巴基斯坦N-J水电站工程岩爆预警与防治

鲁永华 王水山 李 淼 许 艇

1 工程概况

巴基斯坦尼拉姆-吉拉姆（N-J）水电站工程位于巴基斯坦AJK地区，为首部筑坝壅水+长距离隧洞引水的混合开发式水电站，电站装机4台，总装机容量963 MW，额定水头420 m。引水隧洞单、双洞混合布置，引水线路长度28.6 km。其中A1、A4a支洞间引水隧洞采用双线平行布置，双线洞段中约11.6 km（单条长度）采用TBM进行开挖，隧洞纵坡约为0.78%，开挖洞径8.53 m。N-J工程引水隧洞开挖施工中岩爆主要发生在TBM掘进段。

2 地质情况

巴基斯坦N-J工程位于亚喜马拉雅逆冲推覆体上，区内逆冲断层、褶皱强烈发育。引水隧洞所穿岩层为上第三系中新统穆里（Murree）组和卡米列（Kamlial）组地层。隧洞进口至TBM安装间沿线一带为高山区，沿线最高峰约2 930 m，构成了Neelum河与Jhelum河流域的分水岭。

隧洞进口至TBM安装间隧洞段埋深在150～500 m洞段约占4%，500～1 000 m的洞段约占36%，1 000～1 900 m占60%左右。隧洞穿过第三系中新世早期的MURREE（穆里）组岩层，岩性主要由砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩等组成，岩层基本走向 NW350～355°，倾向 NE，∠41°～80°。岩石工程地质性质分述如下：

（1）SS-1砂岩（Sandstone）：青灰色，中粗粒结构，钙质胶结，成岩好，厚层-巨厚层，层理清晰，交错层理发育，含有较多的云母片，性质硬且脆，沿隧洞分布厚度4.0～50 m不等，局部洞段厚度大于100 m。

（2）SS-2砂岩（Siltstone）：主要为粉砂岩、泥质粉砂岩，褐灰色、紫褐灰色，泥钙质结构，呈薄层-中厚层，层理清晰，交错层理发育，含有较多的云母片，性质硬且脆，其硬度次于SS-1砂岩，沿隧洞分布厚度2.0～5.0 m不等，局部洞段厚度大于10.0 m。

（3）SM粉砂质泥岩（Silty mudstone）：常呈灰紫色、灰褐色，介于粉砂岩和泥岩之间，均质性好。略有粉粒感，强度较低，不透水，遇水崩解成小球粒或圆粒状，易球状风化。

（4）M泥岩（Mudstone）：均质完整的泥岩一般为红褐色，粉细颗粒，整体均质性好，显示贝壳状断口，从软到中等硬度。完全劈理化泥岩，或者发育最彻底的两类劈理化泥岩为具有鳞片状劈理化泥岩（类似于断层泥）及透镜状劈理化泥岩（类似于断层岩）。它在靠近Murree断层的位置显示出很强的构造活动性。

3 岩爆的预警及防治策略

岩石中积聚的势能或应变能突然释放导致岩体瞬态震动的现象叫微震现象，岩爆是开挖导致的一种突然性和剧烈性的微震。从工程实践的角度看，大埋深、高地应力、岩石良好的储能条件等为岩爆发生提供了基本条件，不良的地质构造往往对岩爆具有强化作用。在大埋深、高地应力隧洞工程中，岩爆现象难以避免，岩性及地质构造的多样性和复杂性，又赋予了岩爆的随机性、复杂性。

根据岩爆的发生机理，岩爆可分为应变型、断裂型、岩柱型；按时间序列分，可以分为及时型和时滞型；从声响特征、围岩破坏特征及破坏程度、支护破坏程度、微震能量等方面，岩爆分为轻微、中、强、极强4个级别。

岩爆的防治策略主要分为避让、解除以及防护3种策略。良好岩爆防治效果的取得往往是3种防治策略的综合运用。工程实施过程中，还应视工程具体情况采用经验法、监测法、数值法对岩爆进行预警，针对性地对设计和施工方案进行动态调整优化。

3.1 岩爆的预警

岩爆预警方法主要有3种，即经验方法、微震方法以及数值分析法。

经验方法预警法是利用过去的经验积累，收集岩爆破坏时暴露的现象，对岩爆进行预测，并总结出符合本工程特点的岩爆处理方案。

微震监测是目前进行岩爆预警较为普遍的方法，对于可能存在强烈和极强岩爆风险的隧洞工程，进行微震监测能够提高岩爆风险评估的精度，使岩爆的预警更为精准。

数值法预警主要是通过建立岩爆理论判据进行预测，并在过程中不断修正和验证判据。

3.2 避让策略

岩爆防治的避让策略主要体现在设计阶段，是岩爆防治根本性的策略。

在设计阶段，在对隧洞地质情况进行充分勘察的基础上，优化洞线布置，使洞线尽量避开高能聚集区；洞轴线方向尽量与最大主应力方向成小角度，与岩层构造面成大角度；多条隧洞相邻布置时，充分论证选取隧洞间距，避免岩爆的二次应力叠加；选择对于岩爆的抑制更有利的圆形断面；同等条件下，钻爆法比TBM掘进具有相对较低的岩爆风险，对于岩爆风险较高的隧洞，应慎重选取TBM掘进方案。

3.3 解除策略

高压注水、应力释放孔、应力解除爆破、先导洞超前开挖是较常见的岩爆解除措施。人为改变潜在诱震的结构面状态，将强震转化为若干小、微震，避免具有较强破坏性的强震的发生。

钻孔进行高压注水的岩爆防治措施适用于透水性弱、封闭条件好、吸水率较高的围岩，目前公认对于煤层效果较好。

应力释放孔和应力解除爆破为在开挖前向围岩高能量聚集区或控制面部位钻孔或钻孔并爆破，使围岩破裂，能量耗散或转移，从而达到降低岩爆发生几率和等级的措施。应力释放孔和应力解除爆破孔的布置、深度、爆破参数均需针对特定的地质情况进行设计，并应针对工程特点不断总结优化。

较小的洞径具有易于自稳、岩爆风险相对较低的特点，且能够释放围岩中聚集的高能量，当其他岩爆解除措施难以达到较好效果或TBM设备因岩爆受困时，常采用先导洞法进行岩爆处理。

3.4 防护策略

及时采用柔性吸能支护系统对围岩进行保护，维护围岩的完整性和围压条件，维持围岩的承载能力和抗冲击能力是岩爆防治中的防护策略。

柔性支护手段一般有喷混凝土（掺钢纤维等）、锚杆、水胀式锚杆、机械式胀壳锚杆、钢筋网片等组成，对于强或者极强岩爆区域可采用滑移型钢拱架。值得一提的是合理的锚垫板能够大幅提高系统的防护能力。

4 N-J工程岩爆状况及防治措施

4.1 岩爆统计

隧洞进口至TBM掘进终点的5.3 km洞段采用钻爆法施工，最大埋深达1 400 m左右，未观察到对施工产生较大影响的岩爆。TBM掘进洞段平均埋深约1 250 m，最大埋深近2 000 m，对工程施工产生较大不利影响的岩爆基本上都发生在TBM掘进的高埋深洞段。据统计，引水隧洞左洞TBM掘进段发生轻微、中、强、极强4个级别岩爆次数分别为370、53、7、0次；引水隧洞右洞TBM掘进段发生轻微、中、强、极强4个级别岩爆次数分别为359、52、4、1次。两洞中级以上岩爆发生位置标示于隧洞地质纵剖面图中，如图1所示。

图1 引水隧洞左、右洞TBM掘进段岩爆统计图

当TBM掘进至埋深大于800 m洞段时，中级以上岩爆开始出现；TBM掘进至1 100 m以上的埋深洞段时，中级以上岩爆开始频发；强烈岩爆多发生在地质构造发育洞段。

隧洞埋深1 200～1 500 m，SS-1砂岩沿洞轴线连续分布厚度大于8.0 m，发生强烈岩爆概率较大；隧洞埋深大于1 500 m，SS-1砂岩沿洞轴线连续分布厚度大于5.0 m，发生强烈岩爆概率较大；岩爆发生多滞后隧洞开挖2～8 h，多发生在掌子面至L1区（初期支护）范围内，个别点强岩爆发生滞后隧洞开挖9～11 d。

4.2 “5.31”极强岩爆

2015年5月31日23时40分，右洞TBM掘进段发生极强岩爆，掌子面桩号：9+706，岩爆发生区域桩号：9+706—9+808（长度约102 m），现场发现爆坑11个；隧洞左侧（左洞TBM已经通过）拱脚最为严重，爆坑基本连续，爆坑深度一般在0.5～1.0 m，个别深度超过1.6 m。TBM及其附属设备、支护结构损毁严重。

当晚23时32分，左洞TBM台车尾部发生强岩爆，掌子面桩号：9+526，岩爆区域桩号：9+706—9+766（长度约60 m），岩爆部位距离掌子面约180 m，环向沿隧道10点钟至7点钟以及4点钟至5点钟方向，左洞TBM台车尾部约90 m长的皮带支架、吊点、托辊扭曲变形严重，台车尾部清渣设备严重损坏，TBM台车尾部2个后轮严重变形脱离轨道。

“5.31”极强岩爆的发生主要原因：近EW向两条断层使褶皱发生了局部挠曲，两条断层使得NS向河流急拐变为EW走向，控制了碎屑流沟、单面坡等线性行迹。断层之间的剪切挤压作用，使挠曲发育，且局部出现近NS向结构面。构造挠曲和平行洞轴线的结构面使得地应力方向和大小突变，岩爆发生在挠曲构造部位，含薄层红色条带的巨厚层状灰色砂岩，后部在拱顶靠右侧，前方出现在左侧拱腰，构成了呈向西凸出的弧形挠曲构造，局部地应力集中，且最大主压应力方向由南部的NE向变为了本段的近EW向，使得最大主应力方向与隧洞轴线夹角变大，拱顶切向应力急剧增大，右洞中上部，尤其是左侧墙，岩爆强烈。

在以上特殊的不利地质条件下，两洞间距相对偏小，造成二次应力叠加，加剧了岩爆的破坏力。

4.3 超前地质探测与岩爆预报

为了掌握掘进前方围岩地质条件，施工阶段采用TST物探系统和无芯超前钻探方法进行TBM掘进洞段的超前地质条件探测，采用地应力实测值及三维应力关系进行能量判定岩爆预报和微震系统进行岩爆预报。

TST物探系统超前探测前方距离约100 m，人造地震波，并采用检波器接收地震波在隧洞围岩体的纵波传播速度，判定围岩质量、类别。无芯超前钻探在TBM护盾的后部隧洞顶拱中间部位实施，仰角 4°～5°，孔深 20～50 m，主要采用返水颜色及携带的岩粉确定岩性界线，无芯超前钻探在岩性界线与地下水方面，准确度相对较高。

岩爆超前预报，主要采用综合了经验法和数值法的能量法以及微震系统2种方法进行预报。

能量法岩爆超前预报：超过1 300 m埋深洞段，每隔200 m埋深进行1个断面的地应力实测，依据三维应力大小关系、围岩岩性的物理力学性质、褶皱构造部位、构造裂隙发育程度、围岩体的完整性、TBM掘进参数等，利用开发的软件进行分析，判定隧洞开挖前方将要发生的岩爆等级，可进行短-中期预报，施工过程中通过与发生岩爆位置及岩爆等级对比，准确率较高，预报效果良好。

微震系统岩爆预报：在隧洞掌子面后方一定距离安装检波器，监测记录前方围岩体发生破裂的次数、波形大小及发生微破裂的频率来进行预报将要发生岩爆的时间及等级。

4.4 岩爆防治

TBM掘进洞段施工过程中，综合考虑岩爆风险及TBM的掘进效率，根据超前地质探测与岩爆预报结果，针对性地采取了以下岩爆防治措施：

（1）加大左右引水洞之间的间距：“5.31”极强岩爆后，对引水隧洞左洞的轴线向左外移了22.5 m，两隧洞的中心距由33 m调整为55.5 m，以降低2条隧道岩爆相互叠加影响的风险。

（2）对于中等岩爆段，利用地质超前探钻机在TBM掌子面顶拱120°范围内钻设应力释放孔4～5孔，释放高能区能量。

（3）对于强岩爆段，加密应力释放孔间距至0.6 m左右，并采用涨壳式锚杆对围岩进行预加固。

（4）对于岩爆段，采取短循环。支护紧跟的掘进方式：根据岩爆预测情况每循环进尺控制在0.7～1.2 m范围内；“5.31”极强岩爆后，在TBM设备的L1区增加了独立的混凝土喷射系统，增加了1台伞状钻机，进一步提高了TBM设备L1区支护的及时性。

（5）柔性支护和刚性支护相结合：首先初喷钢纤维混凝土，安装涨壳式锚杆和钢筋网片，然后安装钢拱架强支护，最后复喷混凝土。

（6）对于岩爆破坏段，洞壁采用35 cm厚钢筋混凝土或喷钢纤维混凝土进行加强。

5 结论及建议

（1）本文结合工程实践，系统论述了水工隧洞岩爆防治的基本思路，对于类似工程应对岩爆问题具有一定的指导意义。

（2）同等条件下，钻爆法比TBM掘进具有相对较低的岩爆风险；TBM掘进条件下岩爆防治的工程实例相对较少，N-J工程岩爆防治经验的总结对于类似工程具有较好的借鉴价值。

（3）N-J工程“5.31”极强岩爆后，对岩爆防治方案进行了较大的优化，效果显著，虽然隧洞埋深继续增加，但未再出现中等以上岩爆。

（4）采用柔性吸能支护系统提高抗冲击能力，对于抵抗岩爆是行之有效的选择。

（5）提高支护作业的机械化水平，在提高支护施工质量的同时还能提高支护速度，利于实现支护的及时性，这也是施工现场岩爆防治研究的一个重点。