趙志強

（中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州450001）

秦嶺引水隧洞TBM施工段巖爆預防與治理

趙志強*

（中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州450001）

巖爆是巖體中有較高的地應力，同時巖石具有較高的脆性度和彈性，在隧道開挖開挖后，由于地應力的瞬間釋放而產(chǎn)生爆裂、剝落、彈射甚至拋擲。巖爆是地下工程施工的一大地質(zhì)災害，由于它的破壞性很大，往往造成開挖工作面的嚴重破壞、設備損壞及人員傷害。結合引漢濟渭秦嶺隧洞TBM施工對巖爆處理措施的總結，希望能為類似工程施工提供參考。

TBM掘進；巖爆；預防治理

1　工程概況

引漢濟渭秦嶺隧洞越嶺段全長81.779km。其中嶺南TBM標段18.275km，采用一臺?8.02m敞開式TBM施工。工程位于秦嶺嶺脊高中山區(qū)及嶺南中低山區(qū)。高程范圍1050～2420m，洞室最大埋深約2000m。本工程掘進穿越石英巖、花崗巖及閃長巖約占圍巖總量75%以上。高強度巖石含量較高，其中石英含量最高達97%、花崗巖最高達30%、閃長巖最高達18%。巖石強度86MPa至最高達242MPa。

最大水平主應力值為16.11～23.7MPa，最小水平主應力值為10.11～15.41MPa，最大水平主應力方向為N30°～46°W，優(yōu)勢作用方向為北西向。深鉆孔地應力實測結果表明，三向主應力的關系為：SH＞Sh＞Sv，具有較為明顯的水平構造應力作用，地應力值較大。在大埋深條件下，由于隧洞的開挖，洞室附近產(chǎn)生應力集中，具備發(fā)生巖爆的應力條件。

2　巖爆特征

本工程TBM在掘進至K28+490～+760段，出現(xiàn)影響較大的巖爆，此段巖性為石英巖，無水，埋深在500～610m，巖爆主要發(fā)生在拱部，巖爆等級為輕微—中等。出護盾巖爆就會發(fā)生，多為轟雷聲和爆竹聲，聲音較脆，一般在24h內(nèi)應力釋放完，最長3～4d仍有爆裂。根據(jù)巖爆情況，本工程巖爆歸類如下：

2.1表面崩落型巖爆

表面崩落型巖爆主要發(fā)生在圍巖強度高、完整性較好、節(jié)理較發(fā)育—不發(fā)育、干燥無水段。其發(fā)生時間具有不確定性，個別時候在露出護盾之前就已經(jīng)發(fā)生，來不及支護，也可能是出露護盾時較為完整，滯后一段時間后才開始顯現(xiàn)，影響施工安全，其影響深度一般在20cm左右，且伴有爆裂聲響。

2.2應變型巖爆

應變型巖爆多發(fā)生在巖體節(jié)理較發(fā)育、巖體較完整—完整段，節(jié)理面平直光滑延伸性差，大多呈閉合狀，無充填，巖面呈干燥無水。這種圍巖在掘進開挖中高地應力作用較明顯，表現(xiàn)為無任何征兆發(fā)生爆竹聲或轟雷聲，沿著斷面節(jié)理薄弱點開始巖爆，巖塊應聲掉落，隨后伴隨聲響以片狀、塊狀剝落為主，一次性巖爆掉塊體積較大，持續(xù)時間較長，最后形成較大塌腔；另外則表現(xiàn)在隧洞底部由于應力擠壓造成底部隆起等現(xiàn)象。

3　巖爆對施工現(xiàn)場的影響

巖爆發(fā)生為瞬間發(fā)生，情況比較復雜；巖爆不僅對現(xiàn)場施工進度造成影響，并直接威脅到設備和人員安全。在部分巖爆發(fā)生地段，初期支護已經(jīng)完成，巖爆發(fā)生時對已完成的支護結構造成破壞，需要對其進行重新支護。

TBM的優(yōu)勢就是快速掘進施工，然而頻繁巖爆需加強支護，增加現(xiàn)場工作量。因此巖爆對施工進度影響巨大。目前TBM掘進發(fā)生的巖爆占施工長度的30%，不僅進度慢，而且工程成本陡增。根據(jù)地質(zhì)資料推算，剩余掘進段巖爆發(fā)生的可能性任然較大，因此，如何有效地處理和預防巖爆成為施工的重點與難點。

4　施工段巖爆的處理

在TBM掘進施工過程中對出現(xiàn)巖爆的地段采取的措施主要有以下幾個方面。

4.1表層剝落型巖爆

在圍巖強度高、完整性好、節(jié)理不發(fā)育的無水地段，容易出現(xiàn)表層剝落巖爆，采取的措施有：

（1）對出露護盾段圍巖采用人工噴水初步軟化圍巖；

（2）圍巖一旦出露護盾，拱部90°范圍快速施作錨桿，錨桿間距1m左右，梅花形布設，并盡量加密，同時，拱部120°范圍內(nèi)施作部分應力釋放短孔；

（3）拱部120°范圍內(nèi)掛設鋼筋網(wǎng)片；

（4）必要時，安設格柵拱架；

（5）必要時，利用L1區(qū)應急初噴系統(tǒng)初噴封閉巖體。

4.2應變型巖爆

據(jù)TBM掘進觀察，應變型巖爆一般發(fā)生在圍巖強度高，完整性好，但有節(jié)理面地段，在這種情況下，節(jié)理面成為了斷面的薄弱點，應力首先從節(jié)理位置開始釋放，規(guī)模相對較大，速度也較快，很多時候，在刀盤或是護盾封閉區(qū)域已經(jīng)發(fā)現(xiàn)巖爆聲響，出露護盾后圍巖已經(jīng)成為松散體或形成塌腔，也可能是出露護盾后巖體依然完整，但會迅速從節(jié)理面開始巖爆，一旦出現(xiàn)，就是持續(xù)巖爆，連續(xù)掉塊，直至應力釋放完成并趨于穩(wěn)定。對此，施工中主要采取的措施是利用TBM設備自帶的Mcnally支護系統(tǒng)與鋼拱架及時支護（將特制的鋼筋排架放入提前加工好的TBM護盾儲存?zhèn)}內(nèi)，在巖爆發(fā)生地段將鋼筋排架提前抽出30～50cm，使用格柵拱架或者鋼拱架將其頂至巖面，再用錨桿錨固，形成快速支護系統(tǒng)。主要材料及參數(shù)：特制鋼筋排架?12mm鋼筋3根，每根長4.5m，?10mm盤條間距25～30cm，與鋼筋垂直方向焊接），并及時實施錨噴封閉圍巖，巖爆段出噴射區(qū)后，及時對巖爆松散體進行固結回填注漿，減少由于應力過度釋放造成的圍巖松軟，確保施工安全。

5　巖爆預測和預防

5.1后期施工段巖爆設計情況

根據(jù)設計提供的設計圖紙以及秦嶺地區(qū)深鉆孔地應力實測等資料，分析認為秦嶺隧洞區(qū)地應力較高，當在堅硬完整、干燥的Ⅰ、Ⅱ類圍巖地段的花崗巖、閃長巖地層中進行掘進時，由于應力集中，在掌子面或離掌子面1倍左右洞徑的地段會發(fā)生巖爆，甚至發(fā)生較強烈?guī)r爆的可能。預測隧洞通過嶺脊花崗巖、閃長巖地段約20km范圍內(nèi)時巖爆在所難免，巖爆等級以中等—輕微為主，局部可能發(fā)生強烈?guī)r爆。其中預計強烈?guī)r爆段約3880m、中等巖爆段13030m、輕微巖爆段545m。

5.2巖爆的預測與預防

根據(jù)地質(zhì)預測后期巖爆將對TBM施工影響很大，通過收集國內(nèi)外防治巖爆的經(jīng)驗，希望通過現(xiàn)場實驗總結摸索出一條針對高地應力TBM施工處理巖爆的方法。

5.2.1巖爆預測方法

在施工期間進行必要的圍巖檢測，如微震檢測、變形檢測、應力檢測等，收集圍巖巖爆前后的各種物理力學參數(shù)，并加以總結分析。但常規(guī)超前地質(zhì)預報手段如：TSP203+、HSP-T、高分辨電法、紅外探測、地質(zhì)雷達、RTP206巖體溫度法、超前地質(zhì)鉆孔等，由于受TBM設備的限制，不能很好的反應出掌子面前方圍巖情況（特別是圍巖應力變化）。結合其他類似工程實例，采用微震監(jiān)測的超前地質(zhì)預報方式可以對前方圍巖的應力情況進行探測，并通過預報成果可以分析出掌子面前方發(fā)生巖爆的概率、位置及規(guī)模，以便提前采取應對措施，確保TBM安全、快速掘進。

微震監(jiān)測系統(tǒng)（Micro-seismic Monitoring System，MMS），主要是利用聲學、地震學和地球物理學原理和計算機強大的計算功能來實現(xiàn)微震事件的精確定位和級別大小的確定。該系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)彈塑性材料在外界應力作用下，其內(nèi)部將產(chǎn)生局部彈塑性能集中，當能量積聚到某一臨界值之后，會引起微裂隙的產(chǎn)生與擴展，并伴隨有彈性波或應力波在周圍巖體快速釋放和傳播，即產(chǎn)生聲發(fā)射。傳感器接收原始的微震信號以后將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑢⑵浒l(fā)送到微震監(jiān)測系統(tǒng)的信號采集單元，軟件進行數(shù)據(jù)采集和加工處理，軟件可以對微震事件數(shù)據(jù)信號進行多方面處理和分析，實現(xiàn)對微震事件的定位、破壞趨勢的跟蹤等處理，并可以對微震事件在繪圖儀上或三維空間和時間軸下進行實體演示，其原始數(shù)據(jù)和處理文件可實時顯示。

5.2.2巖爆預防與治理

為確保TBM掘進施工安全，巖爆地段掘進施工堅持先防后治的原則，采取積極主動的預防措施和強有力的施工支護，確保巖爆地段的施工安全，將巖爆發(fā)生的可能性及巖爆的危害降到最低。TBM施工的隧道在施工過程巖爆防治措施主要有以下幾方面：

（1）采用超前鉆孔高壓均勻注水，可以釋放應變能，并將最大切向應力向深部轉(zhuǎn)移；高壓注水的楔劈作用可以軟化、降低巖體強度；高壓注水產(chǎn)生了新的張裂隙，并使原有裂隙繼續(xù)擴展，從而降低巖體儲存應變能的能力。

（2）改善圍巖物理力學性能。在掌子面和洞壁經(jīng)常噴撒冷水，可在一定程度上降低表層圍巖強度。

（3）出護盾后及時用鉆徑向應力釋放孔，孔深0.5～3m不等。

（4）出護盾后及時錨網(wǎng)噴支護，巖爆坍塌區(qū)域必要時立鋼拱架加強支護。

（5）出護盾前已發(fā)生巖爆地段采用Mcnally系統(tǒng)與鋼拱架和錨噴及時支護。

5.2.3不同類型巖爆的治理措施

（1）輕微巖爆治理措施。針對輕微巖爆的治理措施，主要采取噴水+應力釋放孔+錨+網(wǎng)+噴砼加強支護，這也是防治巖爆較為成熟和有效的辦法。在掘進過程中按照設計做好系統(tǒng)支護外，主要針對拱部120°范圍進行掛網(wǎng)、加密錨桿施工，同時做好應力釋放短孔，并對出露圍巖進行噴水，以適當改變巖石力學性質(zhì)，降低巖石的脆性，將需釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽鐜r爆形成圍巖崩坍體積較大，現(xiàn)場應及時采取L1區(qū)應急噴漿系統(tǒng)進行噴砼支護，必要時利用Mcnally支護系統(tǒng)加強支護。此外，可以采用柔性防護網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋網(wǎng)，同時利用漲殼式預應力中空錨桿能有效、快速地控制巖爆引起的坍塌規(guī)模，達到快速支護，確保施工安全的目的。

（2）中等巖爆治理措施。對于中等巖爆，主要在支護手段方面進行優(yōu)化，采用噴水+Mcnally支護系統(tǒng)+錨桿+鋼拱架+噴纖維混凝土支護方式。錨桿要快速實施，能夠迅速錨固圍巖，可將普通墊片式錨桿改為大墊板漲殼式預應力中空注漿錨桿，提前施加預應力。噴砼方面將普通混凝土改為鋼釬維、塑料纖維混凝土，凝固速度快、強度高能快速封閉和加固圍巖。中等規(guī)模巖爆地段一般需要安設鋼拱架，鋼拱架建議采用H150型鋼，結合Mcnally支護系統(tǒng)支護，Mcnally支護系統(tǒng)的鋼筋排可根據(jù)實際情況增大鋼筋直徑為?14mm～?22mm不等。

（3）強烈?guī)r爆治理措施。如監(jiān)測存在高地應力情況，可能出現(xiàn)強烈?guī)r爆，常規(guī)支護措施將無法應對，必須超前進行應力釋放，利用TBM配套的超前鉆機在拱部120°范圍內(nèi)施做超前鉆孔，孔深10～30m不等，而后往孔內(nèi)注射高壓水釋放部分地應力，或者是直接實施預爆破，有效釋放地應力，待巖體出露護盾后，結合中等巖爆治理措施進行加強支護外，必要時可采取安設鋼管片進行初期支護加強。另外，TBM設備需增設臨時防護設施，給主要設備安裝防護網(wǎng)和防護棚架進行防護。

6　結束語

巖爆的發(fā)生機理十分復雜，也是世界性的地下工程難題之一。TBM施工在巖爆預測和控制方面其靈活性遠不如鉆爆法，但巖爆的危害尤其是巖爆產(chǎn)生的坍塌對TBM設備、人員安全和施工進度影響極大。因此，TBM施工巖爆防治的重要原則是提前預測、采用主動防范措施、加強巖爆段支護，避免由巖爆引起大坍方對設備和人員造成直接傷害，防止TBM卡機事故，最大限度降低巖爆強度及其造成的破壞，減少巖爆對施工進度的影響。

［1］汪華東，沈洪波.淺談錦屏二級水電站TBM施工巖爆防治［J］.華東科技學術版，2014（2）：426-426.

［2］羅志虎，楊鵬飛.錦屏二級水電站TBM施工中的巖爆問題分析與對策［J］.巖土工程技術，2009，23（1）：52-54.

［3］孫熔正，房國棟.隧道施工巖爆預測防治［J］.建筑工程技術與設計，2015（10）：948.

［4］李曉晗，趙琳，徐愛萍.Mcnally系統(tǒng)在TBM隧洞施工中的應用［J］.水利技術監(jiān)督，2014，22（6）：70-71.

Prevention and Control of Rock Burst in TBM Construction Section of Qinling Mountains Diversion Tunnel

ZHAO Zhi-qiang
（China Railway Tunnel Stock Co.,LTD.，Zhengzhou Henan 450001，China）

Rock burst is a burst，exfoliation ejection even throwing of rocks occurred in tunnel for the instant release of crustal stress due to the high ground stress，high brittleness and elasticity in rock mass.Rock burst is a major geological disaster in the underground engineering construction，which often cause serious damage to the excavation work，equipment damage and personnel damage for its huge destructive.The paper conclude the treatment measures to rock burst occurred at TBM construction section of Qinling Mountains diversion of water from the Han River to Wei，hope to provide reference for similar engineering construction.

TBM tunneling；rock burst；prevention and control

TV554.2

A

1004-5716（2016）10-0170-03

2015-11-27

趙志強（1969-），男（漢族），河南商水人，高級工程師，現(xiàn)從事地下與隧道工程建設技術工作。