深埋隧洞岩爆孕育机理及防控措施

陈祥荣，刘 宁，潘益斌，张 洋

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

深埋岩体开挖卸荷的一个典型且危害性极大的灾害类型是突发岩爆。在岩爆灾害的孕育演化和发生过程中，由于受到众多复杂控制因素的影响与控制，高应力条件下表现出更加复杂的力学行为，致使岩爆破坏类型和成因机制也更加复杂，给施工安全造成直接威胁。

1908年，南非Witwaterstrand金矿和印度Kolar Gold Field矿区开采过程中经历了地表震动和岩体破坏，最初直觉地认为是天然地震导致。但深入研究后发现，这种震动和岩体破坏与采矿过程中的人工开挖密切相关，并不是天然地震的结果，这是人类对深部工程中岩爆灾害的最早认识［1］。上世纪30年代，矿山业较发达的加拿大在安大略省的Kirkland Lake和Sudbury矿区开采过程中首次记录到岩爆现象。随着实践的积累，人们对岩爆灾害形成了深入的认识。1978年，加拿大《安大略省劳动安全法》对岩爆的定义为:“开挖面岩体的瞬时冲击性破坏，或者是对开挖围岩或地表的震动”。上世纪90年代中期，在加拿大联邦政府和安大略省政府联合资助的跨国性岩爆专项研究成果中，岩爆被定义为:“岩爆是开挖导致的一种与震动事件密切相关的突然性或剧烈性破坏现象”［2-4］。

我国地下工程尤其是水电工程建设领域对于岩爆的认识多停留在理论认识层面，在工程实际中经历的较少，缺乏应对措施，而深埋隧洞岩爆问题是工程建设期不可回避的现实问题。本文以锦屏二级水电站引水隧洞为例，深入分析了不同类型岩爆的发生破坏机理及关键控制因素，介绍了钻爆法和TBM掘进方式下岩爆风险的控制措施。

1 工程概况

锦屏二级水电站位于我国西部高山峡谷地区，4条引水隧洞和2条辅助洞及1条施工排水洞组成了总长度超过120 km的大型隧洞群，是目前世界上规模最大的水工洞室群。引水隧洞横穿锦屏山，沿线上覆岩体最大埋深约2 525 m，一般埋深1 500～2 000 m，平均埋深约1 610 m，埋深大于1 500 m的洞段占总长度的75.2%～76.4%。开挖洞径12.4～14.6 m，单洞长16.67 km。具有埋深大、洞线长、洞径大的特点。引水隧洞的西段、中段和2、4号引水隧洞的东段均采用钻爆法施工，1、3号引水隧洞的东段采用TBM施工。由于隧洞处于高地应力地区，施工过程中不可避免发生各种等级的岩爆，对引水隧洞快速、安全施工提出了挑战。

2 岩爆类型及发育特征

要明确岩爆的发生机理和应对措施，必须先明确岩爆的类型、发生特征和关键控制因素，再根据其发生条件或规律寻求合理的理论，解释其发生过程。根据国内外研究积累和该工程岩爆灾害的主要特征，按其发生条件和机理可将岩爆划分为2大类型，即应变型岩爆和断裂型岩爆。依据搜集的大量岩爆实例对其进行深入的分析和研究，初步形成了一套体现深埋隧洞岩爆特点和发生机制的岩爆分类方法［5］。该方法既综合考虑了国际上对岩爆分类问题的先进研究成果，也融入了该工程引水隧洞岩爆发育特有的特性。锦屏二级水电站引水隧洞岩爆分类见表1。

3 岩爆孕育机理和诱发机制

3.1 应变型岩爆

引水隧洞中应变型岩爆非常常见，TBM和钻爆法开挖的隧洞中均有大量发育，这类岩爆在发生时间上以即时型岩爆为主，即一般发生在掌子面后方1～2倍洞径范围内，且以中等岩爆为主。与一般工程不同的是，该工程应变型岩爆较少表现为岩片弹射破坏，在中低围压下，表层围岩破坏主要表现为较为缓和的剥落、片帮破坏，以中等至强烈为主，这与大理岩特殊的力学性质有关。试验结果表明，随着围压的升高，大理岩在峰值强度附近出现延性平台，对缓和的破坏形式，延性平台无疑增大了岩体的变形能力，有利于围岩稳定性的控制，同时这也意味着处于临界状态的应变能储量的增大。不同应力应变曲线的能量分析见图1。右图中，当平台处发生塑性变形，相应的应变能均由塑性变形消耗，在破坏前，岩石内储存的弹性应变能与左图相同，但实际这部分能量无法立刻由塑性变形消耗而积存在岩体中，造成大量能量的累积，这部分未耗散掉的能量与弹性应变能合在一起，达到一定程度后瞬间释放出来，从而造成强烈岩爆。这与通常对应变型岩爆的认识是不同的。这类岩爆发生后，岩体剪切破碎成岩片或小岩块，大块较少。

图1 不同应力应变曲线的能量分析

表1 引水隧洞岩爆分类方法

3.2 断裂型岩爆

引水隧洞强烈岩爆和极强岩爆绝大多数为断裂型岩爆，主要由洞壁发育的刚性结构面诱发。由于结构面的存在造成附近岩体内应力分布的奇异性，局部高应力集中造成应变能累积超过其储能能力而发生岩爆。该类型岩爆与岩体内结构面间距、结构面产状与主应力的相对关系等有关。在结构岩体中发生岩爆的必要条件是岩体结构能够有利于能量的储存和释放，能量释放越彻底，岩爆越强烈［6］。

2号引水隧洞在引(2)11+006～引(2)11+060洞段遭遇强烈岩爆，此次岩爆主要发生在南侧拱脚处，造成拱脚排水沟鼓起，底板产生纵向拉裂缝，南侧边墙岩体破坏弹出，喷层和挂网被摧毁，附近洞段南侧边墙鼓胀。在南侧拱肩处揭露出1条NWW向结构面，结构面处围岩已经被弹出，该条结构面的揭露意味着其可能一直延伸至底板。由于南侧拱脚本来为应力集中区和高能量聚集区［7］，结构面的存在改变应力集中区的位置，使其向底板延伸，从而导致在南侧底拱处形成高能量集中区(见图2a)。在超过结构面的抗剪强度和岩体的储能能力后，导致结构面剪切破坏，结构面以下集聚的能量则同时释放，形成强烈岩爆(见图2b)。

图2 2号引水隧洞强烈岩爆数值分析

4 岩爆防控措施

4.1 岩爆防控原则

从对岩爆机理研究可知，应变型岩爆的成因在于应变能量在开挖过程中的积聚、转移和释放;而断裂型岩爆的成因包括结构面控制下能量的积聚、转移和释放以及结构面剪切滑移的诱发作用。因此，针对引水隧洞不同机制的岩爆需要制定不同的岩爆防治策略和选择具体的防控方法，主要原则如下:

(1)快速维持围压，增加储能能力。

(2)增加支护系统吸能和适应变形能力。

(3)诱导能量释放，消耗和转移能量。

锦屏二级水电站引水隧洞采用TBM和钻爆法相结合的施工方案，由于2种工法的不同施工特点，施工期隧洞岩爆控制方法也有所不同。

4.2 钻爆法洞段

在引水隧洞钻爆法施工实践中，采用应力解除爆破的方法是进行岩爆控制的主动手段。应力解除爆破的目的是解除或降低应力集中区部位的高应力，爆破区域应位于应力集中区范围内，并以能有效解除或降低应力为原则。为尽可能降低施工干扰，现实中的应力解除爆破多结合在正常的开挖爆破过程中实施。采用应力解除爆破时，开挖进尺原则上以不超过2 m为宜，孔深为进尺的2～2.5倍。

钻爆法开挖洞段岩爆防治采取了积极主动的预防措施和强有力的支护措施，确保岩爆洞段的施工安全。主要是采用控制爆破和锚喷支护，即短进尺控制爆破开挖，强烈与极强岩爆洞段要求配合应力解除爆破开挖。

(1)隧洞开挖必须采用光面爆破。必要时，应力解除爆破技术作为高地应力区日常性爆破作业的一部分。

(2)出渣后即对开挖掌子面和周边洞壁进行危石清除作业，随后进行高压水冲洗。

(3)观察现场状况，根据岩爆预警监测结果决定是否回避。强烈和极强岩爆洞段开挖前应考虑超前锚杆预支护措施和掌子面的喷护。

(4)具备施工安全条件后，立即进行钢纤维混凝土施工，保证喷层的厚度和质量，初喷厚度一般为8 cm。

(5)完成喷层施工后，立即进行锚杆施工，如临时支护，可采用水胀式锚杆。

(6)对已挖洞段围岩应力变化及深部围岩破裂微震及时进行监测和预警工作，以指导现场加强支护施工或临时撤退规避。

(7)采用多臂台钻机械化作业，严禁采用人工钻爆方式，避免强烈岩爆引发人员伤亡事故。

4.3 TBM掘进洞段

受TBM设备结构的限制，几乎无法对掌子面前方3 m和掌子面后方5 m的微震源主要分布区域和岩爆高风险区实施有效的人工干预措施，也无法对这一范围的围岩实施有效支护。TBM掘进条件下一般只限于对岩爆发生后的事故处理。

(1)轻微岩爆。①TBM按正常的速率掘进;②掘进后尽快对新开挖面进行纳米钢纤维混凝土等喷护处理，确保TBM掘进掌子面后未支护长度不超过3 m;③对喷护段围岩立即实施系统锚杆处理，局部可采用机械式胀壳预应力锚杆进行快速加固，随机配合槽钢拱架或钢筋拱肋加固;④及时完成其他系统支护。

(2)中等岩爆。①降低TBM掘进速度;②掘进后立即对新开挖面进行纳米仿钢纤维混凝土等喷护处理，确保TBM掘进掌子面后未支护长度不超过护盾长度;③对喷护段围岩立即实施挂网处理，使用预制钢筋网，采用垫板与锚杆连接的方式固定，与锚杆系统形成完整的支护系统;④在挂网施工的同时进行防岩爆快速锚固处理，视现场潜在岩爆程度，采用机械式胀壳预应力锚杆，配合系统型钢拱架进行系统初期支护，并与表面支护措施(网、喷层和钢拱架)构成支护系统;⑤完成初期快速锚固后，尽快进行系统性永久锚杆的安装。

(3)强烈岩爆或极强岩爆。施工时应在这些洞段加强微震监测和岩爆预测工作，一旦进入潜在强岩爆高发洞段，需要采取非常措施提前解除掌子面前方岩爆风险，利用钻爆法在TBM掌子面前方预先开挖超前导洞，配合使用应力解除爆破，提前释放能量，为TBM安全掘进创造条件。本方案实质上是把TBM开挖施工的岩爆风险转移给钻爆法，利用钻爆法掘进时可以采取人工干预的优点通过强岩爆风险洞段。

5 工程应用

在引水隧洞开挖支护施工中，根据TBM和钻爆法不同岩爆控制原则，引水隧洞岩爆防治参考结构抗震“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计思想，制定了具体的岩爆防治措施，避免发生重大的施工安全和人员伤亡事故，取得了良好的效果，确保了隧洞的安全掘进。

5.1 2号引水隧洞极强岩爆处理

2号引水隧洞引(2)11+017位于高深埋洞段，潜在岩爆风险高。开挖过程中，严格按照设计要求进行开挖、初喷CF30纳米钢纤维混凝土和临时支护(水胀式锚杆)，并在两侧边墙加强支护(胀壳式预应力锚杆)，掌子面后方40 m左右系统支护紧跟(普通砂浆锚杆，挂网喷混凝土)。2号引水隧洞岩爆防治支护流程见图3。

图3 2号引水隧洞岩爆防治支护流程(单位:m)

2010年2月4日，当开挖至引(2)11+006时，在引(2)11+017发生了极强岩爆。主爆区位于引(2)11+017南侧拱脚。受该部位极强岩爆扰动影响，引(2)11+017～引(2)11+060洞段南侧拱脚发生岩爆，围岩弹出。停放在引(2)11+017位置的出渣车受强烈冲击振动移位，十几吨重的装载机被弹起3次。该洞段已经挂设的钢筋网受岩爆碎石冲击与围岩表面完全脱离。南侧拱脚的岩爆除造成南侧边墙、拱脚部位岩体弹出、垮塌外，还造成上台阶底板出现3条裂缝，其中1条裂缝从南侧拱脚延伸至北侧拱脚，完全横向贯穿隧洞，裂缝可见深度约1 m，宽约10 cm。本次岩爆释放的能量巨大，但经避险后对系统支护进行了修复和加强，该洞段围岩整体稳定，在下台阶开挖过程中未产生岩爆。

5.2 3号引水隧洞强岩爆处理

3号引水隧洞TBM掘进至引(3)9+900以西时进入了强岩爆风险区，根据相邻4号引水隧洞开挖过程中的岩爆迹象推测，TBM掘进将遭遇强岩爆风险，遂决定在引(3)9+665～引(3)9+909段采用先导洞方案进行应力解除，确保TBM设备掘进安全。综合考虑TBM设备在先导洞扩挖掘进中的适应性和经济效益，经比较分析，采用上、中导洞进行应力解除，导洞断面形状和布置见图4。导洞施工过程中，严格按钻爆法岩爆防治措施进行开挖和喷锚支护，对导洞边墙TBM开挖轮廓线以内的围岩支护采用树脂锚杆或玻璃纤维锚杆。导洞开挖完成后，TBM采用后续扩挖跟进，安全地通过了岩爆高风险洞段。

图4 TBM洞段导洞方案(单位:m)

6 结语

本文详细论述了锦屏二级水电站引水隧洞的岩爆类型、发育特征、发生机理及防治措施，主要结论如下:

(1)参考国际上对岩爆分类问题的研究成果和锦屏二级水电站引水隧洞岩爆特有的特性，将岩爆分为2大类6小类，即应变型和断裂性2大类，具体细分为剧烈应变型、鼓胀应变型、鼓胀扩展应变型、端部断裂型、滑移断裂型、应变断裂性。

(2)强烈岩爆主要受到局部异常地应力场的影响。而导致地应力异常的原因主要是洞壁发育的刚性结构面诱发。断裂空间分布的随机性使得锦屏二级水电站岩爆也存在空间分布上的强烈随机性。

(3)基于对锦屏二级水电站引水隧洞岩爆的机理和对现场岩爆特征的认识，提出了钻爆法和TBM掘进条件下岩爆的防控策略，现场实施效果好。

［1］冯夏庭，陈炳瑞，张传庆，等.岩爆孕育过程的机制、预警与动态调控［M］.北京:科学出版社，2013.

［2］朱焕春，吴家耀，朱永生，等.锦屏二级水电站引水隧洞岩爆专题研究—2008年～2010年阶段性总结报告［R］.武汉:Itasca咨询有限公司(武汉)，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］朱焕春.锦屏二级水电站辅助洞岩爆机理研究与现场实施工作报告［R］.杭州:中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，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］冯夏庭，周辉，张传庆，等.雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞开挖过程中岩爆风险分析与防治对策措施研究［R］.武汉:中国科学院武汉岩土力学研究所，2013.

［7］陈祥荣，张春生，朱焕春，等.深埋隧洞围岩高应力损伤破坏机理探讨［J］.水力发电，2014，40(7):29-32.