深埋长隧洞岩爆及断层区域地质特征及施工方法

蔺凤林

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

某工程的Ⅲ标TBM开挖隧洞全长26.746km，隧洞断面为圆形，洞径为7.8m，工区内地质条件复杂。该段位于阿尔泰山南麓侵蚀构造中山区及低山丘陵区，中山区主要是受地壳应力场挤压和右旋作用形成隆起区，低山丘陵区地形开阔。深埋隧洞的上覆岩体厚度600～720m，隧洞揭露岩性主要为华力西期变质花岗岩、黑云母斜长片麻岩及奥陶系石英片岩等，均为中-坚硬岩，节理裂隙不发育，岩体完整-较完整[1]。深埋隧洞段具备发生岩爆的地质条件。

2 发生岩爆、断层区域地质特征与TBM施工预测及风险

2.1 发生岩爆区域、断层带地质特征

2.1.1断层附近易发生岩爆

经统计TBM3-1分析：轻微岩爆-中等岩爆易在断层上下盘发生，当下盘向上盘方向掘进时，下盘发生的频率大于上盘，距离断层0～21m范围易发生岩爆，刚性断裂及断层影响带小的断层附近，易引发范围较大的岩爆。因受断层影响，断层带、断层上下盘岩石强度不一样，地应力分部不均，导致岩石强度高、完整性好的、无结构面岩体一侧发生岩爆。TBM3-1断层附近岩爆特征如下：

TBM3-1隧洞全长11.596km，TBM向下游顺坡掘进，开挖洞径7.8m，洞轴线方向318°，隧洞埋深209～457m，掘进过程中发生6处岩爆位于断层附近。6处断层特征如下：揭露NNW、NNE、NE走向断层，产状：28～48°SE∠25～45°、35°NW∠70°、350°NE∠50°，断层带宽0.05～4m，影响带宽0.1～5m，断层面略平直—起伏、粗糙，断层带以挤压碎裂岩、断层角砾岩及断层泥为主，断层面见1～5mm的泥膜。断层与隧洞走向呈小-大角度相交，局部带内可见褐铁矿化和绿泥石化蚀变现象[1]。6处岩爆特征如下：揭露岩爆特征为轻微岩爆-中等岩爆，位于左侧拱肩-右拱顶，形成径向长度2～13m，环向2～3m，爆坑深度0.05～1m，发生岩爆段埋深226～352m。该段断层附近岩爆见表1—2。

表1 TBM3-1断层附近岩爆统计表

经统计TBM2分析：轻微-中等岩爆段中也存在断层，断层一般属于刚性断裂及断层影响带小的断层，断层带宽0.01～0.20m，断层影响带比较小，周围易引发范围较大的岩爆。当下游向上游掘进时，断层位于拱肩以下及腰线附近，与洞轴线小角度相交，缓倾角发育时，上盘发生的频率大于下盘，距离断层3～32m范围易发生岩爆，TBM2岩爆段中断层特征及附近岩爆特征见表2。

表2 TBM3—1断层附近岩爆统计表

TBM2隧洞全长15.150km，TBM向上游顺坡掘进，开挖洞径7.8m，洞轴线方向312°，隧洞埋深318～720m，掘进过程中4处岩爆段中揭露断层。4处断层特征如下：揭露NW、NE走向断层，产状：300～320°NE∠20～45°、320°SW∠45°、35°NW∠30°，断层带宽0.01～0.20m，影响带宽0.1～0.5m，断层特征与TBM3-1断层特征相似。4处岩爆特征如下：揭露岩爆特征为轻微-中等岩爆，位于左侧拱肩-右拱肩，形成径向长度35～50m，环向2～4m，爆坑深度0.10～1m，发生岩爆段埋深653～719m。断层埋深比较大，断层附近节理裂隙发育，受岩爆影响，一般该段的围岩类别为Ⅲa、Ⅲb、Ⅳ。TBM2岩爆段中揭露断层见表3—4。

表3 TBM2岩爆段中揭露断层统计表

表4 TBM2岩爆段中揭露断层统计表

施工过程中岩爆、断层同时存在时。对洞室稳定影响较大。东北大学通过《岩爆微震监测与预警》探测32+107—32+072段，预警区内已累计产生的微震事件89个，累计微震释放能量2.00E+05J。预警岩爆等级为中等岩爆。预警报告特征见表5、微震事件沿隧道轴向分布特点如图1所示。

表5 K32+107—K32+072区域岩爆预警报告

图1 微震事件沿隧道轴向分布特征

山东大学利用《地震波超前探测原理》成功探测32+113—32+053区段，并根据反射图上存在明显的可加可减反射，可以推测这个区段构造发育及节理裂隙发育，但施工区较破碎。隧道地震波成像图、俯视图如图2—3所示，该段隧洞掘进过程中揭露特征基本与探测报告吻合。

图2 隧道地震波成像图

图3 隧道地震俯视图

2.1.2侵入岩脉附近易发生生岩爆

侵入岩脉具有硬、脆的工程特征，具有岩爆发生的基本条件，侵入岩脉对周围基岩的地应力有一定影响，侵入岩脉与基岩的成岩年代为不同时期，两者岩性特征具有明显的差别，侵入岩脉与基岩强度特征不一样。侵入岩脉经过范围，易发生岩爆，该工程上游段岩爆发生在侵入岩脉附近。

TBM2掘进过程中发生2处岩爆位于侵入粗粒花岗岩岩脉附近。基本特征如下：

桩号32+960、32+976—33+007，两段隧洞均埋深700～703m，两段岩性均为黑云母斜长片麻岩，灰白色-灰黑色，为片麻状构造，矿物呈定向排列，局部侵入变质花岗岩，块状结构。桩号32+960右壁侵入1.5～2.0m宽灰白色粗粒花岗岩岩脉，沿走向332°向左壁延伸，左壁侵入范围增大，桩号32+976～33+007右壁充填0.2～1.5m宽灰白色粗粒花岗岩岩脉。在侵入岩脉1～2m范围以外，沿着岩脉走向在岩脉以上及上半洞形成轻微岩爆-中等岩爆。该段岩爆等级与侵入岩脉厚度、强度密切相关，出露的侵入岩脉越厚，岩爆越剧烈。且软硬交界面附近更易产生岩爆和结构复合型塌方破坏。如图4所示。

图4 右壁侵入粗粒花岗岩岩脉

2.1.3高地应力区易发生岩爆

TBM2向上游顺坡掘进，向前掘进时埋深逐渐增多，隧洞埋深318～720m，随着埋深不断的增多，地应力也增大，经前期勘查所得，隧洞区围岩实测最大主应力值可达23～27MPa。掘进时易产生轻微岩爆-中等岩爆。发生岩爆的频次相对较多，以轻微岩爆为主，岩爆在分布范围广、爆坑大多连续，结构面区域发生岩爆破坏的程度更高。

2.2 TBM施工岩爆段、断层带的预测

易发生岩爆洞段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、侵入岩脉软硬交接面、地应力高、新鲜脆硬性干燥岩石深埋部位。预测岩爆发生范围和岩爆等级，目的是根据预警结果，采取工程措施，开挖优化、应力释放和支护优化，降低岩爆的概率及风险。

提前进行断层带预警，目的是及时了解断层带是否存在，预判存在断层规模，根据具体特征采取相应的支护措施，以下简述两种预警方法。

(1)结合类比法、施工经验进行宏观预报

当TBM正常施工时，突然遇到岩爆时，要结合易发生岩爆洞段地质特征，要提前预判前面是否有构造、岩性变化等。当遇到构造、侵入岩脉及特殊地质特征时，要预判前面是否有岩爆。

侵入岩脉在隧道中揭露部位不同，对形成不同的岩爆等级和危险程度都有直接关系，对岩爆的潜在风险等级和发生可能性做出预估，然后结合掌子面前方岩脉的产状及出露部位，及其对岩爆的影响进行初步判断。

鉴于上述方法，在隧道挖掘过程中，要正确把握已揭示的侵入岩脉在隧洞内的出露部位、厚度、方向和倾角，确定侵入岩脉与洞轴线的关系。根据已揭露的特征对开挖掌子面侵入岩脉与隧洞的空间位置关系进行推断。根据岩脉侵入特征，推断可能发生的岩爆等级为何种类型。

岩爆的发生机理与区域构造、地层岩性、地下水活动、岩脉侵入、结构面发育程度有密切联系，施工期间带着问题去预判。

当TBM掘进进入轻微岩爆洞段时，掘进参数及出渣量没有大的变化，偶尔会出现大的渣粒，直径0.2m左右，但渣量不多；当掘进进入中等岩爆-强岩爆洞段时，一般顶护盾压力增大，会出现大的渣粒，直径20cm左右，但渣量较多；当TBM开挖至断层带附近区域时，通常会出现掘进参数突变、皮带出渣量突增及平均渣石块度超过0.2m的现象。综上，结合揭露围岩地质特征、掘进参数变化、皮带出渣量及渣石块度的变化规律，可对掌子面附近围岩地质条件和潜在破坏类型进行预报。

(2)仪器法预警岩爆等级、断层带

由于该区域位于构造运动强烈的区域，原岩应力以水平应力为主，且地质条件较为复杂，导致岩爆、塌方等灾害频发。因此该标段由山东大学采用物探超前地质探测和激发极化超前探测方法分别对刀盘前方地质构造及地下水发育情况进行初步预测。

除此之外，TBM2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段，对开挖区域潜在岩爆风险等级进行微震实时监测。

2.3 TBM施工岩爆段、断层带的风险

岩爆是瞬间发生的地质灾害现象，岩爆发生的时间存在不确定性，岩爆破坏性很大，岩爆破坏前兆没有明显特征，对施工安全构成极大威胁，岩爆分布范围广，爆坑大多连续，个别时候来不及支护，引发多次岩爆形成较大塌腔，一定程度上使得岩爆的防治与预测工作遇到了诸多困难，对TBM设备及施工人员的安全有一定影响，导致施工成本增加，破坏的危险性和不确定性造成TBM施工效率下降。

TBM在断层带掘进过程中，塌方及软岩变形灾害将会导致刀盘无法转动，出现卡机风险。影响正常掘进的风险。

3 岩爆段、断层带对TBM掘进的影响

TBM掘进效率与地质条件密切相关，当TBM掘进时遇到岩爆段、断层带等不良地质条件时，会对TBM掘进会产生影响，具体特征如下：

(1)受开挖应力调整的影响，在TBM的掘进过程中，岩爆易发生在刀盘前方区域及护盾上方，对换刀技术人员的安全造成了巨大隐患；此外，还有部分岩爆具有“滞后性”的特征，即该区域出露护盾后才发生岩爆，增加支护量的同时也对主梁区域工作人员及设备的安全极易造成威胁。

开挖至断层带区域时，岩爆、塌方等地质灾害现象更易发生。当刀盘前方围岩软弱或节理裂隙发育时，可能会形成规模较大的塌腔，极易造成顶护盾压力突增甚至TBM卡机现象，进而延误工期。

(2)TBM开挖至岩爆段或断层带时，因围岩条件复杂多变，当支护措施未能有效提高围岩强度时，极易形成规模较大的爆坑或塌腔。当上述灾害发生在边墙区域时，受破坏区域围岩完整性和平整程度的影响，洞壁无法为撑靴提供足够的支撑力，进而导致TBM持续震动，影响TBM寿命，耽误施工进度。

(3)断层带开挖后围岩极易产生较大的收敛变形，导致变形围岩将TBM紧紧裹住，TBM启动运转比较困难。当出现较大的断裂带时，就会导致TBM撑靴处于两侧较疏松的围岩中，起不了有效的支撑，导致撑靴打滑。

(4)岩爆段或断层带区域破坏频发，导致清渣、运料、支护等工程量增加，增加施工成本和材料消耗的同时也降低了TBM掘进时间利用率，大大降低了掘进效率。

4 岩爆洞段、断层带施工方法

4.1 施工支护策略

TBM掘进遇到岩爆段、断层带时，直接影响TBM的施工安全和掘进速度，在了解并清楚揭露隧道围岩地质特点的基础上，开展了必要的围岩检查工作，如变形测试、应力测量等，以获取围岩岩爆、断裂前后的各项物理力学参数，并做好总结分析。根据类比法、施工经验、仪器法“先预警”，了解岩爆等级及断层规模后，再制定“超前预加固、优化进尺、调整掘进参数、及时支护、释放应力、应急喷砼、及时监测”的施工支护策略。

4.2 施工支护流程及技术要点

4.2.1根据不同岩爆等级、断层规模预处理

TBM掘进过程中，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。

轻微岩爆区段在施工时，人工清理松散岩块，在掘进过程中适时增加向掌子面、护盾等周围的洒水，在对护盾及后方隧道围岩上实行24h的不间断洒水、清洗工作，对较易产生岩爆的围岩也能产生相应的软化效果，从而促进内部应力释放与调整，降低岩石的脆性。并进行顶拱120°系统锚网喷加轻型格栅以及钢肋的支撑方式。

中等-强烈岩爆段施工时，受高地应力结构面松弛破坏，应力型塌方、破坏松动圈范围一般在60°～120°，深度1～3m时。首先人工清除掉块、碎石，应急喷混凝土全断面系统锚网喷+HW125或HW150拱架，拱架间采用槽钢满焊链接，增强拱架整体受力。结合TBM自身设备及外配设备组合可施做应力释放孔。

断层带掘进时地质灾害发生的频率较高，掘进时要掌握清楚断层的规模及类型，不同的规模断层采取不同的支护方式。

在顶拱及腰线附近发育小规模断层时，断层带宽较小，影响规模小，形成掉块、塌方，拱顶范围60°～120°，深度1～3m。可进行人工放渣，应急喷砼，全断面系统锚网喷+HW125拱架支护。

掘进过程中遇到中等规模断层形成塌方，影响范围90°～180°，塌方深度2～6m，富水洞段时，超前预注浆或超前管棚加固，边刀增加垫块实施扩挖，预埋注浆管，应急喷混凝土，全断面系统锚网喷+HW150拱架，拱架间采用槽钢满焊链接，增强拱架整体受力。

4.2.2合理调整TBM掘进参数掘进

掘进参数指标与围岩地质条件和围岩强度有较强的关联性。例如：推力与围岩完整性及围岩强度呈正相关，贯入度与围岩完整性及围岩强度呈负相关，刀盘扭矩与围岩完整性及围岩强度呈正相关等。合理选用与围岩条件相适应的掘进参数方能使TBM的掘进效率得到提高。

当TBM参数发生突变时，应及时根据其变化范围及变化速率对掘进参数进行相应调整。一方面是降低刀盘对掌子面附近岩体的扰动程度，进而降低围岩发生失稳破坏的风险，另一方面则是需要控制皮带机的出渣速度及渣石大小，必要时需采用人工破碎大块渣石或采用料车运送底渣，避免因渣石块度过大、皮带机高速运作等导致皮带机停机或皮带断裂。

在中等-强烈岩爆段、断层带中继续向前掘进时，应通过降低进尺，减少扰动的主要方针来降低围岩失稳破坏的风险，具体实施策略为“短进尺、低转速、低推力、大贯入度”，在掘进过程中保持匀速掘进，避免“间歇式”开挖而导致破坏风险的升高。由于岩爆段或断层带存在地质条件复杂的情况，还需严格控制掘进姿态，按照“多次、少量”的纠偏原则对TBM姿态进行纠正。

4.2.3及时加强支护、快速喷射混凝土封闭

围岩条件复杂时，易出现结构面组合切割形成不稳定楔形体的情况，在局部高应力的作用下诱发大规模掉块或岩爆等现象。

围岩强度低时，出露护盾后的围岩自稳时间通常很短。因此，当遇到中等-强烈岩爆段、断层带严重洞段时，围岩出露护盾后及时加强支护，采取增加刚性锚杆数量或施作钢拱架支护、及时喷射混凝土的支护措施，保证快速封闭围岩，减少后方围岩及支护体的受力程度。此外，当围岩质量极差时，出露护盾围岩后可采用“HW150型钢拱架，间距0.45m，环向360°槽钢连接、加密钢筋排”的支护形式，必要时在拱架下支撑竖支撑，防止拱架变形导致围岩收敛变形。如图5所示混凝土喷层对围岩的封闭及加固能力是显著的，当围岩完整性极差时，可在C30混凝土支护(厚约0.2m)的基础上增加注浆管，对大规模塌腔、裂缝及钢拱架与岩壁间的空隙进行填实，以抑制围岩内部裂隙的进一步扩展。

图5 现场采用竖支撑支护

4.2.4加强围岩观测

受中等-强烈岩爆、断层带的影响，围岩的自稳能力通常较差，具体表现为围岩内部不断有新生破裂产生，原生节理不断扩展，宏观变形不断累积等现象，进而导致初期支护受力不断增大，当支护体受力值超过极限强度后，会导致支护体发生变形失稳，如锚杆被拉出、钢拱架卷边及扭曲等现象。

因此，在上述情况下，加强围岩观测是必要的，通过观测围岩收敛、锚杆受力及钢拱架受力值随时间的演化曲线可初步确定支护体的稳定性及受力稳定情况，当围岩变形值或支护体受力量值大且变化速率大时，及时加强该区域的支护强度，通知现场人员注意围岩变化情况，规避潜在风险。

5 结论

本文分析了某深埋隧洞易发生岩爆段、断层段地质及破坏特征，建立了TBM穿越岩爆、断层区域的施工方法。

该段施工根据类比法、施工经验及仪器法“先预警”，了解岩爆等级及断层规模后，开展“超前预加固、优化进尺、调整掘进参数、及时支护、释放应力、应急喷混凝土、及时监测”的施工策略。上述策略的联合施作，成功降低了TBM穿越岩爆、断层区域期间对围岩的扰动，有效提高了围岩强度，最大限度减少了围岩失稳破坏的风险，进而有效提高了掘进效率。

基于上述施工方法，本工程顺利穿越岩爆、断层区域，且可为今后类似工程的施工提供经验与指导。