深埋隧洞TBM掘进微震与岩爆活动规律研究

以锦屏二级水电站TBM开挖的深埋隧洞为工程背景,基于微震监测数据和岩爆实例,研究了深埋隧洞TBM掘进过程中微震与岩爆时空分布特征及岩爆孕育过程微震演化规律。结果表明:(1)微震活跃期和岩爆高发期处于TBM作业时段及停机后的1 h以内;微震活动范围主要介于掌子面后方3倍洞径至前方0.4倍洞径之间,其峰值位于掌子面后方0.8倍洞径附近;而岩爆主要发生在掌子面后方2倍洞径以内,尤其是掌子面后方1倍洞径以内是岩爆高发区;可见,微震与岩爆具有良好的时空相关性。(2)在时间序列上,微震能突增现象,以及累积视体积快速上升而Schmidt数急剧下降的现象均属微震活动异常,属岩爆前兆。(3)在空间序列上,微震事件逐渐向某个区域高度集结且大震级高能量事件不断增多的现象属微震活动异常,预示高岩爆风险,属岩爆前兆。     

秦岭输水隧洞微震活动特征研究

岩爆是深埋地下岩体工程中面临的世界性难题。针对秦岭输水隧洞岭南工程开挖过程中面临的岩爆问题,本文基于微震监测技术,分析了相邻洞段不同开挖方式、相同开挖方式不同洞段条件下的微震活动特征。结果表明:微震活跃性与岩爆风险高低密切相关,可作为岩爆防治的重要参考依据;埋深与岩性相近条件下,钻爆法比TBM法的微震能量相对更低,岩爆风险相对更低,但TBM法掘进效率更高;微震活跃性与开挖进尺、隧洞埋深不存在明显正相关性,围岩较好、微震活跃性较低时可适当增加掘进速度,提高开挖效率,当围岩变差、微震活跃性较高时宜适当降低掘进速度,延缓或降低岩爆风险。本研究结果可供类似工程岩爆防治和微震监测参考。     

锦屏二级水电站引水隧洞岩爆特征及微震监测规律研究

通过对锦屏二级水电站引水隧洞施工期间大量岩爆记录的深入研究,分析总结出岩爆沿里程分布规律、岩爆围岩破坏方式、隧洞横断面岩爆位置规律、岩爆次数与距掌子面的距离关系、岩爆次数与开挖后暴露时间关系、岩爆烈度与其围岩破坏范围关系等岩爆特征规律。通过对这些规律及岩爆分布与地质构造之间关系的研究,总结地质构造和岩爆的相互作用规律。将微震监测技术用于引水隧洞工程施工,进行深埋隧洞的岩爆监测预警,实现对微震活动的全天候连续监测分析,并根据现场对岩爆的微震监测结果,对微震的时空演化与岩爆之间的关系进行初步探讨。研究结果表明:深埋岩体隧洞中,岩爆的时间、空间、强度等分布存在较明显的规律性,并且与地质结构、施工工法、施工扰动等影响因素之间有着必然的联系,其中地质结构对岩爆的发生起控制作用;岩爆发生之前普遍存在一个孕育过程,并伴随着大量微破裂的产生和微震能量的释放(微震前兆),微震活动对岩爆事件普遍具有时间优先性和空间一致性,可利用其指导安全施工。本文的工程实践验证了微震监测技术用于深埋岩体隧洞岩爆监测预警的可行性,并具有较高准确率,从而为隧洞的岩爆预测和安全施工提供新的研究思路。     

锦屏二级水电站引水隧洞岩爆特征及微震监测规律研究

 通过对锦屏二级水电站引水隧洞施工期间大量岩爆记录的深入研究,分析总结出岩爆沿里程分布规律、岩爆围岩破坏方式、隧洞横断面岩爆位置规律、岩爆次数与距掌子面的距离关系、岩爆次数与开挖后暴露时间关系、岩爆烈度与其围岩破坏范围关系等岩爆特征规律。通过对这些规律及岩爆分布与地质构造之间关系的研究,总结地质构造和岩爆的相互作用规律。将微震监测技术用于引水隧洞工程施工,进行深埋隧洞的岩爆监测预警,实现对微震活动的全天候连续监测分析,并根据现场对岩爆的微震监测结果,对微震的时空演化与岩爆之间的关系进行初步探讨。研究结果表明：深埋岩体隧洞中,岩爆的时间、空间、强度等分布存在较明显的规律性,并且与地质结构、施工工法、施工扰动等影响因素之间有着必然的联系,其中地质结构对岩爆的发生起控制作用;岩爆发生之前普遍存在一个孕育过程,并伴随着大量微破裂的产生和微震能量的释放(微震前兆),微震活动对岩爆事件普遍具有时间优先性和空间一致性,可利用其指导安全施工。本文的工程实践验证了微震监测技术用于深埋岩体隧洞岩爆监测预警的可行性,并具有较高准确率,从而为隧洞的岩爆预测和安全施工提供新的研究思路。     

不同开挖方式下深埋隧洞微震特性与岩爆风险分析

在分析钻爆法和TBM法开挖下围岩应力状态的基础上,基于锦屏二级水电站深埋隧洞微震监测数据,对比研究了钻爆法和TBM法开挖条件下深埋隧洞的微震特性及岩爆风险。结果表明:1钻爆法开挖引起的围岩应力集中距洞壁较远,形成的应力梯度较小;而TBM法开挖引起的围岩应力集中临近洞壁,形成的应力梯度较大。2钻爆法开挖时围岩应变能主要集中在爆破后数小时,尤其是在1 h内释放,而TBM法以连续的方式开挖卸载,剧烈的能量释放伴随着施工全过程。3TBM法开挖导致的事件震级及震源破裂尺度均比钻爆法开挖引起的大。4钻爆法开挖时,围岩积聚的应变能大多以岩体破裂的形式耗散,以岩爆形式显现的较少;而TBM法开挖时,围岩应变能常逐次释放,导致事件频繁发生,而且部分应变能以岩爆形式显现,一般地,同一小范围内常多次发生轻微岩爆,高等级岩爆孕育过程中常伴有低等级岩爆,如中等岩爆发生前伴有轻微岩爆,强烈岩爆孕育过程中伴有轻微和(或)中等岩爆,以此类推。综合上述研究结果认为,在具有强岩爆风险的深埋隧洞中,就防治岩爆而言,钻爆法优于TBM法。     

深埋隧洞TBM掘进微震实时监测与特征分析

 针对深埋硬岩隧洞TBM掘进过程中开展微震实时监测存在的困难与不足,对现有微震监测技术进行优化与改进,并在锦屏II级水电站3#引水隧洞TBM施工洞段开展微震实时监测。监测结果表明：(1) TBM施工环境噪音复杂,但主要噪音特征明显,可通过建议的滤波方法有效滤除。(2) 围岩的微震活动和TBM掘进及掘进速率具有明显的关系,TBM掘进速率增加,围岩微震明显活跃;TBM掘进速率降低,围岩的微震活动明显降低;微震平静期发生在TBM检修期间,最活跃期发生在TBM检修后掘进4～6 h。(3) 一些岩爆发生前,微震事件和能量释放在空间上由随机离散状态变得相对集中,在时间上微震事件的数量和能量有一个迅速增加的趋势;视体积有突增趋势,能量指数有突然下降迹象。(4) 在深埋隧洞TBM掘进过程中进行微震实时监测,可以获得岩爆发生前的有效微震信息,获得岩爆发生前微震活动的演化特征与规律,为岩爆的发生提供较为准确的预警信息。因此,通过微震监测预测预报深埋隧洞TBM掘进过程中岩爆的发生是可行的。     

深埋隧洞岩爆孕育规律与机制：即时型岩爆

论述深埋隧洞岩爆孕育过程的现场原位综合观测试验思路和方法,给出利用该方法观测到的岩爆孕育时空演化规律以及基于观测结果的关于岩爆孕育机制的认知成果。通过一系列现场深埋隧洞开挖过程中的多元信息综合观测试验,揭示深埋隧洞的即时型岩爆(隧洞开挖卸荷效应影响过程中的隧洞掌子面及其附近的围岩,开挖后几小时到几天内发生)的裂纹(萌生、扩展、张开和闭合过程)、变形、弹性波、声发射和微震时空演化规律及其在时空上的分布特征。通过对监测的微震信息进行矩张量分析,认识即时型岩爆中应变型和应变–结构面滑移型2类岩爆的孕育机制差异性：前者主要是拉张破裂引起,后者主要是拉张破坏、剪切破裂与拉剪–压剪破裂引起,剪切破裂主要沿着硬性结构面发生,形成爆坑边界。该研究成果为针对时空演化规律的深埋隧洞岩爆的预测和动态调控提供了重要基础。     

引汉济渭秦岭隧洞岭南工程TBM施工岩爆处理浅析

本文针对引汉济渭秦岭隧洞岭南工程TBM隧洞施工中突出的岩爆问题,主要分析、研究了TBM掘进段岩爆防治处理措施,以有效保证TBM隧道安全、有序施工。对类似工程,特别是大埋深隧洞岩爆的防控有一定的参考价值。     

岩爆孕育过程的动态调控

针对岩爆孕育过程的特征、规律和机制,提出“优化开挖方案减少应力和能量聚集→预释放和转移能量→设计合理的支护参数吸收能量”的岩爆“三步走”防控理论以及在此基础上基于开挖过程中微震信息时空演化的岩爆动态调控理论.在施工过程中,根据实测到的微震信息演化规律进行岩爆等级预警,据此进行反馈分析和动态调控,运用“三步走”防控对策进行及时的开挖速率和支护措施动态调控,以尽可能避免岩爆的发生、降低岩爆发生的等级或延迟岩爆发生的时间.所建议的方法成功地应用于埋深1 900～2 525 m的锦屏二级水电站深埋引水隧洞和排水洞的施工开挖过程中,应用过程和结果验证了所建议方法的适用性.     

锦屏二级水电站引水隧洞TBM开挖方案对岩爆风险影响研究

 为了提高施工效率,降低现场施工人员和设备的风险,锦屏二级水电站1#、3#引水隧洞采用大断面TBM进行施工。超大埋深TBM全断面施工,对于等级较强的岩爆,仍然可能会给TBM设备带来一定伤害。为此,通过微震实时监测和数值分析等手段,开展了TBM施工速度、导洞施工等TBM开挖方案对岩爆风险的影响研究。结果表明,降低TBM施工速率,有利于降低岩爆发生的风险;导洞施工+TBM联合施工对于极强岩爆风险的防范是十分有利的。研究成果可为TBM安全快速掘进提供重要的参考价值,也将为其他工程提供借鉴,具有重要的工程价值。     

Correlation of tunnel convergence with TBM operational parameters and chip size in the Ghomroud tunnel, Iran

Evaluating the impact of rock mass properties on a tunneling operation is crucial, especially when using a tunnel boring machine (TBM). It is an integral part of machine selection and performance prediction in the design and bidding stage. Monitoring and analysis of ground conditions during the construction is also essential to allow the operator to take precautionary measures in adverse geological conditions. This involves adjusting TBM operational parameters such as machine thrust and penetration to avoid potential problems caused by face collapse or excessive convergence and subsequent machine seizure that can cause long delays. Tunnel wall convergence is a function of rock mass characteristics, in situ stresses, size of excavation, and rate of penetration (ROP). It is one of the main factors in determining the use of shielded machines in deep rock tunnel projects. The case study of the Ghomroud water conveyance tunnel project, under construction by a double shield TBM, is used to examine the effect of rock mass parameters on tunnel convergence and hence on the need for over excavation and shield lubrication to avoid problems such as shield seizure. Results of a preliminary analysis of field observations show that the amount of the tunnel convergence can have a direct relationship with the percentage of powder and large rock fragments in the muck. In addition, tunnel convergence has shown a strong relationship with the TBM thrust/torque and rate of penetration (ROP). These relationships have been examined and the results of the analysis as well as the resulting formulas will be explained in this paper.     

Geotechnical risk assessment based approach for rock TBM selection in difficult ground conditions

There are many potential sources of geotechnical risk in mechanized rock tunnelling. Problems such as encountering fault zones with running and water bearing gouge, tunnel walls instabilities in running or blocky grounds, hard and abrasive rock sections and convergent tunnel sections are principal causes in geotechnical risk occurrence. On the other hand, the performance of each TBM encountering such conditions will be different. Therefore, using different TBMs will have variable risk levels. This paper is to discuss rock TBM selection based on geotechnical risk minimization. So, a new approach was proposed based on decision analysis using decision tree. Based on the newly proposed approach, the most appropriate TBM is one that has the minimum risk level either before or after hazards mitigation measures. To be able to check the performance of this approach in practice, selection of machine for Nosoud water transfer tunnel has been evaluated. A shielded TBM (either single or double shield one) was proposed for the tunnel based on the newly proposed method. However, a double shield TBM was selected because of its more flexibility in difficult ground conditions in comparison with single shield TBM and limitation of project construction duration. The machine performance during tunnelling period verifies the success of excavation using selected TBM.     

城市轨道交通隧道双护盾TBM施工适应性研究

双护盾TBM施工具有速度快、安全性高等优点,已成为山岭隧道建设的重要选择。通过对已建的双护盾TBM隧道调研得到了双护盾TBM施工中常见的问题,并结合青岛地铁2号线提出了基于地质适应性、线路适应性、周边环境适应性的双护盾TBM城市轨道交通隧道适应性分析方法。研究得出了以下结论:采用双护盾TBM施工的隧道多为特长、深埋隧道,施工过程中受高地应力和地下水影响,经常发生卡机、涌水、渗水等灾害;和山岭隧道相比,城市轨道交通隧道采用双护盾TBM施工时灾害发生率更低且处治措施更为灵活;双护盾TBM施工技术在城市轨道交通隧道建设中具有速度快、对环境影响小的优点;针对施工过程中出现的回填层质量较差和TBM过站与车站施工协调难度大的新问题提出了设置止浆环和曲线过站的处治方式。     

锦屏Ⅱ级水电站深部大理岩板裂化破坏试验研究及其对TBM开挖的影响

针对锦屏Ⅱ级水电站TBM引水洞及排水洞深部大理岩发生的剧烈板裂化岩爆与非剧烈板裂化片帮2种板裂化破坏现象,通过采集该工程区深部大理岩岩样,采用真三轴岩爆试验设备,对其在不同高应力作用下的板裂化破坏现象进行室内试验。通过对试验过程中发生的各种现象的全面描述和试验结果的分析表明,试验中岩样发生的板裂化破坏现象与TBM开挖隧道围岩的板裂化破坏具有很好的吻合性,未来围岩的主要破坏方式将以板裂化片帮与岩爆为主。围岩板裂化破坏将影响TBM开挖运行,分别探讨掌子面与洞壁板裂化破坏对TBM开挖的影响。     

Effect of adverse geological condition on TBM operation in Ghomroud tunnel conveyance project

With the planned length of 36 km, Ghomroud tunnel is one of the longest tunnels under construction in central Iran. About half or 18 km of this tunnel was excavated by a double shield TBM. Several adverse geological conditions encountered, consisting of ground squeezing and face collapse, hindering TBM performance, and caused several TBM stoppages and jamming. This paper presents the impact of ground conditions on machine performance based on the information obtained from field observations and geotechnical site investigations. As built geological conditions are described while the method and results of tunnel convergence measurements and their impacts on tunneling operation is examined. Based on the detail study of the available geological information and tunnel convergence measurements, it was evident that the existence of weak structures in rock mass resulted in high rate of the convergence, which was the dominant factor in the TBM jamming. Since it was not possible to make observation and measurements of geological parameters when working in a lined tunnel built by a shielded machine, an attempt was made to correlate TBM operational parameters and ground convergence. The preliminary result of the analysis has indicated a good correlation among machine’s operational parameters and tunnel convergence. If the system is fully developed, these parameters can be used as an indicator of the potential for high rates of convergence. An early warning on ground convergence is essential for taking precautionary measures to avoid TBM from getting jammed by squeezing ground.     

复合地层中双护盾TBM与围岩相互作用机制三维数值模拟研究

 为研究复合地层中双护盾TBM与围岩之间的相互作用机制,采用FLAC3D建立完整的TBM模型,研究复合地层中以下几种情况对TBM掘进时围岩变形及护盾所受接触力和摩擦阻力的影响：地层(1)为断面内上软下硬、上硬下软;地层(2)为沿洞线方向具有不同软岩长度;地层(3)为沿洞线方向具有不同软硬交替厚度。同时,将不均匀间隙作为函数引入护盾压力计算式中。得出地层(1)条件下受不均匀间隙的影响,围岩纵轴向剖面位移(LDP)曲线自下而上先后与护盾接触,接触部位主要位于隧道腰部及以下区域,接触压力主要集中在前、后盾中后方,且前盾尾部压力值最大;地层(2)条件下,护盾所受摩阻力随软岩长度的增加逐渐增大并最终趋于稳定;地层(3)条件下TBM前后护盾所受摩阻力呈周期性波动,其变化规律与围岩位移曲线变化频率基本对应。而且不论地层(2)或地层(3)中,围岩LDP曲线形态都不同于均匀地层。这些认识对于进一步研究复合地层中TBM与围岩的相互作用及预测卡机有重要意义。     

TBM施工中管片接缝错台控制措施初探

结合新疆大阪隧洞工程施工实例,对采用"全断面双护盾硬岩掘进机(简称TBM)"施工的隧洞,如何控制管片的错台进行了探讨并提出了有效措施,以期对其它采用TBM施工的工程在设计、施工方面提供借鉴,从而达到提高我国TBM施工质量的目的.     

基于微震监测技术的岩爆预测机制研究

 以锦屏二级水电站岩爆高发洞段作为研究对象,采用微震监测技术作为岩爆监测预警手段。通过对比现场实际情况和微震监测结果,揭示出微震的时空演化与岩爆之间的关系;通过岩体损伤过程特征提取对应的微震监测事件,总结出微震事件密度云图、微震事件震级与频度的关系、微震事件震级、能量集中度等微震监测指标规律,并以地震学中的3S原理作为岩爆判断基础,提出4个岩爆判据。现场应用结果表明：在深埋岩体隧洞中,岩爆的时间、空间、强度等分布存在较明显的规律性,微震活动对岩爆事件普遍具有时间优先性和空间一致性,应用该岩爆判据能够达到岩爆危险区域的精确预测,为隧洞的岩爆预测和微震监测预警提供依据。