深埋輸水隧洞硬巖巖爆防控技術研究

楊春寶，胡國志，李凌志，馬清瑞

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

長距離調水工程為解決我國水資源空間分布不均勻發揮了較大的效益。包括已建的南水北調東線、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水工程等。

深埋隧洞是長距離引調水的常用形式，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計和施工關鍵難點之一，其表現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，導致圍巖產生爆裂、剝離、彈射等現象[1]。本文旨在開展深埋隧洞硬巖巖爆防控技術研究。

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。施工中頻繁發生巖爆，對生產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，掌子面和右側護盾上方連續發生4次強烈巖爆，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生下沉變形，現場通過拆除盾尾鋼拱架，后退TBM使刀盤恢復轉動。2020年3月31日TBM恢復掘進，向前掘進0.9m時，左側護盾至盾尾段7-8點部位再次發生強烈巖爆，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。隧洞施工中發生了多次巖爆，主要發生在洞身拱部，巖塊大多呈片狀、層狀剝落，破裂面粗糙，表現為張性破壞。2009年11月28日，施工排水洞突發極強巖爆，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 深埋高地應力

巖爆通常發生在深埋高地應力巖體中。

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，實測水平主應力最大值為65MPa；且研究分析表明將來越嶺段的最大水平應力預計更高，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力區，實測第一主應力最大值46MPa。漁子溪水電站引水洞圍巖最大切向應力達90MPa，隧洞開挖過程中發生多次中等以上巖爆。瑞典Vietas水電站隧洞開挖過程中也發生多次巖爆，其實測圍巖最大切向應力80MPa。日本關越隧道圍巖最大切向應力89MPa，施工中發生多次中等以上巖爆[3]。

2.2 高抗壓強度硬巖

巖爆發生多以硬巖為主，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、灰巖、砂巖和板巖，大部分洞段以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，且巖體較完整，巖石單軸抗壓強度為55～114MPa。

2.3 巖爆表現形式

在大埋深和極高地應力綜合影響下，巖爆通常表現為頻次高、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，洞內巖爆連續頻繁發生，表現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象。

(1)巖體剝落

輕微巖爆主要集中在拱頂，表現為巖體剝落，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。

(2)大塊巖體掉落和坍塌

拱頂180°范圍內的中等巖爆多表現為大塊巖石坍塌、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、強巖爆會導致巖體碎裂，碎裂塊呈條狀或磚塊狀，有時也表現為大塊石頭彈出。

(4)底部上拱

當巖爆發生于隧道底部時，巖爆表現為巖體向上隆起現象，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，造成仰拱預制塊無法安裝。

(5)巖爆破壞后果

巖爆的破壞后果表現為拱架彎曲斷裂、鋼筋網失效、設備損壞、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、設備損壞等事件，如圖2所示。

圖2 巖爆導致圍巖襯砌失效

2.4 巖爆強度分級

依據巖爆形態、范圍、發生和持續時間、影響深度、聲響等因素，巖爆的烈度及強度分級標準總結如下[4- 8]。

(1)輕微巖爆

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

(2)中等巖爆

中等巖爆表現為圍巖出現重復性的劈裂、剪斷，伴隨巖塊彈射；圍巖內形成凹坑，影響深度較大；發出一定持續時間的清脆爆裂聲，類似子彈射擊聲；對施工有一定影響。

(3)強烈巖爆

強烈巖爆表現為圍巖出現快速性的劈裂、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；發出類似炮聲的巨響；對施工影響較大。

(4)極強巖爆

劇烈巖爆表現為圍巖發生強烈震動，出現大范圍巖體碎裂崩塌，影響深度達數米，常伴隨底板隆起大變形；發出悶雷聲強烈巨響；對施工影響極大，嚴重者可摧毀工程。

2.5 巖爆發生范圍和時間

巖爆工程實例統計分析表明[9]，巖爆發生的時間及空間分布特征為：

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

(2)巖爆主要發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，但也有與掌子面相距較遠的情況。

3 巖爆風險識別與預警

巖爆風險識別與預警是保障施工安全的關鍵。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條件、準確把握待開挖段巖石的力學性質及開挖卸荷下的力學行為，可以有效預識別巖爆發生幾率和強度等級。

巖爆風險識別方法根據國內外現有研究大致可歸結為4類。

3.1 理論預判法

理論預判法包括強度應力比法、彈性應變能法等，其中強度應力比法最為直接，應用較廣。

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

(2)考慮洞室開挖結構影響，計算時依據巖石抗壓強度和洞室開挖后的切向應力，同樣以應力強度比為基本判別準則，相關方法有Turchaninov判別、Russemes判別等。具體見表1。

表1 巖爆分級及判別

3.2 現場監測預報

在工程實施階段，巖爆預測以現場監測和預報為主，包括微重力法、聲發射法、微震監測法等。

微震監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的能量、視體積、地震矩等震源參數，分析其時空分布和演變規律，從而對潛在的巖爆進行動態預報預警。

巖爆是在高地應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，因此微震監測技術實時分析較為適用，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測應用較好[10]，預測準確率較高。

3.3 巖爆綜合預測法

綜合預測法是考慮各種影響因素的巖爆預測方法，具體可分為兩類。

(1)基于巖爆多因素指標預判

以數學模型為基礎，基于多因素指標的權重理論應用較多。權重的分配和賦值是關鍵。

(2)基于巖爆實例樣本數據的預判

以施工過程中的巖爆實測統計數據為基礎，建立貝葉斯函數等判別模型。隨著施工過程逐步開展，統計樣本的累計，判別精度會逐漸提高。

綜合預判法考慮因素相對全面，近些年許多學者開展了相關模型研究和應用[3]，對工程實踐具有較好的指導意義。

3.4 經驗判別

通過隧洞開挖面揭示的巖石類別、巖層產狀、裂隙拓展、表層剝落、發出聲響等巖體表征，基于經驗分析，開展巖爆預判。該方法通過現場作業人員根據隧洞施工前期階段的巖爆經驗積累，指導隧洞開挖中后期巖爆預判和防控。

4 巖爆防控措施

巖爆防控應根據不同巖爆等級采取相應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，促使隧洞圍巖的應力釋放和調整，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間距；拱部可增設鋼筋排。拱架適用于各等級的巖爆。對于中等以上巖爆，應設型鋼拱架。

(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，圍巖噴常規混凝土即可。對于強烈巖爆和極強巖爆，可以采取納米仿鋼纖維混凝土等復合高性能材料，提高混凝土圈抗巖爆能力。

(4)錨桿支護

錨桿和預應力錨桿可提高圍巖的整體性，緩解或調整孔洞效應致使隧洞圍巖在高地應力狀態下的局部應力集中，降低巖爆強度和發生頻次。

對于輕微巖爆，可以采用常規錨桿；對于中等巖爆和強烈巖爆，宜采用預應力錨桿，例如漲殼式預應力中空注漿錨桿；對于強烈巖爆和極強巖爆，可結合現場條件，研究采用吸能錨桿等新型高性能結構。

(5)柔性防護措施

柔性防護措施相當于圍巖的淺層保護，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、普通鋼筋網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)超前應力釋放孔

超前施做應力釋放孔可以提前釋放和調整圍巖高地應力，降低隧洞開挖巖爆風險。超前應力釋放孔對施工進度有一定影響，適用于強烈巖爆和極強巖爆。超前應力釋放孔的作業設施可采用水錘鉆機等設備。應力釋放孔的布置(孔深、孔徑、孔距等)應根據預測結果及現場實際條件試驗確定。

實際工程中，高地應力區巖爆施工作業安全風險較大，常采用主動措施和被動措施多種防護措施聯合防控的方式。應根據現場巖石類別和物理力學特性、巖層走向、節理和裂隙發育程度、地應力水平等地質條件、隧洞開挖方式、施工進度安排等綜合確定巖爆防控措施。

5 結論與工程建議

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

(1)加強監測和預報。加強巖爆歷史統計和預報監測，依據微震監測等技術手段，同時配置應力應變、變形等監測設備，提高巖爆預測水平；加強開挖面緩傾結構面的觀測與監測，分析在高地應力和巖爆頻發條件下發生坍塌的可能性，及時預報和處理。

(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。采取超前應力釋放孔等主動防控措施應開展施工參數和工序研究，合理協調應力孔釋放孔施打作業和TBM掘進作業的工期和工序關系。控制掘進開挖速率，以最大限度的降低二次應力局部集中造成隧洞四周高應力能量的聚集。

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

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

(5)優化施工工序管理。采取提前預案、精準測報、動態設計、及時支護、高效掘進等方案，優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)加強施工作業安全管理。建議施工現場成立巖爆安全工作小組，編制應急預案，指導現場作業安全，加強安全管控，保證工程施工安全。