敞开式TBM安全快速通过隧洞强岩爆地层施工技术——以引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM施工段为例

薛景沛

(中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450001)

0 引言

随着地下工程施工技术的飞速发展，TBM被越来越多地应用于长大隧道施工中。大埋深、高地应力地质条件下，岩爆的预防与治理显得尤为重要。

文献[1-3]对国内外岩爆研究现状和岩爆特征、预测等进行了深入的研究。张斌等[4]提出了钻屑法或岩芯饼化率法、地震波预测法、声发射(A-E)法等岩爆预测方法和相关防治措施。张秉鹤[5]对浅埋洞段岩爆发生的机制进行了阐述并提出防治措施。冯建军[6]描述了隧道岩爆特征： 岩爆声响既发生在掌子面也发生在岩体内部，轻微岩爆的声响较为清脆，可听到“啪、啪”“嘎、嘎”的声响； 强烈岩爆的声响较为沉闷，类似于“嘭、嘭”并夹有“啪、啪”的声响。何满潮等[7]利用自行设计的深部岩爆过程试验系统，对大埋深、高地应力作用下的花岗岩岩爆过程进行了试验研究，根据试验结果将花岗岩岩爆分为滞后岩爆、标准岩爆和瞬时岩爆。罗志虎等[8]结合锦屏二级水电站，针对TBM施工中的岩爆问题进行了分析，并提出较好的治理措施。

综上，国内外学者在岩爆防治、施工处理等方面提出了一些较好的建议，但关于强岩爆地层处理措施的研究却稍显不足，尤其是针对敞开式TBM的强岩爆治理。由于TBM设备自身的局限性，主动防护措施实施难度较大，加上目前岩爆超前预测技术还处于探索时期，在发生强烈或极强岩爆的情况下，会由于预测准确率不足或未能及时实施超前预处理，导致支护强度不足和支护不及时的问题，严重影响施工进度与成本。本文以引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM施工段为依托，对敞开式TBM在强岩爆地层的施工技术进行研究，探索合适的技术手段，以期解决TBM安全、快速通过强岩爆洞段的问题。

1 工程概况

引汉济渭工程是针对关中地区缺水问题提出的陕西省内南水北调工程的骨干调水线路工程，是促进“关中—天水经济区”发展的大型水利工程。引汉济渭工程岭南TBM标段位于陕西省宁陕县四亩地镇境内，全长18.275 km，设计流量70 m3/s，多年平均输水量15亿m3； 隧洞平均坡降为1/2 500，采用敞开式TBM掘进施工，横断面为圆形，直径8.02 m。

工程位于秦岭岭脊高中山区，地形起伏，高程范围为1 050～2 420 m，洞室最大埋深约2 012 m。工程范围内主要涉及到的地层为下元古界长角坝岩群黑龙潭岩组石英岩、印支期花岗岩、华力西期闪长岩以及断层碎裂岩、糜棱岩。掘进段穿越石英岩、花岗岩及闪长岩约占围岩总量的75%以上。最大水平主应力SH为16.11～23.7 MPa，最小水平主应力Sh为10.11～15.41 MPa，最大水平主应力方向为N30°～46°W(与隧洞轴线夹角为65°～81°)，优势作用方向为北西向[9]。深钻孔地应力实测结果表明，三向主应力的关系为SH>Sh>Sv(垂直主应力)，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 工程区域岩爆情况

引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM施工段由于隧洞埋深大、地应力高、岩石完整性好，在TBM第1掘进段共计8 521 m的洞段施工过程中，发生不同规模岩爆304次，岩爆段长度合计3 549 m，占掘进总长的41.6%。其中，大部分岩爆为轻微至中等程度，强烈与极强岩爆(以下简称强岩爆)共发生9次。总体岩爆分布情况见表1。

表1 岭南TBM施工段强岩爆发生段统计表

2.1 强岩爆特征与规律

1)岩爆部位。强烈岩爆多发生在距离掌子面2倍洞径范围内，岩爆声较沉闷，如轰雷声，主要集中在拱部120°范围内； 岩爆掉块后塌坑深度为0.7～3 m，边墙出现概率约为20%，底板偶有出现；极强烈岩爆会导致整个拱部及边墙岩体破坏，距离掌子面5倍洞径内的岩体均会受到影响，岩体塌腔深度超过3 m。此外，当岩爆地段存在长大节理发育情况时，岩爆规模与等级较大，围岩坍塌严重，滞后性岩爆发生的概率也随之增大。

2)岩爆时间。强烈岩爆一般在开挖揭示后48 h左右应力释放才完成，其中24 h内居多； 部分强烈岩爆滞后时间难以确定，短则三四天，长则上月。

3)地质条件。当围岩抗压强度在100～200 MPa时，发生岩爆的概率较大。其中，岩体强度在130～170 MPa(隧洞垂直埋深1 200 m左右)时，岩爆发生频率与等级较高；低于100 MPa时，岩爆较少，多以轻微岩爆为主； 超过200 MPa时，岩爆概率降低，以轻微岩爆为主。在长大节理较发育时岩爆较多；整体完整性较好时，爆落块石以扁平状为主； 长大节理轻微发育时，爆落块石以节理切割块状为主； 岩体出现基岩裂隙水、涌水时，基本无岩爆发生；岩体脆性较大时，岩爆规模相对较大。

4)其他特征。隧洞开挖、支护、仰拱等施工扰动可能导致围岩应力的重新分布；高压水冲洗岩体有利于应力的快速调整与释放。

2.2 岩爆对施工造成的影响

1)对施工人员安全的影响。岩爆多发生在拱部120°范围内，平台上部作业人员较多，发生岩爆会对作业人员造成很严重的伤害。

2)对设备的影响。虽然TBM相关设备已经进行了防护，但若岩爆规模较大，一般的防护措施不能起到很好的防护效果，机械设备也将面临砸坏的风险，需要维修或重新购买配件更换，进而影响工期。现场照片如图1所示。

3)岩爆对初期支护体系的影响。部分滞后时间较长的岩爆在初期支护已经完成后发生，对已完成支护造成破坏，需要对其重新进行施工，增加了工程量和施工成本。现场照片如图2所示。

3 强岩爆治理技术流程

从岩爆定义可以看出，岩爆是结果，围岩破坏和微震是原因。因此，采取以下措施对岩爆进行治理： 1)采取部分超前措施降低能量释放的强度； 2)为降低安全风险通过加强初期支护进行防治[10]。在强岩爆地层，应坚持先预测后施工的原则，通过预测分析确定岩爆等级，据此确定掘进参数、超前支护与后续初期支护措施。

首先，在强岩爆段严格控制TBM推进速率，以最大限度地减缓与降低应力重分布带来的应力聚集； 其次，进行岩体地应力能量的预释放，根据地质分析及地应力检测数值分析等，确定应力集中和能量集中较大的部位，确定超前应力释放孔的位置及其优化布置参数，实施超前应力释放； 最后，开挖后围岩出露护盾后应制定针对性支护方式，优化支护措施，避免或降低岩爆的发生风险。如采用纳米仿纤维混凝土、柔性钢丝网、预应力锚杆、消能锚杆、消能钢拱架等新材料，尽可能地吸收岩爆破坏时释放的能量，进而有效控制岩爆[11]。

(a) 岩爆砸坏锚杆钻机

(b) 岩爆砸损L1区主机平台

(a) 岩爆造成网片脱落

(b) 岩爆造成拱架下沉

3.1 岩爆预测

岩爆多发生在硬质岩中，发生部位主要以拱部、左右侧墙居多。岩爆的预测在现阶段仍在继续研究中，通过锦屏二级电站及引汉济渭工程的实践情况来看，目前较好的岩爆预测手段是微震监测系统[12-13]： 在不同隧道(洞)工程中，通过在滞后掌子面一定距离位置处打孔安设传感器，然后通过光纤传输数据至数据处理中心，利用电脑结合人工分析收集到的微震事件。利用微震监测系统可监测岩体内部的微破裂，运算分析岩体蓄能情况，实现未开挖岩体岩爆应力集中范围、岩爆强度的预测(目前对岩爆发生准确时间还难以预测)，并将所预测的岩爆可能性按轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆、极强岩爆4个等级进行划分，具体划分标准见表2。

表2岩爆等级超前评判与划分标准

Table 2 Advance evaluation and classification standard for rockburst level

岩爆等级频次矩震级能量/(×104J)超标准事件分布范围/m超标准事件数量轻微 <10 <1.0 <3 >300～3中等10～301.0～2.53～1020～30>3强烈30～602.5～3.510～8010～20>8极强 >60 >3.5 >80 <10>15

注： 1)8 m左右洞径的花岗岩地段大致可参照上表对岩爆规模进行初步判别，但还需结合岩体的倾向性指标及水文地质、节理发育情况来综合考虑与校正； 2)对于不同的工程，由于各项边界条件的不同，微震监测评估标准也存在一定差异，需要在实际过程中对数据进行不断修正，找到最合适的评判标准； 3)上述指标中，如分析评估出现冲突，其岩爆等级的评估优先级为能量>矩震级>频次>超标准事件数量>超标准事件分布范围。

3.2 超前预处理措施

强岩爆对施工人员及施工设备的威胁最大，通常需要等待岩爆应力释放后再进行支护。在隧洞开挖之前，应根据微震监测或应力测试等所预测出的岩爆规模、等级及应力集中部位，针对性地采取超前应力释放措施。由于TBM施工超前应力释放措施实施难度较大、用时长，一般岩爆等级较小时不宜采用； 在强烈岩爆地段，可利用超前钻机通过紧贴护盾实施钻孔(10～25 m)，或在刀盘正前方手持风钻打孔(3～5 m)，必要时可在钻孔内实施爆破。具体操作方案如下。

1)方案1。利用TBM设备上自带的超前钻机进行钻孔，钻孔范围为拱部120°，外插角15°，从护盾位置向掘进断面外圈扩散，钻孔深度为15～25 m，孔径为89 mm； 钻孔内装药进行爆破，从而在刀盘前方未开挖岩体中形成破碎区，实现应力的提前释放。方案1示意图如图3所示。

(a)

(b)

2)方案2。在刀盘正前方人工手风钻钻孔，操作平台为刀盘与主轴承之间的隔舱，隔舱宽度为80 cm。手风钻架设后通过刀孔、人孔向掌子面正前方施钻，施钻时需要临时拆除部分滚刀。根据现场情况，从刀盘圆心位置开始直径2.5 m范围内具备操作空间，在不拆除中心刀的情况下，9—24号滚刀刀孔与4个人孔可以进行钻孔，钻孔数量约20个，孔径50 mm，孔深正常为5 m，扣除刀盘厚度1 m,有效孔深为4 m，必要时可通过加接钻杆的方式增加孔深； 超前应力孔按照每m 2节药卷的方式间隔装药。方案2示意图如图4所示。

以上2种超前应力释放方式对比分析见表3。需要说明的是，如岩爆规模较大，刀盘内短距离超前应力释放不能满足要求时，可以利用TBM设备自带的超前钻机进行超前深孔应力解除工作。但由于超前深孔应力释放效率极低，同时应力解除爆破后不利于断面自身的稳定，一般情况下不推荐使用。

3.3 针对性治理措施研究

超前应力释放完成后，可开展TBM慢速掘进工作，掘进过程中需要及时实施护盾后相应的岩爆治理措施。

3.3.1 强烈岩爆治理

强烈岩爆可按照围岩出露护盾前岩爆与出露护盾后岩爆2种情况进行考虑，防治流程如图5所示。

(a)

(b)

Table 3 Comparative analysis of advance drilling stress release modes

钻孔应力释放方式优点缺点 超前钻机钻孔应力释放 1)一次性钻孔深度能够保障;2)孔径大,应力释放效果较好 1)单工序作业(占用整个L1区施工平台,初期支护工作停止);2)单循环工期长:在围岩强度180MPa左右的情况下,拱部120°范围内钻孔12个(孔深25m),加上锚杆钻机及超前钻机拆装时间,每循环共计25m(有效支护长度19m)的超前应力爆破施工时间为12d;3)掘进断面周圈爆破后成为了结构的薄弱点,可能加剧拱部围岩掉块,拱部初期支护强度需要加强 人工刀盘内钻孔应力释放 1)效率高:隔舱内可同时架设2把手风钻,如孔深4m,孔径50mm,1d之内完成钻孔;2)对TBM自身设备影响小,无须拆装锚杆钻机等支护设备,钻孔应力释放期间初期支护可同步开展 1)一次性钻孔深度不能保证;2)超前孔孔径小,应力释放效果不佳

图5 强烈岩爆防治工艺流程图[14]

3.3.2 极强岩爆段的处置

极强岩爆风险极大，目前在应对极强岩爆方面经验较少，稍有不慎将导致灾难性后果。在极强岩爆地段，应遵循“前方地质不探明不开挖、施工方案未充分论证不开挖、后部支护体系不稳固不施工”的原则进行防治，其工艺流程如图6所示。

图6 极强岩爆防治工艺流程图

3.4 掘进控制措施

强烈岩爆段掘进宜选择低转速、中推力、高转矩掘进参数； 极强岩爆地段一般需要停机进行支护。

强烈岩爆掘进参数建议值为推力8 500～11 000 kN,转速3～3.5 r/min，转矩1 550～1 850 kN·m，速度1.2～1.6 m/h。在强岩爆洞段，由于围岩强度大、地应力高，TBM 掘进的扰动会诱发岩爆，为降低对围岩的扰动，TBM掘进参数应较非岩爆洞段小。

4 强岩爆治理技术分析

4.1 当前较为合适的岩爆治理工艺与材料

1)喷水。喷水软化围岩是一项经济、有效的应力释放施工工艺，它是在隧洞掘进围岩出露护盾后，利用TBM设备喷水系统向掌子面以及拱部180°范围内喷射一定量的高压水。一方面,喷水软化周边围岩,降低岩石单轴抗压强度,从而有效地降低岩爆发生的几率和等级; 另一方面,在具备岩爆的高埋深条件下,隧洞地温一般较高,同时TBM设备运转将导致隧洞温度的进一步升高,围岩一般具有热胀冷缩的特性,及时喷洒冷水可以降低周边围岩的地温场,从而控制岩石在开挖后的过度膨胀,以达到降低岩爆发生几率和等级的目的。喷水工序在围岩出露后立即实施，连续喷水时间根据岩爆等级进行选择，轻微岩爆一般为2 h，中等岩爆一般为4 h以上。

2)预应力锚杆。涨壳式预应力注浆锚杆与砂浆锚杆相比，能大幅度缩短支护时间，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，可有效减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，在岩爆地段施工中能够发挥很好的作用。在岩爆稳定后，利用锚杆钻机实施钻孔，然后安装涨壳式预应力中空注浆锚杆(见图7)，锚杆长度根据岩爆等级不同采用2.5～4.5 m，本工程采用的锚杆直径为25 mm。

3)柔性钢丝网。柔性钢丝网(见图8)为全断面整张铺设，其采用锚杆锁固并被喷射混凝土覆盖后增加了锚网喷结构的整体性，从受力角度分析，效果较好。

图7 涨壳式预应力中空注浆锚杆

图8 柔性钢丝网

4)纳米仿纤维喷射混凝土。开挖揭示后裸露围岩应及时喷射高强度混凝土进行封闭，传统的喷射混凝土存在一次喷射厚度较薄，回弹率较大，凝结时间长，强度不高，抗压、抗折强度低等缺点，难以满足岩爆段支护要求。采用纳米仿纤维喷射混凝土(见图9)，其回弹率减少至12%(普通喷射混凝土回弹率一般接近20%)，并且可以短时间内实现喷射混凝土厚度大幅度增加，轻微岩爆破坏喷层发生掉块、剥落的现象也大大减少。通过现场检测可知，喷射混凝土与周围岩石的黏结强度大大提高，综合回弹率为8%左右； 喷射混凝土支护快，可在2 min内终凝，20 min内产生强度，2 h内强度达到3 MPa以上，1 d强度达到16 MPa(普通C20喷射混凝土28 d强度达到20 MPa以上)； 一次喷射混凝土厚度显著增加，可达35 cm以上。

(a) 仿纤维

(b) 喷射效果图

5)消能锚杆、拱架。在强岩爆地段，可能出现岩爆发生规模超过预期的情况。当支护体系全部完成后，如产生滞后性强岩爆，有可能破坏现有支护体系，因此，有必要在强岩爆地段安装部分消能锚杆(见图10)或消能钢拱架，以抵抗与缓冲岩爆一次性较大能量。消能锚杆与钢拱架中部需要单独设计成弹性连接，其连接方式要根据消能大小进行计算。

(a) 消能锚杆构造简图

(b) 消能锚杆实物图

6)径向应力释放孔。径向应力释放孔需要在岩体露出后采用锚杆钻机实施，其对于轻微至中等岩爆具有较好的抑制作用； 在强岩爆地段，径向应力释放孔目前的作用还不够明显，需要继续研究论证。一般强岩爆地段释放孔深度需达到2 m以上，布置在拱部120°范围内，采用梅花形布置，应力集中部位适当加密布置。

4.2 超前治理技术分析

对TBM施工而言，强岩爆地段应采取一定的超前治理，增加主动防治的占比。加大刀盘喷水、放慢掘进速度、调整掘进参数、超前应力解除爆破、超前锚杆等都是主动防护措施，且都起到了很好的效果。目前，国内外对于强岩爆的超前治理技术还处于摸索之中，如何尽可能对岩爆实现超前处理是一项难题。现阶段结合微震监测系统对岩爆等级进行了超前评判，但根据该系统在锦屏二级电站及引汉济渭工程的实际运用来看，现场多期预测比对验证后统计其预测准确率约为75%，还不能准确、详细评估各项超前应力解除方法实施后能量、应力调整及对比关系，因此,现阶段只能通过不断验证和总结规律来提高预测准确率，从而实现对超前应力解除效果的分析和评估； 此外，现场可以通过经验观察法对超前应力解除效果进行直观评价。超前应力解除作为超前治理技术的核心，其形式较为多样，如利用手风钻、超前钻机施作应力释放孔，或者直接采用小导洞进行超前应力解除，均具有一定的合理性，如何选取需根据实际岩爆蓄能情况和施工组织综合考虑和分析。

5 结论与讨论

本文通过对引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM施工段强岩爆地段施工措施的研究和分析，认为在强岩爆洞段应按照“超前探、短进尺、强支护、勤量测”的施工原则，遵循“前方地质不探明不开挖、施工方案未充分论证不开挖、后部支护体系不稳固不施工”的原则进行防治。主要分析和研究结论如下。

1)岩爆预测。目前较为有效的岩爆超前预测手段为微震监测系统，利用该系统监测岩体内部破裂情况，并对岩体蓄能情况进行运算分析，将所预测的岩爆可能性按轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆、极强岩爆4个等级进行划分，基本可作为制定岩爆防治措施的依据。

2)岩爆超前预处理措施。根据微震监测系统所预测的岩爆规模、等级及应力集中部位，可通过刀盘隔舱内人工手持风钻对掌子面打孔(3～5 m)或利用超前钻机通过紧贴护盾对开挖外轮廓实施钻孔(10～25 m)，提前对掌子面前方围岩进行应力释放，降低岩爆等级与规模。另外，可通过合理调整TBM各项掘进参数抑制岩爆发生的速率，减小岩爆对设备的损伤。

3)岩爆治理。在围岩出露护盾后，根据岩爆规模及塌腔深度及时采用φ22 mm钢筋排、预应力锚杆、消能锚杆、柔性钢丝网及型钢拱架对岩爆段进行及时支护，配合L1区应急喷混系统，采用纳米仿纤维喷射混凝土对岩面与支护体系快速封闭，降低滞后性岩爆破坏支护体系的风险。

借助上述施工方法，在一定程度上可以满足TBM安全快速通过岩爆洞段的需求。但在极强岩爆研究方面，因其破坏性极强，加之现阶段施工案例较少，应对经验还较为缺乏，应作为后续研究的方向。