基于聲發(fā)射試驗(yàn)的TBM隧道施工圍巖損傷及應(yīng)用研究*

趙海雷，錢彤途，孫振川，張 兵，楊延棟，黃 興

(1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458； 2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001； 3.西安電子科技大學(xué)，陜西 西安 710071；4.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430071)

0 引言

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)作為巖石隧道工程中最先進(jìn)的開挖裝備，在我國已廣泛應(yīng)用于鐵路、水利水電、城市軌道工程及煤礦巷道工程等領(lǐng)域[1]。與傳統(tǒng)的鉆爆法相比，隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，同時完成破巖、出渣和支護(hù)等作業(yè)，掘進(jìn)速度為常規(guī)鉆爆法的3～10倍，具有施工速度快、效率高、隧道成型好、對周邊環(huán)境影響小、作業(yè)安全及節(jié)省勞動力等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于深埋長隧道施工[2-5]。隨著TBM在隧道掘進(jìn)中的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對TBM的破巖機(jī)制、圍巖擾動損傷演變規(guī)律及實(shí)際工程應(yīng)用中遇到的問題從多個角度進(jìn)行了分析研究。

初步研究表明，鉆爆法和TBM法開挖對深部圍巖變形破壞行為、圍巖應(yīng)力場及其演化特征的影響具有顯著差異[6-7]。相對于鉆爆法開挖，TBM法是逐漸向前開挖，圍巖卸荷具有連續(xù)性，可認(rèn)為應(yīng)力變化處于相對靜態(tài)，掘進(jìn)過程中圍巖的受擾范圍較小，導(dǎo)致隧道周邊圍巖松動范圍相對較小。受殘余應(yīng)力影響，圍巖中封閉了較高能量，應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，隧道開挖后若不進(jìn)行及時支護(hù)，會增大圍巖破壞力，加大TBM掘進(jìn)過程中被卡風(fēng)險[8]。但目前多為理論研究隧道開挖過程中圍巖的損傷破壞規(guī)律，現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲取不多，結(jié)果往往難以指導(dǎo)現(xiàn)場施工[9-10]。聲發(fā)射作為一種先進(jìn)的監(jiān)測手段，可綜合全面地研究圍巖破裂損傷時空演化規(guī)律、破裂損傷機(jī)理及破裂強(qiáng)度[11]。國內(nèi)外許多專家學(xué)者利用聲發(fā)射在室內(nèi)及現(xiàn)場開展了大量研究工作。例如，Marin等[12]開展了隧道及洞室聲發(fā)射監(jiān)測，對隧道開挖后圍巖的損傷與破壞進(jìn)行了全面研究，并根據(jù)聲發(fā)射現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析結(jié)果，提出基于張拉破壞的破壞源尺寸評價模型；李庶林等[13]、趙興東等[14]進(jìn)行了單軸受壓巖石破壞全過程聲發(fā)射特征研究，得到巖石破壞全過程力學(xué)特征和聲發(fā)射特征；徐速超等[15]進(jìn)行了矽卡巖單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)及聲發(fā)射特性研究，得出矽卡巖在循環(huán)加卸載作用下具有反凱塞效應(yīng)的結(jié)果。

以上大量研究揭示了聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)的獨(dú)特性，但目前對聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)的研究主要通過室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析，針對現(xiàn)場數(shù)據(jù)展開的研究大部分也是基于鉆爆法施工，對于TBM施工過程中圍巖損傷聲發(fā)射現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，可供借鑒的案例很少。基于此，為了獲得高黎貢山隧道正洞TBM開挖過程中圍巖損傷的變化過程，開展了深埋硬巖TBM施工過程中聲發(fā)射監(jiān)測試驗(yàn)，為獲取復(fù)雜地質(zhì)條件下超前鉆孔的打設(shè)區(qū)域、支護(hù)錨桿打設(shè)深度及高地應(yīng)力區(qū)TBM合理的掘進(jìn)參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

高黎貢山隧道作為大理—瑞麗鐵路的控制性工程，具有“三高四活躍”的地質(zhì)特點(diǎn)，施工條件十分艱苦，隧道全長34.5km，其中出口段13.5km，最大埋深1 155m。TBM施工段含4條斷層和2段蝕變巖帶，存在破碎、易收斂變形、涌水、高地溫等不良地質(zhì)，對TBM在復(fù)雜地質(zhì)條件下的適應(yīng)性提出了挑戰(zhàn)。隧道出口分為正洞和平導(dǎo)洞，正洞采用國產(chǎn)直徑9.03m“彩云號”TBM施工，平導(dǎo)洞采用國產(chǎn)6.36m“彩云1號”TBM施工，平導(dǎo)洞TBM先于正洞TBM始發(fā)掘進(jìn)。該隧道TBM掘進(jìn)段如圖1所示。

圖1 高黎貢山隧道TBM掘進(jìn)段示意(單位：m)

2 聲發(fā)射試驗(yàn)

2.1 聲發(fā)射系統(tǒng)

本試驗(yàn)采用由AE傳感器、前置放大器、聲發(fā)射采集卡、主機(jī)系統(tǒng)和處理軟件等組成的SHSM型聲發(fā)射儀，其工作原理如圖2所示。試驗(yàn)中采用PVC管作為推送桿將探頭安裝至預(yù)定位置，水是良好的耦合劑，因此鉆孔內(nèi)一直保持有水狀態(tài)。在TBM不斷推進(jìn)過程中，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在掌子面前后一定范圍內(nèi)不間斷實(shí)時監(jiān)測。

圖2 聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)及原理

2.2 監(jiān)測鉆孔與聲發(fā)射探頭布置

為了完整監(jiān)測TBM經(jīng)過監(jiān)測斷面前后的圍巖擾動情況，放置探頭的鉆孔末端與正洞留有一定間距以保證探頭不被損壞。聲發(fā)射參數(shù)依據(jù)探頭所接收到的聲發(fā)射信號確定，因此探頭的布置影響接收信號的質(zhì)量，決定了定位算法速度和結(jié)果的可靠度。根據(jù)定位算法特點(diǎn)和現(xiàn)場試驗(yàn)可行性，盡量發(fā)揮探頭空間陣列作用，將試驗(yàn)用8個探頭布置在1-1，2-2號斷面，每個斷面4個探頭，4個探頭位于近似菱形的頂點(diǎn)，8個探頭連起來形成棱柱，其中，兩斷面間距4m，每個斷面布設(shè)3個鉆孔，長度分別為22，21，23m，傾角向下分別為2°，4°，6°，中間的1個鉆孔為備用鉆孔，在試驗(yàn)中并未使用。探頭具體布置以1-1號斷面為例，上、下分別布置67，72，69，79號4個探頭，孔內(nèi)探頭間距為4m，距孔底1m，如圖3所示。聲發(fā)射監(jiān)測區(qū)域如圖4所示。為了保證傳感器和孔壁耦合，孔內(nèi)須保持有水狀態(tài)。

圖3 1-1號斷面鉆孔布置(單位：m)

圖4 聲發(fā)射監(jiān)測區(qū)域

2.3 聲發(fā)射監(jiān)測參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)參數(shù)準(zhǔn)確性直接關(guān)系監(jiān)測結(jié)果真實(shí)度和可信度。本次試驗(yàn)現(xiàn)場條件復(fù)雜，巖體節(jié)理、裂隙較發(fā)育，存在滲流現(xiàn)象，對聲發(fā)射應(yīng)力波的傳播可能存在較強(qiáng)衰減效應(yīng)，因此，選用峰值頻率為16.6kHz的R.45I.C型低頻聲發(fā)射探頭，所采集應(yīng)力波具有更遠(yuǎn)穿透性和傳播距離，試驗(yàn)中的定位結(jié)果顯示，該型傳感器接收的最遠(yuǎn)聲源信號距離可達(dá)18m。

1)波速設(shè)置 高黎貢山隧道正洞掌子面聲發(fā)射監(jiān)測孔的單孔聲波測試結(jié)果顯示，該處巖體的平均波速為4.38km/s，現(xiàn)場所取巖樣通過室內(nèi)聲發(fā)射系統(tǒng)AST(自動傳感器測試)功能測試顯示其平均波速為4.21km/s，由于現(xiàn)場巖體相對完整，且所取試樣試驗(yàn)值與現(xiàn)場實(shí)測值相差不大，因此取實(shí)測值4.38km/s作為該處巖體的平均波速。

2)濾波參數(shù)設(shè)置 試驗(yàn)中采用聲發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，TBM掘進(jìn)過程中伴隨著多種噪聲干擾。監(jiān)測過程中采用水作為耦合劑，可自然去除應(yīng)力波中的剪切波；為盡可能屏蔽絕大部分電磁干擾，傳感器信號傳輸線和聲發(fā)射儀均用金屬材料包裹；為有效獲取巖石破裂聲發(fā)射信號，最大限度消除噪聲信號，將信號振幅閾值設(shè)為40dB；考慮所選用傳感器的響應(yīng)頻譜，將模擬濾波器的頻率采集范圍設(shè)為1～100kHz；在聲發(fā)射系統(tǒng)輸出的定位結(jié)果中，設(shè)置濾除了平均頻率較低的聲發(fā)射事件(低于5kHz)及q值(代表定位準(zhǔn)確度，范圍為0～1，其值越接近1表明定位越準(zhǔn)確)較小(小于0.5)的聲發(fā)射事件。

由于TBM工作過程由掘進(jìn)、立拱、噴射混凝土、換刀、換步及故障停機(jī)等多部分組成，為研究TBM掘進(jìn)狀態(tài)下掌子面前后巖體的擾動情況，對照TBM監(jiān)控系統(tǒng)的時間-狀態(tài)-樁號記錄，僅選取各時間段掘進(jìn)狀態(tài)下監(jiān)測到的聲發(fā)射事件進(jìn)行分析，而忽略停機(jī)狀態(tài)下可能定位到的聲發(fā)射事件。聲發(fā)射監(jiān)測中的典型信號波形如圖5所示，可知由該型聲發(fā)射傳感器采集得到的應(yīng)力波有效頻率范圍集中在10～100kHz。

圖5 聲發(fā)射監(jiān)測中的典型信號波形

3)波形設(shè)置 采集卡采樣頻率為 1MHz，預(yù)觸發(fā)時間256μs，每個聲發(fā)射事件波形記錄長度1k。

4)定位設(shè)置 定位類型為三維定位，定位參數(shù)波速為 4.2km/s，迭代次數(shù)為256次。

綜上所述，市政工程綠色施工技術(shù)需要施工人員樹立綠色環(huán)保意識，在施工過程中注意環(huán)境保護(hù)，節(jié)約水資源，避免對周圍環(huán)境與居民生活造成影響。綠色施工需要合理設(shè)計市政工程施工組織、保證施工材料綠色環(huán)保、保證市政工程施工環(huán)境，控制污染。

3 聲發(fā)射動態(tài)監(jiān)測區(qū)域范圍確定

聲發(fā)射系統(tǒng)具有不間斷實(shí)時監(jiān)測的特點(diǎn)，試驗(yàn)中該系統(tǒng)監(jiān)測掌子面在監(jiān)測斷面前后一定范圍內(nèi)的聲發(fā)射現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果反映了該監(jiān)測區(qū)域圍巖在距掌子面不同距離和TBM在不同參數(shù)條件下掘進(jìn)的損傷演化過程。現(xiàn)場聲發(fā)射監(jiān)測定位結(jié)果顯示，在傳感器陣列包裹的區(qū)域及區(qū)域外都定位到聲發(fā)射事件，這表明掌子面前方一定區(qū)域巖體均在TBM開挖影響范圍內(nèi)。為了選定監(jiān)測區(qū)域范圍，選取某一時間段聲發(fā)射結(jié)果進(jìn)行重放，如圖6所示，經(jīng)過統(tǒng)計分析可發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射事件基本集中在傳感器包裹的5m×5m×5m空間范圍內(nèi)，而在其他區(qū)域聲發(fā)射事件離散程度高，定位可靠度也大大降低，因此選取該空間為監(jiān)測區(qū)域。以隧道軸線和監(jiān)測區(qū)域?qū)ΨQ面的交點(diǎn)為原點(diǎn)，掘進(jìn)方向?yàn)閦軸，豎直方向?yàn)閥軸，紙面向外為x軸建立空間坐標(biāo)系，其中原點(diǎn)為實(shí)際隧道中對應(yīng)樁位224+550m處。

圖6 某一時間段聲發(fā)射重放及投影

4 掌子面距離及掘進(jìn)速度對圍巖損傷演化影響

4.1 沿軸向圍巖損傷演化規(guī)律

為探究掌子面距離對圍巖的擾動情況，將掌子面距離和聲發(fā)射事件、能量總數(shù)對應(yīng)起來。本次試驗(yàn)監(jiān)測了TBM穿過隧道樁位224+565—224+535m時監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的聲發(fā)射事件(監(jiān)測區(qū)域?yàn)?24 550±2m)，此區(qū)間TBM開始掘進(jìn)時間為某日11:11，截止時間為次日11:48，共持續(xù)24h37min，由于期間TBM工作具有不連續(xù)性，聲發(fā)射系統(tǒng)只在TBM工作時采集信號，前、后共采集到22組數(shù)據(jù)，完整記錄了掌子面推進(jìn)過程中的圍巖擾動情況。

聲發(fā)射現(xiàn)象活動規(guī)律如圖7所示，TBM開挖單位長度聲發(fā)射系統(tǒng)在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)定位到的聲發(fā)射事件數(shù)用單位長度事件個數(shù)表示，定位到的聲發(fā)射事件能量之和則用單位長度事件能量表示[16]。其中，橫坐標(biāo)正數(shù)表示TBM已經(jīng)過聲發(fā)射監(jiān)測斷面，負(fù)數(shù)表示TBM還未過監(jiān)測斷面。

圖7 TBM掘進(jìn)時監(jiān)測區(qū)域內(nèi)聲發(fā)射活動規(guī)律

由圖7可知，當(dāng)掌子面掘進(jìn)到距監(jiān)測中心-9m以上時，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)定位到的聲發(fā)射事件極少。掘進(jìn)到距監(jiān)測中心-9～0m(-D～0，D為洞徑)時逐漸監(jiān)測到聲發(fā)射事件，巖石中的能量也隨之釋放，證明該段隧道圍巖已受到擾動與損傷，其中，距離-8m時聲發(fā)射事件數(shù)和能量有一集中區(qū)，分析原因可能與TBM掘進(jìn)速度有關(guān)。當(dāng)掌子面距監(jiān)測中心0～7m時，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)定位到的聲發(fā)射事件數(shù)和能量釋放開始大幅度增加，并在3m時達(dá)到峰值，說明在掌子面穿越監(jiān)測區(qū)域過程中及穿過后一小段距離的時間內(nèi)，圍巖由于受到應(yīng)力擾動影響及開挖卸荷作用，節(jié)理、裂隙快速擴(kuò)展，圍巖中累計的彈性變形急劇釋放，轉(zhuǎn)化為波的形式向空間傳播。隨著TBM向開挖面繼續(xù)推進(jìn)，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)圍巖所受擾動逐漸降低，聲發(fā)射事件逐漸減少，能量釋放也逐漸降為零。

TBM在深埋隧道掘進(jìn)時，由于原巖應(yīng)力較高，掌子面附近經(jīng)常會出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，崩落的大尺寸塊石常常導(dǎo)致卡機(jī)事件發(fā)生。為了降低在高應(yīng)力區(qū)掘進(jìn)時巖爆事件的發(fā)生率，可在掌子面前方一定區(qū)域提前鉆孔進(jìn)行應(yīng)力釋放。由以上分析可知，圍巖受擾動，節(jié)理、裂隙擴(kuò)展主要集中在掌子面正前方及后方一定距離，因此提前鉆孔的位置可設(shè)在高應(yīng)力區(qū)域正前方，鉆孔深度在9m左右較合適。

4.2 沿徑向圍巖損傷演化規(guī)律

為了分析圍巖擾動在徑向的分布規(guī)律，選取不同時刻監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的聲發(fā)射事件在監(jiān)測斷面上的投影進(jìn)行分析。由TBM掘進(jìn)時監(jiān)測區(qū)域內(nèi)聲發(fā)射活動規(guī)律可知，掌子面距離監(jiān)測斷面0～7m時，聲發(fā)射現(xiàn)象比較劇烈，因此，選取掌子面距監(jiān)測斷面1，3，5m時的聲發(fā)射活動進(jìn)行分析，得到徑向聲發(fā)射活動規(guī)律如圖8所示。

圖8 不同時刻徑向聲發(fā)射活動規(guī)律

由圖8可知，隨著距隧道內(nèi)壁距離的增加，聲發(fā)射事件數(shù)呈快速遞減趨勢，圍巖破裂釋放的能量變化和聲發(fā)射事件數(shù)量變化趨勢一致。其中，在距離隧道內(nèi)壁0～2m時，聲發(fā)射事件個數(shù)和能量釋放保持在一個較高水平，說明圍巖此時由于卸荷作用，原來受擠壓的節(jié)理、裂隙逐漸大規(guī)模擴(kuò)展，能量釋放也逐漸增多，微裂紋形成與貫通，形成松動區(qū)；在2～9m時，聲發(fā)射事件數(shù)和圍巖破裂釋放的能量都處于較低水平，主要因?yàn)樵搮^(qū)域圍巖以舊裂隙的擴(kuò)展和新裂隙的萌生微破裂為主，且隨著距離的增加微破裂的數(shù)目逐漸減小，該區(qū)域定義為損傷區(qū)；在距離隧道內(nèi)壁9～14m時，受監(jiān)測設(shè)備空間布置的限制，不能準(zhǔn)確、完整監(jiān)測到聲發(fā)射活動，但從監(jiān)測到的信號來看，聲發(fā)射事件數(shù)和圍巖破裂釋放能量基本上處于低水平，該區(qū)域定義為圍巖擾動區(qū)。

基于以上分析，在施工支護(hù)時，為了保證圍巖安全，按照要求，錨桿的錨固深度須穿過松動區(qū)，且保證其在完整巖石區(qū)的入巖深度不小于1m，因此，建議施工現(xiàn)場不良地質(zhì)段錨桿打設(shè)深度不小于3m。

4.3 掘進(jìn)速度對圍巖損傷演化影響

圍巖擾動是受巖石自身完整性及外力作用綜合因素影響的結(jié)果，這不僅包括與掌子面的距離，還包括TBM掘進(jìn)過程中的參數(shù)變化，尤其是掘進(jìn)速度的影響最大。為探究TBM掘進(jìn)速度對圍巖擾動的影響，提取一段時間內(nèi)不同時刻的TBM掘進(jìn)速度進(jìn)行分析。由于聲發(fā)射活動的統(tǒng)計單位為個/m，為了與聲發(fā)射活動統(tǒng)計單位相匹配，選取每米時間段內(nèi)TBM掘進(jìn)速度平均值作為該段的速度，并將聲發(fā)射活動和掘進(jìn)速度進(jìn)行相關(guān)性比較，如圖9所示。

圖9 聲發(fā)射活動與掘進(jìn)速度相關(guān)性比較

由圖9可知，在監(jiān)測時間段內(nèi)，TBM掘進(jìn)速度整體較平穩(wěn)，變化不大，個別區(qū)段略有浮動。在掌子面距監(jiān)測中心-9～-7m時，掘進(jìn)速度有小幅度增大，聲發(fā)射事件個數(shù)也隨之有小幅度增加，而此時由于距掌子面較遠(yuǎn)，對監(jiān)測區(qū)域的影響較穩(wěn)定，因此，推斷該處波動是受掘進(jìn)速度的影響，隨著掘進(jìn)速度提高，TBM刀盤對掌子面的壓力增大，圍巖受到的應(yīng)力波幅度和頻率都有所提高，圍巖節(jié)理、裂隙擴(kuò)展增加，損傷演化范圍和速率也隨之增加。在掌子面臨近監(jiān)測區(qū)域時，TBM掘進(jìn)速度較穩(wěn)定，監(jiān)測區(qū)域的聲發(fā)射活動主要受掌子面影響，掘進(jìn)速度的影響無法推斷。當(dāng)TBM掘進(jìn)到高應(yīng)力地區(qū)時常產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象，通過提前進(jìn)行鉆孔泄壓，在一定程度上可起到降低巖爆發(fā)生強(qiáng)度和概率作用。此外，適當(dāng)降低掘進(jìn)速度、減小刀盤軸向壓力、降低圍巖受應(yīng)力波影響，也可在一定程度減少巖爆危害。

5 結(jié)語

1)沿隧道軸線方向，TBM掘進(jìn)時掌子面前約9m范圍內(nèi)圍巖已開始受到不同程度的損傷與擾動，TBM開挖后圍巖損傷破裂主要集中在掌子面后7m范圍內(nèi)，其中掌子面后3m時最大。

2)沿隧道徑向，圍巖擾動范圍為0～14m，其中2m范圍內(nèi)為松動區(qū)，2～9m為損傷區(qū)，9～14m為擾動區(qū)。

3)在掌子面前進(jìn)行應(yīng)力解除操作時，鉆孔布置應(yīng)確保穿過聲發(fā)射強(qiáng)活動區(qū)域，深度以9m為宜。

4)在掌子面后，應(yīng)在強(qiáng)損傷破裂區(qū)形成前及時對圍巖進(jìn)行噴錨支護(hù)，盡量保證圍巖的完整性，錨桿長度要足以穿過松動區(qū)，保證其在完整巖石區(qū)的入巖深度不小于1m，建議施工現(xiàn)場不良地質(zhì)段錨桿打設(shè)深度不小于3m。

5)TBM掘進(jìn)到高應(yīng)力區(qū)域時，為了防止巖爆等自然災(zāi)害發(fā)生，一方面可提前進(jìn)行鉆孔泄壓，另一方面可適當(dāng)降低掘進(jìn)速度，減小刀盤軸向壓力。