秦岭引水隧洞TBM施工段岩爆预防与治理

赵志强

（中铁隧道股份有限公司，河南郑州450001）

秦岭引水隧洞TBM施工段岩爆预防与治理

赵志强*

（中铁隧道股份有限公司，河南郑州450001）

岩爆是岩体中有较高的地应力，同时岩石具有较高的脆性度和弹性，在隧道开挖开挖后，由于地应力的瞬间释放而产生爆裂、剥落、弹射甚至抛掷。岩爆是地下工程施工的一大地质灾害，由于它的破坏性很大，往往造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏及人员伤害。结合引汉济渭秦岭隧洞TBM施工对岩爆处理措施的总结，希望能为类似工程施工提供参考。

TBM掘进；岩爆；预防治理

1　工程概况

引汉济渭秦岭隧洞越岭段全长81.779km。其中岭南TBM标段18.275km，采用一台Ø8.02m敞开式TBM施工。工程位于秦岭岭脊高中山区及岭南中低山区。高程范围1050～2420m，洞室最大埋深约2000m。本工程掘进穿越石英岩、花岗岩及闪长岩约占围岩总量75%以上。高强度岩石含量较高，其中石英含量最高达97%、花岗岩最高达30%、闪长岩最高达18%。岩石强度86MPa至最高达242MPa。

最大水平主应力值为16.11～23.7MPa，最小水平主应力值为10.11～15.41MPa，最大水平主应力方向为N30°～46°W，优势作用方向为北西向。深钻孔地应力实测结果表明，三向主应力的关系为：SH＞Sh＞Sv，具有较为明显的水平构造应力作用，地应力值较大。在大埋深条件下，由于隧洞的开挖，洞室附近产生应力集中，具备发生岩爆的应力条件。

2　岩爆特征

本工程TBM在掘进至K28+490～+760段，出现影响较大的岩爆，此段岩性为石英岩，无水，埋深在500～610m，岩爆主要发生在拱部，岩爆等级为轻微—中等。出护盾岩爆就会发生，多为轰雷声和爆竹声，声音较脆，一般在24h内应力释放完，最长3～4d仍有爆裂。根据岩爆情况，本工程岩爆归类如下：

2.1表面崩落型岩爆

表面崩落型岩爆主要发生在围岩强度高、完整性较好、节理较发育—不发育、干燥无水段。其发生时间具有不确定性，个别时候在露出护盾之前就已经发生，来不及支护，也可能是出露护盾时较为完整，滞后一段时间后才开始显现，影响施工安全，其影响深度一般在20cm左右，且伴有爆裂声响。

2.2应变型岩爆

应变型岩爆多发生在岩体节理较发育、岩体较完整—完整段，节理面平直光滑延伸性差，大多呈闭合状，无充填，岩面呈干燥无水。这种围岩在掘进开挖中高地应力作用较明显，表现为无任何征兆发生爆竹声或轰雷声，沿着断面节理薄弱点开始岩爆，岩块应声掉落，随后伴随声响以片状、块状剥落为主，一次性岩爆掉块体积较大，持续时间较长，最后形成较大塌腔；另外则表现在隧洞底部由于应力挤压造成底部隆起等现象。

3　岩爆对施工现场的影响

岩爆发生为瞬间发生，情况比较复杂；岩爆不仅对现场施工进度造成影响，并直接威胁到设备和人员安全。在部分岩爆发生地段，初期支护已经完成，岩爆发生时对已完成的支护结构造成破坏，需要对其进行重新支护。

TBM的优势就是快速掘进施工，然而频繁岩爆需加强支护，增加现场工作量。因此岩爆对施工进度影响巨大。目前TBM掘进发生的岩爆占施工长度的30%，不仅进度慢，而且工程成本陡增。根据地质资料推算，剩余掘进段岩爆发生的可能性任然较大，因此，如何有效地处理和预防岩爆成为施工的重点与难点。

4　施工段岩爆的处理

在TBM掘进施工过程中对出现岩爆的地段采取的措施主要有以下几个方面。

4.1表层剥落型岩爆

在围岩强度高、完整性好、节理不发育的无水地段，容易出现表层剥落岩爆，采取的措施有：

（1）对出露护盾段围岩采用人工喷水初步软化围岩；

（2）围岩一旦出露护盾，拱部90°范围快速施作锚杆，锚杆间距1m左右，梅花形布设，并尽量加密，同时，拱部120°范围内施作部分应力释放短孔；

（3）拱部120°范围内挂设钢筋网片；

（4）必要时，安设格栅拱架；

（5）必要时，利用L1区应急初喷系统初喷封闭岩体。

4.2应变型岩爆

据TBM掘进观察，应变型岩爆一般发生在围岩强度高，完整性好，但有节理面地段，在这种情况下，节理面成为了断面的薄弱点，应力首先从节理位置开始释放，规模相对较大，速度也较快，很多时候，在刀盘或是护盾封闭区域已经发现岩爆声响，出露护盾后围岩已经成为松散体或形成塌腔，也可能是出露护盾后岩体依然完整，但会迅速从节理面开始岩爆，一旦出现，就是持续岩爆，连续掉块，直至应力释放完成并趋于稳定。对此，施工中主要采取的措施是利用TBM设备自带的Mcnally支护系统与钢拱架及时支护（将特制的钢筋排架放入提前加工好的TBM护盾储存仓内，在岩爆发生地段将钢筋排架提前抽出30～50cm，使用格栅拱架或者钢拱架将其顶至岩面，再用锚杆锚固，形成快速支护系统。主要材料及参数：特制钢筋排架Ø12mm钢筋3根，每根长4.5m，Ø10mm盘条间距25～30cm，与钢筋垂直方向焊接），并及时实施锚喷封闭围岩，岩爆段出喷射区后，及时对岩爆松散体进行固结回填注浆，减少由于应力过度释放造成的围岩松软，确保施工安全。

5　岩爆预测和预防

5.1后期施工段岩爆设计情况

根据设计提供的设计图纸以及秦岭地区深钻孔地应力实测等资料，分析认为秦岭隧洞区地应力较高，当在坚硬完整、干燥的Ⅰ、Ⅱ类围岩地段的花岗岩、闪长岩地层中进行掘进时，由于应力集中，在掌子面或离掌子面1倍左右洞径的地段会发生岩爆，甚至发生较强烈岩爆的可能。预测隧洞通过岭脊花岗岩、闪长岩地段约20km范围内时岩爆在所难免，岩爆等级以中等—轻微为主，局部可能发生强烈岩爆。其中预计强烈岩爆段约3880m、中等岩爆段13030m、轻微岩爆段545m。

5.2岩爆的预测与预防

根据地质预测后期岩爆将对TBM施工影响很大，通过收集国内外防治岩爆的经验，希望通过现场实验总结摸索出一条针对高地应力TBM施工处理岩爆的方法。

5.2.1岩爆预测方法

在施工期间进行必要的围岩检测，如微震检测、变形检测、应力检测等，收集围岩岩爆前后的各种物理力学参数，并加以总结分析。但常规超前地质预报手段如：TSP203+、HSP-T、高分辨电法、红外探测、地质雷达、RTP206岩体温度法、超前地质钻孔等，由于受TBM设备的限制，不能很好的反应出掌子面前方围岩情况（特别是围岩应力变化）。结合其他类似工程实例，采用微震监测的超前地质预报方式可以对前方围岩的应力情况进行探测，并通过预报成果可以分析出掌子面前方发生岩爆的概率、位置及规模，以便提前采取应对措施，确保TBM安全、快速掘进。

微震监测系统（Micro-seismic Monitoring System，MMS），主要是利用声学、地震学和地球物理学原理和计算机强大的计算功能来实现微震事件的精确定位和级别大小的确定。该系统的工作原理是根据弹塑性材料在外界应力作用下，其内部将产生局部弹塑性能集中，当能量积聚到某一临界值之后，会引起微裂隙的产生与扩展，并伴随有弹性波或应力波在周围岩体快速释放和传播，即产生声发射。传感器接收原始的微震信号以后将其转变为电信号，将其发送到微震监测系统的信号采集单元，软件进行数据采集和加工处理，软件可以对微震事件数据信号进行多方面处理和分析，实现对微震事件的定位、破坏趋势的跟踪等处理，并可以对微震事件在绘图仪上或三维空间和时间轴下进行实体演示，其原始数据和处理文件可实时显示。

5.2.2岩爆预防与治理

为确保TBM掘进施工安全，岩爆地段掘进施工坚持先防后治的原则，采取积极主动的预防措施和强有力的施工支护，确保岩爆地段的施工安全，将岩爆发生的可能性及岩爆的危害降到最低。TBM施工的隧道在施工过程岩爆防治措施主要有以下几方面：

（1）采用超前钻孔高压均匀注水，可以释放应变能，并将最大切向应力向深部转移；高压注水的楔劈作用可以软化、降低岩体强度；高压注水产生了新的张裂隙，并使原有裂隙继续扩展，从而降低岩体储存应变能的能力。

（2）改善围岩物理力学性能。在掌子面和洞壁经常喷撒冷水，可在一定程度上降低表层围岩强度。

（3）出护盾后及时用钻径向应力释放孔，孔深0.5～3m不等。

（4）出护盾后及时锚网喷支护，岩爆坍塌区域必要时立钢拱架加强支护。

（5）出护盾前已发生岩爆地段采用Mcnally系统与钢拱架和锚喷及时支护。

5.2.3不同类型岩爆的治理措施

（1）轻微岩爆治理措施。针对轻微岩爆的治理措施，主要采取喷水+应力释放孔+锚+网+喷砼加强支护，这也是防治岩爆较为成熟和有效的办法。在掘进过程中按照设计做好系统支护外，主要针对拱部120°范围进行挂网、加密锚杆施工，同时做好应力释放短孔，并对出露围岩进行喷水，以适当改变岩石力学性质，降低岩石的脆性，将需释放的能量转变为热能，如岩爆形成围岩崩坍体积较大，现场应及时采取L1区应急喷浆系统进行喷砼支护，必要时利用Mcnally支护系统加强支护。此外，可以采用柔性防护网代替传统钢筋网，同时利用涨壳式预应力中空锚杆能有效、快速地控制岩爆引起的坍塌规模，达到快速支护，确保施工安全的目的。

（2）中等岩爆治理措施。对于中等岩爆，主要在支护手段方面进行优化，采用喷水+Mcnally支护系统+锚杆+钢拱架+喷纤维混凝土支护方式。锚杆要快速实施，能够迅速锚固围岩，可将普通垫片式锚杆改为大垫板涨壳式预应力中空注浆锚杆，提前施加预应力。喷砼方面将普通混凝土改为钢钎维、塑料纤维混凝土，凝固速度快、强度高能快速封闭和加固围岩。中等规模岩爆地段一般需要安设钢拱架，钢拱架建议采用H150型钢，结合Mcnally支护系统支护，Mcnally支护系统的钢筋排可根据实际情况增大钢筋直径为Ø14mm～Ø22mm不等。

（3）强烈岩爆治理措施。如监测存在高地应力情况，可能出现强烈岩爆，常规支护措施将无法应对，必须超前进行应力释放，利用TBM配套的超前钻机在拱部120°范围内施做超前钻孔，孔深10～30m不等，而后往孔内注射高压水释放部分地应力，或者是直接实施预爆破，有效释放地应力，待岩体出露护盾后，结合中等岩爆治理措施进行加强支护外，必要时可采取安设钢管片进行初期支护加强。另外，TBM设备需增设临时防护设施，给主要设备安装防护网和防护棚架进行防护。

6　结束语

岩爆的发生机理十分复杂，也是世界性的地下工程难题之一。TBM施工在岩爆预测和控制方面其灵活性远不如钻爆法，但岩爆的危害尤其是岩爆产生的坍塌对TBM设备、人员安全和施工进度影响极大。因此，TBM施工岩爆防治的重要原则是提前预测、采用主动防范措施、加强岩爆段支护，避免由岩爆引起大坍方对设备和人员造成直接伤害，防止TBM卡机事故，最大限度降低岩爆强度及其造成的破坏，减少岩爆对施工进度的影响。

［1］汪华东，沈洪波.浅谈锦屏二级水电站TBM施工岩爆防治［J］.华东科技学术版，2014（2）：426-426.

［2］罗志虎，杨鹏飞.锦屏二级水电站TBM施工中的岩爆问题分析与对策［J］.岩土工程技术，2009，23（1）：52-54.

［3］孙熔正，房国栋.隧道施工岩爆预测防治［J］.建筑工程技术与设计，2015（10）：948.

［4］李晓晗，赵琳，徐爱萍.Mcnally系统在TBM隧洞施工中的应用［J］.水利技术监督，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

赵志强（1969-），男（汉族），河南商水人，高级工程师，现从事地下与隧道工程建设技术工作。