高地应力下洞室岩爆防治原则及方法研究

2022-12-15王修华马行东袁国庆

水电站设计 2022年4期

王修华，马行东，袁国庆

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前言

许多位于西南高山地区的地下工程己经或即将开工建设，在这些地区修建的地下工程普遍具有埋深大、洞线长、地下水丰富、地质条件复杂的特点，因而在设计和建设中会遇到一系列特殊问题，如高地应力、高外水压力、高压涌水和岩爆等，其中尤以岩爆最为突出。岩爆是一种在深埋地下工程施工过程中常见的动力破坏现象，当岩体中聚积的高弹性应变能高于岩石破坏所消耗的能量时，岩体结构平衡被破坏，多余的能量就导致岩石爆裂，使岩石碎片从岩体中剥离、崩出，对施工安全威胁很大［1］。

岩爆灾害往往造成开挖工作面的严重破坏，造成岩爆设备损坏、人员伤亡，形成超挖、影响施工进度、增加成本、早期支护失效等问题，甚至在严重时，还会诱发地震。目前，主要通过一些工程措施减轻或避免岩爆。依据岩爆发生的必要条件，可以考虑从如下3个方面减小或消除岩爆危害：降低围岩应力集中水平；改变围岩性状，降低其脆性或使其存储的能量提前释放；采用合理的手段进行支护，提高岩体径向支护压力。

总体而言，岩爆问题应以“以防为主，防控结合”为指导思想。从发生的岩爆的工程实例来看，在现有的技术水平下，如果能够较精确预测岩爆等级，采用目前的防护措施可以有效的降低岩爆的危害，如果预测的岩爆等级产生偏差，可能会导致设备损坏，人员伤亡或者造成施工成本增加，岩爆防治的效果主要依赖于岩爆预测的准确程度。为此，开展系统的岩爆研究，探索新的岩爆预测方法和理论模型，对提高岩爆防治技术水平具有重要理论价值和实际意义。

世界各国在防治岩爆的实践中，总结了许多防治方法，总结起来有：改善围岩应力、改变围岩性质、加固围岩、改善施工方法及防护等。

1 岩爆防治原则

岩爆防治应针对不同岩爆等级、不同危害的岩爆有针对性的加以防范，应以“安全第一、综合分析、以防为主、防控结合、科学处理”为指导思想。

（1）深埋地下洞室岩体中赋存的高地应力是围岩开挖后发生破坏的主要因素之一，因此，在勘察阶段就需要充分论证工程枢纽区的地应力量级、方向和分布状况。调查方法主要包括地质分析、地应力测量、围岩变形破坏的经验（反）分析等。

地质分析是地应力调查的基础，以构造地质分析为主，包括依据地质构造形迹的历史构造地应力分析以及现今地壳运动特征的现今构造地应力分析。一般而言，构造格局形成时间越早，历史构造地应力格局与现今地应力场之间的差别可能更大。现今构造地应力场的分析方法可以采用震源机制解了大地位移解获得。地质分析中还需要调查近代地表地质作用的方式和程度，地表抬升和剥蚀强烈时，剥蚀导致的应力释放以垂直方向较水平方向强烈，因此可以导致水平应力与垂直应力比值的增大，而沉积使得水平应力和垂直应力之比减小。

地应力测量一般采用水压致裂法和应力解除法。单点地应力测试成果代表岩体局部范围内的局部地应力，应根据较大范围和较多的地应力测试成果进行回归分析，结合地质分析获得工程区的初始地应力场。判断初始地应力场方向的另外一种方法是利用钻孔、勘探平洞中出现的高地应力破坏现象进行反分析的方法。需要注意的是，深埋隧洞室中往往存在3种典型地应力带，即隧洞进水口区域和出水口区域的河谷地应力带、隧洞中段的重力应力带，以及在断层（或节理）穿越区域的断层应力带，3种应力带的分布特征和对围岩破坏的作用有显著差异。

（2）在规划阶段，工程选址就应考虑尽量避开可能发生严重岩爆的地区。无法避让时，应尽量使地下洞室长轴轴线方向与最大主应力方向平行或小角度相交，减小洞壁的切向应力的集中水平。

（3）在设计阶段，根据岩爆发生的必要条件，减小或消除岩爆危害可符合下列规定：改善围岩应力，降低围岩应力集中水平；改变围岩性状，降低其脆性或使其存储的能量提前释放；采用合理的手段进行支护，提高岩壁岩体径向支护压力；改善施工方法及防护。

（4）在施工阶段，利用现有的勘测资料，首先开展概念模型建模及数学模型建模工作，经过三维有限元数值运算、对洞室不同开挖工序的模拟和反演分析，进一步确定施工当中哪些部位和桩号较易发生岩爆以及发生岩爆区域地应力的数量级，优化施工开挖方法和支护措施，为施工过程中岩爆的防治提供理论参考［2］。

在施工前，现场作业人员应了解其地质特征，针对可能出现岩爆的地段采取积极主动的预防措施和强有力的支护方案，确保岩爆地段的施工安全；技术人员、安全人员等应充分理解岩爆的特点及其危害的严重性，全体施工人员思想上高度重视，将岩爆发生的可能性及危害程度降到最低。

在施工过程当中，应加强超前地质预测，可采用综合方法判断可能产生岩爆高地应力的范围，预报地应力的大小以及岩爆发生的可能性［2］。

2 岩爆防治方法

岩爆防治主要有改善围岩应力条件、改善洞室围岩物理力学性能、加固围岩等措施以及完善施工支护工作来防治岩爆。

2.1 改善围岩应力的方法

从强度理论角度看，岩爆是一种破坏，伴随着破坏释放能量而造成震动、抛突、坍落、堵塞等灾害，因此如果能使围岩应力小于围岩强度就不会发生岩爆，要达此目的有以下几种方法：

（1）慎重确定地下洞室穿行方位。在设计阶段，选定地下洞室穿过方位时，根据区域性构造地质所提供的资料，尽可能回避处于活跃期的褶断带，不要使洞室的施工造成大的、老的构造复活或形成所构造的诱发因素。这就可避免承受复杂而巨大的地质应力的破坏作用，也包括施工中的岩爆袭击。

（2）在布置地下工程时，应尽量使长轴方向与最大主应力平行，这样可以减小洞壁围岩的切向应力。

（3）在开挖爆破时，采用短进尺、多循环亦可以改善围岩应力状态。

（4）选择合适的洞形，以改善围岩应力状态。

（5）采用释放应力孔，掌子面打孔释放应力。

（6）改变导坑段面形状：在开挖过程中，改变导坑断面形状，将通常采用的梯形面改为弧形拱顶。这不仅减小了围岩压力，更重要的是有利于岩层隐藏的弹性势能从急变缓地释放，也改善了临时支护受力状态。适当提高拱顶开挖高度，一般提高0.3m，有利于衬砌混凝土施工时时临时支护的拆换和模板的安装。

（7）断顶法。这是门头沟煤矿长期摸索出来的一种治理冲击地压的方法。断顶法的施工要点和主要目的是：在待采煤体隔离煤柱一侧的老采空区内，对大面积悬空顶板进行人工强制局部崩落，形成宽约6m，深为6～8m的一条沟，用以人工调配顶板应力分布，减小待采煤体开采后的应力集中，削弱空区顶板与待采区顶板岩层的力学联系，防止冲击地压。

（8）回填法。回填法在南非金矿中用得较多，在采空区回填废碴，回填有两个优点：一个是可以减少矿坑跨度，减少最终收敛量以及每一次回采矿中的诱发位移；二是围岩压密回填物质必然做功，围岩可以释放能量。

（9）解除应力法。人为地解除应力的方法是较为主动的方法［3］。该方法是在预计可能发生岩爆的洞段内，通过人工进行垂直于掌子面的超深钻孔施爆工作，造成掌子面内相当深度的地方成为一个破碎带，以减轻掌子面上的压力，从而使岩爆的烈度和影响范围降低，从而保证施工人员的安全，这种人工解除应力的方法还可以产生增大掌子面破裂带宽度的效应，产生把高应力峰值从掌子面移动到实体岩石的效应，以及产生把高应力峰值从掌子面移动到实体岩石的效应。但实施该方法也有一些问题，主要有应力解除孔的钻进深度、装药量以及时间间隔等，应根据现场的实际情况而定，但一般在掌子面前应确保最少有几米厚的破碎岩石缓冲带存在［3］。多次实践证明，实施应力解除的结果，不仅可以用于减少一般岩爆的影响，而且还可用于那些为数不多的严重岩爆中，由此而使因岩爆引起的伤亡人数和延误的施工时间显著减少并在心理上给予施工人员极大的安慰。另外，在进行人工应力解除爆破的同时偶尔发生的轻微岩爆，防止了突发性岩爆条件的形成和猛烈岩爆的发生，这一点对不可避免的岩爆发生来讲，是控制岩爆发生的重要手段。对于人工应力解除措施未能防止岩爆发生的情况，可能与岩石的残痕以及因自然原因或人工原因应力已被解除的地方有关。应力解除法的应用经实践检验证明，不仅原理正确，而且能够实际应用，是防治岩爆的有利措施之一，同时其存在问题有待在实践中继续探索改进。

2.2 改变围岩性质的方法

2.2.1 钻孔压力注水法

应用钻孔水力劈裂法向孔内进行高压注水，使岩体产生裂缝，从而达到缓减应力集中、减弱岩爆的效果，这也是常用的一种措施［4］。

在中国的煤炭部门，普遍采用对煤层预注水法来改变煤的变形及强度特性。煤试样浸泡水之后，动态破坏时间增长，能量释放率明显降低［5］。

煤层压力注水通常有两种方法，第一种是通过压力预注水的方法，在煤层开采前使煤体湿润，减弱或消除煤的冲击能力，这是一种积极主动的区域性防治方法。第二种方法是在工作面的前方，对局部应力集中带进行高压注水，以减缓应力集中，解除冲击危险，是一种局部解危措施。

2.2.2 表面喷水法

爆破后应立刻向工作面及附近洞壁岩体喷洒高压水，增强塑性，降低岩体的脆性和岩爆的剧烈程度，同时可以起到降温除尘的效果。也可使用炮孔和锚杆孔向岩体深处注水，也可获得更好的效果［6］。

2.3 加固围岩的方法

对已开挖的洞壁进行加固以及掌子面前方的超前锚固，其作用有两个：第一，改善掌子面及1～2倍洞径洞段内围岩的应力状态。由于支护的作用，不但改变应力大小的分布，而且还使洞壁从单轴应力状态变为三轴应力状态。第二，防护作用。防止弹射、塌落等事故。一般加固方法有以下几种：

（1）喷混凝土法。此法可用于弱岩爆洞段。对岩壁进行喷混凝土，厚度一般为5～10cm。

（2）喷钢纤维混凝土法。喷钢纤维混凝土，由于钢纤维混凝土具有较大的柔性和抗剪能力，因此，能够承受较大的变形而不使表层开裂。钢纤维混凝土比较适合处理轻微岩爆。

（3）锚杆法。锚杆是加固和治理中等岩爆最有效的方法之一，及时施作锚杆不仅可以加固岩体，还可以改变洞壁岩体的应力状态，改变岩爆的触发条件，控制岩爆发生的前两个阶段的发展，从而达到防止岩爆发生的目的。锚杆应在离掌子面两倍洞径范围内施作，或超前施作；锚杆长度一般大于2.5m，间距一般视现场情况定；锚杆的种类通常选用膨胀锚杆、摩擦锚杆、机械式锚杆。

在日本关越隧道，为防止掌子面岩爆飞石造成伤亡，进行短进尺爆破。将原计划的3m改为0.9～1.2m，掌子面采用3m长的锚杆进行锚固，爆破后锚杆剩余长度起加固作用，然后再用3m长锚杆进行锚固，锚固后再打炮眼，进行下一循环爆破。在挪威Hyanger-Lanefjord隧道中，用系统锚杆及钢纤维喷砼加固发生岩爆的洞壁。在挪威Sima电站地下厂房，发生严重岩爆，用3～8m长的锚杆锚固，并进行挂网喷混凝土处理，取得了满意的效果。在瑞典的Ritsen地下厂房交通洞中，顶板连续松脱，每月加深0.5m，用锚杆阻止了劈裂的扩展。

（4）喷锚法和挂网喷浆法。当岩爆后残留岩片较多且危及安全时，可采用喷锚法处理，用锚杆加固后再行喷浆，锚杆深度一般为3～4m，间距1～2m；当残留岩片较普遍时，则需采用挂网喷浆法以防掉块。

（5）锚网喷联合支护。采用锚网喷联合支护，适用于中等和强烈岩爆区，除了安装系统锚杆外，还可配合挂钢筋网和喷混凝土，也可用喷钢纤维混凝土代替挂网喷护。

（6）钢拱架支护和混凝土衬砌支护。采用钢拱架支护和混凝土衬砌支护，适用于强烈岩爆区，钢拱架安装完成后，应及时喷射混凝土，喷射时分层、分段进行，钢拱架应全部被混凝土覆盖。

（7）开缝式锚管支护。在美国爱达华州的某矿井，对因埋深大及岩体内存在水平应力等原因，导致该矿开采面及附近地区出现的震级达2～6级。岩爆的解决办法是采用开缝式锚管，对认为可能发生岩爆的区域进行支护，其具体方法是先用风钻或钻车沿隧洞的纵向和横向，间隔1.8m钻直径为35mm的孔，再用风钻或钻车将直径41mm的开缝式锚管压入孔内，然后将锚管的尾端板紧固的支护顶拱或边墙的垫板（0.3m×2.4m2）上。这种用开缝式锚管解决岩爆的方法经实践证明，能够抗住上述量级的岩爆，且具有装设方便、立即起到支护作用的优点。

（8）Swellex锚杆支护。日本钟钩高速公路第二隧道在施工时多次发生岩爆，施工单位曾试用玻璃纤维锚栓以及用树脂粘固的钢筋栓等方法防治，都未能奏效，爆破后锚栓脱落，岩爆继续发生。后经多次试验研制出Swellex锚杆，满足了防治岩爆的要求。在爆破后仅锚栓外端被炸掉，其余部分仍留在岩体中，从而对工作面起到支护作用，使之不受岩爆干扰。具体做法是将安放在凿岩台车上的22根4m长的锚栓垂直插入工作面，并向内延伸再进行钻爆。爆破深度1.5m，锚栓炸断后在岩体内尚遗留2.5m起支护作用，随后进行喷锚支护，再进行掘进的工作顺序。这种锚栓具有稳固岩体、阻止岩爆且无需水泥灌浆或树脂处理、收效快的特点，它可以使工作面岩体的部分应力由22个锚栓孔释放出来。Swellex锚栓材质坚硬且具有可压缩的特点，能够阻止岩块滑动，保持较大的约束力，在锚栓卡盘下放置木块，可以调节因岩石破碎所产生的应变，并使岩体快速平移卡住锚栓间岩体碎块。对中等至严重岩爆防治时，要配以喷混凝土和钢筋网共同使用，使用证明，它能够有效防治岩爆。

（9）新材料。纳米钢纤维混凝土，纳米仿钢纤维混凝。纳米混凝土拌和物和易性好，利于施工，抗压、抗拉强度较高，抗裂性能较好，一次喷射厚度大，适用于隧道强岩爆地段岩爆防治。XPM纳米材料是新型无机纳米级多效、多功能外加剂，它集减水、增强、速凝为一体，能够降低喷射混凝土的回弹量、降低洞内粉尘、提高喷射混凝土早期的抗压强度、提高一次性喷射厚度、提高喷射混凝土的抗渗效果。

（10）新工法。①水胀式锚杆：施工速度较快，不进行注浆，但只能作为临时支护，可施加一定的预应力。②涨壳式中空预应力锚杆：施工速度快，并能迅速形成锚固力，可后注浆，注浆质量有保证，可避免施工人员在围岩下暴露太长时间，并能作为永久支护。③防冲抗爆恒阻大变形锚：大变形抗岩爆锚杆能随围岩变形多次吸收能量，从而抑制岩爆的发生，并且可通过安全监测数据的变化进一步采取防范措施。

2.4 改进施工方法

2.4.1 钻爆法

岩爆多发区采用“深预裂，短进尺、弱爆破”，轻微或中等岩爆可考虑全断面法，强烈岩爆“上下台阶法”，岩质岩爆“先平导，后扩挖”。

2.4.2 岩石掘进机法

TBM改进措施主要有：（1）增加掘进直径，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，在尾盾布置多功能钻孔系统，为地质钻探或灌浆支护等服务；（4）TBM和钻爆法混合使用，以便提高工作效率；（5）选择合适的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”。

2.4.3 其他改善施工方法

（1）将深孔爆破变为浅孔爆破，减小一次装药量，增加不同部位炮眼的雷管段位间隔，从而延长爆破时间，降低爆破对围岩的影响，削弱爆破动应力场的叠加，减少岩爆频率和强度。（2）改变洞室的开挖断面形状，把洞室直接或近似开挖成相应于岩爆后围岩稳定的洞室形状，如“A”字形、不规则的梯形等，从而减小岩爆的程度。（3）在强烈岩爆区用台车打应力释放孔［7］。

不同的施工方法其防治岩爆的方法也不同，例如对于钻爆法和TBM施工法其防治方法就不尽相同。

①钻爆法施工段防治措施。目前在建的双江口水电站主要是用钻爆法施工，采用应力解除爆破的方法是进行岩爆控制的主动手段。应力解除爆破的目的是解除或降低应力集中区部位的高应力，爆破区域应位于应力集中区范围内，并以能有效解除或降低应力为原则。为尽可能降低施工干扰，现实中的应力解除爆破多结合在正常的开挖爆破过程中实施。采用应力解除爆破时，开挖进尺原则上以不超过2m为宜，孔深为进尺的2～2.5倍。

钻爆法开挖洞段岩爆防治采取了积极主动的预防措施和强有力的支护措施，确保岩爆洞段的施工安全。主要是采用控制爆破和锚喷支护，即短进尺控制爆破开挖，强烈与极强岩爆洞段要求配合应力解除爆破开挖，以下是一些具体措施：

隧洞开挖必须采用光面爆破。必要时，应力解除爆破技术作为高地应力区日常性爆破作业的一部分。

出渣后立即对开挖掌子面以及周边岩壁进行危石清除作业，然后进行高压水冲洗［4］。

观察现场状况，根据岩爆预警监测结果决定是否回避。极强和强烈岩爆洞段开挖前应考虑掌子面的喷护以及超前锚杆预支护措施［4］。

具备施工安全条件后，立即进行钢纤维混凝土施工，保证喷层厚度和质量，初喷厚度一般为8cm。

完成喷层施工后，立即进行锚杆施工，如临时支护，可采用水胀式锚杆。

对已挖洞段围岩应力变化及深部围岩破裂微震及时进行监测和预警工作，以指导现场加强支护施工或临时撤退规避。

采用多臂台钻机械化作业，严禁采用人工钻爆方式，避免强烈岩爆引发人员伤亡事故。

②TBM法施工段防治措施。受TBM设备结构的限制，几乎无法对掌子面前方3m和掌子面后方5m的微震源主要分布区域和岩爆高风险区实施有效的人工干预措施，也无法对这一范围的围岩实施有效支护。TBM掘进条件下一般只限于对岩爆发生后的事故处理具体如下：

轻微岩爆。TBM按正常的速率掘进；掘进后尽快对新开挖面进行纳米钢纤维混凝土等喷护处理，确保TBM掘进掌子面后未支护长度不超过3m；对喷护段围岩立刻实施系统锚杆处理，部分可采用机械式胀壳预应力锚杆进行快速加固，随机配合槽钢拱架或钢筋拱肋加固［8］；及时完成其他系统支护。

中等岩爆。降低TBM掘进速度；掘进后立即对新开挖面进行纳米仿钢纤维混凝土等喷护处理，确保TBM掘进掌子面后未支护长度不超过护盾长度；对喷护段围岩立即实施挂网处理，使用预制钢筋网，采用垫板与锚杆连接的方式固定，与锚杆系统形成完整的支护系统；在挂网施工的同时进行防岩爆快速锚固处理，视现场潜在岩爆程度，采用机械式胀壳预应力锚杆，配合系统型钢拱架进行系统初期支护，并与表面支护措施（网、喷层和钢拱架）构成支护系统［8］；在早期快速锚固后，尽快安装系统性永久锚杆。

强烈岩爆或剧烈岩爆。施工时应在这些洞段加强微震监测和岩爆预测工作，一旦进入潜在强岩爆高发洞段，需要采取非常措施提前解除掌子面前方岩爆风险，利用钻爆法在TBM掌子面前方预先开挖超前导洞，配合使用应力解除爆破，提前释放能量，为TBM安全掘进创造条件。本方案实质上是把TBM开挖施工的岩爆风险转移给钻爆法，利用钻爆法掘进时可以采取人工干预的优点通过强岩爆风险洞段。

2.5 新材料和新工法防护

2.5.1 新材料

纳米钢纤维混凝土，纳米仿钢纤维混凝。纳米混凝土拌和物和易性好，利于施工，抗压、抗拉强度较高，抗裂性能较好，一次喷射厚度大，适用于隧道强岩爆地段岩爆防治。XPM纳米材料是新型无机纳米级多效、多功能外加剂，它集减水、增强、速凝为一体，能够降低喷射混凝土的回弹量、降低洞内粉尘、提高喷射混凝土早期的抗压强度、提高一次性喷射厚度、提高喷射混凝土的抗渗效果。

柔性防护网系统：钢丝绳网、支撑绳、涨壳式锚杆，钢丝绳网是防护网的主要吸能构架，钢丝绳网和锚杆是防护网的主要承载力构架，可以有效拦截轻微岩爆或中等岩爆所产生的弹射石块，抵御岩块的冲击作用。

2.5.2 新工法

①水胀式锚杆：施工速度较快，不进行注浆，但只能作为临时支护，可施加一定的预应力。②涨壳式中空预应力锚杆：施工速度快，并能迅速形成锚固力，可后注浆，注浆质量有保证，避免了施工人员在围岩下暴露太长时间，并能作为永久支护。③防冲抗爆恒阻大变形锚：大变形抗岩爆锚杆能随围岩变形多次吸收能量，从而抑制岩爆的发生，并且通过安全监测数据的变化可采取进一步的补强与防范措施，为岩爆防治提供了可行的技术支撑。

3 岩爆防范措施

3.1 防护、躲避及监测措施

3.1.1 采取防护措施

增设临时防护措施，给主要的施工设备安装防护网和防护棚架，掌子面可加挂钢丝网，给施工人员发放钢盔、防弹背心等。利用钢丝网、尼龙网等防护物拦挡岩爆飞石。比如，日本关越隧洞，除前述掌子面超前锚固外，在台车上装上钢丝网防护，保护打炮眼，装药工人的安全。在天生桥水电站，在掘进机及后配套上安装了“铁甲”，构成一个“防石棚”，避免了岩爆块塌落伤人，砸毁机器设备。

3.1.2 主动躲避及清除浮石

岩爆非常剧烈时，为了安全，应在危险距离范围以外躲避一段时间，直至岩爆平静为止。然后，应增强巡回撬顶，及时清理爆裂的危石，保证施工人员的安全。

岩爆一般在爆破后1h左右比较猛烈，以后趋于缓和，多数发生在1～2倍洞径的范围内，所以躲避是一种行之有效的方法。比如在挪威的Sima地下厂房，每个爆破循环之后，工人必须躲避在安全处，待岩爆平息之后再进行施工。此外，在施工过程中加强发生检查和危石处理，认真防护观察围岩动态。如发现撕裂声，立即撤离人员与机具。

3.1.3 加强施工期监测

有必要指出的是，在施工期进行必要的围岩监测，如声发射、变形监测和应力监测等［9］，预测临爆前的信息从而采取有效的防范措施［10］。