深埋隧道岩爆预测及防治技术现状综述

汪 珂

(1. 陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，陕西 西安 710043； 2. 西安理工大学岩土工程研究所，陕西 西安 710048)

0 引言

高原地区的隧道通常为岩质隧道，大多数具有断面大、埋深大和高地应力等特点，因此常常遭遇岩爆等地质灾害的影响。高地应力导致岩块碎片剥离、弹射发生岩爆现象，对设备造成损毁，对人员造成伤害，从而延误工期并造成严重经济损失。世界上最早记录岩爆的历史可以追溯到18世纪30年代，发生在英国的莱比锡煤矿的岩爆[1-2]。从此以后，世界各地的煤矿硬岩矿山、岩石地下工程等先后发生各种规模的岩爆。工程界对岩爆的预测和处治进行了诸多研究，也取得了一系列成果[3-4]。周瑞忠[5]研究了静力平衡、强度破坏和断裂破坏三者之间的联系和区别，并对岩爆发生的力学机制和临界条件做出了解释。严健等[6]通过热力耦合的数值计算方式，得到了川藏铁路桑珠岭隧道围岩应力范围与温度的关系。尚彦军等[7]通过整理归纳影响岩爆发生的各种因素，得到了由岩体最大切应力、岩石的抗拉强度以及岩体完整性这3个独立参数所拟合出的用来评价岩爆烈度的关系式。谷明成等[8]对秦岭隧道的岩爆展开了深入研究，通过岩体物理力学测试、岩体原位应力测试，用岩性条件和围岩完整度预测了岩爆发生等级。张永双等[9]以高黎贡山越岭隧道为工程依托，展开岩爆模型试验，揭示出花岗斑岩岩爆现象的发育过程，即前期出现裂纹或者存在岩块剥落现象，随后开始崩射。

以上研究主要根据单个隧道揭示岩爆的力学机制、发展规律及防治技术，对于不同地质条件下高地应力隧道的建设难以起到参考作用。近几十年来，中国建成和在建的深埋长大隧道数量较多，如川藏铁路拉林段的巴玉隧道[10]、桑珠岭隧道[6]，川藏铁路成康段折多山隧道[11]，川藏公路雅康段二郎山隧道[12]，雅安—西昌高速公路泥巴山隧道[13]，秦巴山区的大巴山隧道[14]，米仓山隧道[15]，秦岭终南山隧道[16]，西康铁路秦岭隧道[17]，浙江地区的苍岭隧道[18]，江西地区的九岭山隧道[19]等。本文对我国已经修建的大面积出现过岩爆现象的隧道进行统计，分析总结岩爆预报、处置的新方法及岩爆地区隧道设计具体参数，以期为类似工程提供一定参考。

1 深埋隧道岩爆灾害及特征统计

1.1 岩爆灾害统计

针对单个隧道，在缺乏样本的情况下，难以得出系统性的结果。通过统计国内多个长大岩爆隧道，尤其对近年来川藏高原与秦巴山区众多岩爆隧道进行总结分析，以期为目前川藏铁路岩爆隧道及其他隧道的修建提供重要参考[20-22]。统计多个发生岩爆现象的隧道，对其所在区域、岩性、隧道类型、最大埋深等情况进行总结，如表1所示。根据统计结果可知，我国出现岩爆现象较为严重的隧道多发生在川藏高原和秦巴山区(见图1)。以往研究根据表中统计数据可知，岩爆隧道埋深均在700 m以上，主要为闪长岩等硬岩。

表1 发生岩爆隧道统计

表1(续)

图1 岩爆隧道分布概况

1.2 岩爆特征分析

通过记录岩爆后的现场特征，对岩爆的强烈程度进行分级，为隧道施工前降低岩爆危害做出应对措施提供依据和参考。根据秦巴山区二郎山隧道、秦岭隧道等隧道的岩爆处治经验，对岩爆进行详细分级以及特征描述，见表2。根据表中统计数据可知，岩体最大切应力与岩石单轴抗压强度的比值为判定岩爆等级的基本依据，并可根据表中声音特点、表观现象特点、损害程度等确定相应的预防手段。

2 岩爆评估及预警方法研究现状

2.1 设计阶段岩爆判据分析

对于岩爆高风险地区，隧道支护设计过程需要辨别不同地段的岩爆等级。设计初期，通过地勘资料确定隧道埋深、地热等信息，判定隧道是否存在岩爆风险。具体可通过试验探究岩石物理力学性质(如地应力、岩石单轴抗压强度等)对岩爆进行等级划分。另外，在开挖过程中，可借助原位试验测得岩体的二次应力对设计进行修正。

表2 岩爆分级及各级特征[36-37]

目前，关于岩爆预测方法的研究可总结为3类： 第1类是基于岩爆机制的岩爆判据方法，如 Russense判据、Barton 判据等；第2类是基于现场实测的岩爆预测方法，诸如微震法、声发射法等；第3类是基于岩爆影响因素的岩爆综合预测方法。第3类方法可以相对全面地考虑问题，较好地指导了工程实践，是目前岩爆预测研究的重点。第3类方法又可具体细分为2类： 1)基于岩爆指标判据的预测方法，主要有模糊综合评判模型[38]、物元可拓模型[39]、理想点模型[40]、云模型[41]等； 2)基于岩爆工程实例数据的预测方法，主要有决策树模型[42]、支持向量机模型[43]、神经网络模型[44]、贝叶斯判别模型[45]等。

岩爆分级依据众多，在设计工作中选择合适的判据及其重要。不同埋深、不同地区、不同岩性的情况下采用的判据是不一样的。前文介绍了国内部分岩爆隧道的基本情况，统计了隧道在修建过程中所用到的一些判据，可为同一地区相同岩性情况下的岩爆预测及处理提供借鉴。由于岩爆隧道数量较多，有的隧道岩爆分级中采用了多个判例。本文搜集应用效果较好的实例进行了分析，结果分类见表3。

表3 岩爆隧道分级判别指标

表3(续)

表中判据的应用效果分析： 折多山隧道按照波兰国家标准使用岩爆倾向性指数进行判断，预测结果与开挖后的实际情况相吻合； 二郎山隧道使用的徐林生判据，对设计中初步确定的岩爆区域进行了校准，并在施工中验证了其正确性; 拉林铁路桑珠岭隧道使用了陶振宇判据、王元汉判据，结果表明围岩应力释放过程中前期使用陶振宇判据更为准确，应力释放后期使用王元汉判据更为准确; 盆因拉隧道应用岩爆倾向性指数、强度脆性系数、变形脆性系数法以及Russeness判据，对于花岗岩、闪长岩等可能发生的岩爆等级均有着准确的预测; 米仓山隧道运用了陶振宇判据、Turchaninov判据，实际工程记录表明预测准确有效; 拉林铁路巴玉隧道对谷-陶岩爆判断依据进行修正，实测结果区域岩爆状态和岩爆等级与谷-陶岩爆判据预测结果高度相似。

从上述工程的分析可知，根据不同的围岩及埋深特征使用不同的判据有着诸多成功案例。在同一隧道的不同阶段采用不同的判据使得预判更加准确，例如盆因拉深埋隧道、米仓山隧道。对于工况类似的隧道可采用相同判据，例如拉林铁路桑珠岭隧道和米仓山隧道均采用了陶振宇判据。这10个隧道的最大埋深均超过了1 000 m，岩性均以花岗岩和闪长岩为主。以上所有的判据均离不开岩石的地应力及其他力学性质，因此需要借鉴岩性和地勘资料进行判定。判定定值通常是研究单个隧道得出来的，因此评判指标的定值不可任意套用。为了保证判定的准确性，在工程中可以采用多种判别式进行判别，同时通过实时监测法以及现场情况进行验证，选择出准确率较高的判别方式。典型深埋长大硬岩隧道岩爆统计结果见表4。

表4 典型深埋长大硬岩隧道岩爆统计

表4(续)

2.2 施工阶段实时监测法

通过仪器对地下工程岩体进行监测，在深埋状况下可以监测到掌子面前方一段距离的岩爆动向。国内外工程通常应用有微震监测法、声波发射法、回弹法、微重力法以及电磁波辐射法。声波发射法在高黎贡山隧道、秦岭终南山特长公路隧道实现了应用[15]。岩爆过程中会释放出能量从而发出一定频率的声波，掌握这一规律可以预测岩爆等级。但是不同岩形、不同大小的岩体所表现出的特征千差万别，规律难以准确掌握。通常需要实验室先得出其声发射特征，再进行应用。

近些年来，秦巴山区、青藏高原多处长大隧道岩爆实测手段常用微震监测法，并发挥了重要作用，如表5所示。

表5 微震监测法应用统计

3 岩爆的预防及处理

通过岩爆预测，对工程中存在较大可能发生岩爆的区域，根据岩爆等级进行“解除”、“防护”、“控制”。即通过改善围岩条件来解除部分围岩应力；合理选择防护方式，在不耽误工期的同时有效经济地选择治理岩爆的措施；采取合理的施工方法，减少对于围岩的扰动，降低岩爆发生频率。

3.1 改善围岩条件

3.1.1 物理力学特性

对于轻微岩爆段的处理，通常是在爆破后及时向掌子面、侧壁、碴堆采用高压洒水。根据米仓山隧道的经验，为尽量减少停留在掌子面前方的时间，主要采用的手段是： 采用5 L/s的水枪对隧道掌子面及隧道洞壁进行喷水，持续时间约为2 min，以降低岩体温度、除尘、湿润岩体、提高岩体的塑形、缓释围岩压力、降低岩爆的强烈程度。对于中等及以上的岩爆段，近年来青藏高原和秦巴山区处理中等岩爆段，采取高压洒水措施，利用高压水枪向钻锚杆孔以及炮眼孔内注水(见图2)后进行爆破，利用水压扩展原有裂缝，产生更多裂缝，从而降低岩体储存的弹性应变能[12,17]。

图2 掌子面高压洒水

3.1.2 应力条件

据统计，在中等及强烈岩爆段，在隧道侧壁及掌子面钻孔，允许岩体产生一定的形变，从而可有效地降低岩体的应力。同时在孔内注射高压水劈裂岩体，破松动围岩，提前释放应力，降低岩体刚性，减小地应力。各个隧道钻孔参数的统计如表6所示。应力释放孔分为深孔和浅孔，深孔通常位于掌子面中心，有正方形方阵分布或者扇形区域分布2种方式，孔深通常在10 m以上。浅孔通常位于拱脚部位，孔深为4～5 m[7]。打设应力孔释放应力通常用于岩爆中—高风险段落，统计了其中较为成功的应用经验，具体设计方案统计如表6所示。根据不同的岩爆程度和不同范围的岩爆区域分为浅孔爆破和深孔爆破，主要对掌子面上半部分进行应力释放。该措施工序较为复杂，在轻微岩爆段落不建议进行。在中等岩爆段落采用掌子面上半部分浅孔爆破，在严重岩爆段落，多采用拱部深孔爆破、掌子面正中心浅孔爆破相结合的应力释放方式。

表6 应力释放孔钻取参数

3.2 合理选择初期支护

3.2.1 支护参数

岩爆隧道所处地层岩性通常为花岗岩、闪长岩等高脆性岩体，围岩级别通常在Ⅲ级及以上。对于岩爆隧道的支护通常需要考虑岩爆发生的可能性以及等级。通过统计分析可以得知： 岩爆段应当适当增大预留变形量，在立架之后，喷射5 cm的钢筋混凝土或者钢纤维混凝土，待掌子面掘进至约10 m后再根据围岩情况分2～3次复喷至设计厚度。根据桑珠岭隧道、巴玉隧道、米仓山隧道[6,10,46]等建设经验，在Ⅱ级(中等岩爆)以上地段，最好打入涨壳式预应力中空注浆锚杆或者早强砂浆锚杆。与此同时，在柔性钢筋网安装完毕后，需要将锚杆外露端头进行横焊连接加固。根据调查的长大岩爆隧道各个岩爆段所使用的支护参数，筛选出施工中较为成功的应用经验。当具体参数如表7时，较为合理。

表7 支护参数

表7(续)

3.2.2 新材料新技术

岩爆所产生的动力常常造成钢筋网的冲击破坏，采用柔性防护网系统对围岩表面进行覆盖，该系统主要包括钢丝绳网、支撑 绳、涨壳式锚杆 3 个部分(见图3)。钢丝绳间通过卡扣固定(见图 3(a))，钢丝绳网与支撑绳之间通过缝合绳连接，支撑绳与涨壳式锚杆之间通过外露套环固定连接，涨壳式锚杆交错布置，四周及中心锚杆通过钻孔安装，深入围岩锚固(见图 3(b))。钢丝绳网及支撑绳通过预张拉，对整个岩面形成连续支撑，从而实现防护功能。钢丝绳网是防护网的主要吸能构件；钢丝绳网和锚杆是防护网的主要承载力构件；柔性防护网系统可以有效拦截轻微岩爆或中等程度岩爆所产生的弹射石块，抵御岩块的冲击作用[52-54]。

(a) 岩爆防护网平面

(b) 隧道中防护网布置断面

基于该技术形成一套高效快捷的支护方案，可提升工程进度，降低工程造价。具体流程如下： 1)光面爆破； 2)初次喷射混凝土； 3)围岩钻孔并打入锚杆； 4)架设钢筋网； 5)将钢筋网与先前打入的锚杆连接固定； 6)采取湿喷方式再次喷射混凝土至设计厚度。米仓山隧道[14]运用该工法，在施工效率增加了30%～40%的同时减少了工程总价，如图4所示。

(a) 柔性支护截面

(b) 锚杆细部

(c) 岩爆防护网构造细节

(d) 布置效果图

3.3 改进施工方法

3.3.1 钻爆法

据文献统计： 在实际应用中，采用光爆技术开挖的隧道形成了开挖轮廓光滑平整，保持了围岩的稳定性，岩爆段采取光面爆破能改善洞壁应力的分布，降低岩爆过程中能量的释放。光面爆破中通过优化辅助和周边炮孔等孔网以及相应的炸药单耗等参数(见表8—9)，可满足高地应力、多岩爆、大断面隧洞的安全开挖。

表8 高地应力地区光面爆破掏槽参数建议值[55]

表9 高地应力地区光面爆破炮孔参数建议值[55]

为避免爆破后的塌方，针对岩爆多发区域采用“短进尺，弱爆破”的手段。在爆破技术上，巴玉隧道采用“直眼掏槽”法，采取水压爆破的手段进行软爆破开挖；当处于轻微岩爆或中等岩爆段时，应优先考虑全断面法开挖；当处于强烈岩爆段时，上下台阶法则更为有效[10, 16, 56]。岩爆严重地段应遵循“先平导，后扩挖”的原则，其中小断面边界在全断面的外轮廓内1～1.5 m较为适合，在小断面开挖后，紧跟着扩挖，超前导洞在释放应力的同时，也有利于岩爆的超前预报工作。

循环进尺不宜太长，避免爆破后发生塌方，根据数据统计： 新二郎山隧道等轻微岩爆段每循环进尺最大长度为3 m，基本不超过3 m。对于中等岩爆、强烈岩爆地段，采用上下台阶法开挖，米仓山隧道上台阶循环进尺控制在2 m以内，拱部适当加长至4.5 m；秦岭铁路隧道 Ⅱ 线中等岩爆、强烈岩爆地段采取每循环进尺2 m；巴玉隧道强烈岩爆地段循环进尺控制在2 m以内。据统计： 轻微岩爆段，单次进尺长度不超过3 m；中等岩爆段，单次进尺长度为2 m；强烈岩爆地段，单次进尺长度不可超过2 m。另外，通过新二郎山隧道等多个隧道的统计发现，隧道爆破结束后的5～10 h、10～15 h发生频率最高。工程中，在轻微岩爆段可不考虑施工待避，在中等岩爆段待避时间3～5 h。强烈岩爆段开挖过程中,以围岩趋于稳定阶段每天累计收敛值1～2 mm为最佳支护时间。

秦岭终南山公路隧道[16]在掘进过程中，采用三臂凿岩台车有效地避免了岩爆对施工人员的危害。同时，在支护过程中，对台车及施工人员进行防护，并保证时刻巡视，掌握围岩动态(见图5)。随着施工方法、装备的提升，施工组织水平也相应提升。这些优秀的经验可以借鉴到每个岩爆隧道的施工工作中去。

图5 防护及处理手段

3.3.2 岩石掘进机法

从川藏铁路规划的趋势来看，越来越多的隧道使用钻爆法结合TBM等高度械化配套的施工方降低施工人员风险。甘肃武九高速高楼山隧道、秦岭隧道 Ⅰ 线隧道等隧道使用了TBM辅以钻爆法开挖。表10为根据秦岭隧道 Ⅰ 线隧道岩爆段记录的施工数据，可供后续工程参考[18,57]。

表10 秦岭隧道岩爆段与非岩爆段TBM掘进情况比较

岩爆风险段隧道，TBM的改进措施主要有：

1)增加掘进直径。采用增大削刀掘进直径，形成一定的变形空间。

2)提供最大脱困转矩。当TBM出现卡钻或受困时，前方刀头在油压的驱动作用下变速反转，从而脱困。

3)改进TBM设施。在尾盾安置多功能钻孔系统，为地质钻探和灌浆支护等服务。

4)TBM和钻爆法混合使用，以便提高工作效率。

5)选用合理的TBM掘进参数。

6)及时地对开挖面进行有效支护，缩短围岩暴露时长，防止岩爆再次发展。

7)对于不同岩爆地段采取不同的防治措施，面对较强岩爆时，为避免出现安全事故，可选取“先平导，后扩挖”的施工手段。

据调查，当掘进机参数如表11时，施工能取得较好的效果。有利于降低施工材料的损耗、节省掘进循环时间，从而降低生产成本。

表11 岩爆段与非岩爆段TBM掘进参数比较

4 结论与讨论

1)根据中国近年来修建隧道发生岩爆的案例统计可知： 其地层主要为闪长岩、花岗岩等硬岩，埋深绝大多数在700 m以上。工程上，根据岩爆发生时的特征进行了分级，在设计阶段可通过岩体物理力学性质进行岩爆等级划分，这些判别式通用性较强，判别标准的数值适用于判别岩性、埋深相近的隧道。对于同一个隧道宜采用多个判别式进行相互印证，现场监控量测以及观测可以作为制定判别标准的依据和有效性验证手段。

2)在岩爆防治阶段，根据不同的岩爆等级，总结提出了不同等级围岩段落的初期支护适用的参数；针对钻爆法，通过对比总结，细化了不同岩爆段落的开挖方法、进尺长度以及相应的等待时间。

3)目前，判别式的使用仍然未有明确的衡量标准，不同地区、岩性、埋深的隧道的岩爆判据相差较大。随着高应力地区隧道的大量修建，收集采集相关数据建立资料详实的数据库将成为解决该问题的重要途径。

进一步研究的意义与建议： 1)目前关于岩爆的判别式种类较多，可建立岩爆监测数据库，利用机器学习算法结合现场情况进行AI判定和预测； 2)在施工过程中实时反馈，不断地修正、完善岩爆分析的大数据库和专家分析系统，将众多判据形成一套准确快捷的评判系统； 3)随着无人机、机器视觉及信号采集技术的发展，可利用无人机在施工现场布置微震监测系统及声波发射装置，代替人工巡视及声波信号采集，避免岩爆信息采集过程中的危险； 4)利用多光谱兼热成像技术，测量岩爆发生时的热成像图谱； 5)利用XTDIC系统结合数字图像(DIC)及立体视觉技术，通过追踪斑图像，实现岩爆过程位移场及应变场的全过程监测，可以精确记录围岩动向，测量岩爆发生时的围岩动向； 6)采用MatDEM建立岩爆离散元模型，利用能量迭代算法准确模拟岩爆过程。