深埋隧洞岩爆防控技术及典型工程应用现状综述

欧阳林，张如九，刘耀儒，黄其帅，李建贺，庞智勇

(1.云南省滇中引水工程建设管理局，昆明 650051； 2.清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084； 3.云南省滇中引水工程有限公司，昆明 650000； 4.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010)

1 研究背景

近年来，随着地下工程建设逐渐向地层深部拓展，兴建了许多超大埋深的引水隧洞，如雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞最大埋深2 525 m，引汉济渭工程秦岭隧洞最大埋深2 012 m，巴基斯坦N-J水电站引水隧洞最大埋深近2 000 m等[1-3]。深埋工程地质条件复杂，具有“三高一扰动”(高地应力、高地温、高水压、强开挖扰动)的特点[4]，导致施工过程中各种地质灾害频发，其中岩爆就是较常见的一种严重地质灾害。岩爆定义为高地应力条件下硬岩开挖卸荷引发的围岩弹射破坏现象[5]，其严重威胁施工期人员和设备安全，同时延缓工程进度，使工程量和工程造价大幅增加，上述已建深埋隧洞均受岩爆灾害困扰。随着滇中引水工程、雅下水电开发等大型水电工程的逐步建设，深部岩体开挖卸荷引发的岩爆问题将更加突出，深埋隧洞施工将面临更多巨大挑战。因此，开展有效的岩爆防控，以减轻乃至消除岩爆危害，对保证深埋隧洞的安全稳定具有重要意义。

目前， 国内外许多深埋隧洞基于工程自身的特点， 在施工过程中采取了有针对性的岩爆防控技术， 并取得了一定效果[6-10]。 然而， 不同工程的地质条件、 岩爆情况、 施工方法等各方面因素不尽相同， 所采取岩爆防控技术的作用机理、 适用范围、 防控效果也具有不同的特点。 因此， 针对深埋隧洞的岩爆防控技术进行系统性梳理与总结十分必要。 本文在介绍岩爆的分类、 机制、 评价预警方法及防控原则的基础上， 主要讨论施工期岩爆防控的主动措施和被动措施； 同时针对钻爆法和TBM施工的不同岩爆特点， 分析各自的岩爆防控重点， 并归纳典型工程的岩爆防控技术(拟)应用情况， 以期为深埋隧洞的岩爆防控及相关研究提供参考。

2 岩爆类型、机制、评价预警及防控原则

2.1 岩爆类型和孕育机制

根据发生时间的不同，岩爆类型一般划分为即时型岩爆和时滞型岩爆，即时型岩爆又分为即时性应变型、即时性应变-结构面滑移型，时滞型岩爆可进一步划分为时空滞后型和时间滞后型[11-12]。根据发生机制的不同，通常可分为应变型岩爆、断裂滑移型岩爆[13]。根据烈度等级的不同，一般分为轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆、极强岩爆。

应变型岩爆本质上是岩石的脆性破坏，一般认为其机制是完整岩体隧洞开挖卸荷引起围岩应力集中，拉裂纹萌生并不断扩展、贯通直至破坏，当围岩弹性应变能大于破坏耗散能时，在剩余能量的驱动下破坏体向临空面弹射而出。断裂滑移型岩爆本质上是结构面的剪切滑移破坏，由于结构面性状和力学行为的复杂性，关于断裂滑移型岩爆的具体诱发机理，目前尚未形成统一认识，但结构面可能诱发高等级岩爆这一现象已得到确认[14-15]。水电交通隧洞施工一般对大规模的断层扰动较小，可能诱导强烈岩爆的结构面以较小规模的节理、层面、硬性结构面为主[14]，且岩爆爆坑以结构面为边界。

2.2 岩爆风险评价与监测预警

在工程设计阶段和开挖初期进行岩爆风险评价，在施工开挖过程中开展岩爆实时监测预警，能够为岩爆防控提供科学决策依据。

岩爆的风险评价方面，目前主要是基于岩爆的强度理论、能量理论、刚度理论等，提出相应的岩爆风险评价指标，包括经验指标和数值指标。经验指标可根据现场经验或室内试验确定岩爆风险等级的划分阈值，形成宏观经验判据，典型判据如应力强度比[16-18]、弹性能指数[19]、脆性系数[20]等。数值指标基于数值计算得到，通过分析数值指标的时空分布情况，可评价岩爆风险等级、区域、破坏深度等信息，典型的数值指标包括局部能量释放率[21]、破坏接近度[22]、能量耗散率[23]等。此外，还可以通过综合考虑多个指标判据，结合数学模型及机器学习等方法进行综合决策，以提高岩爆风险评价的准确度。

岩爆的监测预警方面，主要是基于一些现场监测方法，包括微震法、声发射法、微重力法、钻屑法、电磁辐射法等。目前应用最广泛的是微震监测法[24-25]，通过分析微震事件的活动特征，获取破裂时间、位置、能量等震源参数，推断岩体的力学状态和破坏特征，揭示主要损伤区域和潜在岩爆区域。

2.3 岩爆防控原则

在合理判断潜在岩爆烈度等级、潜在部位等信息的基础上，近年来许多岩爆防控技术得到了发展与应用，就其遵循的防治原则而言，主要包括“释放或转移围岩应力”“改善围岩物理力学性质”“加固围岩”3个方面[26-27]。其中，“释放或转移围岩应力”从控制岩爆的外在条件出发，采取应力释放或转移措施，以降低围岩应力水平，典型措施如施作超前应力释放孔、应力解除爆破、开挖先导洞等；“改善围岩物理力学性质”从控制岩爆的内在因素出发，主要是进行高压喷水或钻孔注水促使围岩软化，降低其岩爆倾向性；“加固围岩”从提高围岩的抗力出发，主要是通过支护加固措施加强围岩-支护结构的承载力和抗冲击力，包括喷锚支护、钢支撑、钢筋网等。

除了上述防控原则和相应措施外，在岩爆洞段的施工中，还可以通过改进开挖工法或掘进参数，获得更好的岩爆防控效果，如采用“短进尺、多循环”的开挖作业方式、钻爆法采取直眼掏槽和水压爆破技术并提高光面爆破效果等[28]。此外，还需采取一定安全防护措施，如人员及设备配备防护服、防护网、防护钢板等。在面对强烈或极强岩爆时，若人力无法控制，人员设备均需进行待避以确保安全，如巴玉隧道一次极强岩爆曾规避了一个星期[29]。

综合以上岩爆风险评价、监测预警方法及相关防控技术、施工及安全措施，总结得到深埋隧洞岩爆防控的总体框架，如图1所示。

图1 深埋隧洞岩爆防控总体框架Fig.1 Framework of rockburst prevention in deep tunnels

3 岩爆的主动防控和被动防控

岩爆的主动防控是在开挖作业前或开挖初期进行的岩爆预防，其目标是通过改善围岩应力状态和物理力学性质，或通过超前支护或主动支护措施，大幅降低岩爆风险乃至消除岩爆。岩爆的被动防控是在开挖作业后开展的岩爆防护，其目标是通过刚性支护和柔性支护的联合作用，防止岩爆飞溅，增强隧洞结构的自承能力和抗冲击能力，有效保护人员和设备安全。

3.1 岩爆的主动防控措施

3.1.1 钻孔应力释放和超前应力解除爆破

钻孔应力释放是在隧洞洞壁或掌子面钻孔以释放部分围岩应力；超前应力解除爆破是当钻孔无法满足岩爆等级所要求的应力释放程度时，而在常规的应力释放孔的基础上，进一步采取的爆破卸压措施。

钻孔应力释放的作用机理是通过钻孔的变形来释放洞壁围岩切向应力和储存的弹性应变能，同时使围岩切向应力峰值向内部围岩转移。由于应力释放能力有限，钻孔应力释放主要适用于轻微-中等岩爆，其防控效果与钻孔长度、直径、间距等因素相关，其中钻孔直径对应力释放效果影响最大[30]。钻孔可于隧洞开挖初期在洞壁施作(径向应力释放孔)，也可于隧洞开挖前在掌子面施作(超前应力释放孔)，伴随高压注水可以达到更好的防控效果。此外，也可采取岩壁切槽等方式，其作用原理与钻孔相同。钻孔及切槽除了采用传统钻机等设备，在煤矿领域已有案例采用新型的水射流切割技术[31]，但目前在水电交通隧洞中鲜见应用。

超前应力解除爆破的作用机理是在前方围岩内部形成一个破碎带，以降低掌子面附近的应力，并使峰值应力转移到围岩深部[6，32]。由于超前应力解除爆破具有较强的卸压和应力释放能力，主要适用于强烈岩爆和极强岩爆。就防控效果而言，超前应力解除爆破能够对应力集中区域进行有针对性的应力解除，应力释放效果良好，在工程中应用广泛。通过水力辅助爆破的方式能够达到更好的应力释放效果，在煤矿领域也有采取水压致裂技术的做法[33]。超前应力解除(释放)孔的具体布置方案可基于前方围岩情况和实时预测的岩爆风险等级，通过数值模拟或试验方法确定[34]。

3.1.2 先导洞

先导洞是在隧洞正式开挖前，采用钻爆法在掌子面前方提前开挖的面积较小的工作面。先导洞一般洞径较小，因而具有自稳能力强、岩爆风险较低的特点，在减缓前方围岩应力和能量集中的同时，其本身也可以作为地质超前探洞[35]。

先导洞的作用机理与钻孔应力释放类似，可以将先导洞视为大直径的钻孔，因而具有更好的应力释放与转移效果。先导洞的应力释放能力主要受爆破参数和断面尺寸影响[36]，与超前应力释放孔类似，可以通过数值模拟及试验来确定合理的布置方案，从而使防控效果最大化[37]。在实际施工中，当其他的岩爆主动岩爆防控措施效果不佳或TBM一次性全断面开挖面临强烈-极强岩爆时，可以采用先导洞法进行处理[38]。

3.1.3 高压喷水和钻孔注水

在施工期对隧洞洞壁喷高压水或钻孔高压注水可以促使围岩软化，改善围岩的物理力学性质，进而一定程度上缓解岩爆[39-40]。水防治岩爆的作用机理如下[26]：①高压注水具有楔劈作用，可以降低围岩表层强度；②水有利于围岩应变能的释放，能够降低剩余弹性能，避免应变能过度集中；③水有利于裂隙的萌生与扩展，从而降低岩体的完整性与储能能力。从实践效果看，由于水影响范围有限，高压喷水或钻孔注水措施一般作为岩爆防控的辅助或局部解危措施，需搭配其他岩爆防控措施共同发挥其效能。

3.1.4 超前锚杆和预应力锚杆支护

超前锚杆支护是在隧洞开挖前，在围岩预先布设的位置中以受拉作用的形式将锚杆打入，对前方围岩进行超前支护加固的方法。常见的超前支护措施还包括超前小导管、超前管棚等，在水工隧洞中，超前支护以超前锚杆为主。预应力锚杆支护是通过锚头产生的锚固力对围岩施加一定的预紧力，主动加固围岩的方法。

超前锚杆和预应力锚杆支护的作用机理包括以下几个方面[41]：①锚杆钻孔本身就起到应力释放作用；②使围岩能够较快从开挖后的二向应力状态转变三向应力状态，起到应力转移作用；③作为围岩的加固补强措施，及时发挥锚杆的悬吊、组合梁等作用，锚固岩爆掉块及塌方，提高岩体的自承能力和储能能力。传统的系统锚杆虽然也具备上述作用，但只有在开挖作业和围岩向临空面变形后才能发挥其效能，属于被动支护[42]。

超前锚杆作为临时支护，要求锚杆迅速发挥作用，宜采用早强砂浆锚杆、树脂锚杆或管缝式锚杆，一般用于强烈及以上岩爆洞段，可有效降低隧洞拱部的岩爆风险，对于来不及进行初期支护的即时型岩爆尤为适用[43]。预应力锚杆主动支护目前采用较多的是涨壳式中空预应力锚杆，其支护力高，作用速度快，且能够作为永久支护，适用于中等及更强烈岩爆洞段。

3.2 岩爆的被动防控措施

3.2.1 喷锚支护

喷锚支护是隧洞施工及岩爆防控中普遍采取的措施，通过喷射混凝土和锚杆支护相结合，共同对围岩进行支护加固，包括初期支护(临时支护)和二次支护(永久衬砌)。其作用机制是使锚杆、混凝土喷层和围岩构成联合承载体系，增强隧洞结构的整体性、自承能力和抗冲击能力，从而抵御岩爆的危害。

针对不同烈度等级的岩爆，需采用不同的混凝土和锚杆类型。对于轻微-中等岩爆的防控，采用普通混凝土和普通砂浆锚杆即可。然而，常规混凝土和系统锚杆变形性能较差，属刚性支护，无法起到很好的吸能和抗动荷作用；当开挖洞段有强烈-极强岩爆风险时，要求混凝土有较高韧性和抗压抗折强度，锚杆具有较好的屈服和让压能力，从而形成柔性支护体系，吸收岩爆动应力作用下产生的动能[44-45]。此时，混凝土宜采用钢筋混凝土、钢纤维混凝土或纳米仿钢纤维混凝土等高性能复合材料[10]；锚杆宜采用适应变形能力强的吸能锚杆，如水胀式锚杆、锥形锚杆等[46]。

3.2.2 钢筋网(柔性钢丝网)

普通钢筋网、柔性钢丝网及其他高性能金属绳网是典型的柔性防护措施，其作用机理是通过锚杆、喷射混凝土与挂网相结合(喷锚网支护)，构成联合支护体系，使钢筋网(柔性钢丝网)形成对围岩表面的及时有效覆盖，充分发挥对爆裂岩石的承托、缓冲和吸能作用[47]。与普通钢筋网相比，柔性钢丝网具有可预制、强度高、变形性能优、抗冲击能力好、作用速度快的特点，其施工流程如图2[47]所示。钢筋网(柔性钢丝网)一般在轻微-中等岩爆中较为适用，强烈岩爆还需结合有效的超前应力释放技术共同应对。

图2 柔性钢丝网施工流程示意图[47]Fig.2 Sketch of construction process of flexible steel mesh[47]

3.2.3 钢支撑

钢支撑是隧洞初期支护的常见措施，同时也是永久支护的组成部分，可以有效防护岩爆导致的岩体垮塌，包括型钢拱架和格栅钢架。型钢拱架是典型的大刚度、强支护措施，利用钢拱架沿隧洞环向支撑，提供较大的初期径向支护阻力，有效增强隧洞结构的刚性和承载力。与型钢拱架相比，格栅钢架属于柔性支护[48]，初期释放围岩变形能力较好，施工方便且较为经济，但整体刚度较低。钢支撑一般用于中等及以上岩爆洞段，根据岩爆风险等级的大小，可采取不同的钢拱架间距及设置钢筋排封闭支护[34]。

3.3 主动+被动联合防控

从上述岩爆的主动及被动防控措施可以看出，主动防控既包括对围岩本身的处理措施，如钻孔应力释放、高压喷水等，也包括对围岩的预支护和主动支护技术。被动防控的特征是作用机制的发挥依赖于隧洞开挖后围岩产生的变形及破坏，措施主要包括锚杆支护、喷混凝土、柔性防护网及钢支撑，根据刚度的大小选取不同材料类型，又可区分为刚性支护和柔性支护，如图3所示。

图3 岩爆的主动与被动防控典型措施Fig.3 Typical methods for active and passive rockburst prevention

一般而言，岩爆的主动防控措施易影响施工进度，故岩爆风险不大时，只采取被动防控措施即可。当岩爆风险较高，面临强烈岩爆或极强岩爆时，则必须采取有效的主动+被动联合防控措施[34]，通过超前应力释放降低围岩整体岩爆风险，同时通过支护体系增强隧洞结构的抗冲击能力。理想的应力释放应具有高效性，理想的支护体系应具有主动和吸能两大特点[49]。

近年来，基于“喷射钢纤维混凝土(或纳米仿钢纤维混凝土)+涨壳式预应力锚杆+柔性钢丝网”的快速柔性支护技术在一些工程中逐渐得到了应用。相比于传统的“喷射混凝土+刚性锚杆+钢筋网”刚性被动支护，新型柔性支护体系具有主动加固和柔性吸能的特点，具有施工速度快、机械化程度高、吸能能力强等优势[47]，但关于该技术的耦合作用机理与支护参数优化的研究，目前尚不成熟。

4 钻爆法和TBM法施工的岩爆防控重点

4.1 不同施工方法的岩爆特点

钻爆法与TBM法施工下的围岩岩爆具有一定的共性，如岩爆部位相同、破坏机制相近等。然而，由于隧洞开挖本质也是卸荷与应力释放过程，采取不同施工开挖方法，围岩发生岩爆时必然也呈现不同的特点，主要体现在以下两个方面：

(1)岩爆高发期。 采用钻爆法施工， 围岩为瞬态卸荷， 开挖爆破后数小时至1 d内应变能迅速积聚， 此时为掌子面附近围岩岩爆的高发期。 如钻爆法施工的锦屏辅助洞的岩爆多发生在掌子面开挖爆破后的5～20 h[6]。 采用TBM施工， 围岩为准静态卸荷， 开挖连续、 均匀， 岩体内应变能的剧烈调整伴随开挖全过程及停机后1 h内， 因此整个掘进作业过程均为掌子面附近围岩的岩爆高峰期[50]。

(2)岩爆风险等级。采用钻爆法施工时，岩体内部储存的应变能在爆破过程中大量耗散，剩余应变能较小，且多一次性释放，因此同等条件下岩爆等级相对较低，若发生强烈岩爆，也不具备伴随轻微-中等岩爆的特点。采用TBM法掘进的隧洞，围岩存储的弹性应变能耗散较少，且能够多次释放，整体岩爆等级较高，在发生强烈-极强岩爆前伴随有轻微与中等岩爆[51]。如表1[35]所示，锦屏二级水电站排水洞与辅助洞在桩号SK9+283—SK12+102范围内埋深、岩性条件及断面尺寸均相似，然而，TBM法开挖的排水洞在岩爆段长度和岩爆等级上均大于钻爆法开挖的辅助洞。

表1 锦屏二级水电站排水洞与辅助洞岩爆情况对比[35]Table 1 Comparison of rockbursts between the drainage tunnel and auxiliary tunnel of Jinping Ⅱ hydropower station[35]

4.2 不同施工方法的岩爆防控重点

钻爆法在各种断面尺寸、复杂地质条件下的隧洞开挖中适应性更强，而TBM法在难以增加施工支洞的圆形断面、长大隧洞的机械化快速掘进中具有明显优势。在岩爆防控方面，各自的侧重点也有所不同。

由于钻爆法施工岩爆的高峰期基本在开挖爆破后数小时内，所以可以视情况采取待避措施或机械作业[50]。此外，钻爆法施工下围岩整体岩爆风险较低，但在钻爆开挖及支护过程中，由于施工作业人员缺少大型设备的保护，即使发生轻微-中等烈度岩爆，也会对人员造成巨大的安全威胁。因此，钻爆法施工开挖时，岩爆防控的关键在于采取快速、有效的(被动)支护措施，及时加固、封闭围岩，提高隧洞结构的抗冲击能力，有效保护人员安全。若预测有强烈-极强风险，也应配合主动防控措施对围岩提前进行应力释放、弱化等处理。

TBM法施工整体岩爆风险较钻爆法高，但TBM设备及加装的防护设施自身具备一定的抵抗轻微-中等岩爆的能力。然而，当遭遇强烈-极强岩爆时，也会造成设备损毁、人员安全受到威胁，并严重延缓施工进度，无法发挥TBM法快速施工的优势[35]。因此，TBM开挖方式下的岩爆防控重点是，采取超前应力释放等积极主动的防控措施，将原本可能发生的强烈-极强岩爆转化为低等级岩爆乃至消除岩爆，使其不利影响处在TBM设备的承受和自我防护能力范围之内，严格避免由强烈-极强岩爆引起的TBM设备和支护结构损毁。同时，还需对TBM掘进参数进行优化，如降低掘进速度，以获得更好的岩爆防控效果[52]。另外，由于TBM是多功能一体的大型复杂机械系统，在各防控措施的实施过程中，如何与TBM设备协调配合也是值得考虑的问题。

由上述分析可知，TBM法开挖比钻爆法开挖受岩爆困扰更多，在岩爆防控方面不如钻爆法灵活，若发生高等级岩爆，造成的后果也更加严重，因此更加注重主动的超前防控。此外，在一些强烈-极强岩爆情况下，可将TBM法开挖与钻爆法开挖相结合，从而发挥各自的优势，典型的措施即“钻爆法开挖先导洞+TBM二次扩挖”方案。

5 典型工程的岩爆防控技术应用

5.1 锦屏二级水电站引水隧洞

锦屏二级水电站引水隧洞群具有埋深大、洞线长、洞径大的特点，在该隧洞群的钻爆法和TBM法施工过程中，发生了一系列中等-强烈-极强岩爆，对人员及设备造成了不同程度的危害。其强烈-极强岩爆段的防控以机械化作业为主要手段，主要采取微震监测、应力解除爆破、先导洞、钢拱架与锚喷网联合支护相结合的综合防控技术，保证了实际施工的安全和进度，对岩爆预防和处理取得了较好效果。具体如下[35，53]：

(1)对于钻爆法施工的洞段，在微震监测的基础上，先采用应力解除爆破降低围岩能量集中，配合高压水冲洗，然后采取临时支护措施，包括喷射纤维混凝土、挂钢筋网、锚杆支护(水胀式锚杆和涨壳式预应力锚杆)、钢拱架等，后续跟进机械化系统喷锚永久支护。施工措施采取“短进尺、弱爆破”全断面开挖，进尺控制在1.5～2.0 m之间，同时保证光面爆破效果。

(2)对于TBM法施工的洞段，当具备发生强烈-极强岩爆风险时，采取的防控措施主要是利用钻爆法开挖先导洞以释放高地应力，随后TBM二次扩挖。图4为锦屏二级水电站引水隧洞采取的先导洞典型断面(半圆和马蹄形)[54]。在部分极高岩爆风险洞段，甚至将原设计TBM掘进段调整为全断面钻爆法施工，再使TBM安全通过[55]。

图4 先导洞典型断面示意图[54]Fig.4 Sketch of typical section of pilot tunnel[54]

5.2 引汉济渭工程秦岭隧洞

引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM施工洞段埋深大、地应力高且岩石完整性好，上述因素导致其施工过程中强烈-极强岩爆频发。据施工过程中的统计数据，该洞段岩爆一般发生在拱顶150°及掌子面后方6 m范围内，80%的岩爆在掌子面开挖后2 d内生，其中60%为强烈岩爆[2]。其岩爆防控在采用微震监测系统提前判断掌子面前方15 m范围内围岩岩爆风险的基础上，主要采取如下措施：

掌子面开挖前，根据岩爆等级，采取合理的参数进行超前应力解除爆破预处理，配合拱部180°范围及掌子面的高压喷水。岩爆试验段还采用了Φ22 mm砂浆锚杆超前支护。掌子面开挖后，根据岩爆等级及时采用钢拱架+钢筋排进行刚性支护，同时采用纳米仿纤维喷射混凝土+涨壳式预应力锚杆+柔性钢丝网进行柔性支护[56]。上述措施使得围岩结构迅速形成一个封闭的整体，同时具有较强的吸能能力，一定程度上降低了岩爆破坏支护结构的风险，使得TBM能够安全高效通过岩爆段。

5.3 巴基斯坦N-J水电站引水隧洞

巴基斯坦N-J水电站引水隧洞区域地质条件十分复杂，在埋深>1 300 m的深埋SS-1砂岩洞段，当岩石完整且干燥时，TBM施工岩爆风险大幅增加[7]。实际施工中，引水隧洞左右洞共发生轻微岩爆729次、中等岩爆105次、强烈岩爆11次、极强岩爆1次[57]。岩爆洞段的岩爆风险预测采用微震系统和能量法超前预报，对于中等及更强烈岩爆，采取的防控措施主要包括[7]：

开挖掘进前，在掌子面顶拱120°范围内施作4～5个超前应力释放孔，并向孔中注射高压水；对于强烈岩爆洞段，则缩小应力释放孔的间距，同时采用涨壳式锚杆进行超前支护。掌子面开挖后，立即对新揭露的围岩进行喷洒水软化处理，同时利用刚性支护与柔性支护措施联合加固围岩。先采取喷射钢纤维混凝土+涨壳式锚杆支护+挂钢筋网的柔性支护，随后进行钢拱架刚性支护，最后复喷混凝土。此外，TBM采取短循环掘进，进尺控制在0.7～1.2 m之间，系统支护及时跟进。

5.4 滇中引水工程香炉山隧洞

目前在建的滇中引水工程香炉山隧洞总长度62.596 km，最大埋深1 450 m，是滇中引水工程最长的深埋隧洞，也是总干渠的关键控制性工程，采用钻爆法和TBM法组合施工。香炉山隧洞埋深1 250～1 450 m,地应力可达40～46 MPa的极高应力量级。由于隧洞区断褶构造发育且地下水较丰富，硬岩岩爆问题总体上不会很突出，然而在局部复杂极高应力场背景下，在坚硬完整岩体(玄武岩、灰岩等)和地下水贫乏的洞段中仍存在较大的中等-强烈风险[58]。据估计，香炉山隧洞中等岩爆段长4.138 km，占隧洞总长6.61%；强烈岩爆段长0.356 km，占隧洞总长0.57%[59]。针对Ⅲ1类玄武岩潜在岩爆段，初设采取的岩爆支护措施为锚喷网支护+二次支护的方式，必要时应采用管棚或超前小导管及钢拱架加强支护，支护结构及参数如图5所示。

图5 香炉山隧洞潜在岩爆洞段支护结构示意图Fig.5 Sketch of support structure in potential rockburst section of Xianglushan tunnel

为预防在建的香炉山隧洞后续开挖施工过程中可能发生的强烈-极强岩爆，需开展更深入的研究，探索新型柔性支护措施的作用机理及支护方法。同时，还需要从便于设计、施工应用的角度进一步提出连续岩爆的主动防控方法，以指导香炉山隧洞的安全高效施工。

4个典型水工隧洞岩爆段的工程地质条件和岩爆防控技术对比如表2所示。从表2可以看出，不同工程岩爆段的岩石性质虽有所差异，但普遍处于大埋深及高地应力环境中，且均面临TBM开挖方式下的强烈岩爆风险。岩爆防控方面，各工程基本采取了主动和被动联合防控措施共同应对中等及以上等级岩爆。其中，主动措施以超前应力释放为核心，辅以喷水处理、预应力锚杆及超前锚杆等；被动措施普遍采取“喷锚网+钢拱架”联合支护，且在部分岩爆洞段使用水胀式锚杆、涨壳式预应力锚杆、钢纤维(纳米仿纤维)混凝土、柔性钢丝网等高性能吸能支护型式以达到更好效果。

表2 典型隧洞岩爆段的工程地质条件和岩爆防控技术对比Table 2 Comparison of engineering geological conditions and rockburst prevention methods among typical tunnel projects

6 总结与展望

岩爆防控对于深埋隧洞的安全高效施工至关重要。本文结合岩爆的分类、机制、评价预警方法及防控原则，分析了施工期岩爆防控的主动措施和被动措施，阐述了钻爆法和TBM施工的岩爆特点和岩爆防控重点，归纳了典型工程的岩爆防控技术应用情况，主要结论如下：

(1)岩爆防控可分为主动防控和被动防控。主动防控的作用机制是降低围岩应力、改善围岩性质、超前主动支护，进而降低岩爆风险，措施包括钻孔应力释放、超前应力解除爆破、先导洞、高压喷水、钻孔注水、超前锚杆和预应力锚杆支护。被动防控的作用机制是加固围岩以提高抗冲击力，措施包括喷锚支护、钢支撑、钢筋网(柔性钢丝网)，根据延性的不同又可进一步区分为刚性支护和柔性支护。轻微岩爆采取被动支护即可，中等及以上岩爆则需采取主动+被动联合防控，辅以优化的施工措施和必要的安全措施，以达到最佳的防控效果。

(2)钻爆法与TBM法开挖的深埋隧洞具有不同的岩爆特点及防控侧重点。与钻爆法相比，TBM法施工的岩爆高发期为整个掘进过程，岩爆风险等级更大，且高等级岩爆发生前伴随低等级岩爆。TBM法的岩爆防控重点是通过主动防控措施规避强烈-极强岩爆，钻爆法的岩爆防控重点是及时封闭支护保护人员安全。

(3)重大深埋隧洞工程基本都采取了主动+被动联合防控技术，以应对可能发生的强烈-极强岩爆。主动防控方面，超前应力解除爆破是应用最广泛的措施。被动防控方面，普遍使用喷锚网支护联合钢拱架共同加固围岩，且由传统“喷射混凝土+刚性锚杆+钢筋网”刚性支护逐渐发展为“喷射钢纤维混凝土(或纳米仿纤维混凝土)+涨壳式预应力锚杆/水胀式锚杆+柔性钢丝网”的快速柔性吸能支护。

为了更好解决将来深埋隧洞建设中的岩爆防控问题，可加强以下3个方面的关注：

(1)考虑岩爆孕育过程和防控时机的动态防控。一方面，根据新揭露的地质条件和岩爆等级，需对开挖、应力释放和支护方案等进行动态更新与优化[62]；另一方面，岩爆的孕育和发生是一个时间演化过程，岩爆防控措施的实施存在最优时机。在深入掌握岩爆孕育机制及演化过程的基础上进行实时动态防控，是需要进一步研究的方向。

(2)兼顾效率和安全的量化精准防控。当前岩爆防控技术的施工参数多根据现行规范或经验而定，许多岩爆防控措施的防控效果难以定量评价，可能导致不必要的工期、工程造价增加或防控措施达不到实际岩爆所要求的防控效果。因此，岩爆防控效果的量化评估有待于进一步研究。

(3)更高效的超前应力释放技术和新型柔性吸能支护体系。 由于岩爆的发生伴随着储存在岩体中弹性应变能的大量剧烈释放， 更高效的超前应力释放和具备主动、 吸能两大特点的支护体系将更有利于围岩能量的释放和转移， 将是防控强烈-极强岩爆的理想手段， 因此有必要开展更深入的研究。