深埋隧道巖爆預測及防治技術現狀綜述

汪 珂

(1. 陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，陜西 西安 710043； 2. 西安理工大學巖土工程研究所，陜西 西安 710048)

0 引言

高原地區的隧道通常為巖質隧道，大多數具有斷面大、埋深大和高地應力等特點，因此常常遭遇巖爆等地質災害的影響。高地應力導致巖塊碎片剝離、彈射發生巖爆現象，對設備造成損毀，對人員造成傷害，從而延誤工期并造成嚴重經濟損失。世界上最早記錄巖爆的歷史可以追溯到18世紀30年代，發生在英國的萊比錫煤礦的巖爆[1-2]。從此以后，世界各地的煤礦硬巖礦山、巖石地下工程等先后發生各種規模的巖爆。工程界對巖爆的預測和處治進行了諸多研究，也取得了一系列成果[3-4]。周瑞忠[5]研究了靜力平衡、強度破壞和斷裂破壞三者之間的聯系和區別，并對巖爆發生的力學機制和臨界條件做出了解釋。嚴健等[6]通過熱力耦合的數值計算方式，得到了川藏鐵路桑珠嶺隧道圍巖應力范圍與溫度的關系。尚彥軍等[7]通過整理歸納影響巖爆發生的各種因素，得到了由巖體最大切應力、巖石的抗拉強度以及巖體完整性這3個獨立參數所擬合出的用來評價巖爆烈度的關系式。谷明成等[8]對秦嶺隧道的巖爆展開了深入研究，通過巖體物理力學測試、巖體原位應力測試，用巖性條件和圍巖完整度預測了巖爆發生等級。張永雙等[9]以高黎貢山越嶺隧道為工程依托，展開巖爆模型試驗，揭示出花崗斑巖巖爆現象的發育過程，即前期出現裂紋或者存在巖塊剝落現象，隨后開始崩射。

以上研究主要根據單個隧道揭示巖爆的力學機制、發展規律及防治技術，對于不同地質條件下高地應力隧道的建設難以起到參考作用。近幾十年來，中國建成和在建的深埋長大隧道數量較多，如川藏鐵路拉林段的巴玉隧道[10]、桑珠嶺隧道[6]，川藏鐵路成康段折多山隧道[11]，川藏公路雅康段二郎山隧道[12]，雅安—西昌高速公路泥巴山隧道[13]，秦巴山區的大巴山隧道[14]，米倉山隧道[15]，秦嶺終南山隧道[16]，西康鐵路秦嶺隧道[17]，浙江地區的蒼嶺隧道[18]，江西地區的九嶺山隧道[19]等。本文對我國已經修建的大面積出現過巖爆現象的隧道進行統計，分析總結巖爆預報、處置的新方法及巖爆地區隧道設計具體參數，以期為類似工程提供一定參考。

1 深埋隧道巖爆災害及特征統計

1.1 巖爆災害統計

針對單個隧道，在缺乏樣本的情況下，難以得出系統性的結果。通過統計國內多個長大巖爆隧道，尤其對近年來川藏高原與秦巴山區眾多巖爆隧道進行總結分析，以期為目前川藏鐵路巖爆隧道及其他隧道的修建提供重要參考[20-22]。統計多個發生巖爆現象的隧道，對其所在區域、巖性、隧道類型、最大埋深等情況進行總結，如表1所示。根據統計結果可知，我國出現巖爆現象較為嚴重的隧道多發生在川藏高原和秦巴山區(見圖1)。以往研究根據表中統計數據可知，巖爆隧道埋深均在700 m以上，主要為閃長巖等硬巖。

表1 發生巖爆隧道統計

表1(續)

圖1 巖爆隧道分布概況

1.2 巖爆特征分析

通過記錄巖爆后的現場特征，對巖爆的強烈程度進行分級，為隧道施工前降低巖爆危害做出應對措施提供依據和參考。根據秦巴山區二郎山隧道、秦嶺隧道等隧道的巖爆處治經驗，對巖爆進行詳細分級以及特征描述，見表2。根據表中統計數據可知，巖體最大切應力與巖石單軸抗壓強度的比值為判定巖爆等級的基本依據，并可根據表中聲音特點、表觀現象特點、損害程度等確定相應的預防手段。

2 巖爆評估及預警方法研究現狀

2.1 設計階段巖爆判據分析

對于巖爆高風險地區，隧道支護設計過程需要辨別不同地段的巖爆等級。設計初期，通過地勘資料確定隧道埋深、地熱等信息，判定隧道是否存在巖爆風險。具體可通過試驗探究巖石物理力學性質(如地應力、巖石單軸抗壓強度等)對巖爆進行等級劃分。另外，在開挖過程中，可借助原位試驗測得巖體的二次應力對設計進行修正。

表2 巖爆分級及各級特征[36-37]

目前，關于巖爆預測方法的研究可總結為3類： 第1類是基于巖爆機制的巖爆判據方法，如 Russense判據、Barton 判據等；第2類是基于現場實測的巖爆預測方法，諸如微震法、聲發射法等；第3類是基于巖爆影響因素的巖爆綜合預測方法。第3類方法可以相對全面地考慮問題，較好地指導了工程實踐，是目前巖爆預測研究的重點。第3類方法又可具體細分為2類： 1)基于巖爆指標判據的預測方法，主要有模糊綜合評判模型[38]、物元可拓模型[39]、理想點模型[40]、云模型[41]等； 2)基于巖爆工程實例數據的預測方法，主要有決策樹模型[42]、支持向量機模型[43]、神經網絡模型[44]、貝葉斯判別模型[45]等。

巖爆分級依據眾多，在設計工作中選擇合適的判據及其重要。不同埋深、不同地區、不同巖性的情況下采用的判據是不一樣的。前文介紹了國內部分巖爆隧道的基本情況，統計了隧道在修建過程中所用到的一些判據，可為同一地區相同巖性情況下的巖爆預測及處理提供借鑒。由于巖爆隧道數量較多，有的隧道巖爆分級中采用了多個判例。本文搜集應用效果較好的實例進行了分析，結果分類見表3。

表3 巖爆隧道分級判別指標

表3(續)

表中判據的應用效果分析： 折多山隧道按照波蘭國家標準使用巖爆傾向性指數進行判斷，預測結果與開挖后的實際情況相吻合； 二郎山隧道使用的徐林生判據，對設計中初步確定的巖爆區域進行了校準，并在施工中驗證了其正確性; 拉林鐵路桑珠嶺隧道使用了陶振宇判據、王元漢判據，結果表明圍巖應力釋放過程中前期使用陶振宇判據更為準確，應力釋放后期使用王元漢判據更為準確; 盆因拉隧道應用巖爆傾向性指數、強度脆性系數、變形脆性系數法以及Russeness判據，對于花崗巖、閃長巖等可能發生的巖爆等級均有著準確的預測; 米倉山隧道運用了陶振宇判據、Turchaninov判據，實際工程記錄表明預測準確有效; 拉林鐵路巴玉隧道對谷-陶巖爆判斷依據進行修正，實測結果區域巖爆狀態和巖爆等級與谷-陶巖爆判據預測結果高度相似。

從上述工程的分析可知，根據不同的圍巖及埋深特征使用不同的判據有著諸多成功案例。在同一隧道的不同階段采用不同的判據使得預判更加準確，例如盆因拉深埋隧道、米倉山隧道。對于工況類似的隧道可采用相同判據，例如拉林鐵路桑珠嶺隧道和米倉山隧道均采用了陶振宇判據。這10個隧道的最大埋深均超過了1 000 m，巖性均以花崗巖和閃長巖為主。以上所有的判據均離不開巖石的地應力及其他力學性質，因此需要借鑒巖性和地勘資料進行判定。判定定值通常是研究單個隧道得出來的，因此評判指標的定值不可任意套用。為了保證判定的準確性，在工程中可以采用多種判別式進行判別，同時通過實時監測法以及現場情況進行驗證，選擇出準確率較高的判別方式。典型深埋長大硬巖隧道巖爆統計結果見表4。

表4 典型深埋長大硬巖隧道巖爆統計

表4(續)

2.2 施工階段實時監測法

通過儀器對地下工程巖體進行監測，在深埋狀況下可以監測到掌子面前方一段距離的巖爆動向。國內外工程通常應用有微震監測法、聲波發射法、回彈法、微重力法以及電磁波輻射法。聲波發射法在高黎貢山隧道、秦嶺終南山特長公路隧道實現了應用[15]。巖爆過程中會釋放出能量從而發出一定頻率的聲波，掌握這一規律可以預測巖爆等級。但是不同巖形、不同大小的巖體所表現出的特征千差萬別，規律難以準確掌握。通常需要實驗室先得出其聲發射特征，再進行應用。

近些年來，秦巴山區、青藏高原多處長大隧道巖爆實測手段常用微震監測法，并發揮了重要作用，如表5所示。

表5 微震監測法應用統計

3 巖爆的預防及處理

通過巖爆預測，對工程中存在較大可能發生巖爆的區域，根據巖爆等級進行“解除”、“防護”、“控制”。即通過改善圍巖條件來解除部分圍巖應力；合理選擇防護方式，在不耽誤工期的同時有效經濟地選擇治理巖爆的措施；采取合理的施工方法，減少對于圍巖的擾動，降低巖爆發生頻率。

3.1 改善圍巖條件

3.1.1 物理力學特性

對于輕微巖爆段的處理，通常是在爆破后及時向掌子面、側壁、碴堆采用高壓灑水。根據米倉山隧道的經驗，為盡量減少停留在掌子面前方的時間，主要采用的手段是： 采用5 L/s的水槍對隧道掌子面及隧道洞壁進行噴水，持續時間約為2 min，以降低巖體溫度、除塵、濕潤巖體、提高巖體的塑形、緩釋圍巖壓力、降低巖爆的強烈程度。對于中等及以上的巖爆段，近年來青藏高原和秦巴山區處理中等巖爆段，采取高壓灑水措施，利用高壓水槍向鉆錨桿孔以及炮眼孔內注水(見圖2)后進行爆破，利用水壓擴展原有裂縫，產生更多裂縫，從而降低巖體儲存的彈性應變能[12,17]。

圖2 掌子面高壓灑水

3.1.2 應力條件

據統計，在中等及強烈巖爆段，在隧道側壁及掌子面鉆孔，允許巖體產生一定的形變，從而可有效地降低巖體的應力。同時在孔內注射高壓水劈裂巖體，破松動圍巖，提前釋放應力，降低巖體剛性，減小地應力。各個隧道鉆孔參數的統計如表6所示。應力釋放孔分為深孔和淺孔，深孔通常位于掌子面中心，有正方形方陣分布或者扇形區域分布2種方式，孔深通常在10 m以上。淺孔通常位于拱腳部位，孔深為4～5 m[7]。打設應力孔釋放應力通常用于巖爆中—高風險段落，統計了其中較為成功的應用經驗，具體設計方案統計如表6所示。根據不同的巖爆程度和不同范圍的巖爆區域分為淺孔爆破和深孔爆破，主要對掌子面上半部分進行應力釋放。該措施工序較為復雜，在輕微巖爆段落不建議進行。在中等巖爆段落采用掌子面上半部分淺孔爆破，在嚴重巖爆段落，多采用拱部深孔爆破、掌子面正中心淺孔爆破相結合的應力釋放方式。

表6 應力釋放孔鉆取參數

3.2 合理選擇初期支護

3.2.1 支護參數

巖爆隧道所處地層巖性通常為花崗巖、閃長巖等高脆性巖體，圍巖級別通常在Ⅲ級及以上。對于巖爆隧道的支護通常需要考慮巖爆發生的可能性以及等級。通過統計分析可以得知： 巖爆段應當適當增大預留變形量，在立架之后，噴射5 cm的鋼筋混凝土或者鋼纖維混凝土，待掌子面掘進至約10 m后再根據圍巖情況分2～3次復噴至設計厚度。根據桑珠嶺隧道、巴玉隧道、米倉山隧道[6,10,46]等建設經驗，在Ⅱ級(中等巖爆)以上地段，最好打入漲殼式預應力中空注漿錨桿或者早強砂漿錨桿。與此同時，在柔性鋼筋網安裝完畢后，需要將錨桿外露端頭進行橫焊連接加固。根據調查的長大巖爆隧道各個巖爆段所使用的支護參數，篩選出施工中較為成功的應用經驗。當具體參數如表7時，較為合理。

表7 支護參數

表7(續)

3.2.2 新材料新技術

巖爆所產生的動力常常造成鋼筋網的沖擊破壞，采用柔性防護網系統對圍巖表面進行覆蓋，該系統主要包括鋼絲繩網、支撐 繩、漲殼式錨桿 3 個部分(見圖3)。鋼絲繩間通過卡扣固定(見圖 3(a))，鋼絲繩網與支撐繩之間通過縫合繩連接，支撐繩與漲殼式錨桿之間通過外露套環固定連接，漲殼式錨桿交錯布置，四周及中心錨桿通過鉆孔安裝，深入圍巖錨固(見圖 3(b))。鋼絲繩網及支撐繩通過預張拉，對整個巖面形成連續支撐，從而實現防護功能。鋼絲繩網是防護網的主要吸能構件；鋼絲繩網和錨桿是防護網的主要承載力構件；柔性防護網系統可以有效攔截輕微巖爆或中等程度巖爆所產生的彈射石塊，抵御巖塊的沖擊作用[52-54]。

(a) 巖爆防護網平面

(b) 隧道中防護網布置斷面

基于該技術形成一套高效快捷的支護方案，可提升工程進度，降低工程造價。具體流程如下： 1)光面爆破； 2)初次噴射混凝土； 3)圍巖鉆孔并打入錨桿； 4)架設鋼筋網； 5)將鋼筋網與先前打入的錨桿連接固定； 6)采取濕噴方式再次噴射混凝土至設計厚度。米倉山隧道[14]運用該工法，在施工效率增加了30%～40%的同時減少了工程總價，如圖4所示。

(a) 柔性支護截面

(b) 錨桿細部

(c) 巖爆防護網構造細節

(d) 布置效果圖

3.3 改進施工方法

3.3.1 鉆爆法

據文獻統計： 在實際應用中，采用光爆技術開挖的隧道形成了開挖輪廓光滑平整，保持了圍巖的穩定性，巖爆段采取光面爆破能改善洞壁應力的分布，降低巖爆過程中能量的釋放。光面爆破中通過優化輔助和周邊炮孔等孔網以及相應的炸藥單耗等參數(見表8—9)，可滿足高地應力、多巖爆、大斷面隧洞的安全開挖。

表8 高地應力地區光面爆破掏槽參數建議值[55]

表9 高地應力地區光面爆破炮孔參數建議值[55]

為避免爆破后的塌方，針對巖爆多發區域采用“短進尺，弱爆破”的手段。在爆破技術上，巴玉隧道采用“直眼掏槽”法，采取水壓爆破的手段進行軟爆破開挖；當處于輕微巖爆或中等巖爆段時，應優先考慮全斷面法開挖；當處于強烈巖爆段時，上下臺階法則更為有效[10, 16, 56]。巖爆嚴重地段應遵循“先平導，后擴挖”的原則，其中小斷面邊界在全斷面的外輪廓內1～1.5 m較為適合，在小斷面開挖后，緊跟著擴挖，超前導洞在釋放應力的同時，也有利于巖爆的超前預報工作。

循環進尺不宜太長，避免爆破后發生塌方，根據數據統計： 新二郎山隧道等輕微巖爆段每循環進尺最大長度為3 m，基本不超過3 m。對于中等巖爆、強烈巖爆地段，采用上下臺階法開挖，米倉山隧道上臺階循環進尺控制在2 m以內，拱部適當加長至4.5 m；秦嶺鐵路隧道 Ⅱ 線中等巖爆、強烈巖爆地段采取每循環進尺2 m；巴玉隧道強烈巖爆地段循環進尺控制在2 m以內。據統計： 輕微巖爆段，單次進尺長度不超過3 m；中等巖爆段，單次進尺長度為2 m；強烈巖爆地段，單次進尺長度不可超過2 m。另外，通過新二郎山隧道等多個隧道的統計發現，隧道爆破結束后的5～10 h、10～15 h發生頻率最高。工程中，在輕微巖爆段可不考慮施工待避，在中等巖爆段待避時間3～5 h。強烈巖爆段開挖過程中,以圍巖趨于穩定階段每天累計收斂值1～2 mm為最佳支護時間。

秦嶺終南山公路隧道[16]在掘進過程中，采用三臂鑿巖臺車有效地避免了巖爆對施工人員的危害。同時，在支護過程中，對臺車及施工人員進行防護，并保證時刻巡視，掌握圍巖動態(見圖5)。隨著施工方法、裝備的提升，施工組織水平也相應提升。這些優秀的經驗可以借鑒到每個巖爆隧道的施工工作中去。

圖5 防護及處理手段

3.3.2 巖石掘進機法

從川藏鐵路規劃的趨勢來看，越來越多的隧道使用鉆爆法結合TBM等高度械化配套的施工方降低施工人員風險。甘肅武九高速高樓山隧道、秦嶺隧道 Ⅰ 線隧道等隧道使用了TBM輔以鉆爆法開挖。表10為根據秦嶺隧道 Ⅰ 線隧道巖爆段記錄的施工數據，可供后續工程參考[18,57]。

表10 秦嶺隧道巖爆段與非巖爆段TBM掘進情況比較

巖爆風險段隧道，TBM的改進措施主要有：

1)增加掘進直徑。采用增大削刀掘進直徑，形成一定的變形空間。

2)提供最大脫困轉矩。當TBM出現卡鉆或受困時，前方刀頭在油壓的驅動作用下變速反轉，從而脫困。

3)改進TBM設施。在尾盾安置多功能鉆孔系統，為地質鉆探和灌漿支護等服務。

4)TBM和鉆爆法混合使用，以便提高工作效率。

5)選用合理的TBM掘進參數。

6)及時地對開挖面進行有效支護，縮短圍巖暴露時長，防止巖爆再次發展。

7)對于不同巖爆地段采取不同的防治措施，面對較強巖爆時，為避免出現安全事故，可選取“先平導，后擴挖”的施工手段。

據調查，當掘進機參數如表11時，施工能取得較好的效果。有利于降低施工材料的損耗、節省掘進循環時間，從而降低生產成本。

表11 巖爆段與非巖爆段TBM掘進參數比較

4 結論與討論

1)根據中國近年來修建隧道發生巖爆的案例統計可知： 其地層主要為閃長巖、花崗巖等硬巖，埋深絕大多數在700 m以上。工程上，根據巖爆發生時的特征進行了分級，在設計階段可通過巖體物理力學性質進行巖爆等級劃分，這些判別式通用性較強，判別標準的數值適用于判別巖性、埋深相近的隧道。對于同一個隧道宜采用多個判別式進行相互印證，現場監控量測以及觀測可以作為制定判別標準的依據和有效性驗證手段。

2)在巖爆防治階段，根據不同的巖爆等級，總結提出了不同等級圍巖段落的初期支護適用的參數；針對鉆爆法，通過對比總結，細化了不同巖爆段落的開挖方法、進尺長度以及相應的等待時間。

3)目前，判別式的使用仍然未有明確的衡量標準，不同地區、巖性、埋深的隧道的巖爆判據相差較大。隨著高應力地區隧道的大量修建，收集采集相關數據建立資料詳實的數據庫將成為解決該問題的重要途徑。

進一步研究的意義與建議： 1)目前關于巖爆的判別式種類較多，可建立巖爆監測數據庫，利用機器學習算法結合現場情況進行AI判定和預測； 2)在施工過程中實時反饋，不斷地修正、完善巖爆分析的大數據庫和專家分析系統，將眾多判據形成一套準確快捷的評判系統； 3)隨著無人機、機器視覺及信號采集技術的發展，可利用無人機在施工現場布置微震監測系統及聲波發射裝置，代替人工巡視及聲波信號采集，避免巖爆信息采集過程中的危險； 4)利用多光譜兼熱成像技術，測量巖爆發生時的熱成像圖譜； 5)利用XTDIC系統結合數字圖像(DIC)及立體視覺技術，通過追蹤斑圖像，實現巖爆過程位移場及應變場的全過程監測，可以精確記錄圍巖動向，測量巖爆發生時的圍巖動向； 6)采用MatDEM建立巖爆離散元模型，利用能量迭代算法準確模擬巖爆過程。