TBM隧道巖爆機理及預防措施研究

摘要：運用TMB施工時，遭遇到巖爆地質災害的狀況概率極大，由此導致TMB損壞、報廢的事故時有發生，嚴重時甚至造成人員傷亡事故。巖爆對施工的安全隱患極大，為了預防并減少TMB隧道掘進過程中巖爆的發生，通過對巖爆發生的特點、條件進行闡述，并對TBM隧道掘進時巖爆發生機理及預防措施進行分析研究。

關鍵詞：隧道;TBM巖爆;預防措施

0" "引言

TMB掘進機作為目前在施工中常用于深埋隧道挖掘的一種機器，具有高效作業、有效縮短工期、提高施工質量等優勢。隧道掘進機可以分為全斷面隧道掘進機（Tunnel Boring Machine）和部分斷面掘進機。全斷面隧道掘進機（TBM）主要以巖石地層為掘進對象，因其具有一次開挖完成隧道、安全系數高、對環境的污染小、施工工期短等特點而被廣泛應用。TBM與盾構的主要區別就是不具備泥水壓、土壓等維護掌子面穩定的功能，開挖速度是傳統鉆爆工法的5倍，所以目前大型工程項目如地鐵隧道、地下管線隧道的建設工程項目中大都采用TBM進行作業。

在高速公路施工當中，遭遇到高埋深隧道的情況越來越多，而在這些工程當中均會遭遇到一些斷層破碎巖體等不良地質條件。如果在施工之前，不能及時探查這些不良地質空間的位置和形態，制定有效的處理解決辦法，那么極有可能在施工過程中出現巖爆、塌方等的地質災害，嚴重危害到施工人員的生命安全。

TMB具有高效作業、有效縮短工期、提高施工質量等優勢，但其對不良地質和變化幅度較大的地層適應力較差。運用TMB施工時，遭遇到巖爆地質災害的狀況概率極大，由此導致TMB損壞、報廢的事故時有發生，嚴重時甚至造成人員傷亡事件。為此在施工前，科學開展地質情況調查，針對可能發生的地質災害制定必要的防御措施，是提高TMB施工的安全可靠性和防范巖爆地質災害發生的重要手段。

1" "巖爆概述

1.1" "巖爆的概念

巖爆是在工程施工進行挖掘時，改變了巖體周圍環境，使得巖石平衡的地應力被破壞，造成地勢被破壞的巖石地質層向挖掘臨空面剛性彈性模量發生變化，進而導致因挖掘造成的破碎的巖石能量釋放的現象。

1.2" "隧道巖爆發生的條件

進行高埋深隧道挖掘施工，會使施工隧道內周圍巖石的應力場環境發生極大改變。當巖石所能夠承受的最大壓強超過巖石周圍環境的地應力時，巖石保持地應力均衡。當巖石周圍被挖掘采空時，巖石四周均一的地應力就會分散、轉移，之后巖石在被挖空方向發生地應力狀態變化，最終以巖爆的表現形式表現出來。

整塊的巖石在周圍出現臨空環境時易產生巖爆現象。由于完整的巖石具有較高的彈性模量，一旦出現臨空面巖石均衡的地應力被改變，只能向臨空面進行散發，進而產生巖爆。TMB這種隧道掘進方式，在巖石中掘進時對周圍巖石破壞較小，可以較好地保持巖石周圍的整體性。但是在巖石能量聚集彈性模量較大的地方，依舊無法避免在施工過程中出現巖爆狀況。

1.3" "巖爆特點

巖爆的特點較多，主要有突發性、危害性、衰減性等。巖爆在未發生前并無明顯的預兆，是一種突然間的能量的釋放，即使在發生之前做過相關的巡查。巖爆的發生往往會造成開挖工作破壞、設備損壞和人員傷亡等，是巖石地下工程和巖石力學領域的難題。巖爆時，巖塊從圍巖母體彈射出來，一般呈中厚邊薄的不規則片狀。巖爆發生的地點，多在新開挖工作面及其附近，個別的也有距新開挖工作面較遠處。巖爆發生的頻率和強度隨著暴露后的時間延長而衰減。

2" "TBM工作原理

2.1" "盤形滾刀破巖機理

在機器巨大的向前推進力作用下，安裝在最前端刀盤上的盤型滾刀緊挨著待掘進的巖體，隨著盤型滾刀刀盤的轉動，機器向前推進。當巖石所能承受的最大抗壓強量低于TMB掘進向前的推力時，巖石隨著刀盤的轉動進而產生剝落，掌子面被盤形滾刀擠壓碎裂從而形成多道同心圓溝槽。隨著溝槽深度的增加，巖體外表裂紋加深擴大，當超過巖石的縱切和拉伸強度時，相鄰同心圓溝槽間的巖石成片剝落。TMB掘進時會對后方巖層進行擠壓，巖石破碎更有利于掘進工作的進行。

2.2" "掘進機工作機理

掘進機支撐板撐緊洞壁，以承受刀盤掘進時傳來的反作用、反扭矩。刀盤旋轉，推進液壓缸推壓刀盤，一組盤形滾刀切入巖石，在巖面上作同心圓軌跡滾動破巖，巖碴靠自重掉入洞底，由鏟斗將其鏟起，巖碴靠巖碴自重經溜槽落入皮帶機出碴，從而連續掘進成洞。

3" "巖爆的預測方法

3.1" "建模分析法

在隧道工程項目施工前，根據項目的調查情況和對項目地已有的勘測資料和數據，通過概念模型及數學模型對該項目進行建模。然后通過三維有限元數值運算、反演分析以及對隧道不同開挖工序的模擬，初步模擬分析出項目施工區域地應力的數量級閾值、施工中可能發生巖爆的具體位置及巖爆所涉及的范圍大小。依據建模分析結果，設計切實可行的實施方案及應急管理措施，將危害降低到最小。建模分析法可以為施工中巖爆的防治和處理提供初步的理論依據。

3.2" "超前地質探測分析法

巖爆發生雖然是突發性的，但是根據其發生所具備的相關條件，可以應用先進的探測技術對其進行預報。目前，超前地質探測分析主要有超前鉆探、雷達、聲反射、紅外線探測等方法。將幾種方法綜合運用，判斷可能發生巖爆高地應力的范圍，可使制定的施工方案和技術路線更加合理、科學、安全。眾所周知，許多工程項目在施工前和施工中都使用超前地質探測技術。使用超前地質探測技術，為施工過程中的巖爆現象提前準備應急措施，提前處理施工中可能遇到的不利影響，有利于隧道開挖工作安全、有序的進行。

3.3" "巖芯餅化法

巖芯餅化是一種巖體力學現象，高地應力區鉆井過程中巖芯裂成餅狀較為普遍。巖餅厚度與巖芯的直徑大小有著比例關系，一般約為直徑的1/4到1/5，所以即使在施工操作時選取類型大小不同的鉆孔，只要操作的孔徑相同，那么所取得巖餅的厚度就大致相近。所有巖餅的表面均為新鮮破裂面，且邊緣部分粗糙，多數內部隱約見有順槽。

一般通過對比分析施工鉆取所得的巖屑和取出的巖芯成分，來進行巖爆的預測。針對強度較低的巖石地質，可以依據鉆出巖屑體積大小與理論鉆孔體積大小的比值，來分析判斷巖爆發生的幾率大小。同時在鉆孔過程中，可以通過鉆頭與巖石之間的摩擦聲等現象，作為巖爆發生幾率的輔助判斷信息。

3.4" "微震監測法

微震監測是指在TMB掘進過程中通過儀器，對掘進過程中周圍巖石發生震動的情況進行檢測、數據記錄，并對震動數據進行分析評價的一種方法。微地震監測技術通過采用一些HSP、BEAM等的方法進行微震監測，對TMB掘進過程中前方巖石周圍環境改變時，發生細微振動的情況進行有效反饋，觀測和分析TMB掘進時巖體周圍中產生的微小地震事件，來監測其對巖石地引力變化的影響。微震監測法可以實現實時、全方位、立體、數字化、遠程監測。

當巖石整體由于由于人為因素或自然因素發生破裂、移動時，產生的一種微弱地震波向周圍傳播。通過在巖石地質層破裂區周圍的空間內布置多組檢波器，可實時采集微震數據。微震數據經過處理后，采用震動定位原理，可確定破裂發生的位置，并在三維空間上顯示出來。通過在掌子面隧道邊墻預埋敏感元件，對發生在掌子面前方的微震進行捕捉，給巖爆的預防提供依據。微震越多、越密集，該位置巖爆可能性就愈大。對于微震越密集的部位，在施工中必須采取相應的措施。

3.5" "TMB掘進參數的調整

在易發生巖爆的地質段，對TMB掘進施工參數進行合理匹配，可以有效減少對巖石周圍地應力環境變化，防止巖爆的發生，進而保障TMB掘進工作的順利開展。在掘進開始時，要選擇較為低的TMB掘進速度，待周圍巖石環境的變化趨于穩定后，可以上調掘進速度。但要控制好TMB掘進的推進速度，嚴格控制好貫入度值。

在掘進當中如果遇到較為細碎的巖石層，要降低TMB的掘進推力、速度，及時觀察掘進時電機電流和扭矩的變化情況。同時TMB掘進的刀盤轉速要及時調低，防止細碎巖石出現崩塌現象。同時注意傳送帶上碎石渣的傳送狀況，保證皮帶機上碎石傳送量少且不連續。

4" "巖爆的處治措施

4.1" "開展宏觀地質應力矢量研究

在進行TMB掘進施工時，對進行掘進施工時隧道周圍宏觀的地質情況進行研究必不可少。其中主要是對掘進區域內主要地應力進行研究，主要地應力的大小及方向對施工起到重要的影響作用。如果巖石地應力方向和掘進隧道的方向一致，則極少發生巖爆現象。若巖石地應力方向與掘進隧道成斜交叉或正交叉狀態，則極易在TMB掘進施工過程中出現巖爆現象。這是由于對隧道經過挖掘后，相當于在完整巖石中出現臨空面，使得巖石周圍環境發生劇烈變化，巖石穩定的地引力狀態被破壞，巖石巨大的彈性模量爆發，巖石向臨空面進行力的轉移，進而發生巖爆現象。

4.2" "對挖掘的隧道進行支撐保護

TMB隧道掘進施工破壞了巖石周圍環境的穩定，使得巖石穩定的地應力狀態發展轉變。為了避免巖石整體性破壞，破碎后的巖石失去穩勢，需在施工過程中采取一定措施，對掘進區域內的巖石進行有效支護。常用的支護方法有超前錨桿、管棚支護、超前小鋼管支護等。巖石破碎情況不同，采取的支護方式也不同。

4.3" "進行有效的微震監測

在TMB掘進隧道施工時要進行微震監測，提前對前方巖石地質進行預測分析。可通過采用一些HSP、BEAM等方法進行微震監測，對TMB掘進時前方巖石周圍環境改變時發生細微振動的情況進行有效反饋，對巖石進行的微震狀態進行捕獲進行分析。如果進行掘進時前方巖石微震頻率增加，微震密集，則巖石發生巖爆的幾率較大。可通過提前鉆孔釋壓和提前強支護，對巖石地引力進行改變，以利于巖石內部巨大的彈性模量的及早釋放，從而減少或避免巖爆的產生。

4.4" "合理控制TMB掘進參數

TMB隧道掘進施工時，操作人員要根據不同的巖石地質類型進行刀具的更換和掘進推進速度的調節。嚴禁在硬巖較多的地質條件下，隨意提高機器掘進的速度。這不僅容易使機器產生超負荷運行故障，還容易使穩定的巖石狀態突然間遭受到破壞，造成巖石地引力瞬間改變，巖石巨大的彈性模量瞬時爆發，給施工造成造成安全隱患。

5" "結語

TMB具有高效作業、有效縮短工期、提高施工質量等優勢，但其對不良地質和變化幅度較大的地層適應力較差。運用TMB施工時，遭遇到巖爆地質災害的狀況概率極大，由此導致TMB損壞、報廢的事故時有發生，嚴重時甚至造成人員傷亡事件。為此在施工前，科學開展地質情況調查，針對可能發生的地質災害制定必要的防御措施，是提高TMB施工的安全可靠性和防范巖爆地質災害發生的重要手段。

TMB隧道掘進施工時，要對施工環節的巖石及早進行宏觀地質應力矢量研究，同時在挖掘隧道過程中進行支撐保護。掘進過程當中，利用儀器對前方巖石地質環境進行有效的微震監測，同時根據不同巖石地質類別進行合理的TMB挖掘推進和貫入度值控制，可以有效地掌握巖爆發生的機理和環境條件，減少TMB掘進時巖爆發生的概率。

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