TBM施工引水隧洞岩爆预防与处理方法——以新疆某引水隧洞施工为例

蔺凤林

新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000

1 工程概况

新疆某引水隧洞工区内地质条件复杂，深埋隧洞段位于阿尔泰山南麓侵蚀构造中山区，主要是受地壳应力场挤压和右旋作用形成隆起区，新构造运动期间又被一系列以NWW向的压性断裂和以NW～NNW向的压扭性断裂切割成断块，依次错落和斜翘，形成阶梯状的断垒隆起，水平和垂直升降运动显著。隧洞上覆岩体厚度为600～720m，围岩为华力西晚期侵入变质花岗岩、闪长岩及奥陶系二云母石英片岩等，为中～坚硬岩，岩石强度一般，节理裂隙不发育，岩体完整。岩石具有弱片麻理、片理结构，隐节理发育，片理产状与主压应力方向大致相同或交角很小，地下水贫乏，深埋隧洞段具备发生岩爆的地质条件。TBM开挖洞段上游引水隧洞长度为15.15km，采用开敞式TBM开挖，刀盘直径为7.8m。经前期勘查所得，隧洞区围岩实测最大主应力值可达23～27MPa。

2 隧洞岩爆预测

岩爆预警的作用是及时了解岩爆是否存在，预判岩爆等级，以根据岩爆等级采取相应的支护措施。该隧洞中某段主要由东北大学采用岩爆微震监测系统进行岩爆等级预警。在初始地应力场应力值较高，可能岩爆区域进行微震监测，结合工程地质类比法进行宏观预报，及结合施工经验进行综合分析。岩爆的发生机理与区域构造、地层岩性、地下水活动、结构面发育程度有密切联系，一般区域构造活动强烈、岩石坚硬、结构面不发育、地下水活动微弱、地应力高、新鲜脆硬性干燥岩石深埋部位洞段易发生岩爆。应在施工期间进行必要的围岩检测，如变形检测、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。

3 隧洞岩爆特征及成因

3.1 岩爆特征

（1）应变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20～30cm，且伴有爆裂声响。

（2）应变结构面滑移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，也表现为隧洞底部由于应力挤压造成底部隆起等现象。

3.2 岩爆成因

岩爆位于拱顶及拱肩的情况较多见，岩爆等级为轻微～中等。隧洞发生岩爆的过程中，刚开始能听到岩石被挤压和折断的声音，多为轰雷声和爆竹声，声音较脆。随后部分岩石会出现爆裂并伴随坠落的现象。岩石的母体会从岩石壁中弹射而出，使隧洞发生坍塌性的现象。隧洞发生岩爆时，都是瞬间发生的，这在一定程度上使得岩爆的防治与预测工作较为困难，并且隧道岩爆发生的时间也存在一定的不确定性。

岩爆发生的原因是在开挖或其他外界扰动下，地下工程岩体中聚积的弹性变形势能突然释放，导致出现围岩爆裂、弹射等地质灾害现象。岩爆通常在开挖形成临空面，并积聚一段时间应力后产生。

4 TBM岩爆洞段施工措施及处理方法

4.1 岩爆洞段施工措施

预警围岩中存在岩爆时，现场施工单位结合地质情况应遵循“以防为主，防治结合”原则，积极主动采取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小。隧洞施工过程中，要充分考虑岩石的高地应力及其自身的压力强度，以免因负荷过大而导致坍塌现象发生，在最大程度上满足隧洞岩石的强度理论，让隧道岩爆的发生概率降到最低。岩爆洞段解决措施一般有开挖优化、应力释放、支护优化，以降低岩爆风险。

在深埋隧洞段或高应力区，要调查岩爆地段的地质条件，观测记录岩爆的规模、岩爆的位置和范围、延续时间、岩块大小、形状及岩爆发生时间与掘进的关系。预警存在岩爆洞段施工过程中，要及时观察露出护盾围岩情况，判定岩爆是否已经在护盾里面发生。岩爆具有滞后性，露出护盾之后也要随时观察岩体表面是否存在剥落现象，现场认真判定岩体内部发生的各种声音。

针对岩爆等不良地质地段，施工方应准备相应的预防预报、应急技术预案等措施，备足有关的应急机具和材料。隧洞岩爆并不是自然地质灾害，而是与隧道的施工技术息息相关。科学合理的隧洞施工技术能够在最大程度上减少隧道施工中发生的岩爆现象。

4.2 不同类型岩爆洞段处理方法

岩爆洞段围岩类别判定应严格根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487—2008）附录Q和《水力发电工程地质勘察规范》（GB 50287—2016）附录T（岩爆特征和岩石强度应力比判据）综合判定，确保岩爆等级的准确性，不同的岩爆等级采取不同的支护方式。

（1）对于存在轻微岩爆洞段，施工时可通过掌子面及洞周围岩喷水对易产生岩爆的岩石起到一定的软化作用，促使应力释放和调整，适当改变岩石力学性质，降低岩石的脆性，采取锚杆钢筋网（可采用150mm×150mm或100mm×100mm的小网格网片）加拱架的支护方式。

（2）围岩露出护盾后，在确定的岩爆条带两侧各超宽1m范围内挂钢筋网并设置土25砂浆错杆，锚杆长度为2m，间距1.5m，呈梅花状分布。在180°范围内喷射C30砼封闭，喷砼厚度为15cm。根据现场岩爆的危害程度，由现场确定提前采用应急喷射砼封闭围岩。可根据岩爆掉块大小及分布范围，现场确定采用钢筋对钢筋网进行环向加固。岩爆形成围岩崩坍体积较大时，应及时采取应急喷浆系统进行喷砼支护，必要时安设格栅拱架。

（3）应力集中轻微岩爆～中等岩爆段，要及时对漏出护盾岩石进行锚杆、钢筋网、钢筋排及拱架加强支护，防止岩爆松动圈岩石继续释放应力，应及时喷射混凝土封闭围岩，提高整体防护作用。对于轻微、中等岩爆洞段，可将锚杆钻孔作为应力释放孔，必要时向孔内喷灌高压水软化围岩，以释放部分地应力。岩爆段初喷射后，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现象，确保施工安全。

4.3 预警中～强岩爆及发生岩爆后的措施

（1）加强对露出护盾围岩的观察，观察掘进参数，观察出渣量情况，认真判定岩体内部发生的崩解声音等。

（2）安排专职人员及时进行岩爆后排险工作，及时加强支护，加强巡回检查和危石处理，杜绝崩落的岩石砸坏设备或伤害人员的现象发生。

（3）对开挖易产生较大塑形变形的围岩及高地应力中等岩爆段围岩，可采用合成纤维喷射混凝土。对于围岩松散掉块或中等岩爆地层，TBM施工中可使用钢筋排结合钢筋网进行支护，钢筋排和钢筋网应存在20cm的搭接长度。对于Ⅲ b类围岩洞段，除顶拱局部掉块、塌方段、中等岩爆段可采用钢筋排进行支护外，一般应以钢筋网支护为主，禁止过度采用钢筋排进行支护。

（4）隧洞施工过程中加强人员和设备的管理防护，加强监测，要妥善保护监控量测的元器件，并有显著的安全标识。在岩爆地段埋设量测元器件，必须在对岩爆进行了妥善处理后进行。

5 结论

综上所述，TBM施工岩爆段隧洞工作具有重要意义，围岩出护盾后，若听到轰雷声和爆竹声，且声音较脆时，是岩爆的前兆，需予以重视。对此，要进一步优化预警模型，提高预警准确率，为接下来的岩爆风险动态调控奠定良好基础。围岩露出护盾时，要根据地质、岩爆程度等及时挂钢筋网、布置锚杆。对岩爆烈度较高处增设一定的钢拱架支撑。要改变围岩强度，降低岩爆发生概率，防止岩爆的继续发生。