深埋隧洞巖爆孕育機理及防控措施

陳祥榮，劉 寧，潘益斌，張 洋

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

深埋巖體開挖卸荷的一個典型且危害性極大的災害類型是突發巖爆。在巖爆災害的孕育演化和發生過程中，由于受到眾多復雜控制因素的影響與控制，高應力條件下表現出更加復雜的力學行為，致使巖爆破壞類型和成因機制也更加復雜，給施工安全造成直接威脅。

1908年，南非Witwaterstrand金礦和印度Kolar Gold Field礦區開采過程中經歷了地表震動和巖體破壞，最初直覺地認為是天然地震導致。但深入研究后發現，這種震動和巖體破壞與采礦過程中的人工開挖密切相關，并不是天然地震的結果，這是人類對深部工程中巖爆災害的最早認識［1］。上世紀30年代，礦山業較發達的加拿大在安大略省的Kirkland Lake和Sudbury礦區開采過程中首次記錄到巖爆現象。隨著實踐的積累，人們對巖爆災害形成了深入的認識。1978年，加拿大《安大略省勞動安全法》對巖爆的定義為:“開挖面巖體的瞬時沖擊性破壞，或者是對開挖圍巖或地表的震動”。上世紀90年代中期，在加拿大聯邦政府和安大略省政府聯合資助的跨國性巖爆專項研究成果中，巖爆被定義為:“巖爆是開挖導致的一種與震動事件密切相關的突然性或劇烈性破壞現象”［2-4］。

我國地下工程尤其是水電工程建設領域對于巖爆的認識多停留在理論認識層面，在工程實際中經歷的較少，缺乏應對措施，而深埋隧洞巖爆問題是工程建設期不可回避的現實問題。本文以錦屏二級水電站引水隧洞為例，深入分析了不同類型巖爆的發生破壞機理及關鍵控制因素，介紹了鉆爆法和TBM掘進方式下巖爆風險的控制措施。

1 工程概況

錦屏二級水電站位于我國西部高山峽谷地區，4條引水隧洞和2條輔助洞及1條施工排水洞組成了總長度超過120 km的大型隧洞群，是目前世界上規模最大的水工洞室群。引水隧洞橫穿錦屏山，沿線上覆巖體最大埋深約2 525 m，一般埋深1 500～2 000 m，平均埋深約1 610 m，埋深大于1 500 m的洞段占總長度的75.2%～76.4%。開挖洞徑12.4～14.6 m，單洞長16.67 km。具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點。引水隧洞的西段、中段和2、4號引水隧洞的東段均采用鉆爆法施工，1、3號引水隧洞的東段采用TBM施工。由于隧洞處于高地應力地區，施工過程中不可避免發生各種等級的巖爆，對引水隧洞快速、安全施工提出了挑戰。

2 巖爆類型及發育特征

要明確巖爆的發生機理和應對措施，必須先明確巖爆的類型、發生特征和關鍵控制因素，再根據其發生條件或規律尋求合理的理論，解釋其發生過程。根據國內外研究積累和該工程巖爆災害的主要特征，按其發生條件和機理可將巖爆劃分為2大類型，即應變型巖爆和斷裂型巖爆。依據搜集的大量巖爆實例對其進行深入的分析和研究，初步形成了一套體現深埋隧洞巖爆特點和發生機制的巖爆分類方法［5］。該方法既綜合考慮了國際上對巖爆分類問題的先進研究成果，也融入了該工程引水隧洞巖爆發育特有的特性。錦屏二級水電站引水隧洞巖爆分類見表1。

3 巖爆孕育機理和誘發機制

3.1 應變型巖爆

引水隧洞中應變型巖爆非常常見，TBM和鉆爆法開挖的隧洞中均有大量發育，這類巖爆在發生時間上以即時型巖爆為主，即一般發生在掌子面后方1～2倍洞徑范圍內，且以中等巖爆為主。與一般工程不同的是，該工程應變型巖爆較少表現為巖片彈射破壞，在中低圍壓下，表層圍巖破壞主要表現為較為緩和的剝落、片幫破壞，以中等至強烈為主，這與大理巖特殊的力學性質有關。試驗結果表明，隨著圍壓的升高，大理巖在峰值強度附近出現延性平臺，對緩和的破壞形式，延性平臺無疑增大了巖體的變形能力，有利于圍巖穩定性的控制，同時這也意味著處于臨界狀態的應變能儲量的增大。不同應力應變曲線的能量分析見圖1。右圖中，當平臺處發生塑性變形，相應的應變能均由塑性變形消耗，在破壞前，巖石內儲存的彈性應變能與左圖相同，但實際這部分能量無法立刻由塑性變形消耗而積存在巖體中，造成大量能量的累積，這部分未耗散掉的能量與彈性應變能合在一起，達到一定程度后瞬間釋放出來，從而造成強烈巖爆。這與通常對應變型巖爆的認識是不同的。這類巖爆發生后，巖體剪切破碎成巖片或小巖塊，大塊較少。

圖1 不同應力應變曲線的能量分析

表1 引水隧洞巖爆分類方法

3.2 斷裂型巖爆

引水隧洞強烈巖爆和極強巖爆絕大多數為斷裂型巖爆，主要由洞壁發育的剛性結構面誘發。由于結構面的存在造成附近巖體內應力分布的奇異性，局部高應力集中造成應變能累積超過其儲能能力而發生巖爆。該類型巖爆與巖體內結構面間距、結構面產狀與主應力的相對關系等有關。在結構巖體中發生巖爆的必要條件是巖體結構能夠有利于能量的儲存和釋放，能量釋放越徹底，巖爆越強烈［6］。

2號引水隧洞在引(2)11+006～引(2)11+060洞段遭遇強烈巖爆，此次巖爆主要發生在南側拱腳處，造成拱腳排水溝鼓起，底板產生縱向拉裂縫，南側邊墻巖體破壞彈出，噴層和掛網被摧毀，附近洞段南側邊墻鼓脹。在南側拱肩處揭露出1條NWW向結構面，結構面處圍巖已經被彈出，該條結構面的揭露意味著其可能一直延伸至底板。由于南側拱腳本來為應力集中區和高能量聚集區［7］，結構面的存在改變應力集中區的位置，使其向底板延伸，從而導致在南側底拱處形成高能量集中區(見圖2a)。在超過結構面的抗剪強度和巖體的儲能能力后，導致結構面剪切破壞，結構面以下集聚的能量則同時釋放，形成強烈巖爆(見圖2b)。

圖2 2號引水隧洞強烈巖爆數值分析

4 巖爆防控措施

4.1 巖爆防控原則

從對巖爆機理研究可知，應變型巖爆的成因在于應變能量在開挖過程中的積聚、轉移和釋放;而斷裂型巖爆的成因包括結構面控制下能量的積聚、轉移和釋放以及結構面剪切滑移的誘發作用。因此，針對引水隧洞不同機制的巖爆需要制定不同的巖爆防治策略和選擇具體的防控方法，主要原則如下:

(1)快速維持圍壓，增加儲能能力。

(2)增加支護系統吸能和適應變形能力。

(3)誘導能量釋放，消耗和轉移能量。

錦屏二級水電站引水隧洞采用TBM和鉆爆法相結合的施工方案，由于2種工法的不同施工特點，施工期隧洞巖爆控制方法也有所不同。

4.2 鉆爆法洞段

在引水隧洞鉆爆法施工實踐中，采用應力解除爆破的方法是進行巖爆控制的主動手段。應力解除爆破的目的是解除或降低應力集中區部位的高應力，爆破區域應位于應力集中區范圍內，并以能有效解除或降低應力為原則。為盡可能降低施工干擾，現實中的應力解除爆破多結合在正常的開挖爆破過程中實施。采用應力解除爆破時，開挖進尺原則上以不超過2 m為宜，孔深為進尺的2～2.5倍。

鉆爆法開挖洞段巖爆防治采取了積極主動的預防措施和強有力的支護措施，確保巖爆洞段的施工安全。主要是采用控制爆破和錨噴支護，即短進尺控制爆破開挖，強烈與極強巖爆洞段要求配合應力解除爆破開挖。

(1)隧洞開挖必須采用光面爆破。必要時，應力解除爆破技術作為高地應力區日常性爆破作業的一部分。

(2)出渣后即對開挖掌子面和周邊洞壁進行危石清除作業，隨后進行高壓水沖洗。

(3)觀察現場狀況，根據巖爆預警監測結果決定是否回避。強烈和極強巖爆洞段開挖前應考慮超前錨桿預支護措施和掌子面的噴護。

(4)具備施工安全條件后，立即進行鋼纖維混凝土施工，保證噴層的厚度和質量，初噴厚度一般為8 cm。

(5)完成噴層施工后，立即進行錨桿施工，如臨時支護，可采用水脹式錨桿。

(6)對已挖洞段圍巖應力變化及深部圍巖破裂微震及時進行監測和預警工作，以指導現場加強支護施工或臨時撤退規避。

(7)采用多臂臺鉆機械化作業，嚴禁采用人工鉆爆方式，避免強烈巖爆引發人員傷亡事故。

4.3 TBM掘進洞段

受TBM設備結構的限制，幾乎無法對掌子面前方3 m和掌子面后方5 m的微震源主要分布區域和巖爆高風險區實施有效的人工干預措施，也無法對這一范圍的圍巖實施有效支護。TBM掘進條件下一般只限于對巖爆發生后的事故處理。

(1)輕微巖爆。①TBM按正常的速率掘進;②掘進后盡快對新開挖面進行納米鋼纖維混凝土等噴護處理，確保TBM掘進掌子面后未支護長度不超過3 m;③對噴護段圍巖立即實施系統錨桿處理，局部可采用機械式脹殼預應力錨桿進行快速加固，隨機配合槽鋼拱架或鋼筋拱肋加固;④及時完成其他系統支護。

(2)中等巖爆。①降低TBM掘進速度;②掘進后立即對新開挖面進行納米仿鋼纖維混凝土等噴護處理，確保TBM掘進掌子面后未支護長度不超過護盾長度;③對噴護段圍巖立即實施掛網處理，使用預制鋼筋網，采用墊板與錨桿連接的方式固定，與錨桿系統形成完整的支護系統;④在掛網施工的同時進行防巖爆快速錨固處理，視現場潛在巖爆程度，采用機械式脹殼預應力錨桿，配合系統型鋼拱架進行系統初期支護，并與表面支護措施(網、噴層和鋼拱架)構成支護系統;⑤完成初期快速錨固后，盡快進行系統性永久錨桿的安裝。

(3)強烈巖爆或極強巖爆。施工時應在這些洞段加強微震監測和巖爆預測工作，一旦進入潛在強巖爆高發洞段，需要采取非常措施提前解除掌子面前方巖爆風險，利用鉆爆法在TBM掌子面前方預先開挖超前導洞，配合使用應力解除爆破，提前釋放能量，為TBM安全掘進創造條件。本方案實質上是把TBM開挖施工的巖爆風險轉移給鉆爆法，利用鉆爆法掘進時可以采取人工干預的優點通過強巖爆風險洞段。

5 工程應用

在引水隧洞開挖支護施工中，根據TBM和鉆爆法不同巖爆控制原則，引水隧洞巖爆防治參考結構抗震“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設計思想，制定了具體的巖爆防治措施，避免發生重大的施工安全和人員傷亡事故，取得了良好的效果，確保了隧洞的安全掘進。

5.1 2號引水隧洞極強巖爆處理

2號引水隧洞引(2)11+017位于高深埋洞段，潛在巖爆風險高。開挖過程中，嚴格按照設計要求進行開挖、初噴CF30納米鋼纖維混凝土和臨時支護(水脹式錨桿)，并在兩側邊墻加強支護(脹殼式預應力錨桿)，掌子面后方40 m左右系統支護緊跟(普通砂漿錨桿，掛網噴混凝土)。2號引水隧洞巖爆防治支護流程見圖3。

圖3 2號引水隧洞巖爆防治支護流程(單位:m)

2010年2月4日，當開挖至引(2)11+006時，在引(2)11+017發生了極強巖爆。主爆區位于引(2)11+017南側拱腳。受該部位極強巖爆擾動影響，引(2)11+017～引(2)11+060洞段南側拱腳發生巖爆，圍巖彈出。停放在引(2)11+017位置的出渣車受強烈沖擊振動移位，十幾噸重的裝載機被彈起3次。該洞段已經掛設的鋼筋網受巖爆碎石沖擊與圍巖表面完全脫離。南側拱腳的巖爆除造成南側邊墻、拱腳部位巖體彈出、垮塌外，還造成上臺階底板出現3條裂縫，其中1條裂縫從南側拱腳延伸至北側拱腳，完全橫向貫穿隧洞，裂縫可見深度約1 m，寬約10 cm。本次巖爆釋放的能量巨大，但經避險后對系統支護進行了修復和加強，該洞段圍巖整體穩定，在下臺階開挖過程中未產生巖爆。

5.2 3號引水隧洞強巖爆處理

3號引水隧洞TBM掘進至引(3)9+900以西時進入了強巖爆風險區，根據相鄰4號引水隧洞開挖過程中的巖爆跡象推測，TBM掘進將遭遇強巖爆風險，遂決定在引(3)9+665～引(3)9+909段采用先導洞方案進行應力解除，確保TBM設備掘進安全。綜合考慮TBM設備在先導洞擴挖掘進中的適應性和經濟效益，經比較分析，采用上、中導洞進行應力解除，導洞斷面形狀和布置見圖4。導洞施工過程中，嚴格按鉆爆法巖爆防治措施進行開挖和噴錨支護，對導洞邊墻TBM開挖輪廓線以內的圍巖支護采用樹脂錨桿或玻璃纖維錨桿。導洞開挖完成后，TBM采用后續擴挖跟進，安全地通過了巖爆高風險洞段。

圖4 TBM洞段導洞方案(單位:m)

6 結語

本文詳細論述了錦屏二級水電站引水隧洞的巖爆類型、發育特征、發生機理及防治措施，主要結論如下:

(1)參考國際上對巖爆分類問題的研究成果和錦屏二級水電站引水隧洞巖爆特有的特性，將巖爆分為2大類6小類，即應變型和斷裂性2大類，具體細分為劇烈應變型、鼓脹應變型、鼓脹擴展應變型、端部斷裂型、滑移斷裂型、應變斷裂性。

(2)強烈巖爆主要受到局部異常地應力場的影響。而導致地應力異常的原因主要是洞壁發育的剛性結構面誘發。斷裂空間分布的隨機性使得錦屏二級水電站巖爆也存在空間分布上的強烈隨機性。

(3)基于對錦屏二級水電站引水隧洞巖爆的機理和對現場巖爆特征的認識，提出了鉆爆法和TBM掘進條件下巖爆的防控策略，現場實施效果好。

［1］馮夏庭，陳炳瑞，張傳慶，等.巖爆孕育過程的機制、預警與動態調控［M］.北京:科學出版社，2013.

［2］朱煥春，吳家耀，朱永生，等.錦屏二級水電站引水隧洞巖爆專題研究—2008年～2010年階段性總結報告［R］.武漢:Itasca咨詢有限公司(武漢)，2010.

［3］ KAISER P K，MING C.Design of rock support system under rockburst condition［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2012，4(3):215-227.

［4］朱煥春.錦屏二級水電站輔助洞巖爆機理研究與現場實施工作報告［R］.杭州:中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，2007.

［5］ KAISER P K，TANNANT D D，McCREATH D R.Canadian rockburst support and book［R］.Sudbury， Ontario:Geomechanics Research Centre， Laurentian University，1996.

［6］馮夏庭，周輝，張傳慶，等.雅礱江錦屏二級水電站引水隧洞開挖過程中巖爆風險分析與防治對策措施研究［R］.武漢:中國科學院武漢巖土力學研究所，2013.

［7］陳祥榮，張春生，朱煥春，等.深埋隧洞圍巖高應力損傷破壞機理探討［J］.水力發電，2014，40(7):29-32.