楊春寶，胡國志，李凌志，馬清瑞

(1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043；3.陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710086)

長距離調(diào)水工程為解決我國水資源空間分布不均勻發(fā)揮了較大的效益。包括已建的南水北調(diào)東線、中線，引黃入晉，引洮供水等工程；在建的引漢濟渭，引江濟淮，滇中引水，珠江三角洲水資源配置等調(diào)水工程等。

深埋隧洞是長距離引調(diào)水的常用形式，大部分工程最大埋深超過1000m，例如滇中引水工程最大埋深1450m，引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞最大埋深2012m，錦屏二級水電站引水隧洞最大埋深2525m。

硬巖巖爆是深埋隧洞的設(shè)計和施工關(guān)鍵難點之一，其表現(xiàn)為深埋巖體在隧洞開挖擾動下，巖體中聚積的彈性變形勢能突然釋放，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生爆裂、剝離、彈射等現(xiàn)象[1]。本文旨在開展深埋隧洞硬巖巖爆防控技術(shù)研究。

1 巖爆危害

隧洞開挖掘進過程中，巖爆對施工進度和施工安全影響極大。

引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞全長98.260km，其中越嶺段長81.779km，隧洞最大埋深2012m，隧洞埋深超過500m的段落長61.37km。越嶺段深埋隧洞采用TBM施工，直徑8.02m。施工中頻繁發(fā)生巖爆，對生產(chǎn)和人員安全帶來諸多不利影響。2020年3月23日，嶺北段TBM掘進至K45+589.2處，掌子面和右側(cè)護盾上方連續(xù)發(fā)生4次強烈?guī)r爆，爆落渣體多呈大塊狀(尺寸1.5m×1.0m左右)，刀盤被卡，該處隧洞埋深1260m，巖性為閃長巖。刀盤上方塌腔徑向深度4.7m，刀盤前方塌腔深度5.1m，護盾上方塌腔位于10-15點位置，徑向深度5.2m，拱部鋼拱架在巖爆沖擊和大量渣體重載作用下發(fā)生下沉變形，現(xiàn)場通過拆除盾尾鋼拱架，后退TBM使刀盤恢復(fù)轉(zhuǎn)動。2020年3月31日TBM恢復(fù)掘進，向前掘進0.9m時，左側(cè)護盾至盾尾段7-8點部位再次發(fā)生強烈?guī)r爆，原有清理后的巖爆塌腔再次被大塊渣體填滿，已支護鋼架再次發(fā)生大變形，刀盤和護盾段拱部塌腔深度擴大至9.8m，之后塌腔內(nèi)還不時有巖塊垮塌，塌腔有進一步擴大趨勢。

雅礱江錦屏二級水電站[2]布置4條引水隧洞，平均長度約16.67km，開挖洞徑12.4～13.0m，平均埋深范圍為1500～2000m，其中最大埋深達到2525m。隧洞施工中發(fā)生了多次巖爆，主要發(fā)生在洞身拱部，巖塊大多呈片狀、層狀剝落，破裂面粗糙，表現(xiàn)為張性破壞。2009年11月28日，施工排水洞突發(fā)極強巖爆，塌方總量達400余m3，并造成TBM永久性長埋和施工人員多人傷亡，損失慘重。

2 巖爆表征

2.1 深埋高地應(yīng)力

巖爆通常發(fā)生在深埋高地應(yīng)力巖體中。

引漢濟渭秦嶺輸水隧洞截止目前已施工洞段的11個測試深孔中，實測水平主應(yīng)力最大值為65MPa；且研究分析表明將來越嶺段的最大水平應(yīng)力預(yù)計更高，可能會高達100MPa。

錦屏二級水電站引水隧洞地處我國西南高地應(yīng)力區(qū)，實測第一主應(yīng)力最大值46MPa。漁子溪水電站引水洞圍巖最大切向應(yīng)力達90MPa，隧洞開挖過程中發(fā)生多次中等以上巖爆。瑞典Vietas水電站隧洞開挖過程中也發(fā)生多次巖爆，其實測圍巖最大切向應(yīng)力80MPa。日本關(guān)越隧道圍巖最大切向應(yīng)力89MPa，施工中發(fā)生多次中等以上巖爆[3]。

2.2 高抗壓強度硬巖

巖爆發(fā)生多以硬巖為主，巖體抗壓強度較高。

引漢濟渭秦嶺輸水隧洞嶺北TBM施工段地層巖性為泥盆系變砂巖和華力西期閃長巖，現(xiàn)場試驗巖石抗壓強度平均范圍75～230MPa；嶺南TBM施工段地層巖性為印支期花崗巖，現(xiàn)場試驗巖石抗壓強度平均范圍160～214MPa，最高達306MPa。

錦屏二級水電站引水隧洞巖體主要為大理巖、灰?guī)r、砂巖和板巖，大部分洞段以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，且?guī)r體較完整，巖石單軸抗壓強度為55～114MPa。

2.3 巖爆表現(xiàn)形式

在大埋深和極高地應(yīng)力綜合影響下，巖爆通常表現(xiàn)為頻次高、強度大、破壞力強等特點。

引漢濟渭秦嶺隧洞自2018年初開始隨著隧洞埋深逐步加大，洞內(nèi)巖爆連續(xù)頻繁發(fā)生，表現(xiàn)為頂拱部巖體剝落崩塌、底拱巖體隆起、以及鋼拱架下沉變形等現(xiàn)象。

(1)巖體剝落

輕微巖爆主要集中在拱頂，表現(xiàn)為巖體剝落，剝落后的圍巖呈魚鱗狀、片狀、薄板狀，巖爆剝落后塌腔深度一般在0.5m以內(nèi)。

(2)大塊巖體掉落和坍塌

拱頂180°范圍內(nèi)的中等巖爆多表現(xiàn)為大塊巖石坍塌、彈出，巖爆剝落后塌腔深度較深，破壞性較強，如圖1所示。

圖1 巖塊剝落和坍塌

(3)巖體碎裂

拱腰部位的中、強巖爆會導(dǎo)致巖體碎裂，碎裂塊呈條狀或磚塊狀，有時也表現(xiàn)為大塊石頭彈出。

(4)底部上拱

當(dāng)巖爆發(fā)生于隧道底部時，巖爆表現(xiàn)為巖體向上隆起現(xiàn)象，主要集中在面向掌子面4-8點范圍，底部隆起的巖體和變形鋼拱架侵入仰拱塊安裝范圍，造成仰拱預(yù)制塊無法安裝。

(5)巖爆破壞后果

巖爆的破壞后果表現(xiàn)為拱架彎曲斷裂、鋼筋網(wǎng)失效、設(shè)備損壞、人員傷亡等。引漢濟渭秦嶺隧洞TBM施工中，巖爆多次造成拱架下沉彎曲、設(shè)備損壞等事件，如圖2所示。

圖2 巖爆導(dǎo)致圍巖襯砌失效

2.4 巖爆強度分級

依據(jù)巖爆形態(tài)、范圍、發(fā)生和持續(xù)時間、影響深度、聲響等因素，巖爆的烈度及強度分級標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)如下[4- 8]。

(1)輕微巖爆

輕微巖爆表現(xiàn)為洞壁表層局部劈裂、脫落、剝離，發(fā)出微弱的撕裂和噼啪聲響，對施工影響較小。

(2)中等巖爆

中等巖爆表現(xiàn)為圍巖出現(xiàn)重復(fù)性的劈裂、剪斷，伴隨巖塊彈射；圍巖內(nèi)形成凹坑，影響深度較大；發(fā)出一定持續(xù)時間的清脆爆裂聲，類似子彈射擊聲；對施工有一定影響。

(3)強烈?guī)r爆

強烈?guī)r爆表現(xiàn)為圍巖出現(xiàn)快速性的劈裂、剪斷，向圍巖深處急劇擴展，伴隨圍巖巖體一定范圍的碎裂和塌落；發(fā)出類似炮聲的巨響；對施工影響較大。

(4)極強巖爆

劇烈?guī)r爆表現(xiàn)為圍巖發(fā)生強烈震動，出現(xiàn)大范圍巖體碎裂崩塌，影響深度達數(shù)米，常伴隨底板隆起大變形；發(fā)出悶雷聲強烈巨響；對施工影響極大，嚴(yán)重者可摧毀工程。

2.5 巖爆發(fā)生范圍和時間

巖爆工程實例統(tǒng)計分析表明[9]，巖爆發(fā)生的時間及空間分布特征為：

(1)巖爆主要集中頻繁發(fā)生在開挖后1天內(nèi)，半個月內(nèi)基本發(fā)生絕大部分巖爆，少數(shù)滯后性發(fā)生在1個月之后。隨著巖體開挖后時間持續(xù)增長，巖爆發(fā)生頻率降低。

(2)巖爆主要發(fā)生在距離掌子面較近的部位，絕大部分巖爆集中在掌子面3倍洞徑范圍內(nèi)，但也有與掌子面相距較遠的情況。

3 巖爆風(fēng)險識別與預(yù)警

巖爆風(fēng)險識別與預(yù)警是保障施工安全的關(guān)鍵。深埋巖體在開挖前儲存了大量能量，所以弄清楚待開挖洞段的地質(zhì)條件、準(zhǔn)確把握待開挖段巖石的力學(xué)性質(zhì)及開挖卸荷下的力學(xué)行為，可以有效預(yù)識別巖爆發(fā)生幾率和強度等級。

巖爆風(fēng)險識別方法根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有研究大致可歸結(jié)為4類。

3.1 理論預(yù)判法

理論預(yù)判法包括強度應(yīng)力比法、彈性應(yīng)變能法等，其中強度應(yīng)力比法最為直接，應(yīng)用較廣。

(1)不考慮洞室開挖過程影響，計算時依據(jù)巖石抗壓強度和圍巖主應(yīng)力進行判別。GB50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》以強度應(yīng)力比法為代表進行巖爆的判別[8]。

(2)考慮洞室開挖結(jié)構(gòu)影響，計算時依據(jù)巖石抗壓強度和洞室開挖后的切向應(yīng)力，同樣以應(yīng)力強度比為基本判別準(zhǔn)則，相關(guān)方法有Turchaninov判別、Russemes判別等。具體見表1。

表1 巖爆分級及判別

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)報

在工程實施階段，巖爆預(yù)測以現(xiàn)場監(jiān)測和預(yù)報為主，包括微重力法、聲發(fā)射法、微震監(jiān)測法等。

微震監(jiān)測法是在隧洞巖壁放置傳感器接收微震動信號，實時收集深埋隧洞開挖過程中的微地震事件和相應(yīng)的能量、視體積、地震矩等震源參數(shù)，分析其時空分布和演變規(guī)律，從而對潛在的巖爆進行動態(tài)預(yù)報預(yù)警。

巖爆是在高地應(yīng)力下引起硬巖漸進破壞誘致突變的過程，其特點為變形小但破裂過程釋放能量較大，因此微震監(jiān)測技術(shù)實時分析較為適用，在錦屏二級水電站引水隧洞和引漢濟渭秦嶺輸水隧洞施工的巖爆預(yù)測應(yīng)用較好[10]，預(yù)測準(zhǔn)確率較高。

3.3 巖爆綜合預(yù)測法

綜合預(yù)測法是考慮各種影響因素的巖爆預(yù)測方法，具體可分為兩類。

(1)基于巖爆多因素指標(biāo)預(yù)判

以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，基于多因素指標(biāo)的權(quán)重理論應(yīng)用較多。權(quán)重的分配和賦值是關(guān)鍵。

(2)基于巖爆實例樣本數(shù)據(jù)的預(yù)判

以施工過程中的巖爆實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立貝葉斯函數(shù)等判別模型。隨著施工過程逐步開展，統(tǒng)計樣本的累計，判別精度會逐漸提高。

綜合預(yù)判法考慮因素相對全面，近些年許多學(xué)者開展了相關(guān)模型研究和應(yīng)用[3]，對工程實踐具有較好的指導(dǎo)意義。

3.4 經(jīng)驗判別

通過隧洞開挖面揭示的巖石類別、巖層產(chǎn)狀、裂隙拓展、表層剝落、發(fā)出聲響等巖體表征，基于經(jīng)驗分析，開展巖爆預(yù)判。該方法通過現(xiàn)場作業(yè)人員根據(jù)隧洞施工前期階段的巖爆經(jīng)驗積累，指導(dǎo)隧洞開挖中后期巖爆預(yù)判和防控。

4 巖爆防控措施

巖爆防控應(yīng)根據(jù)不同巖爆等級采取相應(yīng)的主動防護和被動防護措施。主動措施包括高壓噴水、錨桿支護和超前應(yīng)力釋放孔等；被動措施包括拱架支撐、噴混凝土和柔性防護措施等。

(1)高壓噴水

高壓噴水可以降低巖石的脆性和能量儲存，促使隧洞圍巖的應(yīng)力釋放和調(diào)整，對輕微巖爆和中等巖爆較為適用。

(2)拱架支撐

拱架可以支撐隧洞體型，防止巖爆導(dǎo)致的洞室坍塌。拱架以型鋼拱架為主，針對不同巖爆等級，可采用不同等級的型鋼和相應(yīng)間距；拱部可增設(shè)鋼筋排。拱架適用于各等級的巖爆。對于中等以上巖爆，應(yīng)設(shè)型鋼拱架。

(3)噴混凝土

噴混凝土可以在隧洞周邊形成封閉的保護體系，防止巖爆飛濺。對于輕微巖爆和中等巖爆，圍巖噴常規(guī)混凝土即可。對于強烈?guī)r爆和極強巖爆，可以采取納米仿鋼纖維混凝土等復(fù)合高性能材料，提高混凝土圈抗巖爆能力。

(4)錨桿支護

錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿可提高圍巖的整體性，緩解或調(diào)整孔洞效應(yīng)致使隧洞圍巖在高地應(yīng)力狀態(tài)下的局部應(yīng)力集中，降低巖爆強度和發(fā)生頻次。

對于輕微巖爆，可以采用常規(guī)錨桿；對于中等巖爆和強烈?guī)r爆，宜采用預(yù)應(yīng)力錨桿，例如漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿；對于強烈?guī)r爆和極強巖爆，可結(jié)合現(xiàn)場條件，研究采用吸能錨桿等新型高性能結(jié)構(gòu)。

(5)柔性防護措施

柔性防護措施相當(dāng)于圍巖的淺層保護，常布置于仰拱以上部位，可以一定程度上防止巖爆飛濺，并起到吸能作用。柔性防護措施可采用柔性鋼絲網(wǎng)、普通鋼筋網(wǎng)或者其他高性能材料。柔性防護措施適用于輕微巖爆和中等巖爆。

(6)超前應(yīng)力釋放孔

超前施做應(yīng)力釋放孔可以提前釋放和調(diào)整圍巖高地應(yīng)力，降低隧洞開挖巖爆風(fēng)險。超前應(yīng)力釋放孔對施工進度有一定影響，適用于強烈?guī)r爆和極強巖爆。超前應(yīng)力釋放孔的作業(yè)設(shè)施可采用水錘鉆機等設(shè)備。應(yīng)力釋放孔的布置(孔深、孔徑、孔距等)應(yīng)根據(jù)預(yù)測結(jié)果及現(xiàn)場實際條件試驗確定。

實際工程中，高地應(yīng)力區(qū)巖爆施工作業(yè)安全風(fēng)險較大，常采用主動措施和被動措施多種防護措施聯(lián)合防控的方式。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場巖石類別和物理力學(xué)特性、巖層走向、節(jié)理和裂隙發(fā)育程度、地應(yīng)力水平等地質(zhì)條件、隧洞開挖方式、施工進度安排等綜合確定巖爆防控措施。

5 結(jié)論與工程建議

高地應(yīng)力區(qū)硬巖巖爆對工程施工安全和進度影響較大，隧洞開挖中應(yīng)做好防控措施。工程建議如下：

(1)加強監(jiān)測和預(yù)報。加強巖爆歷史統(tǒng)計和預(yù)報監(jiān)測，依據(jù)微震監(jiān)測等技術(shù)手段，同時配置應(yīng)力應(yīng)變、變形等監(jiān)測設(shè)備，提高巖爆預(yù)測水平；加強開挖面緩傾結(jié)構(gòu)面的觀測與監(jiān)測，分析在高地應(yīng)力和巖爆頻發(fā)條件下發(fā)生坍塌的可能性，及時預(yù)報和處理。

(2)制定TBM掘進巖爆防控專項方案。對于TBM開挖深埋硬巖隧洞，由于設(shè)備的特殊性，在刀盤前能夠采取主動防護措施防控巖爆的有效措施較少。采取超前應(yīng)力釋放孔等主動防控措施應(yīng)開展施工參數(shù)和工序研究，合理協(xié)調(diào)應(yīng)力孔釋放孔施打作業(yè)和TBM掘進作業(yè)的工期和工序關(guān)系?？刂凭蜻M開挖速率，以最大限度的降低二次應(yīng)力局部集中造成隧洞四周高應(yīng)力能量的聚集。

(3)加強巖體地應(yīng)力能量的預(yù)釋放及能量轉(zhuǎn)移。根據(jù)地質(zhì)分析、數(shù)值分析及地應(yīng)力檢測等手段，確定應(yīng)力集中和能量集中較大的部位，加強應(yīng)力釋放工藝研究。在條件允許的情況下，可在超前鉆孔基礎(chǔ)上配置微爆破、水壓劈裂等措施，進一步加強應(yīng)力釋放，減輕巖爆強度和發(fā)生頻率。

(4)加強支護措施研究與設(shè)計。根據(jù)巖爆風(fēng)險等級和塌腔尺寸、底部隆起狀況等實際情況分析，開展襯砌結(jié)構(gòu)與配筋、噴射混凝土強度等級和復(fù)合材料摻量、錨桿間距和入巖深度等系統(tǒng)研究和設(shè)計，防治施工期巖爆的同時確保運行期襯砌結(jié)構(gòu)安全。

(5)優(yōu)化施工工序管理。采取提前預(yù)案、精準(zhǔn)測報、動態(tài)設(shè)計、及時支護、高效掘進等方案，優(yōu)化工序間的銜接組合，提高整體效率，保障工程進度和工期。

(6)加強施工作業(yè)安全管理。建議施工現(xiàn)場成立巖爆安全工作小組，編制應(yīng)急預(yù)案，指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)安全，加強安全管控，保證工程施工安全。