杜立杰， 洪開榮， 王佳興， 李青蔚， 楊亞磊， 李偉偉， 黃俊閣

(1. 石家莊鐵道大學， 河北 石家莊 050043； 2. 中鐵隧道局集團有限公司, 廣東 廣州 511457；3. 中國水利水電第三工程局有限公司, 陜西 西安 710024)

0 引言

隨著我國鐵路、公路、地鐵、水利水電、石油燃氣輸送等基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，TBM法施工隧道越來越多，其中采用TBM施工的超大埋深復(fù)雜地質(zhì)隧道工程正在成為近年來的主要挑戰(zhàn)。這些超大埋深隧道，如川藏鐵路隧道、大瑞鐵路高黎貢山隧道、陜西引漢濟渭工程、新疆ABH工程等，由于地應(yīng)力高、易發(fā)生巖爆，因而嚴重影響TBM的施工進度，威脅施工人員和設(shè)備的安全[1]。

根據(jù)川藏鐵路勘察設(shè)計資料分析，有5座長大隧道計劃采用18臺TBM與鉆爆法聯(lián)合施工。其中，德達隧道總長33.310 km，最大埋深1 120 m，主要巖性為花崗巖、砂板巖、灰?guī)r、礫巖，預(yù)計有巖爆洞段8.23 km，中等及以上巖爆洞段5.035 km；孜拉山隧道總長30.000 km, 最大埋深1 480 m，主要巖性為花崗巖、片麻巖、大理巖，預(yù)計有巖爆洞段14.00 km，中等及以上巖爆洞段3.05 km；果拉山隧道總長34.201 km，最大埋深1 522 m，主要巖性為板巖夾大理巖、片麻巖、花崗巖，預(yù)計有巖爆洞段14.81 km，中等及以上巖爆洞段13.88 km； 伯舒拉嶺隧道總長28.952 km，最大埋深1 605 m，主要巖性為花崗巖、花崗閃長巖、板巖與砂巖互層、板巖夾變質(zhì)砂巖，預(yù)計有巖爆洞段19.89 km，中等及以上巖爆洞段5.14 km；色季拉山隧道總長37.965 km，最大埋深1 696 m，主要為花崗巖、局部閃長巖和片麻巖，預(yù)計有巖爆洞段18.835 km，中等及以上巖爆洞段16.155 km。預(yù)計上述各座隧道強巖爆洞段長度在300～3 000 m?？梢?，川藏鐵路工程由于埋深大、地應(yīng)力高、構(gòu)造復(fù)雜，且沿線存在大量花崗巖、大理巖等脆性硬質(zhì)巖，因此面臨較強的巖爆風險，給TBM施工帶來了較大困難和挑戰(zhàn)[2]。

從以往TBM工程實踐經(jīng)驗來看，錦屏Ⅱ級水電站工程在掘進過程中發(fā)生了大量的強巖爆甚至極強巖爆，導(dǎo)致2臺引水洞TBM主動中止了施工，1臺排水洞的TBM被毀被埋，造成了人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失[3]；正在施工的引漢濟渭工程也遭遇了強烈?guī)r爆，早期施工已有支護遭到多次破壞，且?guī)r爆沖擊使TBM設(shè)備損傷嚴重，給施工安全和進度造成了很大影響[4]；巴基斯坦NJ水電工程隧洞2臺TBM均遭受頻發(fā)的巖爆沖擊，造成人員傷亡和設(shè)備嚴重損壞[5]；挪威Kobbelv HPS輸水隧洞TBM施工巖爆同樣造成了人員傷亡[6]。因此，必須采取有效的防控措施解決TBM施工中的巖爆問題。

目前，巖爆防控研究主要有3個方面，即巖爆發(fā)生機制及預(yù)測理論、施工中巖爆的微震監(jiān)測預(yù)報、施工中巖爆防控技術(shù)和工法。巖爆預(yù)測理論方面的研究開展得較早并有較多成果，如Ma等[7]基于巴基斯坦NJ水電工程項目提出了一個巖爆判據(jù)，即根據(jù)巖體強度與垂直洞軸線的水平應(yīng)力之比來判別巖爆，但本文的研究重點不是巖爆機制和預(yù)測理論。

有關(guān)TBM施工中引入微震監(jiān)測系統(tǒng)對巖爆進行監(jiān)測預(yù)報的工程主要有錦屏Ⅱ級水電站工程、陜西引漢濟渭工程、新疆ABH工程。趙周能等[8]基于錦屏Ⅱ級水電站工程的巖爆微震監(jiān)測數(shù)據(jù)與巖爆案例，從微震監(jiān)測結(jié)果的角度，分析了巖爆的時空規(guī)律，表明微震事件與巖爆具有較強的時空相關(guān)性；于群等[3]通過分析錦屏Ⅱ級水電站工程巖爆發(fā)生前后微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)巖爆都有可被監(jiān)測的微破裂前兆，初步證明了將微震監(jiān)測系統(tǒng)用于TBM施工巖爆風險預(yù)警的可行性； 陳炳瑞等[9]通過分析TBM掘進過程中的微震活動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)TBM掘進速度越快，微震活動越強烈，且TBM檢修后重新開始掘進，4～6 h為巖爆高發(fā)期；王俊[10]對引漢濟渭秦嶺隧洞3#洞、4#洞上下游的巖爆微震監(jiān)測結(jié)果和巖爆情況進行了統(tǒng)計，認為分別有95.89%、90.00%、88.46%的預(yù)測準確率；馬天輝等[11]對錦屏Ⅱ級水電站工程中的巖爆進行分析，發(fā)現(xiàn)該工程巖爆預(yù)測準確率可達80.6 %。杜立杰等[12]基于巖爆微震監(jiān)測與實際巖爆對比驗證的大數(shù)據(jù)分析，對目前正在施工的引漢濟渭工程和新疆ABH工程巖爆微震監(jiān)測的準確率及適用性進行了研究，得出的結(jié)論是： 巖爆等級越高，微震監(jiān)測的準確率越高，強巖爆風險等級預(yù)報的準確率接近80%。

埋深超過2 000 m的TBM施工隧道，我國迄今為止有3個，即錦屏Ⅱ級水電站工程、新疆ABH工程、陜西引漢濟渭工程。從工程實踐來看，輕微巖爆和中等巖爆對TBM施工安全和進度影響較小，主要采取鋼筋網(wǎng)支護、機械漲殼式預(yù)應(yīng)力注漿錨桿、水漲式錨桿、納米仿鋼纖維混凝土等綜合防治措施[13]；而強巖爆對TBM施工進度影響很大，TBM設(shè)備和人員面臨較大的安全風險，很難得到完全防控，這主要是巖爆發(fā)生時，支護沒有及時做好、人員設(shè)備面臨被砸風險，或支護被毀，清渣量很大。錦屏Ⅱ級水電站排水洞TBM施工進入強巖爆區(qū)以后, 由于支護被毀，清渣和恢復(fù)支護工作量巨大，TBM施工速度下降，2009年7—11月僅掘進600 m[14]。錦屏Ⅱ級水電站引水洞TBM施工前方面臨強巖爆的風險，因而提出了超前導(dǎo)洞施工方案，即在掌子面上部用鉆爆法開挖導(dǎo)洞，然后TBM再掘進剩余斷面[13,15]。應(yīng)該指出的是，這種鉆爆法開挖導(dǎo)洞方案作為實驗研究探索是有益的，但是作為TBM穿越強巖爆洞段的施工技術(shù)方案很難被各方所接受，因為如此還不如全斷面鉆爆法開挖。

綜上所述，不論從巖爆研究文獻還是從工程實踐來看，巖爆預(yù)測預(yù)報的準確性還有待提高。高于實際巖爆的預(yù)測結(jié)果，將增加防控的成本并影響施工進度；低于實際巖爆的預(yù)測結(jié)果，將帶來較大的安全風險和進度風險。而且，即使準確預(yù)測到巖爆的發(fā)生，最終還得依靠巖爆防控措施來保障TBM的安全穿越。目前在TBM施工巖爆防控技術(shù)方面主要還存在以下問題：

1)巖爆防控沒有充分考慮TBM法在裝備和工法上的特點。與鉆爆法比較，由于TBM設(shè)備結(jié)構(gòu)特點的不同和工法特點的不同，TBM法在防控巖爆上既有不利的一面，也有可充分利用的一面。

2)巖爆防控沒有充分認識和利用TBM法施工的巖爆影響和特征規(guī)律，特別是巖爆“時空效應(yīng)”，即巖爆發(fā)生的時間和位置，對TBM法隧道巖爆防控尤為重要。

3)巖爆防控沒有根據(jù)不同巖爆等級，從防控目標、防控理念、防控措施系統(tǒng)地提出TBM法隧道巖爆防控的理論技術(shù)體系，缺少從“裝備設(shè)計—掘進工序—支護工序”三者統(tǒng)一協(xié)調(diào)進行防控。

本文將根據(jù)TBM正在施工的引漢濟渭工程、新疆ABH工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，在對TBM法巖爆特征規(guī)律分析認識的基礎(chǔ)上，結(jié)合TBM裝備特點和工法特點，系統(tǒng)地提出TBM法巖爆分級防控目標、防控準則和防控技術(shù)，并在ABH工程、引漢濟渭工程現(xiàn)場應(yīng)用驗證，為川藏鐵路隧道等深埋隧道TBM施工巖爆防控提供借鑒。

1 巖爆影響與特征規(guī)律

1.1 依托工程及其巖爆概況

1.1.1 新疆ABH工程

新疆ABH工程輸水主洞全長約41 km，共采用2臺TBM和鉆爆法聯(lián)合開挖。其中本文所研究的Ⅲ標段全長14 km，采用敞開式TBM施工，開挖樁號為K9+600～K23+600，開挖洞徑為6.53 m。隧洞地面高程為1 750～3 777 m，最大埋深2 253 m，埋深大于1 500 m的洞段約7 700 m，占標段總長的53.4 %。隧道地處北天山強烈窿升區(qū)，構(gòu)造復(fù)雜、地震活動強、地應(yīng)力高，且沿線分布有粉砂巖、變質(zhì)泥巖、花崗閃長巖等硬脆性巖石，巖石的抗壓強度為55.6～148.7 MPa，具有發(fā)生巖爆的地質(zhì)條件。

截至2019年8月，該工程TBM掘進期間共發(fā)生巖爆151次，其中輕微巖爆101次、輕微—中等巖爆18次、中等巖爆32次，尚無強—極強巖爆，對施工影響不是很大。

1.1.2 引漢濟渭工程

引漢濟渭工程位于陜西省中南部的秦嶺山區(qū)，全長98.3 km，采用鉆爆法及2臺直徑為8.02 m的敞開式TBM聯(lián)合開挖。本文所研究的引漢濟渭工程嶺南段施工全長18.28 km，樁號為K28+085～K46+360，其中樁號K28+490～K37+011.5為TBM第1掘進段，樁號K39+511～K46+360為TBM第2掘進段。隧洞高程1 050～2 420 m，最大埋深約2 012 m，地應(yīng)力高，沿線主要分布有石英巖、花崗巖、閃長巖等硬質(zhì)巖石，巖石抗壓強度為107～317 MPa，均值為160～170 MPa，具有發(fā)生強巖爆的條件。

截至2019年11月，該工程TBM掘進期間共發(fā)生巖爆795次，其中輕微巖爆302次、輕微—中等巖爆84次、中等巖爆158次、中等—強烈?guī)r爆80次、強烈?guī)r爆171次，對TBM施工造成了很大影響。

1.2 巖爆對TBM施工安全的影響

發(fā)生巖爆不但會降低施工速度，還可能威脅施工安全，且不同等級的巖爆對TBM施工的影響程度也不相同。根據(jù)2個依托工程巖爆現(xiàn)場情況分析，巖爆對施工安全的影響規(guī)律如下：

1)輕微巖爆、輕微—中等巖爆的能量較低，隧洞局部巖石爆裂，產(chǎn)生的巖渣比較少，不會破壞初期支護體系，對施工人員和設(shè)備的影響不大。

2)中等巖爆、中等—強烈?guī)r爆的能量較高，產(chǎn)生的巖渣比較多，但一般不會破壞初期支護體系。由于支護體系的緩沖，落石對設(shè)備的損傷不大，但應(yīng)防范巖爆落石傷人事故。

3)強烈?guī)r爆、極強巖爆產(chǎn)生的能量強，產(chǎn)生的巖塊多、沖擊性強，對人員和設(shè)備安全造成極大的威脅。此類巖爆若發(fā)生在護盾后面，初期支護體系大多遭到破壞，設(shè)備可能受損，嚴重時甚至會摧毀設(shè)備和工程；若發(fā)生在護盾至掌子面區(qū)域，護盾、主驅(qū)動、刀盤會受到一定的沖擊或損傷，導(dǎo)致刀盤上滾刀和鏟斗異常損壞大量增加。引漢濟渭工程發(fā)生在護盾后的強烈?guī)r爆就造成了拱架支護和設(shè)備損壞，如圖1所示。

圖1 強烈?guī)r爆損壞拱架和設(shè)備

1.3 巖爆對TBM施工速度的影響

TBM的施工速度即進尺速度，主要受TBM純掘進速度和純掘進時間影響。將巖爆段的施工參數(shù)分類匯總后，與常規(guī)無巖爆施工洞段的參數(shù)對比，可以得出巖爆對TBM施工速度的影響規(guī)律。

經(jīng)統(tǒng)計分析，2個依托工程中，存在巖爆風險的Ⅳ類圍巖僅150 m左右洞段內(nèi)，共發(fā)生了20次巖爆。由于Ⅳ類圍巖中的巖爆數(shù)據(jù)較少，因此僅討論Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類圍巖條件下，巖爆對TBM施工速度的影響。

ABH工程Ⅱ類圍巖中主要發(fā)生輕微巖爆，Ⅲ類圍巖中主要發(fā)生輕微、輕微—中等、中等巖爆。ABH工程所選取的常規(guī)無巖爆施工洞段樁號見表1。

表1 ABH工程常規(guī)無巖爆施工洞段選取樁號

引漢濟渭工程中Ⅰ類圍巖中各等級巖爆均有發(fā)生，Ⅱ、Ⅲ類圍巖中主要發(fā)生輕微、輕微—中等、中等巖爆。由于該工程Ⅰ類圍巖中發(fā)生巖爆較為頻繁，所選取的常規(guī)無巖爆洞段比較分散，因此僅將研究的Ⅱ、Ⅲ類圍巖常規(guī)無巖爆施工洞段樁號匯總于表2。

表2 引漢濟渭工程常規(guī)無巖爆施工洞段選取樁號

1.3.1 TBM純掘進速度的影響

統(tǒng)計2個依托工程巖爆段與常規(guī)施工洞段TBM的掘進速度，分析巖爆對TBM掘進速度的影響，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 ABH工程不同巖爆段的掘進速度

圖3 引漢濟渭工程不同巖爆段的掘進速度

由圖2可知，ABH工程中，巖爆明顯降低了TBM的掘進速度，且在一定范圍內(nèi)，隨著巖爆等級的提高，巖爆對TBM掘進速度的影響也逐漸加強。而從圖3可以發(fā)現(xiàn)，引漢濟渭工程中，巖爆對TBM掘進速度的影響并不明顯，在某些情況下，巖爆段的掘進速度甚至略高于常規(guī)段，且僅從該工程的統(tǒng)計結(jié)果來看，掘進速度和巖爆等級的相關(guān)性也不大。

分析上述結(jié)果的原因，ABH工程中巖石的抗壓強度較低，適合TBM掘進。若無巖爆，TBM純掘進速度比較快；一旦發(fā)生巖爆，掘進速度會明顯降低，這主要源于巖爆洞段對TBM掘進速度的主動控制。引漢濟渭工程中巖石抗壓強度極高，即使沒有巖爆，TBM的純掘進速度也很低，發(fā)生巖爆后，在這種極硬巖的情況下，純掘進速度不會有明顯上升或降低，無需主動控制。因此，所在圍巖越易于掘進貫入，巖爆對TBM施工速度影響的占比越大。而且，主要影響TBM施工速度的不是純掘進速度，而是純掘進時間。

1.3.2 TBM純掘進時間的影響

巖爆會增加清渣、支護和設(shè)備修復(fù)的工作量，占用純掘進時間，進而影響TBM掘進速度。一般來說，同類圍巖下，巖爆等級越高，純掘進時間延誤越多。統(tǒng)計2個依托工程巖爆段與常規(guī)無巖爆施工洞段TBM的純掘進時間，分析巖爆對TBM純掘進時間的影響，如圖4和圖5所示。

圖4 ABH工程不同巖爆段的純掘進時間

圖5 引漢濟渭工程不同巖爆段的純掘進時間

由圖4和圖5可知，ABH工程中的純掘進時間情況符合上述規(guī)律；引漢濟渭工程的數(shù)據(jù)分析結(jié)果也大體上符合上述規(guī)律。而Ⅰ類圍巖常規(guī)段、Ⅲ類圍巖輕微巖爆段的純掘進時間偏短，是因為受到其他因素的影響。Ⅰ類圍巖施工時，采取主動控制日進尺的措施來降低強巖爆造成的影響，導(dǎo)致純掘進時間偏短；而Ⅲ類圍巖純掘進時間略微偏短與輕微巖爆段設(shè)備故障增加有關(guān)。因此，由于施工中巖爆等級劃分存在偏差，且每次巖爆對設(shè)備的影響并不是獨立的因素，因此純掘進時間在上述的大趨勢下會有小范圍的波動。

1.3.3 TBM施工速度的影響

統(tǒng)計2個依托工程巖爆段與常規(guī)施工洞段TBM的日進尺，分析不同圍巖類別情況下，各級巖爆對TBM施工速度的影響。以常規(guī)段的施工速度為參照，各級巖爆段施工速度對比結(jié)果見表3和表4。

表3 ABH工程巖爆段施工速度對比

表4 引漢濟渭工程巖爆段施工速度對比

上述施工速度考慮了巖爆防控支護措施的影響。表3和表4的分析結(jié)果表明：

1)同一工程中，當巖爆等級相同，相比Ⅲ類圍巖，各級巖爆對Ⅱ類圍巖中施工速度的影響更明顯；不同工程中，同類圍巖條件下，相比引漢濟渭工程，各級巖爆對ABH工程施工速度的影響更明顯，因為ABH工程圍巖抗壓強度較低，易于掘進。如果沒有巖爆，Ⅱ類圍巖支護量很小，則可達到很高的掘進速度； 一旦有巖爆可能，就需要采取類似破碎圍巖的支護手段，這對純掘進時間占比影響較大，因而巖爆造成的施工速度影響比較大。

2)不考慮引漢濟渭工程Ⅰ類圍巖中主動控制日進尺的情況，2個工程發(fā)生中等巖爆時，施工速度僅為正常情況下的1/2～3/4，巖爆影響較大。

3)在所研究洞段范圍內(nèi)，僅在引漢濟渭工程中Ⅰ類圍巖情況下有強烈?guī)r爆發(fā)生，強巖爆洞段的施工速度不到無巖爆洞段的1/2，巖爆影響很大?？紤]到引漢濟渭工程圍巖抗壓強度極高，在此基礎(chǔ)上對比分析，如果ABH工程發(fā)生同樣的強巖爆，由于圍巖抗壓強度低、易于掘進、純掘進速度高，而且有強巖爆比無強巖爆情況下的純掘進時間差距也很大，因此，ABH工程若發(fā)生強巖爆，對TBM施工進尺速度的影響占比遠不止1/2。

針對巖爆特別是強巖爆采取了防控措施，對于引漢濟渭工程Ⅰ類圍巖即使是常規(guī)沒有發(fā)生巖爆的洞段，有時也采取了主動控制日進尺的措施，所以巖爆對施工速度的影響可能比表4更大。

若不考慮控制進尺的情況，引漢濟渭工程常規(guī)段施工時，Ⅰ類圍巖的支護很簡單，理論上純掘進時間為15 h左右，日進尺可達到12.9 m；而在同樣的巖性和抗壓強度下，實際強烈?guī)r爆洞段的日進尺為3.2 m，強巖爆段的施工速度可能僅為常規(guī)段的1/4。

1.4 巖爆的時空特征規(guī)律

認識TBM施工巖爆的時空特征規(guī)律，對巖爆防控至關(guān)重要。本文將從巖爆的“時空效應(yīng)”，即巖爆的發(fā)生時間(掘進滯后時間)、發(fā)生位置(到掌子面的距離)和影響范圍3個方面來分析巖爆的時空特征規(guī)律。由于ABH工程的巖爆等級偏低，無中等以上等級的巖爆，而且?guī)r爆數(shù)據(jù)較少，得出的結(jié)論準確性可能偏差較大，研究意義較小，因此僅對引漢濟渭工程中的巖爆時空特征進行總結(jié)。

由于部分巖爆數(shù)據(jù)不完整，因此選取引漢濟渭工程中相對完整的788組巖爆數(shù)據(jù)進行分析，其中包括輕微巖爆301次、輕微—中等巖爆83次、中等巖爆157次、中等—強烈?guī)r爆80次、強烈?guī)r爆167次。分別對這些數(shù)據(jù)中巖爆的滯后時間、巖爆到掌子面的距離和巖爆的影響范圍進行統(tǒng)計分析，得到巖爆的時空特征規(guī)律。

巖爆的滯后時間為某樁號開挖后到發(fā)生巖爆的時間，為了便于統(tǒng)計，用t來表示，根據(jù)工程的施工時間，將12、24、48、72 h作為節(jié)點進行分組；巖爆到掌子面距離用S來表示，根據(jù)TBM的結(jié)構(gòu)特點，以5、15、60 m作為節(jié)點進行分組；巖爆的影響范圍包括巖爆段的長度和巖爆發(fā)生的圓周部位；巖爆段的長度是巖爆起始樁號到終止樁號的距離，用D來表示；巖爆的發(fā)生部位指巖爆在隧道斷面圓周上的位置，將上部120°范圍劃為頂拱，下部120°范圍劃為底拱，左右兩側(cè)為邊墻。

1.4.1 巖爆特征規(guī)律的統(tǒng)計分析

將引漢濟渭工程記錄相對完整的巖爆數(shù)據(jù)按巖爆等級進行分類，分別統(tǒng)計分析各級巖爆的滯后時間、到掌子面的距離、巖爆段長度和發(fā)生部位，統(tǒng)計結(jié)果見圖6—9。

圖6 各級巖爆的滯后時間占比

圖7 各級巖爆到掌子面距離的占比

圖8 各級巖爆段長度的占比

圖9 各級巖爆的發(fā)生部位的占比

圖6—9統(tǒng)計分析結(jié)果表明，引漢濟渭工程中發(fā)生的巖爆具有以下特點：

1)90%以上的巖爆滯后時間在24 h以內(nèi)，開挖后10～24 h發(fā)生巖爆的頻率最高，約有9%的強烈?guī)r爆滯后時間在24～48 h。因此，巖爆的重點防控時間應(yīng)在開挖后24 h以內(nèi)。

2)巖爆到掌子面的距離多為5～15 m，隨著巖爆等級的增強，巖爆到掌子面的距離有所下降，31.1%的強烈?guī)r爆發(fā)生在護盾之前。根據(jù)敞開式TBM的特點，距掌子面5～15 m一般對應(yīng)主梁位置，人員和設(shè)備比較集中，必須做好巖爆的防控工作。

3)單次巖爆段的長度多在5 m以內(nèi)，100%中等—強烈和98.2%強烈?guī)r爆在5 m以內(nèi)。巖爆多在頂拱120°范圍內(nèi)發(fā)生，分別有98.1%、97.5%、100%的中等巖爆、中等—強烈?guī)r爆和強烈?guī)r爆在頂拱發(fā)生；有15.9%～38.9%的巖爆在兩側(cè)邊墻發(fā)生，有頂拱和邊墻同時發(fā)生巖爆的情況；極少有發(fā)生在底拱的巖爆。因此，可根據(jù)各級巖爆的影響范圍確定重點防控位置，同時巖爆段的支護應(yīng)以頂拱120°范圍內(nèi)為主。

1.4.2 控制日進尺的強巖爆特征對比分析

引漢濟渭工程采取了主動控制TBM掘進日進尺的措施，來降低強巖爆造成的影響。為了明確其防控效果，將該工程中的中等—強烈、強烈?guī)r爆以日進尺3 m為節(jié)點進行分組驗證。在該工程所選取的數(shù)據(jù)中，共發(fā)生中等—強烈?guī)r爆80次，日進尺在3 m以下的有13次；強烈?guī)r爆167次，日進尺在3 m以下的有46次。將日進尺在3 m以上的數(shù)據(jù)用中等—強烈?guī)r爆A和強烈?guī)r爆A表示，日進尺在3 m以下的數(shù)據(jù)用中等—強烈?guī)r爆B和強烈?guī)r爆B表示，統(tǒng)計結(jié)果見圖10—13。

圖10 日進尺不同時巖爆滯后時間對比

圖11 日進尺不同時巖爆到掌子面的距離對比

由圖10—13可見： 降低日進尺后，仍是90%以上的巖爆發(fā)生在24 h以內(nèi)，巖爆的滯后時間和巖爆的影響范圍均無明顯的變化；巖爆到掌子面的距離則顯著降低，等級高的中等—強烈、強烈以上巖爆發(fā)生在5 m以內(nèi)即護盾至掌子面區(qū)域的占比明顯增高，分別達到92.3%和78.3%，這對TBM施工巖爆防控具有重要意義。

圖12 日進尺不同時巖爆段的長度范圍對比

圖13 日進尺不同時巖爆發(fā)生部位的對比

對于敞開式TBM，掌子面到護盾尾部的距離一般約為6 m，且護盾是撐住洞壁的。這樣，引漢濟渭工程通過將日進尺控制在3 m左右，使多數(shù)強烈?guī)r爆在護盾和掌子面范圍內(nèi)發(fā)生，從而避免強巖爆落石砸壞支護或設(shè)備的情況，降低了巖爆造成的影響。對于其他工程，也可以根據(jù)具體巖性、巖爆強度和特征，主動控制日進尺，比如控制強巖爆段日進尺在3～5 m，具體可根據(jù)工程實際現(xiàn)場測試確定。

2 巖爆防控理念與防控技術(shù)

基于上述巖爆特征規(guī)律，結(jié)合TBM結(jié)構(gòu)和工法特點，提出TBM施工巖爆防控理念與防控技術(shù)。

2.1 TBM法巖爆防控特殊性分析

由于具有不同的施工設(shè)備特點和工法特點，TBM施工巖爆防控與鉆爆法相比，既有共性之處，也有特殊性。因此，認識2種工法巖爆防控的異同，是做好巖爆防控的前提。TBM施工巖爆防控的特殊性主要如下：

1)TBM施工巖爆危害影響大。鉆爆法在遭遇較強巖爆之前，設(shè)備人員后撤相對靈活。但是，TBM是大型施工裝備系統(tǒng)，每次巖爆發(fā)生之前后撤不現(xiàn)實。而且，為了方便作業(yè)，此前敞開式TBM主機沒有設(shè)置防護棚，暴露在開挖的洞壁內(nèi)，一旦發(fā)生較強巖爆，有可能造成設(shè)備和人員的重大傷害。TBM設(shè)備價值昂貴，若被巖爆毀壞，將造成較大的經(jīng)濟和社會影響。

2)TBM關(guān)鍵部件受損影響掘進。TBM施工巖爆發(fā)生在掌子面區(qū)域時，爆裂巖塊的沖擊可能損壞滾刀，且造成掌子面凸凹不平，進一步加劇滾刀的異常損壞。刀盤可能加劇磨損損傷，且由于大量巖塊的掉落，刀盤旋轉(zhuǎn)掘進時巖渣鏟斗齒受到強烈沖擊，可能頻繁損傷掉落。這些問題都將延緩TBM掘進進程，因此必須修復(fù)或更換TBM關(guān)鍵部件才能繼續(xù)掘進。

3)TBM機械結(jié)構(gòu)具有巖爆防控可利用性。TBM結(jié)構(gòu)有強健的刀盤和護盾，敞開式TBM掘進掌子面距盾尾大約6 m，護盾式TBM護盾更長，且盾尾后是預(yù)制管片支護。如果通過主動控制日進尺使巖爆發(fā)生在掌子面和護盾區(qū)域，可以有效地利用刀盤和護盾對后面的設(shè)備和人員起到防護作用。雖然巖爆可能會對刀盤和護盾有損傷，但并非致命問題。

4)TBM施工具有“并行工序”的工法特點。鉆爆法的作業(yè)具有“順序工序”的特點，即爆破、出渣、支護等工序是按前后順序安排的。而TBM法按“并行工序”來安排作業(yè)，即掘進、出渣、支護等工序是可以同時進行?？紤]這一特點，TBM法巖爆的防控應(yīng)該根據(jù)巖爆等級盡可能降低支護等工序?qū)蜻M的延誤，同時從“裝備—掘進—支護”協(xié)調(diào)控制來降低巖爆的影響，有時需主動控制日進尺來獲得巖爆防控的最佳效益。

因此，以TBM主機結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，結(jié)合工法工藝創(chuàng)新設(shè)計TBM結(jié)構(gòu)、支護設(shè)備和巖爆防護設(shè)施，是TBM施工巖爆防控的有效途徑。

2.2 TBM施工巖爆防控目標

作為一定條件下發(fā)生的自然地質(zhì)現(xiàn)象，強巖爆的沖擊能量巨大，且其發(fā)生具有突發(fā)性和不確定性。雖然目前已有一些預(yù)測理論和監(jiān)測技術(shù)，但很難非常準確地提前告知何時、何位置將發(fā)生多大能量的巖爆，即使準確預(yù)測到巖爆的發(fā)生，仍需依靠其他可靠的防控技術(shù)才能保障TBM安全穿越。因此，巖爆的防控目標必須客觀現(xiàn)實，根據(jù)巖爆等級全面考慮安全和速度的效益，針對不同級別巖爆，基于進尺速度延誤、支護及后期恢復(fù)工作量、設(shè)備人員危害等方面的影響程度，提出以下巖爆的分級防控目標：

1)輕微巖爆防控目標。實施防控技術(shù)措施后，類似Ⅲ級圍巖支護對TBM掘進延誤的影響，巖爆及實施防控措施對TBM進尺速度影響很??；洞壁巖石爆裂塌落得以控制，不會損壞實施的支護結(jié)構(gòu)，沒有額外清渣工作量；避免巖爆對設(shè)備和人員造成傷害。

2)中等巖爆防控目標。實施防控技術(shù)措施后，類似Ⅳ級圍巖支護對TBM掘進延誤的影響，巖爆及實施防控措施對TBM進尺速度影響較大；洞壁爆裂塌落和拋射巖石基本得以控制，不會損壞實施的支護結(jié)構(gòu)，基本沒有額外的清渣工作量；避免巖爆對設(shè)備和人員造成傷害。

3)強巖爆防控目標。實施防控措施后，類似Ⅴ級圍巖支護對TBM掘進延誤的影響，巖爆及實施防控措施對TBM進尺速度影響很大；洞壁深度爆裂、沖擊拋射和塌落巖石得到一定程度的控制，個別位置的支護結(jié)構(gòu)受到損壞，恢復(fù)支護的工作量不大；避免巖爆對設(shè)備造成較大損傷，避免人員傷害。

2.3 TBM施工巖爆防控準則

工程實踐表明，如果不遵循一定的理論準則來選擇和實施技術(shù)方案，例如：不采取恰當?shù)臅r機完成支護，或是未根據(jù)巖爆等級選擇技術(shù)方案，也難以達到良好的防控效果。因此，巖爆防控必須首先考慮TBM施工特點和巖爆發(fā)生特征規(guī)律，遵循正確的巖爆防控理念和理論準則?；赥BM施工特點和巖爆發(fā)生特征規(guī)律，以及工程巖爆防控實踐經(jīng)驗，提出了巖爆防控的4個理論準則，如圖14所示。

圖14 巖爆防控理論準則

1)“掘速控制”準則。這里的掘速控制不是控制正在掘進的TBM純掘進速度(mm/min或m/h)，而是控制TBM施工速度，即每天或一定時間段內(nèi)的進尺。一方面，如前所述，TBM施工速度對強巖爆發(fā)生的位置有顯著影響；另一方面，考慮到巖爆的時空效應(yīng)，如果TBM施工速度過快，而支護防控措施在巖爆發(fā)生之前來不及完成，再好的防控技術(shù)也無效，仍會產(chǎn)生巖爆后果，帶來設(shè)備和人員傷害風險，且較大的清渣量反倒制約進尺速度。因此，依據(jù)巖爆發(fā)生等級和支護防控技術(shù)特點，適當主動控制進尺速度，需遵循“掘速控制”準則。

2)“風險控制”準則。這里風險的概念特指巖爆帶來的風險，即巖爆對TBM施工人員和設(shè)備的安全風險，以及TBM施工速度、工期、受困影響的風險。根據(jù)風險危害大小及發(fā)生概率的大小，采取相應(yīng)的防控技術(shù)措施。與斷層破碎帶控制理念不同，斷層破碎帶出露TBM護盾盾尾再實施支護等技術(shù)措施，很多時候是沒有問題的。但對巖爆而言，不論是巖爆預(yù)測理論得出的結(jié)果，還是巖爆監(jiān)測獲得的結(jié)果，給出的都是一種巖爆可能性以及大致的級別預(yù)測，還達不到十分準確的預(yù)測預(yù)報水平，而巖爆發(fā)生前如不能及時采取技術(shù)措施將帶來嚴重后果。因此，即使掘進開挖后證明該位置洞段沒有發(fā)生巖爆，但根據(jù)預(yù)測預(yù)報結(jié)果以及本工程前期類似發(fā)生巖爆圍巖條件的經(jīng)驗總結(jié)判斷，只要有較大概率發(fā)生巖爆，就應(yīng)采取相應(yīng)的支護等巖爆防控技術(shù)措施。這屬于風險控制，不能因此而認為這種防控措施是一種浪費，其相應(yīng)的施工工期和成本損失需得到考慮和認可。因此，巖爆防控根據(jù)發(fā)生的可能性事先采取預(yù)防措施，需遵循巖爆“風險控制”準則。

3)“時空控制”準則。工程實踐表明，巖爆可能在掘進開挖后瞬間或短時間內(nèi)發(fā)生，即所謂的即時型巖爆，這種巖爆主要發(fā)生在掌子面及TBM刀盤或護盾區(qū)域；巖爆也可能在開挖后滯后一段時間發(fā)生，如前所述，在24 h內(nèi)發(fā)生巖爆的概率非常大，個別發(fā)生在更長時間內(nèi)，位置主要集中在TBM主機區(qū)域內(nèi)。因此，對于多發(fā)生在掌子面與護盾范圍內(nèi)的即時型巖爆，可以充分利用TBM主機結(jié)構(gòu)的特點實施相應(yīng)的防控技術(shù)措施，并對刀盤、刀具、鏟斗齒、護盾等進行強健設(shè)計；對于滯后時間較長才發(fā)生的巖爆，需充分掌握巖爆發(fā)生的時空規(guī)律，協(xié)調(diào)TBM的進尺和支護速度，主動控制進尺速度，從而控制巖爆發(fā)生位置，對TBM主機區(qū)域做好必要的人員和設(shè)備防護設(shè)計，在TBM發(fā)生巖爆前恰當?shù)臅r間和空間內(nèi)實施支護措施。因此，巖爆防控需考慮時空效應(yīng)，遵循“時空控制”準則。

4)“分級控制”準則。不同的圍巖條件，巖爆發(fā)生等級不同，一般分為無巖爆、輕微巖爆、中等巖爆、強巖爆甚至極強巖爆。巖爆等級不同，危害大小不同，不同防控技術(shù)措施的防控效果不同，對進尺速度影響不同，施工成本不同。輕微和中等以下巖爆的防控技術(shù)措施，可能不能解決強巖爆的根本問題。因此，不能籠統(tǒng)地談巖爆防控技術(shù)方案，需根據(jù)巖爆等級，選擇不同的巖爆防控技術(shù)方案。盡管目前已有一些工程實踐經(jīng)驗，但缺乏系統(tǒng)選擇巖爆防控技術(shù)方案的理論指導(dǎo)，需要建立分級選擇防控方案的理論體系，在TBM掘進中遵循巖爆“分級控制”準則。

2.4 TBM施工巖爆防控技術(shù)

根據(jù)前述TBM施工巖爆影響規(guī)律、時空效應(yīng)、設(shè)備結(jié)構(gòu)和工法特點，以及巖爆防控目標和防控準則，提出基于“裝備—掘進—支護”協(xié)調(diào)控制的TBM施工巖爆分級防控技術(shù)體系，并在實際工程中應(yīng)用驗證。

由于護盾式TBM主機區(qū)域具有護盾保護，后配套部分有預(yù)制管片支護，相比敞開式TBM更易于巖爆防控，控制也相對簡單。因此，下面主要基于敞開式TBM來討論巖爆防控技術(shù)方案。

2.4.1 輕微巖爆防控技術(shù)

2.4.1.1 輕微巖爆防控技術(shù)方案

常規(guī)敞開式TBM在護盾尾部都配有錨桿鉆機，方便實施錨桿作業(yè)，而且采取“錨桿+網(wǎng)片”的支護能夠抵抗輕微巖爆，錨桿、網(wǎng)片支護作業(yè)速度比較快，基本能跟上TBM的掘進。即使一時跟不上掘進，一般也不會帶來設(shè)備和人員的安全威脅，甚至可以補救支護，所以無需刻意主動控制TBM的純掘進速度，但要保證支護緊跟掘進，巖爆防控支護實際可能會延誤一些TBM施工速度，即進尺速度。

根據(jù)以上分析，提出輕微巖爆的防控技術(shù)方案為“常規(guī)TBM設(shè)計+錨桿網(wǎng)片支護+支護緊跟掘進”無需主動控制進尺速度的防控技術(shù)方案，如圖15所示。

圖15 輕微巖爆防控技術(shù)方案

2.4.1.2 工程應(yīng)用效果

上述輕微巖爆防控技術(shù)方案在新疆ABH工程得到全面應(yīng)用，截至2019年8月，發(fā)生輕微巖爆101次，支護能夠完全控制巖爆，未發(fā)生設(shè)備損傷和人員傷亡事故。由于ABH工程圍巖抗壓強度和完整性易于掘進，所以若與無巖爆同樣圍巖相比，輕微巖爆TBM施工速度是無巖爆圍巖的70%～90%。工程應(yīng)用效果如圖16所示。

圖16 輕微巖爆防控技術(shù)工程應(yīng)用

2.4.2 中等巖爆防控技術(shù)

2.4.2.1 中等巖爆防控技術(shù)方案

錨桿和網(wǎng)片支護難以抵抗中等巖爆的沖擊，TBM主機處噴射混凝土支護會污染主機且強度提升慢，也不是好的選擇方案，除非能研發(fā)采用價格低、無回彈且速強的混凝土。因此，提出中等巖爆采用“鋼拱架+鋼筋排”的連續(xù)封閉支護方式。此時，TBM施工速度無需主動控制，但因為支護會延誤掘進，所以存在施工速度的被動控制。另外，為了使TBM護盾能夠儲存鋼筋排，達到不間斷封閉支護，需設(shè)計成含儲存夾層的護盾。這樣就構(gòu)建了“含儲存?zhèn)}的護盾設(shè)計+常規(guī)間距拱架鋼筋排支護+掘進被動控制”的中等巖爆防控技術(shù)方案，如圖17所示。

圖17 中等巖爆防控技術(shù)方案

如圖18所示，“鋼拱架+鋼筋排”的連續(xù)封閉支護技術(shù)的實施方法是： 將焊接而成的鋼筋排或成組單根鋼筋插入護盾儲存?zhèn)}，隨著TBM向前掘進，不斷支立鋼拱架，鋼拱架支撐鋼筋排的后端，鋼筋排前段由護盾儲存?zhèn)}支撐，儲存?zhèn)}內(nèi)的鋼筋排隨TBM掘進陸續(xù)滑出，前端滑出之前再插入下一節(jié)鋼筋排。這樣，鋼筋排由護盾和鋼拱架前后支撐，形成了連續(xù)封閉的“鋼拱架+鋼筋排”支護。

圖18 含儲存?zhèn)}的護盾及鋼筋排支護

采用“鋼拱架+鋼筋排”的支護方式，不僅可以抵抗中等巖爆的沖擊，更重要的還有以下2個原因： 1)考慮到巖爆的時空效應(yīng)，“鋼拱架+鋼筋排”支護能在巖爆發(fā)生之前較快地完成，形成有效支護，且對TBM掘進的延誤時間少，對TBM施工速度影響較?。?2)由于鋼筋排前后兩端分別由護盾和鋼拱架支撐，護盾至拱架之間始終是連續(xù)無間斷的支護，避免盾尾與拱架間出現(xiàn)空隙，能有效地防護設(shè)備和人員，同時基本避免了巖爆落渣，極大地減少了清渣工作量。

2.4.2.2 工程應(yīng)用效果

在ABH工程和引漢濟渭工程，巖爆微震監(jiān)測預(yù)報有中等巖爆或介于輕微與中等之間或介于中等與強烈之間的巖爆，因此均采用了上述巖爆防控技術(shù)方案。

ABH工程從TBM開始掘進至2019年8月，發(fā)生輕微—中等巖爆18次、中等巖爆32次。截至2019年11月，引漢濟渭工程TBM掘進，發(fā)生輕微至中等巖爆84次、中等巖爆158次、中等—強烈?guī)r爆80次。采用上述防控技術(shù)方案，支護抵抗住了巖爆的沖擊，未發(fā)生人員傷亡事故，設(shè)備沒有較大受損，達到了較快的TBM施工速度，是無巖爆施工速度的50%～70%。ABH工程“鋼拱架+鋼筋排”支護情況下日進尺在10 m左右。不同部位防控技術(shù)工程應(yīng)用如圖19和圖20所示。

圖19 中等巖爆防控技術(shù)工程應(yīng)用(頂拱)

圖20 中等巖爆防控技術(shù)工程應(yīng)用(邊墻)

2.4.3 強烈?guī)r爆防控技術(shù)

2.4.3.1 強烈?guī)r爆防控技術(shù)方案

以往工程實踐表明，常規(guī)鋼拱架支護難以抵抗強烈?guī)r爆的沖擊，支護經(jīng)常被損毀，且?guī)泶罅康那逶ぷ髁?，威脅設(shè)備和人員安全，施工進度受到嚴重影響。

然而，根據(jù)巖爆特征規(guī)律的分析結(jié)果，強烈?guī)r爆情況下主動控制掘進日進尺對巖爆發(fā)生位置有顯著影響，因此可以通過主動控制日進尺使大多數(shù)強烈?guī)r爆發(fā)生在掌子面和護盾區(qū)域。這樣，不僅護盾后面的設(shè)備和人員得到了保護，更重要的是可以將巨大沖擊能量的巖爆防護問題轉(zhuǎn)化為塌方破碎帶支護問題，即巖爆及其落石塌落于盾尾至前方掌子面區(qū)域，刀盤和護盾起到了抵抗巖爆沖擊的作用，在盾尾處可采取“小間距鋼拱架+鋼筋排”支護巖爆落石?；诖耍岢隽恕暗侗P護盾強健設(shè)計+主動控制進尺速度+小間距鋼拱架鋼筋排支護”的強烈?guī)r爆防控技術(shù)方案，如圖21所示。

一般掌子面至盾尾距離約6 m，且90%以上強烈?guī)r爆在24 h內(nèi)發(fā)生，據(jù)此規(guī)律可主動控制TBM掘進日進尺在3～5 m，盾尾“鋼拱架+鋼筋排”支護緊跟掘進進程，完成進尺控制指標后可停機等待，鋼拱架間距減小到可使TBM撐靴跨過，若更小間距密排無法跨越時可采用混凝土灌注抹平。

圖21 強烈?guī)r爆防控技術(shù)

2.4.3.2 工程應(yīng)用效果

引漢濟渭工程嶺南段TBM進入第2掘進段后，隨著埋深增大，開始進入連續(xù)強烈?guī)r爆甚至極強巖爆區(qū)，TBM掘進采取了上述強巖爆防控技術(shù)方案。

截至2020年10月底，第2掘進段完成2 075.3 m掘進，制約掘進造成停機支護的巖爆段共計813段，影響段落長度累計2 023.6 m，占已掘進長度的97.5%。經(jīng)統(tǒng)計，通過采取主動控制日進尺的防控方案，TBM成功穿越了超過2 km的強烈?guī)r爆洞段，但也有約7%的二次滯后巖爆發(fā)生在拱部和底拱，其中拱部滯后性強烈?guī)r爆37次、底拱滯后性巖爆21次，造成已支護結(jié)構(gòu)體系損壞。然而，由于滯后巖爆發(fā)生在已支護區(qū)域，對人員和設(shè)備威脅大大降低，主要是帶來了支護恢復(fù)和清渣的工作量。強巖爆洞段TBM平均月進尺達到110 m，日進尺約3.5 m，TBM安全穿越了長距離強巖爆洞段。防控技術(shù)工程應(yīng)用如圖22—24所示。

圖22 強烈?guī)r爆防控技術(shù)工程應(yīng)用(頂拱)

圖23 強烈?guī)r爆防控技術(shù)工程應(yīng)用(邊墻)

圖24 強烈?guī)r爆洞段穿越后的支護效果

同時，TBM刀盤和護盾也能夠經(jīng)受住強烈?guī)r爆的沖擊。由于TBM最初是按照常規(guī)設(shè)計的，刀盤、護盾受到一定程度的損傷，但并沒有造成致命問題。根據(jù)本文提出的強巖爆防控方案，今后若有強巖爆存在，也應(yīng)對TBM刀盤和護盾進行強健設(shè)計。

綜上所述，提出了“輕微、中等、強烈”3個等級巖爆的防控目標；“掘速控制、風險控制、時空控制、分級控制”4個防控準則；“裝備—掘進—支護”三者協(xié)同創(chuàng)新控制；“輕微、中等、強烈”3個等級巖爆防控技術(shù)方案，從而構(gòu)建了“3-4-3-3” TBM施工分級巖爆防控理論技術(shù)體系，在實際工程應(yīng)用中取得了良好的巖爆防控效果。

特別指出的是，引漢濟渭工程所述強烈?guī)r爆洞段，實際上有局部極強巖爆的發(fā)生，其巖爆防控理念和防控技術(shù)可參考強烈?guī)r爆進行控制，具體的進尺速度、拱架間距及型號可適當調(diào)整。

另外，巖爆監(jiān)測預(yù)報也許不能完全確定巖爆級別，給出輕微—中等或中等—強烈?guī)r爆的預(yù)報結(jié)果。此時，可根據(jù)具體工程情況參照采取本文提出的中等和強烈?guī)r爆的防控技術(shù)方案。

3 討論

針對上述巖爆特征規(guī)律分析結(jié)果以及提出的防控技術(shù)方案，重點討論以下幾個方面。

3.1 巖爆的時空特征規(guī)律

我國采用TBM施工的超大埋深隧道發(fā)生較強巖爆的工程主要是錦屏Ⅱ級水電站工程、陜西引漢濟渭工程和新疆ABH工程。這3個工程最大埋深都超過2 000 m，埋深在1 500 m以上的洞段占有很大比例。錦屏Ⅱ級水電站的巖性以大理巖為主，ABH工程以粉砂巖、變質(zhì)泥巖為主，引漢濟渭工程主要是花崗巖、石英巖和閃長巖，具有一定的代表性。下面以正在掘進的引漢濟渭工程、ABH工程的分析結(jié)果與已完工的錦屏Ⅱ級水電站工程進行對比分析。

根據(jù)本文前述研究結(jié)果，有20%～40%的巖爆發(fā)生在10 h以內(nèi)，90%以上巖爆的滯后時間在24 h以內(nèi)，開挖后10～24 h發(fā)生巖爆的頻率最高，有9%左右的強烈?guī)r爆滯后時間在24～48 h。有30%以上中等以上和強烈?guī)r爆發(fā)生在護盾至掌子面以內(nèi)，90%以上的中等和強巖爆發(fā)生在掌子面后15 m以內(nèi)。主動控制TBM進尺可使80%～90%的強巖爆發(fā)生在護盾至掌子面以內(nèi)。即使少部分巖爆發(fā)生在護盾以后區(qū)域，由于巖爆滯后時間長，足以做好強支護，使設(shè)備和人員安全得到了極大提升。

對比錦屏Ⅱ級水電站工程，根據(jù)有關(guān)文獻報道，強巖爆位置一般發(fā)生在掌子面后3～5 m, 時間一般在開挖后的 6～12 h[14]；TBM 作業(yè)時段及停機后的 1 h內(nèi)為巖爆高發(fā)期，有86.58%掘進時段發(fā)生巖爆[8]；從掌子面前方3 m 至后方5 ～6 m， 圍巖內(nèi)的應(yīng)力水平最高，掌子面一帶是巖爆風險最高的洞段[16]；TBM 日進尺小于 5 m 時，微震活動較低，微震事件基本低于10個/d[17]；掌子面后0～6 m巖爆發(fā)生最為頻繁，絕大多數(shù)巖爆發(fā)生在掌子面后1倍洞徑以內(nèi)[18]。

可見，錦屏Ⅱ級水電站工程的巖爆時空特征與本文研究結(jié)果有相似之處，呈現(xiàn)出大體一致的規(guī)律。而本文研究以大數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，根據(jù)巖爆等級更加明確地給出了不同等級巖爆的時空特征，豐富了超大埋深隧道TBM施工巖爆的數(shù)據(jù)，并確切地指出主動控制進尺速度，比如日進尺3～5 m，可將大部分強巖爆控制在掌子面與護盾區(qū)域，也說明了本文提出的按照巖爆滯后時間24 h以內(nèi)、主動控制日進尺的強巖爆防控技術(shù)方案是有依據(jù)的、可靠的。

3.2 技術(shù)方案的防控效果

雖然本文給出的輕微巖爆、中等巖爆、強烈?guī)r爆的防控技術(shù)方案并不能百分之百防控巖爆，但已能夠防控大部分巖爆甚至是強巖爆，極大地提高了TBM施工的安全性和掘進效率。新疆ABH工程已安全高效穿越包括全部巖爆洞段的14 km隧洞掘進。引漢濟渭工程TBM已穿越10 km巖爆洞段，第2段掘進中已連續(xù)安全穿越超過2 km的強烈?guī)r爆和極強巖爆洞段。

在引漢濟渭工程TBM第2段連續(xù)強巖爆洞段掘進中，平均月進尺達到了110 m。也許有人認為，按照主動控制日進尺的防控策略TBM進尺太少了。事實上，錦屏Ⅱ級水電站排水洞TBM施工，當時并沒有提出和采取明確的主動控制日進尺的措施，也沒有含儲存?zhèn)}的護盾來實施鋼筋排支護，結(jié)果大量巖爆發(fā)生在護盾以后區(qū)域，如圖25所示，強巖爆砸彎了指型護盾，已做好的支護被巖爆損壞，大量巖爆塌落拋射的巖塊需要清理，如圖26所示，恢復(fù)支護和清渣工作量巨大，反倒大大延緩了TBM施工進尺速度，2009年 7—11月僅掘進 600 m[14]，施工速度并未高于引漢濟渭工程，而實際上這里的進尺包含了無巖爆、輕微、中等和強烈?guī)r爆全部情況。同時，錦屏Ⅱ級水電站工程圍巖抗壓強度遠低于引漢濟渭，更易掘進。更大的問題是設(shè)備和人員安全受到的威脅要大得多。

圖25 錦屏Ⅱ級水電站排水洞傳統(tǒng)TBM設(shè)計護盾后部區(qū)域巖爆

圖26 錦屏Ⅱ級水電站排水洞TBM施工支護被毀并有大量落渣

本文提出的巖爆防控技術(shù)并非控制了百分之百的巖爆，仍然有很少部分滯后時間較長的巖爆，但此時強支護已經(jīng)做好，即使少部分支護有一定程度損壞，人員和設(shè)備的安全性已大大提高，清渣量也大為減少，大大降低了勞動量。

3.3 巖爆防控的支護等措施

以往不論工程實踐還是文獻報道，都可見一系列的巖爆防控措施，如洞壁噴水、錨桿、網(wǎng)片、漲殼式預(yù)應(yīng)力注漿錨桿、水漲式錨桿、噴射鋼纖維混凝土、鉆孔釋放應(yīng)力等。這些技術(shù)措施對巖爆防控都具有一定的效果，但作為TBM穿越巖爆洞段的完整技術(shù)方案還存在許多問題，例如：錨桿網(wǎng)片可以防控輕微巖爆，但較強巖爆時作業(yè)人員仍然暴露于洞壁，網(wǎng)片無法抵抗巖爆，且支護與護盾之間是不連續(xù)間斷支護；TBM施工噴射混凝土支護一般在后配套處實施，主機區(qū)域的應(yīng)急噴射混凝土上強度慢，且主機區(qū)域噴射混凝土存在回彈污染TBM主機的問題；對于鉆孔釋放應(yīng)力，輕微巖爆時錨桿網(wǎng)片已能防控，沒必要鉆孔釋放應(yīng)力而耽誤TBM掘進，強巖爆時有限的鉆孔釋放所帶來的巖爆防控效果也是很有限的。因此，不區(qū)分巖爆等級的防控措施是無效的，有的措施在等級高的巖爆情況下根本防控不住，或是采取的支護方式不能及時快速實施，也難以奏效。所用支護方式一方面對TBM掘進延誤可能太多，另一方面是支護措施與護盾間是間斷的、難以快速實施的，即還未來得及支護好，巖爆已經(jīng)發(fā)生。所以，必須研究能抵抗強巖爆并能快速實施的支護措施。

而且，孤立的支護措施并不能很好地防控巖爆，還需要考慮TBM結(jié)構(gòu)特點和工法特點，基于巖爆特征規(guī)律，系統(tǒng)地從“裝備—掘進—支護”協(xié)同創(chuàng)新和協(xié)調(diào)控制來防控巖爆，才可能達到較好的效果。很重要的一點是，本文看似強巖爆仍采用了“鋼拱架+鋼筋排”的支護方式，只是加密了拱架，但是巖爆防控支護的理念進行了改變，通過設(shè)計含鋼筋排儲存夾層的頂護盾并主動控制進尺速度，使大部分強巖爆發(fā)生在護盾至掌子面區(qū)域，這樣就將抵抗巖爆沖擊的支護問題轉(zhuǎn)化為支護破碎巖石的問題，避免了支護受到巨大能量的沖擊，從而保證了支護的完好。

另外，上述巖爆防控技術(shù)方案中所提出的支護是能夠控制不同等級巖爆的基本支護方式，以保障TBM的安全高效穿越。而常規(guī)其他支護如后配套位置的噴射混凝土以及拱架背部落石空腔的固結(jié)灌漿等，可按工程設(shè)計要求實施，這里不再贅述。

除了本文重點采取的支護方式，還應(yīng)不斷研究試驗及應(yīng)用一些新的防控巖爆的支護技術(shù)，比如新型緩沖吸能拱架支護、強力吸能防護網(wǎng)、速強高韌性無回彈混凝土等技術(shù)措施，還可以探索新的應(yīng)力釋放技術(shù)，同時要解決少部分滯后巖爆支護被破壞的問題?？傊?，仍需探索創(chuàng)新在TBM施工速度和安全性均能得到滿意結(jié)果的防控理念與技術(shù)方案。

4 結(jié)論

本文以引漢濟渭工程、新疆ABH工程為主要案例進行深埋隧道TBM施工巖爆特征規(guī)律與防控技術(shù)的研究，并與錦屏Ⅱ級水電站工程進行對比分析。這一研究涵蓋了我國迄今為止3個埋深超過2 000 m、發(fā)生過較強巖爆的TBM施工工程。通過工程實踐探索、數(shù)據(jù)分析與理論思考，提出了分級巖爆TBM施工防控技術(shù)方案，并在工程中應(yīng)用驗證，得出以下主要結(jié)論。

1)不同等級巖爆對TBM施工速度、設(shè)備和人員安全均有不同程度的影響，特別是強巖爆對施工安全威脅很大。但若采取恰當?shù)姆揽乩砟钆c技術(shù)，TBM施工巖爆的安全風險則基本可控。與無巖爆TBM施工速度對比，輕微巖爆TBM施工速度降為無巖爆的70%～90%；中等巖爆降為50%～70%；強烈?guī)r爆降為25%～50%。因此，TBM施工圍巖分級以及工期和成本預(yù)測都應(yīng)充分考慮巖爆的影響。

2)20%～40%的巖爆發(fā)生在開挖后10 h以內(nèi)，開挖后10～24 h發(fā)生巖爆的頻率最高，90%以上巖爆發(fā)生在開挖后24 h以內(nèi)，約9%的強烈?guī)r爆滯后時間在24～48 h。超過30%中等以上和強烈?guī)r爆發(fā)生在護盾至掌子面區(qū)域，90%以上的中等和強巖爆發(fā)生在掌子面后15 m以內(nèi)范圍。主動控制TBM進尺速度可使80%～90%的強巖爆發(fā)生在TBM護盾至掌子面區(qū)域，這為TBM巖爆防控提供了有利條件。強巖爆主動控制TBM日進尺為3～5 m，可根據(jù)不同工程情況具體確定。

3)在巖爆對TBM施工影響和時空特征規(guī)律分析認識的基礎(chǔ)上，結(jié)合TBM結(jié)構(gòu)特點和工法特點，從安全、速度等方面綜合考量，提出了“輕微、中等、強烈”3個等級巖爆TBM施工防控目標，以及“掘速控制、風險控制、時空控制、分級控制”4個TBM施工巖爆防控準則，分別給出了輕微、中等和強烈3個等級巖爆具體防控技術(shù)方案，構(gòu)建了“裝備—掘進—支護”三者協(xié)同創(chuàng)新控制的“3-4-3-3”分級巖爆防控理論技術(shù)體系。采用提出的技術(shù)方案，新疆ABH工程其中1臺TBM已安全高效地穿越了全部中等巖爆洞段，完成標段14 km掘進；引漢濟渭工程嶺南段TBM穿越了10 km巖爆洞段，其中TBM在第2掘進段施工中已穿越2 km連續(xù)強巖爆洞段，強巖爆洞段平均月進尺達到110 m。提出的巖爆防控理念與防控技術(shù)在工程實際應(yīng)用中取得了良好的防控效果，可為川藏鐵路建設(shè)提供借鑒。