引汉济渭输水隧洞岩爆处置研究

王 新，李彦雄

（1.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安710100；2.陕西裕力腾建设工程有限公司，陕西 榆林719000）

引汉济渭输水隧洞岩爆处置研究

王 新1，李彦雄2

（1.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安710100；2.陕西裕力腾建设工程有限公司，陕西 榆林719000）

引汉济渭工程秦岭隧洞地应力环境复杂，岩爆成为了阻碍隧洞顺利施工以及威胁施工安全的一大障碍。以岭南4号支洞的开挖段为试验段，采集开挖过程中发生岩爆的信息，对发生岩爆的规模进行划分，提出轻微、中等以及强烈岩爆下的支护参数以及应力解除爆破参数。研究表明：微震监测技术在本隧洞的预测准确率达64%。柔性钢丝网、涨壳式预应力注浆锚杆以及仿纤维喷射混凝土对岩爆的控制具有良好的效果。

输水隧洞；岩爆；施工方法；支护参数

Abstract:The stress of Qinling tunnel is complicated and the rockburst is a major obstacle to the smooth construction of the tunnel and the safety of the construction.The excavation section of Lingnan No.4 is the experimental section,and the information of rockburst during excavation is collected.The scale of rockburst is divided,and the supporting parameters and stress relief under mild,medium and strong rockburst are proposed.Blasting parameters.The results showthat the accuracy of microseismic monitoring technology in the tunnel is 64%.Flexible steel wire mesh,shell-type prestressed grouting anchor and imitation fiber shotcrete have good effect on rockburst control.

Keywords:Water supplytunnel,rock burst,the construction method and the support parameters

0 引言

秦岭输水隧洞是引汉济渭工程的唯一输水工程。秦岭隧洞总长98 km，越岭段约40 km为TBM施工，其余支洞、主洞均为传统的钻爆法施工。隧洞最大埋深2012 m,地应力环境复杂。王庆武[1]、吴德兴[2]、吕庆[3]、徐则民[4]等学者均指出岩爆成为了阻碍深埋隧洞顺利施工以及威胁施工安全的一大障碍。

岩爆下的隧洞的施工方法引起了大量学者的关注。张然[5]针对米粮仓公路隧道的施工情况，提出了其隧道的岩爆预测方法与预防建议。刘学增[6]对隧道岩爆等级的量化进行了研究。岳英武[7]，陈红江[8]针对不同类型的岩爆提出了防治措施。邱道宏[9]，黄成俊[10]针对秦岭终南山隧道的岩爆进行了分类与防治研究。

本文以引汉济渭的秦岭输水隧洞为工程依托，在隧洞主洞大埋深段施工前，以岭南工程4号支洞做为试验段，总结岩爆的规律和经验。

1 工程背景

引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程4号支洞位于秦岭岭南高中山区，山高坡陡，工点范围内地形起伏不平，最大高差约760 m。支洞洞身埋深250～1430 m，最大埋深位于桩号斜47+20位置。围岩以Ⅱ类花岗岩为主，岩体单轴抗压强度较高，地下水不发育。

支洞自桩号斜40+00后，岩爆规模及频率有明显提高，岩爆对施工造成较大影响，经参建四方讨论确定岩爆试验段长度为200 m，选定桩号为斜

43+05～斜45+05段（垂直埋深 1200～1296 m）。该段岩性为印支期花岗岩，岩石弱风化，长大节理发育，岩体干燥，岩爆等级强烈且频发。4号支洞其余段地质状况和试验段相类似。

2 岩爆规律与等级划分

试验段施工中，紧跟掌子面开挖和后方100m左右范围内岩爆产生的闷爆声一直存在，或大或小，强烈的闷爆声犹如放炮，较轻微的闷爆声犹如电雷管被激发。以下列举几处具有代表性的岩爆段施工情况进行说明。

斜43+60～斜43+67段发生轻微-中等程度岩爆，岩爆发生在左侧墙底板至拱腰位置，伴有掉块、剥落现象，掉块和剥落后形成塌腔，塌腔尺寸=7.00 m×3.40 m×0.27 m（长×宽×高），塌腔体积约6.42 m3。并造成正在施钻的多臂凿岩台车受损，恢复台车用时2 d。为确保现场施工安全，对该段采取锚网喷加强支护措施进行施工。

斜43+77～斜43+83段发生滞后性较为强烈岩爆，间歇性闷爆声较大，拱部180°范围及右侧边墙上部整体垮塌，垮塌后间歇性掉块及闷爆声仍持续不断，直至次日2时才基本稳定。坍塌、掉块形成大的塌腔：长×宽×高=10.68 m×6.0 m×3.3 m，塌腔体积约211.5 m3。并导致桩号斜43+74～斜43+77段拱部120°范围内岩石剥落、掉块现象严重。将试验段发生的岩爆情况统计并分级如表1所示。

表1 试验段岩爆统计分级表

3 岩爆段施工方法

3.1 微震监测岩爆预测

该技术通过对检测到的微震数量、等级以及能量大小进行分析。能够准确确定掘进前方地应力集中位置。根据试验段微震监测实施效果来看，总共发送17份微震监测预报报告，预测准确率约64%。

3.2 应力解除爆破

岩爆段的应力集中，从产生位置以及汇聚的能量大小来看具有不统一性，现场根据不同程度的岩爆按照相应的施工参数对未开挖区域实施应力解除爆破将集中应力提前释放。

3.3 喷水软化消除应力释放

在隧洞出渣完成后，开挖前向掌子面喷射纯净水。其可以降低岩石单轴抗压强度,降低岩爆发生的几率和等级。此外及时喷洒冷水,可以降低周边围岩的地温场，控制岩石在开挖后的过度膨胀，保障了掌子面在开挖过程的安全。

3.4 超前支护

试验段使用3.5 m的砂浆锚杆做超前支护，对下循环开挖断面的拱部范围内做预加固，仰角控制在15°左右，与隧洞轴线夹角约27°。其降低了地质构造弱面的扰动，保证开挖成型，避免了石块坠落。

3.5 开挖成型控制

现场通过每循环动态优化光面爆破的施工参数，遵循弱爆破、短进尺、勤支护、勤量测的隧洞施工原则，良好的控制了开挖成型，降低隧洞超欠挖，成型效果较之前相比有一定的改观，岩爆频次以及规模也有所减弱。

3.6 加强支护

对于岩爆段开挖前除了采取必要的应力释放孔、超前应力解除爆破、超前支护外，围岩开挖揭示后，施加不同的加强支护。环节最为重要，通过与参见各方商讨和施工现场摸索岩爆段与非岩爆的支护参数见表2。

表2 设计与实际支护参数对照表

4 施工中新工艺、新材料的应用

4.1 柔性钢丝网

200 m岩爆试验段采用了对隧洞拱部180°范围内挂设柔性钢丝网进行加强支护，它是由多张钢丝绳网组成一张巨型大网将整个隧洞出露岩面包裹，通过现场观察得出：轻微、中等岩爆产生落石、剥落也只能在柔性钢丝网内运动，均匀地传递并受力以充分发挥整个系统的防护能力，即局部受载，整体作用，从而使系统能承受较大的荷载并降低单根锚杆的锚固力要求。

4.2 涨壳式预应力注浆锚杆

试验段的应用中，涨壳式预应力注浆锚杆与砂浆锚杆相比，有它特有的优势，大幅度缩短锚杆支护时间，现场作业人员短时间内即可完成锚杆支护环节，在岩爆发生之前施加预应力，可有效的较少因岩爆造成的掉块、剥落现象，同时也遏制了岩爆程度向不良的趋势发展，在轻微-中等岩爆中能够发挥很好的作用。

4.3 仿纤维喷射混凝土

试验段采用跨越型-2000仿纤维喷射混凝土，其仿纤维喷射混凝土回弹率减少至15%（原喷射混凝土回弹率为20%），可以短时间内实现喷射混凝土厚度大幅增加，轻微岩爆破坏喷层掉块、剥落的现象也大大减少，喷射混凝土与周围岩石的粘结强度大大提高，综合回弹率为8%左右，喷射混凝土支护可在2分钟内终凝，20分钟内产生其强度，1天强度达到16 MPa，一次喷射厚度可达35 cm以上。

5 岩爆支护参数建议

5.1 轻微岩爆

（1）开挖外轮廓线外扩5 cm。

（2）应力解除爆破：孔径89 mm，孔深5.0 m，拱部120°范围内布设，孔间距1.2 m，7个/循环；孔位与周边眼相同，孔向：仰角15°；单孔药量800 g。

（3）节理发育时施做超前锚杆，直径22 mm，长度3.5 m。

（4）初喷纳米仿纤维喷射混凝土5 cm，复喷至10 cm。

（5）使用直径22 mm的砂浆锚杆，长度2.5 m，间距1.5 m×1.5 m（环×纵）；锚杆垫板15 cm×15 cm，厚度 8 mm。

（6）孔径42 mm的径向应力释放孔，孔深2.0 m。

5.2 中等岩爆

（1）开挖外轮廓线外扩10 cm。

（2）应力解除爆破：孔径89 mm，孔深5.0 m，拱部120°范围内布设，孔间距0.9 m，9个/循环；孔位与周边眼相同，孔向：仰角 20°；单孔药量 1000 g。

（3）施做超前锚杆，拱部120°范围内布设，长度3.5 m，单循环7根，间距1.2 m。

（4）初喷纳米仿纤维喷射混凝土8 cm，复喷至15 cm。

（5）拱部使用直径φ25涨壳式预应力中空注浆锚杆，长度3 m，间距 1.2 m×1.2 m（环×纵）；锚杆垫板 20 cm×20 cm，厚度10 mm；侧墙22 mm砂浆锚杆，L=2.0 m。

（6）拱部180°铺设直径4mm的柔性钢丝网，网格间距15 cm×15 cm。

（7）孔径42 mm的径向应力释放孔，孔深2.0 m，间距：拱部 180°范围内，间距 1.2 m×1.2 m。

5.3 强烈岩爆

（1）开挖外轮廓线外扩25 cm。

（2）应力解除爆破：孔径89 mm，孔深5.5 m，拱部180°范围内布设，孔间距0.94 m，13个/循环；孔位与周边眼相同，孔向：仰角30°；单孔装药 1.2 kg。

（3）施做超前锚杆，拱部150°范围内布设，长度3.5 m，单循环10根，间距1.05 m。

（4）初喷纳米仿纤维喷射混凝土10 cm，复喷至25 cm。

（5）安设I16型钢拱架，拱架间距1.0 m/榀；22 mm连接筋环向间距100 cm；拱墙铺设8 mm圆钢网片，网格间距25 cm×25 cm；单榀拱架锁脚锚杆8根，L=2.5 m，22 mm螺纹钢砂浆锚杆。

6 结论

（1）试验段与主洞地质状况相似，根据试验段情况可将本工程岩爆分为：轻微、中等和强烈三类。

（2）微震监测技术在本隧洞的预测准确率达64%，可以较为有效的进行岩爆的准确预测。

（3）新材料对岩爆防治能起到关键性作用：仿纤维喷射混凝土在对裸露围岩进行及时封闭，防止岩体进一步剥落、掉块起到了很大的遏制效果；柔性钢丝网能够在很大程度上有效拦截由于二次岩爆剥落的石块、石渣等；φ25涨壳式预应力中空注浆锚杆在中等岩爆中能够快速、高效地进行支护，为尽早封闭围岩赢得了充足的时间。

[1]王庆武，巨能攀，杜玲丽，黄健，胡勇.深埋长大隧洞岩爆预测与工程防治研究[J].水文地质工程地质，2016，(06)：88-94+100.

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[10]黄成俊.秦岭终南山特长公路隧洞钻爆法快速施工技术探讨[D].西南交通大学,2003.

Study on Rock Burst Disposal of Water Conveyance Tunnel of Hanjiang River

Wang Xin,Li Yanxiong

（Shaanxi Province,cited the Yangtze River EngineeringConstruction Co.,Ltd Xi’an 710100,Shaanxi Shaanxi Yu Li TengConstruction EngineeringCo.,Ltd Yulin 719000,Shaanxi）

U458.1

A

1673-9000（2017）05-0115-03

2017-06-21

王新(1980-)，男，陕西富平人，工程师，主要从事水利水电工程建设管理工作。