fā)生的巖爆災(zāi)害，采用微震監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)進(jìn)行巖爆潛在區(qū)域和等級(jí)預(yù)警，并基于巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果進(jìn)行巖爆段支護(hù)措施的調(diào)整，研究成果可為類(lèi)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(guò)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(gòu)造，完整性較好，此外，隧洞沿線(xiàn)發(fā)育4條斷層。該TBM隧洞開(kāi)挖洞徑7.8m，采用全斷面開(kāi)挖方式，洞段埋深為640～710m。隧址區(qū)最大主應(yīng)力為13.1～21.6MPa，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為2.77～3.6，為中等-高地應(yīng)力水平，勘察設(shè)計(jì)階段評(píng)估結(jié)果顯示該隧洞中等巖爆段總長(zhǎng)為5.88km，占隧洞總長(zhǎng)約61%。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)巖爆情況

在該隧洞開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生了多次巖爆，圖1為2021年1—4月現(xiàn)場(chǎng)破壞情況。由圖1可知，其中1月份無(wú)巖爆發(fā)生，均為塌方破壞，塌方段落達(dá)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(xiàn)了10m長(zhǎng)的強(qiáng)烈?guī)r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(zhǎng)度均有所上升，分別達(dá)到40m和89m。總的來(lái)說(shuō)，巖爆段落占全部進(jìn)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(qiáng)烈?guī)r爆段落占總巖爆段落的3.7%，施工過(guò)程中巖爆帶來(lái)的影響較為嚴(yán)重。通過(guò)分析該隧洞的巖爆特征發(fā)現(xiàn)：①巖爆類(lèi)型以即時(shí)型為主，主要發(fā)生在護(hù)盾內(nèi)部，圍巖從護(hù)盾揭露時(shí)爆坑已經(jīng)形成，但也存在較少的時(shí)滯型巖爆，一般在時(shí)間上滯后開(kāi)挖2～3d；②巖爆具有較強(qiáng)的突發(fā)性和危害性，且等級(jí)以中等巖爆為主，輕微巖爆次之，強(qiáng)烈?guī)r爆最少；③地質(zhì)條件變化快，巖爆塌方交織，支護(hù)措施選取的難度較大。上述巖爆特征使得現(xiàn)場(chǎng)施工人員和設(shè)備安全受到嚴(yán)重威脅，遲滯了施工進(jìn)度。

圖1 2021年1—4月圍巖破壞段落統(tǒng)計(jì)

圖2為該隧洞施工過(guò)程中發(fā)生的一次典型中等巖爆，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員和設(shè)備造成了安全威脅。此次巖爆發(fā)生在K35+636.2—K35+626.8區(qū)域11:00—12:30方位，爆坑長(zhǎng)為3.6m，寬為1.5m，深度0.82m，爆落巖石呈現(xiàn)片狀和薄層狀剝落，巖爆發(fā)生在護(hù)盾內(nèi)，圍巖產(chǎn)生較大的悶響聲，爆坑附近發(fā)育多條暗色礦物條帶，產(chǎn)狀分別為130°∠40°、90°∠30°和230°∠10°。該破壞區(qū)域巖性為灰白色變質(zhì)黑云母花崗巖和灰黑色變質(zhì)黑云母花崗巖，巖爆發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)施工人員對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了支護(hù)，支護(hù)形式為125型拱架，間距0.9m，并布設(shè)錨桿和直徑20mm的鋼筋排。

圖2 K35+636.2—K35+626.8區(qū)域中等巖爆

2 巖爆微震監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

2.1 微震監(jiān)測(cè)預(yù)警方案

2.1.1巖爆微震監(jiān)測(cè)

隧道巖爆孕育過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一系列巖體破裂事件，這些巖體破裂發(fā)生后產(chǎn)生的震動(dòng)波沿周?chē)慕橘|(zhì)向外傳播。微震傳感器可以接收此類(lèi)微震信號(hào)[14]，通過(guò)計(jì)算震源的位置、能量、震級(jí)等參數(shù)，并分析微震參數(shù)時(shí)空演化特征對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程潛在的巖爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)警[15-18]。為了保障施工人員安全，提高施工效率，降低巖爆對(duì)施工的影響，采用中科微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(SinoSeiSm)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該隧道進(jìn)行了巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警，系統(tǒng)組成如圖3所示。該微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、采集儀、防電泳保護(hù)卡、授時(shí)服務(wù)器、電源穩(wěn)壓器和傳感器，破裂信號(hào)由傳感器接收傳至采集儀和數(shù)據(jù)服務(wù)器，即實(shí)現(xiàn)破裂信號(hào)可視化，便于對(duì)其進(jìn)行處理和分析。其他部分為系統(tǒng)的輔助設(shè)備，其中防電泳保護(hù)卡的作用為防止由于外界影響導(dǎo)致巔峰電流或電壓的突然形成，從而對(duì)設(shè)備造成損壞的現(xiàn)象，授時(shí)服務(wù)器的主要作用為同步網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時(shí)間，電源穩(wěn)壓器的主要作用為保障監(jiān)測(cè)設(shè)備電壓的穩(wěn)定，防止因電壓的波動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備損壞。該微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在復(fù)雜惡劣環(huán)境下可正常開(kāi)展監(jiān)測(cè)，滿(mǎn)足潮濕、粉塵含量高等惡劣條件下監(jiān)測(cè)的要求。

圖3 sss微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

為了保障微震監(jiān)測(cè)的有效性和準(zhǔn)確性，依據(jù)《微震監(jiān)測(cè)巖石力學(xué)學(xué)會(huì)國(guó)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(hù)盾后方布置兩排共8只微震監(jiān)測(cè)傳感器，傳感器在斷隧道面上呈交錯(cuò)式分布。第一排傳感器布置在護(hù)盾后方0～5m范圍內(nèi)；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(kāi)挖而向前動(dòng)態(tài)移動(dòng)，保障了微震設(shè)備的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)要求。

圖4 傳感器布置示意圖

2.1.2巖爆預(yù)警方法

TBM隧洞開(kāi)挖過(guò)程中的巖爆預(yù)警是指在巖爆孕育過(guò)程根據(jù)微震監(jiān)測(cè)信息，預(yù)判潛在巖爆的位置及其巖爆等級(jí)和發(fā)生概率。依據(jù)巖爆定量預(yù)警方法可知[2]，巖爆預(yù)警區(qū)域?yàn)檎谱用媲胺?0m到后方25m，且預(yù)警區(qū)域跟隨隧道掌子面而進(jìn)行動(dòng)態(tài)移動(dòng)。基于微震事件數(shù)、微震釋放能、微震視體積等參數(shù)，利用巖爆定量預(yù)警方法，計(jì)算潛在等級(jí)和發(fā)生概率。

巖爆預(yù)警的流程如圖5所示。首先在隧洞掌子面附近布置微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中微震傳感器捕捉到微震事件，并對(duì)接收到的事件進(jìn)行一系列處理，得到巖體破裂事件，進(jìn)而對(duì)破裂事件進(jìn)行波形識(shí)別、到時(shí)拾取、事件定位和參數(shù)計(jì)算，得到潛在巖體破裂的位置和能量，分析得出潛在巖爆風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域和等級(jí)[9]。

圖5 巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警流程圖

2.2 典型巖爆預(yù)警案例

微震信息可為巖爆預(yù)警的主要輸入信息，圖6為典型巖爆預(yù)警洞段的微震事件時(shí)空分布圖，從4月30日21:00至5月1日9:00，K35+508—K35+473區(qū)域累積產(chǎn)生微震事件22個(gè)，微震釋放能1.86E+05J，根據(jù)巖爆智能預(yù)警軟件計(jì)算出該區(qū)域潛在中等巖爆風(fēng)險(xiǎn)，并于5月1日9:00發(fā)布預(yù)警報(bào)告。發(fā)布預(yù)警報(bào)告7h后，在K35+488—K35+485區(qū)域9:05—12:00發(fā)生了中等巖爆，爆坑長(zhǎng)度1.8m，寬度0.5m，深度0.36m，如圖7所示，巖爆實(shí)際發(fā)生情況與預(yù)警結(jié)果相符。

圖6 微震事件時(shí)空分布圖

圖7 巖爆實(shí)際發(fā)生情況

3 巖爆段支護(hù)措施優(yōu)化

3.1 基于預(yù)警結(jié)果的巖爆支護(hù)措施優(yōu)化方法

巖爆預(yù)警結(jié)果為現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)措施的選取提供了重要參考?；陬A(yù)警結(jié)果的巖爆支護(hù)措施優(yōu)化方法流程圖如圖8所示，首先，參考巖爆預(yù)警結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)在保障安全的前提下采取支護(hù)措施，此后，通過(guò)微震監(jiān)測(cè)判識(shí)別支護(hù)后巖爆風(fēng)險(xiǎn)，若微震信息反映巖爆風(fēng)險(xiǎn)降低，則采用優(yōu)化后的支護(hù)措施進(jìn)行支護(hù)，若巖爆風(fēng)險(xiǎn)未降低，則繼續(xù)進(jìn)行支護(hù)措施的優(yōu)化。

圖8 巖爆段支護(hù)措施優(yōu)化方案流程圖

3.2 支護(hù)措施優(yōu)化前后典型巖爆段支護(hù)情況對(duì)比分析

3.2.1支護(hù)措施優(yōu)化前某中等巖爆段支護(hù)情況

2021年02月19日21:00至02月20日21:00，K36+045—K36+010區(qū)域內(nèi)累積產(chǎn)生微震事件54個(gè)，微震釋放能1.4E+05J，如圖9(a)所示。預(yù)警該區(qū)域潛在中等巖爆風(fēng)險(xiǎn)。為了避免巖爆帶來(lái)的危害，現(xiàn)場(chǎng)施工人員對(duì)潛在中等巖爆區(qū)域加強(qiáng)了支護(hù)，采用HW150型鋼拱架(間距0.45m)+鋼筋排+錨桿的支護(hù)形式，如圖9(b)所示。采取支護(hù)措施后，2月20日21:00—2月24日9:00期間隧洞未掘進(jìn)，恢復(fù)掘進(jìn)后，從2021年02月24日9:00—02月25日9:00，預(yù)警區(qū)域內(nèi)累積產(chǎn)生微震事件31個(gè)，累積微震釋放能6.56E+05J，該巖爆段共計(jì)使用23榀HW150型鋼拱架，通過(guò)該洞段共耗時(shí)約2d。

圖9 優(yōu)化前中等巖爆區(qū)域微震事件分布及實(shí)際支護(hù)措施

3.2.2支護(hù)措施優(yōu)化后某中等巖爆段支護(hù)情況

2021年03月08日21:00—03月09日21:00，K35+995—K35+960區(qū)域累積產(chǎn)生微震事件54個(gè)，累積釋放能1.01E+05J，如圖10(a)所示，預(yù)警該區(qū)域潛在中等巖爆風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)預(yù)警結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)采用優(yōu)化后的支護(hù)措施對(duì)中等巖爆區(qū)域進(jìn)行了支護(hù)，支護(hù)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(yōu)化后支護(hù)措施支護(hù)后，03月09日21:00至03月11日14:00期間隧洞未掘進(jìn)，恢復(fù)掘進(jìn)后，2021年03月11日14:00至03月12日14:00區(qū)域累積產(chǎn)生微震事件為22個(gè)，微震釋放能為6.45E+02J。該中等巖爆段支護(hù)使用5榀HW150型鋼拱架，約1d時(shí)間開(kāi)挖完成，且拱架未發(fā)生變形等安全問(wèn)題，如圖10(c)所示，安全順利地通過(guò)了巖爆段。

圖10 中等巖爆支護(hù)措施優(yōu)化后典型照片及支護(hù)前后微震事件分布圖

3.2.3對(duì)比分析

支護(hù)措施優(yōu)化包括將拱架間距由0.45m調(diào)整至0.9m，且加入超前噴射混凝土措施。從微震參數(shù)上看，當(dāng)采用優(yōu)化前的支護(hù)措施時(shí)，微震釋放能仍有明顯的提高，說(shuō)明該支護(hù)措施未能達(dá)到降低巖爆風(fēng)險(xiǎn)的作用；當(dāng)采用優(yōu)化后的支護(hù)措施進(jìn)行支護(hù)時(shí)，微震事件數(shù)和釋放能均大幅度下降，從而降低了潛在巖爆風(fēng)險(xiǎn)，保障了人員和設(shè)備安全，如圖11所示。

圖11 中等巖爆支護(hù)措施優(yōu)化前后微震參數(shù)對(duì)比

支護(hù)措施優(yōu)化產(chǎn)生了諸多有益效果。從支護(hù)成本和施工效率來(lái)看，通過(guò)中等巖爆段，支護(hù)措施優(yōu)化后鋼拱架消耗數(shù)量減少了18榀，施工速度了提高了1d。這表明支護(hù)措施的優(yōu)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(guò)巖爆段。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某TBM隧洞開(kāi)挖過(guò)程中巖爆段落長(zhǎng)且中等巖爆占比多的問(wèn)題，采用巖爆微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)潛在巖爆區(qū)域和等級(jí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。預(yù)警與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際巖爆情況對(duì)比分析結(jié)果顯示，通過(guò)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行巖爆預(yù)警是可靠的。巖爆預(yù)警結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)措施的選取起到了重要作用。施工方可根據(jù)巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果及時(shí)調(diào)整潛在巖爆風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的支護(hù)措施，從而節(jié)省了支護(hù)成本和時(shí)間，提高了施工效率，保障了TBM隧洞的安全高效施工。