_FONT+face=Verdana_深埋隧洞TBM施工过程围岩损伤演化声发射试验_FONT_.pdf

式中：f(B)为计算监测到时；B为微破裂发生时 间和微破裂源三维坐标；x，，z为第k个传感器 位置坐标；V为波在介质中传播的速率。 对于式(1)的求解，最常用的是最小二乘法，即 令B=b，bz，*.*，bm}，m=4，分别为微破裂发生 时间和微破裂源三维坐标，为了使B满足使Q最 小，b应满足如下方程组：

Q=0 (i=l, 2, ***, m) Ob

由于f(B)为非线性表达式，式(1)无法直接求 解，通常通过泰勒展开，略去二次及二次以上的项， 使其线性化，逐次送代使其解逼近真值。

防雷标准规范范本4TBM施工围岩损伤演化特征

同轴线方向围岩损伤演化

TBM掘进单位长度时，监测区域(见图1(b)内 声发射活动规律如图8所示，图中横坐标负值表示 TBM未掘进至监测断面，正值表示TBM已掘过监 测断面，单位长度声发射事件数表示TBM开挖单 立长度声发射仪监测到的围岩破裂的声发射事件之 和，单位长度能量释放表示TBM开挖单位长度声 发射仪监测到的围岩破裂释放的能量之和。从图8 可以看出，TBM开挖时掌子面前约10m的范围内 已有一定规模的声发射事件及能量释放，表明围岩 已受到扰动与损伤；而TBM开挖后声发射事件和 能量释放主要集中在掌子面后7m的范围内，其中 距离掌子面3m时的声发射事件最多，且能量最大， 这表明开挖卸荷造成的围岩损伤破裂主要集中在掌 子面后7m的范围内，其中以掌子面后3m时为最。

擎子面距监测断面距离/m

图8TBM掘进时监测区域内声发射活动规律 Fig.8Activity law of AE in monitoring zone during TBM excavation 从声发射仪监测到声发射信号到TBM掘进至 监测断面时的累计声发射事件的空间分布（见图9)， 声发射累计事件主要集中在面向掌子面右拱肩，掌 子面前约6m的范围内

Fig.9Distribution of AE events before tunnel face when TBM excavates to monitoring zone

TBM开挖至高应力区时，为了有效地减缓岩爆 发生的概率和烈度，对掌子面前方区域进行应力释 放时，钻孔布置应确保穿过声发射强活动区，深度 以不低于10m为宜，这一结论为强岩爆区掌子面前 方应力释放孔的设计提供了第一手的现场试验资 料；掌子面后，应在强损伤破裂区形成前及时对围 岩进行喷锚支护，尽量保持围岩的完整性，可有效 须防掘进时应力调整直接引起的岩爆，也可预防掘 进后应力再次调整诱发的岩爆。

4.2沿洞径方向围岩损伤演化规律

TBM开挖通过声发射监测区域后，监测区域内 声发射事件与围岩损伤演化的关系如图10(a)所示， 空间分布如图10(b)所示，图10(b)中球体的大小表 示能量的大小。随着距离洞壁距离的增加声发射事 生数表现出先增加后减小的趋势，围岩体破裂释放 的能量总体表现为下降趋势。在距离洞壁3m的范 围内能量释放保持在一个较高水平，而声发射事件 敏距离洞壁越近越少，这说明洞壁3m的范围内， 距离洞壁越近围岩破裂的尺度相对越大，能量释放 相对越多，该区域可以认为是微裂纹形成与贯通围 岩松动区I；3～9m的范围内，声发射事件数和围 告破裂释放的能量都呈快速下降趋势，主要因为该 区域围岩以旧裂隙的扩展和新裂隙的萌生微破裂为 主，并且随着距离的增加微破裂的数目逐渐减小， 该区域可以认为是围岩的损伤区II：距离洞壁9~

陈炳瑞，等，深埋隧洞TBM施工过程围岩损伤演化声发射试验

22m范围内，声发射事件数和围岩破裂释放的能量 基本上趋于稳定，处于一个较低水平，可以认为该 区域为围岩扰动区II，其演化的机制可以通过对比

a)声发射事件数与围岩损伤演化的关务

(b）声发射事件与损伤区域的空间分布(单位：m

(c）围岩损伤演化机制(单位：m) 图10TBM开挖沿洞径方向围岩损伤演化及机制 Fig.10 Damage evolution and mechanism of surrounding rock along radial direction of tunnel during TBM excavation

岩石室内试验表现出的力学特征进行解释说明 图10（c）

TBM开挖后应力场不但大小而且方向发生 系列调整，洞壁处应力状态由原来的三向应力，调 整为两向应力，对于理想弹性材料，最大主应力场 寅化规律如图10(c)虚线所示，但对于岩石这种非均 质天然地质材料，随着应力的集中，当超过材料的 承载极限时，必然发生一系列的微破坏，致使围岩 的承载能力下降，该区域围岩体主要表现为峰值后 力学特性，主要发生区为图10所示的开挖松动区I； 随着距洞壁的距离的增加，围岩承受的最大载荷进 步降低，围压进一步增加，围岩体只是出现了旧 裂隙的扩展和新裂隙的萌生，并未形成裂隙的贯通 与宏观破坏，该区围岩主要表现为岩石加载破坏前 的力学特性，仍具有很高的承载能力，该区域为 TBM开挖损伤区II(见图10)；随着距离的进一步增 加，围岩应力场基本趋于原岩应力场，岩体虽受扰 动但基本表现为原岩的力学特性，该区为TBM开 挖围岩扰动区IⅡII。 因此，支护措施选取时，锚杆的长度要足以穿 过松动区，保证其在完整岩石区的入岩深度不小于 1m为宜，这一结论为强岩爆区6m支护锚杆的设 计提供了重要参考依据

(1）TBM开挖，围岩损伤破裂释放的弹性波是 种宽频段多种波型（如P波和S波)混合的复合波， 式验采用的是单向谐振型传感器，传感器频率范围 有限，且只能监测到一个方向应力波，再加上传感 器的耦合、信号的衰减和不良地质条件等诸多因素 的影响，监测到的只是某种特定尺寸微破裂所释放 的信号，反应的只是围岩微破裂一般特征和规律， 若要获得理想的全面的声发射信号，声发射监测时 应采取多频段、多型号传感器互补的策略。 (2）TBM本身的振动、刀盘碎岩及锚杆钻机等 现场噪音是影响声发射监测及分析的重要因素，尽 管论文已对声发射信号进行滤噪，但受监测系统及 目前滤波技术的限制，滤噪主要是单指标滤噪，仍 有许多干扰信号（无其是TBM破岩的噪音）无法较 子地滤去，影响最后的试验结果。因此，综合考虑 多种滤波指标，研究新的滤波方法，进一步减小环 镜噪音的影响是必要的。 (3）声发射定位结果出现了如图9和10(b)(一些 波裂源出现在已开挖的隧洞里）所示的不合理现象，

主要有2个方面的原因：一是由于现场地质条件的 复杂性，弹性波在岩体中传播的速度难于准确确定； 二是监测设备弹性波拾取时存在误差。因此，一方 面可以通过波速和破裂源位置一起反演的方法解决 波速不易确定的问题；另一方面可以通过改善弹性 波识别算法GB／标准规范范本，提高到时识别精度。 (4）传感器的空间布置对围岩损伤演化监测结 果也有较大的影响。传感器空间分布使传感器形成 个阵列，对于阵列内的声发射事件，定位算法具 有较好的定位精度和收敛性，但对于传感器阵列之 外的声发射事件定位算法的定位精度及收敛性还存 在一定的问题。因此，一方面要优化传感器布置方 案，尽可能地使监测对象分布在传感器阵列之内； 另一方面要改善源定位算法，尽可能地减少源定位 算法对传感器阵列的依赖。 (5）传感器为高频段传感器，其有效监测距离 较近，当传感器距离声发射源较远，且岩体地质条 件不是很好的情况下，围岩破裂发出的微小声发射 事件是难于接收到的，这也势必影响声发射监测围 岩损伤分析结果

通过TBM施工声发射试验，对TBM施工诱发 的围岩损伤进行了分析与研究，得到了如下结论： (1）沿洞轴线方向，TBM开挖时掌子面前约 0m的范围内围岩已受到不同程度的损伤与扰动， 但主要损伤集中在掌子面前约6m的范围内，TBM 开挖后围岩损伤破裂主要集中在掌子面后7m的范 围内，其中以掌子面后3m时为最。 (2）沿洞径方向，围岩受损伤的范围约9m，其 中3m范围内为松动区，3~9m为损伤区，9~22m 为扰动区。 (3）根据岩石峰值强度前后的力学特性和声发 射演化规律，从机制上解释了岩石损伤演化规律与 松动区、损伤区和扰动区划分的依据。 (4）在掌子面前进行应力解除爆破时，钻孔布 置应确保穿过声发射强活动区，深度以不低于10m 为宜；掌子面后，应在强损伤破裂区形成前及时对 围岩进行喷锚支护，尽量保持围岩的完整性；支护 措施选取时，锚杆的长度要足以穿过松动区，保证 其在完整岩石区的入岩深度不小于1m为宜。 （5）分析过论了传感器选取与布置、现场噪音

及地质条件等各种因素对围岩损伤结果的影响及进 步发展的方向。 试验成果对于评价围岩损伤范围评价及损伤机 制的认识具有重要意义：对掌子面前应力释放孔的 设计，现场支护措施的设计，支护时机的选取具有 实际参考价值；对相关研究工作的深入开展具有重 要参考价值。 致谢本试验的开展是在中国水电顾问集团华东勘 则设计研究院、二滩水电开发有限责任公司、杭州 华东工程检测技术有限公司、浙江华东建设工程有 限公司的协助下完成的，试验方法的许多改进和他 门的积极建议是分不开的：于洋硕士、李邵军博士 和李占海博士试验过程中的辛苦努力和有意义的建 议也是本试验成功完成的基础，在此表示衷心的感 射！

参考文献(References）：

陈炳瑞，等，深埋隧洞TBM施工过程围岩损伤演化声发射试验

型钢标准[T/]Physical Acoustic Corporation Junction: Physical Acoustic Corporation, 2001. [18] GEIGER L. Probability method for the determination of earthquake