深埋输水隧洞硬岩岩爆防控技术研究

杨春宝，胡国志，李凌志，马清瑞

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043；3.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710086)

长距离调水工程为解决我国水资源空间分布不均匀发挥了较大的效益。包括已建的南水北调东线、中线，引黄入晋，引洮供水等工程；在建的引汉济渭，引江济淮，滇中引水，珠江三角洲水资源配置等调水工程等。

深埋隧洞是长距离引调水的常用形式，大部分工程最大埋深超过1000m，例如滇中引水工程最大埋深1450m，引汉济渭工程秦岭输水隧洞最大埋深2012m，锦屏二级水电站引水隧洞最大埋深2525m。

硬岩岩爆是深埋隧洞的设计和施工关键难点之一，其表现为深埋岩体在隧洞开挖扰动下，岩体中聚积的弹性变形势能突然释放，导致围岩产生爆裂、剥离、弹射等现象[1]。本文旨在开展深埋隧洞硬岩岩爆防控技术研究。

1 岩爆危害

隧洞开挖掘进过程中，岩爆对施工进度和施工安全影响极大。

引汉济渭工程秦岭输水隧洞全长98.260km，其中越岭段长81.779km，隧洞最大埋深2012m，隧洞埋深超过500m的段落长61.37km。越岭段深埋隧洞采用TBM施工，直径8.02m。施工中频繁发生岩爆，对生产和人员安全带来诸多不利影响。2020年3月23日，岭北段TBM掘进至K45+589.2处，掌子面和右侧护盾上方连续发生4次强烈岩爆，爆落渣体多呈大块状(尺寸1.5m×1.0m左右)，刀盘被卡，该处隧洞埋深1260m，岩性为闪长岩。刀盘上方塌腔径向深度4.7m，刀盘前方塌腔深度5.1m，护盾上方塌腔位于10-15点位置，径向深度5.2m，拱部钢拱架在岩爆冲击和大量渣体重载作用下发生下沉变形，现场通过拆除盾尾钢拱架，后退TBM使刀盘恢复转动。2020年3月31日TBM恢复掘进，向前掘进0.9m时，左侧护盾至盾尾段7-8点部位再次发生强烈岩爆，原有清理后的岩爆塌腔再次被大块渣体填满，已支护钢架再次发生大变形，刀盘和护盾段拱部塌腔深度扩大至9.8m，之后塌腔内还不时有岩块垮塌，塌腔有进一步扩大趋势。

雅砻江锦屏二级水电站[2]布置4条引水隧洞，平均长度约16.67km，开挖洞径12.4～13.0m，平均埋深范围为1500～2000m，其中最大埋深达到2525m。隧洞施工中发生了多次岩爆，主要发生在洞身拱部，岩块大多呈片状、层状剥落，破裂面粗糙，表现为张性破坏。2009年11月28日，施工排水洞突发极强岩爆，塌方总量达400余m3，并造成TBM永久性长埋和施工人员多人伤亡，损失惨重。

2 岩爆表征

2.1 深埋高地应力

岩爆通常发生在深埋高地应力岩体中。

引汉济渭秦岭输水隧洞截止目前已施工洞段的11个测试深孔中，实测水平主应力最大值为65MPa；且研究分析表明将来越岭段的最大水平应力预计更高，可能会高达100MPa。

锦屏二级水电站引水隧洞地处我国西南高地应力区，实测第一主应力最大值46MPa。渔子溪水电站引水洞围岩最大切向应力达90MPa，隧洞开挖过程中发生多次中等以上岩爆。瑞典Vietas水电站隧洞开挖过程中也发生多次岩爆，其实测围岩最大切向应力80MPa。日本关越隧道围岩最大切向应力89MPa，施工中发生多次中等以上岩爆[3]。

2.2 高抗压强度硬岩

岩爆发生多以硬岩为主，岩体抗压强度较高。

引汉济渭秦岭输水隧洞岭北TBM施工段地层岩性为泥盆系变砂岩和华力西期闪长岩，现场试验岩石抗压强度平均范围75～230MPa；岭南TBM施工段地层岩性为印支期花岗岩，现场试验岩石抗压强度平均范围160～214MPa，最高达306MPa。

锦屏二级水电站引水隧洞岩体主要为大理岩、灰岩、砂岩和板岩，大部分洞段以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，且岩体较完整，岩石单轴抗压强度为55～114MPa。

2.3 岩爆表现形式

在大埋深和极高地应力综合影响下，岩爆通常表现为频次高、强度大、破坏力强等特点。

引汉济渭秦岭隧洞自2018年初开始随着隧洞埋深逐步加大，洞内岩爆连续频繁发生，表现为顶拱部岩体剥落崩塌、底拱岩体隆起、以及钢拱架下沉变形等现象。

(1)岩体剥落

轻微岩爆主要集中在拱顶，表现为岩体剥落，剥落后的围岩呈鱼鳞状、片状、薄板状，岩爆剥落后塌腔深度一般在0.5m以内。

(2)大块岩体掉落和坍塌

拱顶180°范围内的中等岩爆多表现为大块岩石坍塌、弹出，岩爆剥落后塌腔深度较深，破坏性较强，如图1所示。

图1 岩块剥落和坍塌

(3)岩体碎裂

拱腰部位的中、强岩爆会导致岩体碎裂，碎裂块呈条状或砖块状，有时也表现为大块石头弹出。

(4)底部上拱

当岩爆发生于隧道底部时，岩爆表现为岩体向上隆起现象，主要集中在面向掌子面4-8点范围，底部隆起的岩体和变形钢拱架侵入仰拱块安装范围，造成仰拱预制块无法安装。

(5)岩爆破坏后果

岩爆的破坏后果表现为拱架弯曲断裂、钢筋网失效、设备损坏、人员伤亡等。引汉济渭秦岭隧洞TBM施工中，岩爆多次造成拱架下沉弯曲、设备损坏等事件，如图2所示。

图2 岩爆导致围岩衬砌失效

2.4 岩爆强度分级

依据岩爆形态、范围、发生和持续时间、影响深度、声响等因素，岩爆的烈度及强度分级标准总结如下[4- 8]。

(1)轻微岩爆

轻微岩爆表现为洞壁表层局部劈裂、脱落、剥离，发出微弱的撕裂和噼啪声响，对施工影响较小。

(2)中等岩爆

中等岩爆表现为围岩出现重复性的劈裂、剪断，伴随岩块弹射；围岩内形成凹坑，影响深度较大；发出一定持续时间的清脆爆裂声，类似子弹射击声；对施工有一定影响。

(3)强烈岩爆

强烈岩爆表现为围岩出现快速性的劈裂、剪断，向围岩深处急剧扩展，伴随围岩岩体一定范围的碎裂和塌落；发出类似炮声的巨响；对施工影响较大。

(4)极强岩爆

剧烈岩爆表现为围岩发生强烈震动，出现大范围岩体碎裂崩塌，影响深度达数米，常伴随底板隆起大变形；发出闷雷声强烈巨响；对施工影响极大，严重者可摧毁工程。

2.5 岩爆发生范围和时间

岩爆工程实例统计分析表明[9]，岩爆发生的时间及空间分布特征为：

(1)岩爆主要集中频繁发生在开挖后1天内，半个月内基本发生绝大部分岩爆，少数滞后性发生在1个月之后。随着岩体开挖后时间持续增长，岩爆发生频率降低。

(2)岩爆主要发生在距离掌子面较近的部位，绝大部分岩爆集中在掌子面3倍洞径范围内，但也有与掌子面相距较远的情况。

3 岩爆风险识别与预警

岩爆风险识别与预警是保障施工安全的关键。深埋岩体在开挖前储存了大量能量，所以弄清楚待开挖洞段的地质条件、准确把握待开挖段岩石的力学性质及开挖卸荷下的力学行为，可以有效预识别岩爆发生几率和强度等级。

岩爆风险识别方法根据国内外现有研究大致可归结为4类。

3.1 理论预判法

理论预判法包括强度应力比法、弹性应变能法等，其中强度应力比法最为直接，应用较广。

(1)不考虑洞室开挖过程影响，计算时依据岩石抗压强度和围岩主应力进行判别。GB50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》以强度应力比法为代表进行岩爆的判别[8]。

(2)考虑洞室开挖结构影响，计算时依据岩石抗压强度和洞室开挖后的切向应力，同样以应力强度比为基本判别准则，相关方法有Turchaninov判别、Russemes判别等。具体见表1。

表1 岩爆分级及判别

3.2 现场监测预报

在工程实施阶段，岩爆预测以现场监测和预报为主，包括微重力法、声发射法、微震监测法等。

微震监测法是在隧洞岩壁放置传感器接收微震动信号，实时收集深埋隧洞开挖过程中的微地震事件和相应的能量、视体积、地震矩等震源参数，分析其时空分布和演变规律，从而对潜在的岩爆进行动态预报预警。

岩爆是在高地应力下引起硬岩渐进破坏诱致突变的过程，其特点为变形小但破裂过程释放能量较大，因此微震监测技术实时分析较为适用，在锦屏二级水电站引水隧洞和引汉济渭秦岭输水隧洞施工的岩爆预测应用较好[10]，预测准确率较高。

3.3 岩爆综合预测法

综合预测法是考虑各种影响因素的岩爆预测方法，具体可分为两类。

(1)基于岩爆多因素指标预判

以数学模型为基础，基于多因素指标的权重理论应用较多。权重的分配和赋值是关键。

(2)基于岩爆实例样本数据的预判

以施工过程中的岩爆实测统计数据为基础，建立贝叶斯函数等判别模型。随着施工过程逐步开展，统计样本的累计，判别精度会逐渐提高。

综合预判法考虑因素相对全面，近些年许多学者开展了相关模型研究和应用[3]，对工程实践具有较好的指导意义。

3.4 经验判别

通过隧洞开挖面揭示的岩石类别、岩层产状、裂隙拓展、表层剥落、发出声响等岩体表征，基于经验分析，开展岩爆预判。该方法通过现场作业人员根据隧洞施工前期阶段的岩爆经验积累，指导隧洞开挖中后期岩爆预判和防控。

4 岩爆防控措施

岩爆防控应根据不同岩爆等级采取相应的主动防护和被动防护措施。主动措施包括高压喷水、锚杆支护和超前应力释放孔等；被动措施包括拱架支撑、喷混凝土和柔性防护措施等。

(1)高压喷水

高压喷水可以降低岩石的脆性和能量储存，促使隧洞围岩的应力释放和调整，对轻微岩爆和中等岩爆较为适用。

(2)拱架支撑

拱架可以支撑隧洞体型，防止岩爆导致的洞室坍塌。拱架以型钢拱架为主，针对不同岩爆等级，可采用不同等级的型钢和相应间距；拱部可增设钢筋排。拱架适用于各等级的岩爆。对于中等以上岩爆，应设型钢拱架。

(3)喷混凝土

喷混凝土可以在隧洞周边形成封闭的保护体系，防止岩爆飞溅。对于轻微岩爆和中等岩爆，围岩喷常规混凝土即可。对于强烈岩爆和极强岩爆，可以采取纳米仿钢纤维混凝土等复合高性能材料，提高混凝土圈抗岩爆能力。

(4)锚杆支护

锚杆和预应力锚杆可提高围岩的整体性，缓解或调整孔洞效应致使隧洞围岩在高地应力状态下的局部应力集中，降低岩爆强度和发生频次。

对于轻微岩爆，可以采用常规锚杆；对于中等岩爆和强烈岩爆，宜采用预应力锚杆，例如涨壳式预应力中空注浆锚杆；对于强烈岩爆和极强岩爆，可结合现场条件，研究采用吸能锚杆等新型高性能结构。

(5)柔性防护措施

柔性防护措施相当于围岩的浅层保护，常布置于仰拱以上部位，可以一定程度上防止岩爆飞溅，并起到吸能作用。柔性防护措施可采用柔性钢丝网、普通钢筋网或者其他高性能材料。柔性防护措施适用于轻微岩爆和中等岩爆。

(6)超前应力释放孔

超前施做应力释放孔可以提前释放和调整围岩高地应力，降低隧洞开挖岩爆风险。超前应力释放孔对施工进度有一定影响，适用于强烈岩爆和极强岩爆。超前应力释放孔的作业设施可采用水锤钻机等设备。应力释放孔的布置(孔深、孔径、孔距等)应根据预测结果及现场实际条件试验确定。

实际工程中，高地应力区岩爆施工作业安全风险较大，常采用主动措施和被动措施多种防护措施联合防控的方式。应根据现场岩石类别和物理力学特性、岩层走向、节理和裂隙发育程度、地应力水平等地质条件、隧洞开挖方式、施工进度安排等综合确定岩爆防控措施。

5 结论与工程建议

高地应力区硬岩岩爆对工程施工安全和进度影响较大，隧洞开挖中应做好防控措施。工程建议如下：

(1)加强监测和预报。加强岩爆历史统计和预报监测，依据微震监测等技术手段，同时配置应力应变、变形等监测设备，提高岩爆预测水平；加强开挖面缓倾结构面的观测与监测，分析在高地应力和岩爆频发条件下发生坍塌的可能性，及时预报和处理。

(2)制定TBM掘进岩爆防控专项方案。对于TBM开挖深埋硬岩隧洞，由于设备的特殊性，在刀盘前能够采取主动防护措施防控岩爆的有效措施较少。采取超前应力释放孔等主动防控措施应开展施工参数和工序研究，合理协调应力孔释放孔施打作业和TBM掘进作业的工期和工序关系。控制掘进开挖速率，以最大限度的降低二次应力局部集中造成隧洞四周高应力能量的聚集。

(3)加强岩体地应力能量的预释放及能量转移。根据地质分析、数值分析及地应力检测等手段，确定应力集中和能量集中较大的部位，加强应力释放工艺研究。在条件允许的情况下，可在超前钻孔基础上配置微爆破、水压劈裂等措施，进一步加强应力释放，减轻岩爆强度和发生频率。

(4)加强支护措施研究与设计。根据岩爆风险等级和塌腔尺寸、底部隆起状况等实际情况分析，开展衬砌结构与配筋、喷射混凝土强度等级和复合材料掺量、锚杆间距和入岩深度等系统研究和设计，防治施工期岩爆的同时确保运行期衬砌结构安全。

(5)优化施工工序管理。采取提前预案、精准测报、动态设计、及时支护、高效掘进等方案，优化工序间的衔接组合，提高整体效率，保障工程进度和工期。

(6)加强施工作业安全管理。建议施工现场成立岩爆安全工作小组，编制应急预案，指导现场作业安全，加强安全管控，保证工程施工安全。