TBM隧洞岩爆监测预警与控制技术研究

吕 斌，付廉杰，黄浦乐，何 龙，胡 磊，姚志宾

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

岩爆是在高应力条件下开挖卸荷，导致围岩积蓄的弹性能突然释放，诱发围岩爆裂及弹射的工程现象[1]。岩爆严重威胁施工过程中人员和设备的安全，严重影响工程进度，在隧道、矿山和水电站等工程的施工过程中均有岩爆发生[1]。因此，形成一套岩爆监测预警和控制技术可为隧道的安全高效施工提供保障。

国内外学者对隧洞施工过程中岩爆的监测预警和控制研究较为深入。冯夏庭[2]阐述了岩爆分类，总结了TBM和钻爆法隧道岩爆的发生特征，揭示了不同施工方法下不同类型岩爆的孕育规律，形成了基于微震监测信息的岩爆预警方法和防控理论，推动了隧道岩爆的预警和防控技术的进步。白国峰[3]讨论了拉林铁路巴玉隧道岩爆施工的预测预报方法和处理措施，讨论了不同岩爆等级条件下高原隧道岩爆施工和支护措施的选取，列举了岩爆隧道施工的准则，可为类似工程提供经验。杜立杰等[4]依托新疆ABH工程和陕西引汉济渭工程，通过微震监测系统对现场岩爆等级和位置进行了预警，并给出了不同等级岩爆微震监测预警的准确率，可根据岩爆预警结果对现场施工提供安全保障。杨春宝等[5]分析了引汉济渭和锦屏二级水电站岩爆的主要特点，提出了岩爆风险识别和控制的常用手段。陶磊等[6]依托秦岭输水隧洞，开展了TBM隧道微震监测设备布设方案的优化，并给出了岩爆预警准确率，研究表明，对于微震监测设备布置的优化可提高岩爆预警准确率。王家祥[7]等综合隧洞应力条件、地质条件和电磁测深结果，对潜在岩爆洞段和岩爆等级进行了预测，结果表明，该技术进行岩爆预警的可靠性较强，可为类似工程的岩爆预测预警提供参考。马振洲[8]等根据反演的隧洞初始应力场得到开挖后隧洞周围的应力分布，结合围岩岩性，根据不同岩爆等级判别准则得到隧道开挖后可能的岩爆等级，并给出了相应的支护对策。吴剑疆[9]讨论了在隧洞埋深较大条件下需要解决的工程施工难题，其中对于岩爆的预测、模拟和防治问题进行了分析，目前微震监测已成为一项有效的岩爆监测技术，但对于岩爆发生时间的预测还需要继续深入研究。蒋锐[10]等依托引汉济渭工程，总结了工程施工过程中的主要工程地质问题，其中由于该工程最大埋深达2012m，岩爆问题突出，严重影响了施工进度，最后对于不同岩爆等级，列举了现场采用的不同的岩爆支护措施，可为其他岩爆隧道施工过程中岩爆防治提供依据。肖大鹏[11]从全断面隧道施工过程中的风险出发，建立了包括岩爆在内的多种围岩失稳类型的故障树系统，并以此为基础，对关键风险进行了识别，该风险判识方法可为隧道施工过程中找出关键风险提供了途径。纪鹏[12]分析了TBM法开挖过程中岩体能量的演化特征和机制，并以此为基础得到了针对不同围岩变形特征的调控策略和方法，最后将该方法应用于辽宁大伙房水库工程的实际施工中，实现了施工速率大大提高的效果，可为类似工程提供一定的借鉴和参考价值。张小宝[13]等对目前施工过程中岩爆等灾害的工程地质勘察进行了总结和归纳，提出了具体的应对措施，包括对地质资料的收集、测绘工作的详细开展、物探和钻孔取样，可根据多种手段获取的具体信息开展和推进工程地质勘察工作。

本文依托某TBM隧洞，针对施工过程中发生的岩爆灾害，采用微震监测预警技术进行岩爆潜在区域和等级预警，并基于岩爆监测预警结果进行岩爆段支护措施的调整，研究成果可为类似工程岩爆段的施工提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程背景

某TBM隧洞局部地表分布厚度为20～53.2m的第三系泥岩，隧洞穿过围岩岩性主要为华力西期花岗岩夹黑云母花岗岩，围岩呈次块状-块状构造，完整性较好，此外，隧洞沿线发育4条断层。该TBM隧洞开挖洞径7.8m，采用全断面开挖方式，洞段埋深为640～710m。隧址区最大主应力为13.1～21.6MPa，岩石强度应力比为2.77～3.6，为中等-高地应力水平，勘察设计阶段评估结果显示该隧洞中等岩爆段总长为5.88km，占隧洞总长约61%。

1.2 现场岩爆情况

在该隧洞开挖过程中发生了多次岩爆，图1为2021年1—4月现场破坏情况。由图1可知，其中1月份无岩爆发生，均为塌方破坏，塌方段落达到了100m，2月份岩爆段落明显增加，中等岩爆段落增加至60m，且出现了10m长的强烈岩爆段，3月份轻微岩爆段增加至17m，中等岩爆段减少至50m，4月份中等岩爆段和轻微岩爆段长度均有所上升，分别达到40m和89m。总的来说，岩爆段落占全部进尺的29.6%，其中轻微岩爆段落占总岩爆段落的24.0%，中等岩爆段落占总岩爆段落的72.3%，强烈岩爆段落占总岩爆段落的3.7%，施工过程中岩爆带来的影响较为严重。通过分析该隧洞的岩爆特征发现：①岩爆类型以即时型为主，主要发生在护盾内部，围岩从护盾揭露时爆坑已经形成，但也存在较少的时滞型岩爆，一般在时间上滞后开挖2～3d；②岩爆具有较强的突发性和危害性，且等级以中等岩爆为主，轻微岩爆次之，强烈岩爆最少；③地质条件变化快，岩爆塌方交织，支护措施选取的难度较大。上述岩爆特征使得现场施工人员和设备安全受到严重威胁，迟滞了施工进度。

图1 2021年1—4月围岩破坏段落统计

图2为该隧洞施工过程中发生的一次典型中等岩爆，对现场施工人员和设备造成了安全威胁。此次岩爆发生在K35+636.2—K35+626.8区域11:00—12:30方位，爆坑长为3.6m，宽为1.5m，深度0.82m，爆落岩石呈现片状和薄层状剥落，岩爆发生在护盾内，围岩产生较大的闷响声，爆坑附近发育多条暗色矿物条带，产状分别为130°∠40°、90°∠30°和230°∠10°。该破坏区域岩性为灰白色变质黑云母花岗岩和灰黑色变质黑云母花岗岩，岩爆发生后，现场施工人员对该区域进行了支护，支护形式为125型拱架，间距0.9m，并布设锚杆和直径20mm的钢筋排。

图2 K35+636.2—K35+626.8区域中等岩爆

2 岩爆微震监测预警技术

2.1 微震监测预警方案

2.1.1岩爆微震监测

隧道岩爆孕育过程会产生一系列岩体破裂事件，这些岩体破裂发生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此类微震信号[14]，通过计算震源的位置、能量、震级等参数，并分析微震参数时空演化特征对隧道开挖过程潜在的岩爆风险进行动态预警[15-18]。为了保障施工人员安全，提高施工效率，降低岩爆对施工的影响，采用中科微震监测系统(SinoSeiSm)微震监测系统对该隧道进行了岩爆监测预警，系统组成如图3所示。该微震监测系统主要包括数据服务器、采集仪、防电泳保护卡、授时服务器、电源稳压器和传感器，破裂信号由传感器接收传至采集仪和数据服务器，即实现破裂信号可视化，便于对其进行处理和分析。其他部分为系统的辅助设备，其中防电泳保护卡的作用为防止由于外界影响导致巅峰电流或电压的突然形成，从而对设备造成损坏的现象，授时服务器的主要作用为同步网络的服务器和网络设备的时间，电源稳压器的主要作用为保障监测设备电压的稳定，防止因电压的波动导致设备损坏。该微震监测系统在复杂恶劣环境下可正常开展监测，满足潮湿、粉尘含量高等恶劣条件下监测的要求。

图3 sss微震监测系统组成

为了保障微震监测的有效性和准确性，依据《微震监测岩石力学学会国际建议方法》建立微震传感器阵列布置方案，如图4所示。首先，选择频率范围在7～2000Hz、灵敏度为100V/(m/s)的高精度单向速度型微震传感器，在护盾后方布置两排共8只微震监测传感器，传感器在断隧道面上呈交错式分布。第一排传感器布置在护盾后方0～5m范围内；第二排传感器布置在距离第一排传感器15m左右的位置。微震传感器随掌子面的开挖而向前动态移动，保障了微震设备的实时动态监测要求。

图4 传感器布置示意图

2.1.2岩爆预警方法

TBM隧洞开挖过程中的岩爆预警是指在岩爆孕育过程根据微震监测信息，预判潜在岩爆的位置及其岩爆等级和发生概率。依据岩爆定量预警方法可知[2]，岩爆预警区域为掌子面前方10m到后方25m，且预警区域跟随隧道掌子面而进行动态移动。基于微震事件数、微震释放能、微震视体积等参数，利用岩爆定量预警方法，计算潜在等级和发生概率。

岩爆预警的流程如图5所示。首先在隧洞掌子面附近布置微震监测系统，在隧道开挖过程中微震传感器捕捉到微震事件，并对接收到的事件进行一系列处理，得到岩体破裂事件，进而对破裂事件进行波形识别、到时拾取、事件定位和参数计算，得到潜在岩体破裂的位置和能量，分析得出潜在岩爆风险的区域和等级[9]。

图5 岩爆监测预警流程图

2.2 典型岩爆预警案例

微震信息可为岩爆预警的主要输入信息，图6为典型岩爆预警洞段的微震事件时空分布图，从4月30日21:00至5月1日9:00，K35+508—K35+473区域累积产生微震事件22个，微震释放能1.86E+05J，根据岩爆智能预警软件计算出该区域潜在中等岩爆风险，并于5月1日9:00发布预警报告。发布预警报告7h后，在K35+488—K35+485区域9:05—12:00发生了中等岩爆，爆坑长度1.8m，宽度0.5m，深度0.36m，如图7所示，岩爆实际发生情况与预警结果相符。

图6 微震事件时空分布图

图7 岩爆实际发生情况

3 岩爆段支护措施优化

3.1 基于预警结果的岩爆支护措施优化方法

岩爆预警结果为现场支护措施的选取提供了重要参考。基于预警结果的岩爆支护措施优化方法流程图如图8所示，首先，参考岩爆预警结果，现场在保障安全的前提下采取支护措施，此后，通过微震监测判识别支护后岩爆风险，若微震信息反映岩爆风险降低，则采用优化后的支护措施进行支护，若岩爆风险未降低，则继续进行支护措施的优化。

图8 岩爆段支护措施优化方案流程图

3.2 支护措施优化前后典型岩爆段支护情况对比分析

3.2.1支护措施优化前某中等岩爆段支护情况

2021年02月19日21:00至02月20日21:00，K36+045—K36+010区域内累积产生微震事件54个，微震释放能1.4E+05J，如图9(a)所示。预警该区域潜在中等岩爆风险。为了避免岩爆带来的危害，现场施工人员对潜在中等岩爆区域加强了支护，采用HW150型钢拱架(间距0.45m)+钢筋排+锚杆的支护形式，如图9(b)所示。采取支护措施后，2月20日21:00—2月24日9:00期间隧洞未掘进，恢复掘进后，从2021年02月24日9:00—02月25日9:00，预警区域内累积产生微震事件31个，累积微震释放能6.56E+05J，该岩爆段共计使用23榀HW150型钢拱架，通过该洞段共耗时约2d。

图9 优化前中等岩爆区域微震事件分布及实际支护措施

3.2.2支护措施优化后某中等岩爆段支护情况

2021年03月08日21:00—03月09日21:00，K35+995—K35+960区域累积产生微震事件54个，累积释放能1.01E+05J，如图10(a)所示，预警该区域潜在中等岩爆风险。根据预警结果，现场采用优化后的支护措施对中等岩爆区域进行了支护，支护形式为HW150型钢拱架(间距0.9m)+钢筋排+锚杆+超前喷射混凝土，如图10(b)所示。采用优化后支护措施支护后，03月09日21:00至03月11日14:00期间隧洞未掘进，恢复掘进后，2021年03月11日14:00至03月12日14:00区域累积产生微震事件为22个，微震释放能为6.45E+02J。该中等岩爆段支护使用5榀HW150型钢拱架，约1d时间开挖完成，且拱架未发生变形等安全问题，如图10(c)所示，安全顺利地通过了岩爆段。

图10 中等岩爆支护措施优化后典型照片及支护前后微震事件分布图

3.2.3对比分析

支护措施优化包括将拱架间距由0.45m调整至0.9m，且加入超前喷射混凝土措施。从微震参数上看，当采用优化前的支护措施时，微震释放能仍有明显的提高，说明该支护措施未能达到降低岩爆风险的作用；当采用优化后的支护措施进行支护时，微震事件数和释放能均大幅度下降，从而降低了潜在岩爆风险，保障了人员和设备安全，如图11所示。

图11 中等岩爆支护措施优化前后微震参数对比

支护措施优化产生了诸多有益效果。从支护成本和施工效率来看，通过中等岩爆段，支护措施优化后钢拱架消耗数量减少了18榀，施工速度了提高了1d。这表明支护措施的优化有利于降低施工成本，提高施工效率，保证TBM安全高效地通过岩爆段。

4 结语

针对某TBM隧洞开挖过程中岩爆段落长且中等岩爆占比多的问题，采用岩爆微震监测技术，对潜在岩爆区域和等级进行监测预警。预警与现场实际岩爆情况对比分析结果显示，通过微震监测技术进行岩爆预警是可靠的。岩爆预警结果对现场支护措施的选取起到了重要作用。施工方可根据岩爆监测预警结果及时调整潜在岩爆风险区域的支护措施，从而节省了支护成本和时间，提高了施工效率，保障了TBM隧洞的安全高效施工。