深埋隧洞巖爆防控技術(shù)及典型工程應(yīng)用現(xiàn)狀綜述

歐陽林，張如九，劉耀儒，黃其帥，李建賀，龐智勇

(1.云南省滇中引水工程建設(shè)管理局，昆明 650051； 2.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084； 3.云南省滇中引水工程有限公司，昆明 650000； 4.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010)

1 研究背景

近年來，隨著地下工程建設(shè)逐漸向地層深部拓展，興建了許多超大埋深的引水隧洞，如雅礱江錦屏二級(jí)水電站引水隧洞最大埋深2 525 m，引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞最大埋深2 012 m，巴基斯坦N-J水電站引水隧洞最大埋深近2 000 m等[1-3]。深埋工程地質(zhì)條件復(fù)雜，具有“三高一擾動(dòng)”(高地應(yīng)力、高地溫、高水壓、強(qiáng)開挖擾動(dòng))的特點(diǎn)[4]，導(dǎo)致施工過程中各種地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，其中巖爆就是較常見的一種嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害。巖爆定義為高地應(yīng)力條件下硬巖開挖卸荷引發(fā)的圍巖彈射破壞現(xiàn)象[5]，其嚴(yán)重威脅施工期人員和設(shè)備安全，同時(shí)延緩工程進(jìn)度，使工程量和工程造價(jià)大幅增加，上述已建深埋隧洞均受巖爆災(zāi)害困擾。隨著滇中引水工程、雅下水電開發(fā)等大型水電工程的逐步建設(shè)，深部巖體開挖卸荷引發(fā)的巖爆問題將更加突出，深埋隧洞施工將面臨更多巨大挑戰(zhàn)。因此，開展有效的巖爆防控，以減輕乃至消除巖爆危害，對(duì)保證深埋隧洞的安全穩(wěn)定具有重要意義。

目前， 國內(nèi)外許多深埋隧洞基于工程自身的特點(diǎn)， 在施工過程中采取了有針對(duì)性的巖爆防控技術(shù)， 并取得了一定效果[6-10]。 然而， 不同工程的地質(zhì)條件、 巖爆情況、 施工方法等各方面因素不盡相同， 所采取巖爆防控技術(shù)的作用機(jī)理、 適用范圍、 防控效果也具有不同的特點(diǎn)。 因此， 針對(duì)深埋隧洞的巖爆防控技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性梳理與總結(jié)十分必要。 本文在介紹巖爆的分類、 機(jī)制、 評(píng)價(jià)預(yù)警方法及防控原則的基礎(chǔ)上， 主要討論施工期巖爆防控的主動(dòng)措施和被動(dòng)措施； 同時(shí)針對(duì)鉆爆法和TBM施工的不同巖爆特點(diǎn)， 分析各自的巖爆防控重點(diǎn)， 并歸納典型工程的巖爆防控技術(shù)(擬)應(yīng)用情況， 以期為深埋隧洞的巖爆防控及相關(guān)研究提供參考。

2 巖爆類型、機(jī)制、評(píng)價(jià)預(yù)警及防控原則

2.1 巖爆類型和孕育機(jī)制

根據(jù)發(fā)生時(shí)間的不同，巖爆類型一般劃分為即時(shí)型巖爆和時(shí)滯型巖爆，即時(shí)型巖爆又分為即時(shí)性應(yīng)變型、即時(shí)性應(yīng)變-結(jié)構(gòu)面滑移型，時(shí)滯型巖爆可進(jìn)一步劃分為時(shí)空滯后型和時(shí)間滯后型[11-12]。根據(jù)發(fā)生機(jī)制的不同，通常可分為應(yīng)變型巖爆、斷裂滑移型巖爆[13]。根據(jù)烈度等級(jí)的不同，一般分為輕微巖爆、中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆、極強(qiáng)巖爆。

應(yīng)變型巖爆本質(zhì)上是巖石的脆性破壞，一般認(rèn)為其機(jī)制是完整巖體隧洞開挖卸荷引起圍巖應(yīng)力集中，拉裂紋萌生并不斷擴(kuò)展、貫通直至破壞，當(dāng)圍巖彈性應(yīng)變能大于破壞耗散能時(shí)，在剩余能量的驅(qū)動(dòng)下破壞體向臨空面彈射而出。斷裂滑移型巖爆本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)面的剪切滑移破壞，由于結(jié)構(gòu)面性狀和力學(xué)行為的復(fù)雜性，關(guān)于斷裂滑移型巖爆的具體誘發(fā)機(jī)理，目前尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，但結(jié)構(gòu)面可能誘發(fā)高等級(jí)巖爆這一現(xiàn)象已得到確認(rèn)[14-15]。水電交通隧洞施工一般對(duì)大規(guī)模的斷層擾動(dòng)較小，可能誘導(dǎo)強(qiáng)烈?guī)r爆的結(jié)構(gòu)面以較小規(guī)模的節(jié)理、層面、硬性結(jié)構(gòu)面為主[14]，且?guī)r爆爆坑以結(jié)構(gòu)面為邊界。

2.2 巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)預(yù)警

在工程設(shè)計(jì)階段和開挖初期進(jìn)行巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，在施工開挖過程中開展巖爆實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，能夠?yàn)閹r爆防控提供科學(xué)決策依據(jù)。

巖爆的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面，目前主要是基于巖爆的強(qiáng)度理論、能量理論、剛度理論等，提出相應(yīng)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)和數(shù)值指標(biāo)。經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)或室內(nèi)試驗(yàn)確定巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分閾值，形成宏觀經(jīng)驗(yàn)判據(jù)，典型判據(jù)如應(yīng)力強(qiáng)度比[16-18]、彈性能指數(shù)[19]、脆性系數(shù)[20]等。數(shù)值指標(biāo)基于數(shù)值計(jì)算得到，通過分析數(shù)值指標(biāo)的時(shí)空分布情況，可評(píng)價(jià)巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、區(qū)域、破壞深度等信息，典型的數(shù)值指標(biāo)包括局部能量釋放率[21]、破壞接近度[22]、能量耗散率[23]等。此外，還可以通過綜合考慮多個(gè)指標(biāo)判據(jù)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型及機(jī)器學(xué)習(xí)等方法進(jìn)行綜合決策，以提高巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度。

巖爆的監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，主要是基于一些現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法，包括微震法、聲發(fā)射法、微重力法、鉆屑法、電磁輻射法等。目前應(yīng)用最廣泛的是微震監(jiān)測(cè)法[24-25]，通過分析微震事件的活動(dòng)特征，獲取破裂時(shí)間、位置、能量等震源參數(shù)，推斷巖體的力學(xué)狀態(tài)和破壞特征，揭示主要損傷區(qū)域和潛在巖爆區(qū)域。

2.3 巖爆防控原則

在合理判斷潛在巖爆烈度等級(jí)、潛在部位等信息的基礎(chǔ)上，近年來許多巖爆防控技術(shù)得到了發(fā)展與應(yīng)用，就其遵循的防治原則而言，主要包括“釋放或轉(zhuǎn)移圍巖應(yīng)力”“改善圍巖物理力學(xué)性質(zhì)”“加固圍巖”3個(gè)方面[26-27]。其中，“釋放或轉(zhuǎn)移圍巖應(yīng)力”從控制巖爆的外在條件出發(fā)，采取應(yīng)力釋放或轉(zhuǎn)移措施，以降低圍巖應(yīng)力水平，典型措施如施作超前應(yīng)力釋放孔、應(yīng)力解除爆破、開挖先導(dǎo)洞等；“改善圍巖物理力學(xué)性質(zhì)”從控制巖爆的內(nèi)在因素出發(fā)，主要是進(jìn)行高壓噴水或鉆孔注水促使圍巖軟化，降低其巖爆傾向性；“加固圍巖”從提高圍巖的抗力出發(fā)，主要是通過支護(hù)加固措施加強(qiáng)圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力和抗沖擊力，包括噴錨支護(hù)、鋼支撐、鋼筋網(wǎng)等。

除了上述防控原則和相應(yīng)措施外，在巖爆洞段的施工中，還可以通過改進(jìn)開挖工法或掘進(jìn)參數(shù)，獲得更好的巖爆防控效果，如采用“短進(jìn)尺、多循環(huán)”的開挖作業(yè)方式、鉆爆法采取直眼掏槽和水壓爆破技術(shù)并提高光面爆破效果等[28]。此外，還需采取一定安全防護(hù)措施，如人員及設(shè)備配備防護(hù)服、防護(hù)網(wǎng)、防護(hù)鋼板等。在面對(duì)強(qiáng)烈或極強(qiáng)巖爆時(shí)，若人力無法控制，人員設(shè)備均需進(jìn)行待避以確保安全，如巴玉隧道一次極強(qiáng)巖爆曾規(guī)避了一個(gè)星期[29]。

綜合以上巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)預(yù)警方法及相關(guān)防控技術(shù)、施工及安全措施，總結(jié)得到深埋隧洞巖爆防控的總體框架，如圖1所示。

圖1 深埋隧洞巖爆防控總體框架Fig.1 Framework of rockburst prevention in deep tunnels

3 巖爆的主動(dòng)防控和被動(dòng)防控

巖爆的主動(dòng)防控是在開挖作業(yè)前或開挖初期進(jìn)行的巖爆預(yù)防，其目標(biāo)是通過改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)和物理力學(xué)性質(zhì)，或通過超前支護(hù)或主動(dòng)支護(hù)措施，大幅降低巖爆風(fēng)險(xiǎn)乃至消除巖爆。巖爆的被動(dòng)防控是在開挖作業(yè)后開展的巖爆防護(hù)，其目標(biāo)是通過剛性支護(hù)和柔性支護(hù)的聯(lián)合作用，防止巖爆飛濺，增強(qiáng)隧洞結(jié)構(gòu)的自承能力和抗沖擊能力，有效保護(hù)人員和設(shè)備安全。

3.1 巖爆的主動(dòng)防控措施

3.1.1 鉆孔應(yīng)力釋放和超前應(yīng)力解除爆破

鉆孔應(yīng)力釋放是在隧洞洞壁或掌子面鉆孔以釋放部分圍巖應(yīng)力；超前應(yīng)力解除爆破是當(dāng)鉆孔無法滿足巖爆等級(jí)所要求的應(yīng)力釋放程度時(shí)，而在常規(guī)的應(yīng)力釋放孔的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采取的爆破卸壓措施。

鉆孔應(yīng)力釋放的作用機(jī)理是通過鉆孔的變形來釋放洞壁圍巖切向應(yīng)力和儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能，同時(shí)使圍巖切向應(yīng)力峰值向內(nèi)部圍巖轉(zhuǎn)移。由于應(yīng)力釋放能力有限，鉆孔應(yīng)力釋放主要適用于輕微-中等巖爆，其防控效果與鉆孔長度、直徑、間距等因素相關(guān)，其中鉆孔直徑對(duì)應(yīng)力釋放效果影響最大[30]。鉆孔可于隧洞開挖初期在洞壁施作(徑向應(yīng)力釋放孔)，也可于隧洞開挖前在掌子面施作(超前應(yīng)力釋放孔)，伴隨高壓注水可以達(dá)到更好的防控效果。此外，也可采取巖壁切槽等方式，其作用原理與鉆孔相同。鉆孔及切槽除了采用傳統(tǒng)鉆機(jī)等設(shè)備，在煤礦領(lǐng)域已有案例采用新型的水射流切割技術(shù)[31]，但目前在水電交通隧洞中鮮見應(yīng)用。

超前應(yīng)力解除爆破的作用機(jī)理是在前方圍巖內(nèi)部形成一個(gè)破碎帶，以降低掌子面附近的應(yīng)力，并使峰值應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部[6，32]。由于超前應(yīng)力解除爆破具有較強(qiáng)的卸壓和應(yīng)力釋放能力，主要適用于強(qiáng)烈?guī)r爆和極強(qiáng)巖爆。就防控效果而言，超前應(yīng)力解除爆破能夠?qū)?yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行有針對(duì)性的應(yīng)力解除，應(yīng)力釋放效果良好，在工程中應(yīng)用廣泛。通過水力輔助爆破的方式能夠達(dá)到更好的應(yīng)力釋放效果，在煤礦領(lǐng)域也有采取水壓致裂技術(shù)的做法[33]。超前應(yīng)力解除(釋放)孔的具體布置方案可基于前方圍巖情況和實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，通過數(shù)值模擬或試驗(yàn)方法確定[34]。

3.1.2 先導(dǎo)洞

先導(dǎo)洞是在隧洞正式開挖前，采用鉆爆法在掌子面前方提前開挖的面積較小的工作面。先導(dǎo)洞一般洞徑較小，因而具有自穩(wěn)能力強(qiáng)、巖爆風(fēng)險(xiǎn)較低的特點(diǎn)，在減緩前方圍巖應(yīng)力和能量集中的同時(shí)，其本身也可以作為地質(zhì)超前探洞[35]。

先導(dǎo)洞的作用機(jī)理與鉆孔應(yīng)力釋放類似，可以將先導(dǎo)洞視為大直徑的鉆孔，因而具有更好的應(yīng)力釋放與轉(zhuǎn)移效果。先導(dǎo)洞的應(yīng)力釋放能力主要受爆破參數(shù)和斷面尺寸影響[36]，與超前應(yīng)力釋放孔類似，可以通過數(shù)值模擬及試驗(yàn)來確定合理的布置方案，從而使防控效果最大化[37]。在實(shí)際施工中，當(dāng)其他的巖爆主動(dòng)巖爆防控措施效果不佳或TBM一次性全斷面開挖面臨強(qiáng)烈-極強(qiáng)巖爆時(shí)，可以采用先導(dǎo)洞法進(jìn)行處理[38]。

3.1.3 高壓噴水和鉆孔注水

在施工期對(duì)隧洞洞壁噴高壓水或鉆孔高壓注水可以促使圍巖軟化，改善圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而一定程度上緩解巖爆[39-40]。水防治巖爆的作用機(jī)理如下[26]：①高壓注水具有楔劈作用，可以降低圍巖表層強(qiáng)度；②水有利于圍巖應(yīng)變能的釋放，能夠降低剩余彈性能，避免應(yīng)變能過度集中；③水有利于裂隙的萌生與擴(kuò)展，從而降低巖體的完整性與儲(chǔ)能能力。從實(shí)踐效果看，由于水影響范圍有限，高壓噴水或鉆孔注水措施一般作為巖爆防控的輔助或局部解危措施，需搭配其他巖爆防控措施共同發(fā)揮其效能。

3.1.4 超前錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)

超前錨桿支護(hù)是在隧洞開挖前，在圍巖預(yù)先布設(shè)的位置中以受拉作用的形式將錨桿打入，對(duì)前方圍巖進(jìn)行超前支護(hù)加固的方法。常見的超前支護(hù)措施還包括超前小導(dǎo)管、超前管棚等，在水工隧洞中，超前支護(hù)以超前錨桿為主。預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)是通過錨頭產(chǎn)生的錨固力對(duì)圍巖施加一定的預(yù)緊力，主動(dòng)加固圍巖的方法。

超前錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的作用機(jī)理包括以下幾個(gè)方面[41]：①錨桿鉆孔本身就起到應(yīng)力釋放作用；②使圍巖能夠較快從開挖后的二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?nèi)驊?yīng)力狀態(tài)，起到應(yīng)力轉(zhuǎn)移作用；③作為圍巖的加固補(bǔ)強(qiáng)措施，及時(shí)發(fā)揮錨桿的懸吊、組合梁等作用，錨固巖爆掉塊及塌方，提高巖體的自承能力和儲(chǔ)能能力。傳統(tǒng)的系統(tǒng)錨桿雖然也具備上述作用，但只有在開挖作業(yè)和圍巖向臨空面變形后才能發(fā)揮其效能，屬于被動(dòng)支護(hù)[42]。

超前錨桿作為臨時(shí)支護(hù)，要求錨桿迅速發(fā)揮作用，宜采用早強(qiáng)砂漿錨桿、樹脂錨桿或管縫式錨桿，一般用于強(qiáng)烈及以上巖爆洞段，可有效降低隧洞拱部的巖爆風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于來不及進(jìn)行初期支護(hù)的即時(shí)型巖爆尤為適用[43]。預(yù)應(yīng)力錨桿主動(dòng)支護(hù)目前采用較多的是漲殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿，其支護(hù)力高，作用速度快，且能夠作為永久支護(hù)，適用于中等及更強(qiáng)烈?guī)r爆洞段。

3.2 巖爆的被動(dòng)防控措施

3.2.1 噴錨支護(hù)

噴錨支護(hù)是隧洞施工及巖爆防控中普遍采取的措施，通過噴射混凝土和錨桿支護(hù)相結(jié)合，共同對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)加固，包括初期支護(hù)(臨時(shí)支護(hù))和二次支護(hù)(永久襯砌)。其作用機(jī)制是使錨桿、混凝土噴層和圍巖構(gòu)成聯(lián)合承載體系，增強(qiáng)隧洞結(jié)構(gòu)的整體性、自承能力和抗沖擊能力，從而抵御巖爆的危害。

針對(duì)不同烈度等級(jí)的巖爆，需采用不同的混凝土和錨桿類型。對(duì)于輕微-中等巖爆的防控，采用普通混凝土和普通砂漿錨桿即可。然而，常規(guī)混凝土和系統(tǒng)錨桿變形性能較差，屬剛性支護(hù)，無法起到很好的吸能和抗動(dòng)荷作用；當(dāng)開挖洞段有強(qiáng)烈-極強(qiáng)巖爆風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，要求混凝土有較高韌性和抗壓抗折強(qiáng)度，錨桿具有較好的屈服和讓壓能力，從而形成柔性支護(hù)體系，吸收巖爆動(dòng)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的動(dòng)能[44-45]。此時(shí)，混凝土宜采用鋼筋混凝土、鋼纖維混凝土或納米仿鋼纖維混凝土等高性能復(fù)合材料[10]；錨桿宜采用適應(yīng)變形能力強(qiáng)的吸能錨桿，如水脹式錨桿、錐形錨桿等[46]。

3.2.2 鋼筋網(wǎng)(柔性鋼絲網(wǎng))

普通鋼筋網(wǎng)、柔性鋼絲網(wǎng)及其他高性能金屬繩網(wǎng)是典型的柔性防護(hù)措施，其作用機(jī)理是通過錨桿、噴射混凝土與掛網(wǎng)相結(jié)合(噴錨網(wǎng)支護(hù))，構(gòu)成聯(lián)合支護(hù)體系，使鋼筋網(wǎng)(柔性鋼絲網(wǎng))形成對(duì)圍巖表面的及時(shí)有效覆蓋，充分發(fā)揮對(duì)爆裂巖石的承托、緩沖和吸能作用[47]。與普通鋼筋網(wǎng)相比，柔性鋼絲網(wǎng)具有可預(yù)制、強(qiáng)度高、變形性能優(yōu)、抗沖擊能力好、作用速度快的特點(diǎn)，其施工流程如圖2[47]所示。鋼筋網(wǎng)(柔性鋼絲網(wǎng))一般在輕微-中等巖爆中較為適用，強(qiáng)烈?guī)r爆還需結(jié)合有效的超前應(yīng)力釋放技術(shù)共同應(yīng)對(duì)。

圖2 柔性鋼絲網(wǎng)施工流程示意圖[47]Fig.2 Sketch of construction process of flexible steel mesh[47]

3.2.3 鋼支撐

鋼支撐是隧洞初期支護(hù)的常見措施，同時(shí)也是永久支護(hù)的組成部分，可以有效防護(hù)巖爆導(dǎo)致的巖體垮塌，包括型鋼拱架和格柵鋼架。型鋼拱架是典型的大剛度、強(qiáng)支護(hù)措施，利用鋼拱架沿隧洞環(huán)向支撐，提供較大的初期徑向支護(hù)阻力，有效增強(qiáng)隧洞結(jié)構(gòu)的剛性和承載力。與型鋼拱架相比，格柵鋼架屬于柔性支護(hù)[48]，初期釋放圍巖變形能力較好，施工方便且較為經(jīng)濟(jì)，但整體剛度較低。鋼支撐一般用于中等及以上巖爆洞段，根據(jù)巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的大小，可采取不同的鋼拱架間距及設(shè)置鋼筋排封閉支護(hù)[34]。

3.3 主動(dòng)+被動(dòng)聯(lián)合防控

從上述巖爆的主動(dòng)及被動(dòng)防控措施可以看出，主動(dòng)防控既包括對(duì)圍巖本身的處理措施，如鉆孔應(yīng)力釋放、高壓噴水等，也包括對(duì)圍巖的預(yù)支護(hù)和主動(dòng)支護(hù)技術(shù)。被動(dòng)防控的特征是作用機(jī)制的發(fā)揮依賴于隧洞開挖后圍巖產(chǎn)生的變形及破壞，措施主要包括錨桿支護(hù)、噴混凝土、柔性防護(hù)網(wǎng)及鋼支撐，根據(jù)剛度的大小選取不同材料類型，又可區(qū)分為剛性支護(hù)和柔性支護(hù)，如圖3所示。

圖3 巖爆的主動(dòng)與被動(dòng)防控典型措施Fig.3 Typical methods for active and passive rockburst prevention

一般而言，巖爆的主動(dòng)防控措施易影響施工進(jìn)度，故巖爆風(fēng)險(xiǎn)不大時(shí)，只采取被動(dòng)防控措施即可。當(dāng)巖爆風(fēng)險(xiǎn)較高，面臨強(qiáng)烈?guī)r爆或極強(qiáng)巖爆時(shí)，則必須采取有效的主動(dòng)+被動(dòng)聯(lián)合防控措施[34]，通過超前應(yīng)力釋放降低圍巖整體巖爆風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)通過支護(hù)體系增強(qiáng)隧洞結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力。理想的應(yīng)力釋放應(yīng)具有高效性，理想的支護(hù)體系應(yīng)具有主動(dòng)和吸能兩大特點(diǎn)[49]。

近年來，基于“噴射鋼纖維混凝土(或納米仿鋼纖維混凝土)+漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿+柔性鋼絲網(wǎng)”的快速柔性支護(hù)技術(shù)在一些工程中逐漸得到了應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)的“噴射混凝土+剛性錨桿+鋼筋網(wǎng)”剛性被動(dòng)支護(hù)，新型柔性支護(hù)體系具有主動(dòng)加固和柔性吸能的特點(diǎn)，具有施工速度快、機(jī)械化程度高、吸能能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[47]，但關(guān)于該技術(shù)的耦合作用機(jī)理與支護(hù)參數(shù)優(yōu)化的研究，目前尚不成熟。

4 鉆爆法和TBM法施工的巖爆防控重點(diǎn)

4.1 不同施工方法的巖爆特點(diǎn)

鉆爆法與TBM法施工下的圍巖巖爆具有一定的共性，如巖爆部位相同、破壞機(jī)制相近等。然而，由于隧洞開挖本質(zhì)也是卸荷與應(yīng)力釋放過程，采取不同施工開挖方法，圍巖發(fā)生巖爆時(shí)必然也呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

(1)巖爆高發(fā)期。 采用鉆爆法施工， 圍巖為瞬態(tài)卸荷， 開挖爆破后數(shù)小時(shí)至1 d內(nèi)應(yīng)變能迅速積聚， 此時(shí)為掌子面附近圍巖巖爆的高發(fā)期。 如鉆爆法施工的錦屏輔助洞的巖爆多發(fā)生在掌子面開挖爆破后的5～20 h[6]。 采用TBM施工， 圍巖為準(zhǔn)靜態(tài)卸荷， 開挖連續(xù)、 均勻， 巖體內(nèi)應(yīng)變能的劇烈調(diào)整伴隨開挖全過程及停機(jī)后1 h內(nèi)， 因此整個(gè)掘進(jìn)作業(yè)過程均為掌子面附近圍巖的巖爆高峰期[50]。

(2)巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。采用鉆爆法施工時(shí)，巖體內(nèi)部?jī)?chǔ)存的應(yīng)變能在爆破過程中大量耗散，剩余應(yīng)變能較小，且多一次性釋放，因此同等條件下巖爆等級(jí)相對(duì)較低，若發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆，也不具備伴隨輕微-中等巖爆的特點(diǎn)。采用TBM法掘進(jìn)的隧洞，圍巖存儲(chǔ)的彈性應(yīng)變能耗散較少，且能夠多次釋放，整體巖爆等級(jí)較高，在發(fā)生強(qiáng)烈-極強(qiáng)巖爆前伴隨有輕微與中等巖爆[51]。如表1[35]所示，錦屏二級(jí)水電站排水洞與輔助洞在樁號(hào)SK9+283—SK12+102范圍內(nèi)埋深、巖性條件及斷面尺寸均相似，然而，TBM法開挖的排水洞在巖爆段長度和巖爆等級(jí)上均大于鉆爆法開挖的輔助洞。

表1 錦屏二級(jí)水電站排水洞與輔助洞巖爆情況對(duì)比[35]Table 1 Comparison of rockbursts between the drainage tunnel and auxiliary tunnel of Jinping Ⅱ hydropower station[35]

4.2 不同施工方法的巖爆防控重點(diǎn)

鉆爆法在各種斷面尺寸、復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧洞開挖中適應(yīng)性更強(qiáng)，而TBM法在難以增加施工支洞的圓形斷面、長大隧洞的機(jī)械化快速掘進(jìn)中具有明顯優(yōu)勢(shì)。在巖爆防控方面，各自的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。

由于鉆爆法施工巖爆的高峰期基本在開挖爆破后數(shù)小時(shí)內(nèi)，所以可以視情況采取待避措施或機(jī)械作業(yè)[50]。此外，鉆爆法施工下圍巖整體巖爆風(fēng)險(xiǎn)較低，但在鉆爆開挖及支護(hù)過程中，由于施工作業(yè)人員缺少大型設(shè)備的保護(hù)，即使發(fā)生輕微-中等烈度巖爆，也會(huì)對(duì)人員造成巨大的安全威脅。因此，鉆爆法施工開挖時(shí)，巖爆防控的關(guān)鍵在于采取快速、有效的(被動(dòng))支護(hù)措施，及時(shí)加固、封閉圍巖，提高隧洞結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力，有效保護(hù)人員安全。若預(yù)測(cè)有強(qiáng)烈-極強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)，也應(yīng)配合主動(dòng)防控措施對(duì)圍巖提前進(jìn)行應(yīng)力釋放、弱化等處理。

TBM法施工整體巖爆風(fēng)險(xiǎn)較鉆爆法高，但TBM設(shè)備及加裝的防護(hù)設(shè)施自身具備一定的抵抗輕微-中等巖爆的能力。然而，當(dāng)遭遇強(qiáng)烈-極強(qiáng)巖爆時(shí)，也會(huì)造成設(shè)備損毀、人員安全受到威脅，并嚴(yán)重延緩施工進(jìn)度，無法發(fā)揮TBM法快速施工的優(yōu)勢(shì)[35]。因此，TBM開挖方式下的巖爆防控重點(diǎn)是，采取超前應(yīng)力釋放等積極主動(dòng)的防控措施，將原本可能發(fā)生的強(qiáng)烈-極強(qiáng)巖爆轉(zhuǎn)化為低等級(jí)巖爆乃至消除巖爆，使其不利影響處在TBM設(shè)備的承受和自我防護(hù)能力范圍之內(nèi)，嚴(yán)格避免由強(qiáng)烈-極強(qiáng)巖爆引起的TBM設(shè)備和支護(hù)結(jié)構(gòu)損毀。同時(shí)，還需對(duì)TBM掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如降低掘進(jìn)速度，以獲得更好的巖爆防控效果[52]。另外，由于TBM是多功能一體的大型復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，在各防控措施的實(shí)施過程中，如何與TBM設(shè)備協(xié)調(diào)配合也是值得考慮的問題。

由上述分析可知，TBM法開挖比鉆爆法開挖受巖爆困擾更多，在巖爆防控方面不如鉆爆法靈活，若發(fā)生高等級(jí)巖爆，造成的后果也更加嚴(yán)重，因此更加注重主動(dòng)的超前防控。此外，在一些強(qiáng)烈-極強(qiáng)巖爆情況下，可將TBM法開挖與鉆爆法開挖相結(jié)合，從而發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，典型的措施即“鉆爆法開挖先導(dǎo)洞+TBM二次擴(kuò)挖”方案。

5 典型工程的巖爆防控技術(shù)應(yīng)用

5.1 錦屏二級(jí)水電站引水隧洞

錦屏二級(jí)水電站引水隧洞群具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點(diǎn)，在該隧洞群的鉆爆法和TBM法施工過程中，發(fā)生了一系列中等-強(qiáng)烈-極強(qiáng)巖爆，對(duì)人員及設(shè)備造成了不同程度的危害。其強(qiáng)烈-極強(qiáng)巖爆段的防控以機(jī)械化作業(yè)為主要手段，主要采取微震監(jiān)測(cè)、應(yīng)力解除爆破、先導(dǎo)洞、鋼拱架與錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)相結(jié)合的綜合防控技術(shù)，保證了實(shí)際施工的安全和進(jìn)度，對(duì)巖爆預(yù)防和處理取得了較好效果。具體如下[35，53]：

(1)對(duì)于鉆爆法施工的洞段，在微震監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，先采用應(yīng)力解除爆破降低圍巖能量集中，配合高壓水沖洗，然后采取臨時(shí)支護(hù)措施，包括噴射纖維混凝土、掛鋼筋網(wǎng)、錨桿支護(hù)(水脹式錨桿和漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿)、鋼拱架等，后續(xù)跟進(jìn)機(jī)械化系統(tǒng)噴錨永久支護(hù)。施工措施采取“短進(jìn)尺、弱爆破”全斷面開挖，進(jìn)尺控制在1.5～2.0 m之間，同時(shí)保證光面爆破效果。

(2)對(duì)于TBM法施工的洞段，當(dāng)具備發(fā)生強(qiáng)烈-極強(qiáng)巖爆風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，采取的防控措施主要是利用鉆爆法開挖先導(dǎo)洞以釋放高地應(yīng)力，隨后TBM二次擴(kuò)挖。圖4為錦屏二級(jí)水電站引水隧洞采取的先導(dǎo)洞典型斷面(半圓和馬蹄形)[54]。在部分極高巖爆風(fēng)險(xiǎn)洞段，甚至將原設(shè)計(jì)TBM掘進(jìn)段調(diào)整為全斷面鉆爆法施工，再使TBM安全通過[55]。

圖4 先導(dǎo)洞典型斷面示意圖[54]Fig.4 Sketch of typical section of pilot tunnel[54]

5.2 引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞嶺南TBM施工洞段埋深大、地應(yīng)力高且?guī)r石完整性好，上述因素導(dǎo)致其施工過程中強(qiáng)烈-極強(qiáng)巖爆頻發(fā)。據(jù)施工過程中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該洞段巖爆一般發(fā)生在拱頂150°及掌子面后方6 m范圍內(nèi)，80%的巖爆在掌子面開挖后2 d內(nèi)生，其中60%為強(qiáng)烈?guī)r爆[2]。其巖爆防控在采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提前判斷掌子面前方15 m范圍內(nèi)圍巖巖爆風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，主要采取如下措施：

掌子面開挖前，根據(jù)巖爆等級(jí)，采取合理的參數(shù)進(jìn)行超前應(yīng)力解除爆破預(yù)處理，配合拱部180°范圍及掌子面的高壓噴水。巖爆試驗(yàn)段還采用了Φ22 mm砂漿錨桿超前支護(hù)。掌子面開挖后，根據(jù)巖爆等級(jí)及時(shí)采用鋼拱架+鋼筋排進(jìn)行剛性支護(hù)，同時(shí)采用納米仿纖維噴射混凝土+漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿+柔性鋼絲網(wǎng)進(jìn)行柔性支護(hù)[56]。上述措施使得圍巖結(jié)構(gòu)迅速形成一個(gè)封閉的整體，同時(shí)具有較強(qiáng)的吸能能力，一定程度上降低了巖爆破壞支護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)，使得TBM能夠安全高效通過巖爆段。

5.3 巴基斯坦N-J水電站引水隧洞

巴基斯坦N-J水電站引水隧洞區(qū)域地質(zhì)條件十分復(fù)雜，在埋深>1 300 m的深埋SS-1砂巖洞段，當(dāng)巖石完整且干燥時(shí)，TBM施工巖爆風(fēng)險(xiǎn)大幅增加[7]。實(shí)際施工中，引水隧洞左右洞共發(fā)生輕微巖爆729次、中等巖爆105次、強(qiáng)烈?guī)r爆11次、極強(qiáng)巖爆1次[57]。巖爆洞段的巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)采用微震系統(tǒng)和能量法超前預(yù)報(bào)，對(duì)于中等及更強(qiáng)烈?guī)r爆，采取的防控措施主要包括[7]：

開挖掘進(jìn)前，在掌子面頂拱120°范圍內(nèi)施作4～5個(gè)超前應(yīng)力釋放孔，并向孔中注射高壓水；對(duì)于強(qiáng)烈?guī)r爆洞段，則縮小應(yīng)力釋放孔的間距，同時(shí)采用漲殼式錨桿進(jìn)行超前支護(hù)。掌子面開挖后，立即對(duì)新揭露的圍巖進(jìn)行噴灑水軟化處理，同時(shí)利用剛性支護(hù)與柔性支護(hù)措施聯(lián)合加固圍巖。先采取噴射鋼纖維混凝土+漲殼式錨桿支護(hù)+掛鋼筋網(wǎng)的柔性支護(hù)，隨后進(jìn)行鋼拱架剛性支護(hù)，最后復(fù)噴混凝土。此外，TBM采取短循環(huán)掘進(jìn)，進(jìn)尺控制在0.7～1.2 m之間，系統(tǒng)支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)。

5.4 滇中引水工程香爐山隧洞

目前在建的滇中引水工程香爐山隧洞總長度62.596 km，最大埋深1 450 m，是滇中引水工程最長的深埋隧洞，也是總干渠的關(guān)鍵控制性工程，采用鉆爆法和TBM法組合施工。香爐山隧洞埋深1 250～1 450 m,地應(yīng)力可達(dá)40～46 MPa的極高應(yīng)力量級(jí)。由于隧洞區(qū)斷褶構(gòu)造發(fā)育且地下水較豐富，硬巖巖爆問題總體上不會(huì)很突出，然而在局部復(fù)雜極高應(yīng)力場(chǎng)背景下，在堅(jiān)硬完整巖體(玄武巖、灰?guī)r等)和地下水貧乏的洞段中仍存在較大的中等-強(qiáng)烈風(fēng)險(xiǎn)[58]。據(jù)估計(jì)，香爐山隧洞中等巖爆段長4.138 km，占隧洞總長6.61%；強(qiáng)烈?guī)r爆段長0.356 km，占隧洞總長0.57%[59]。針對(duì)Ⅲ1類玄武巖潛在巖爆段，初設(shè)采取的巖爆支護(hù)措施為錨噴網(wǎng)支護(hù)+二次支護(hù)的方式，必要時(shí)應(yīng)采用管棚或超前小導(dǎo)管及鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖5所示。

圖5 香爐山隧洞潛在巖爆洞段支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Sketch of support structure in potential rockburst section of Xianglushan tunnel

為預(yù)防在建的香爐山隧洞后續(xù)開挖施工過程中可能發(fā)生的強(qiáng)烈-極強(qiáng)巖爆，需開展更深入的研究，探索新型柔性支護(hù)措施的作用機(jī)理及支護(hù)方法。同時(shí)，還需要從便于設(shè)計(jì)、施工應(yīng)用的角度進(jìn)一步提出連續(xù)巖爆的主動(dòng)防控方法，以指導(dǎo)香爐山隧洞的安全高效施工。

4個(gè)典型水工隧洞巖爆段的工程地質(zhì)條件和巖爆防控技術(shù)對(duì)比如表2所示。從表2可以看出，不同工程巖爆段的巖石性質(zhì)雖有所差異，但普遍處于大埋深及高地應(yīng)力環(huán)境中，且均面臨TBM開挖方式下的強(qiáng)烈?guī)r爆風(fēng)險(xiǎn)。巖爆防控方面，各工程基本采取了主動(dòng)和被動(dòng)聯(lián)合防控措施共同應(yīng)對(duì)中等及以上等級(jí)巖爆。其中，主動(dòng)措施以超前應(yīng)力釋放為核心，輔以噴水處理、預(yù)應(yīng)力錨桿及超前錨桿等；被動(dòng)措施普遍采取“噴錨網(wǎng)+鋼拱架”聯(lián)合支護(hù)，且在部分巖爆洞段使用水脹式錨桿、漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿、鋼纖維(納米仿纖維)混凝土、柔性鋼絲網(wǎng)等高性能吸能支護(hù)型式以達(dá)到更好效果。

表2 典型隧洞巖爆段的工程地質(zhì)條件和巖爆防控技術(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of engineering geological conditions and rockburst prevention methods among typical tunnel projects

6 總結(jié)與展望

巖爆防控對(duì)于深埋隧洞的安全高效施工至關(guān)重要。本文結(jié)合巖爆的分類、機(jī)制、評(píng)價(jià)預(yù)警方法及防控原則，分析了施工期巖爆防控的主動(dòng)措施和被動(dòng)措施，闡述了鉆爆法和TBM施工的巖爆特點(diǎn)和巖爆防控重點(diǎn)，歸納了典型工程的巖爆防控技術(shù)應(yīng)用情況，主要結(jié)論如下：

(1)巖爆防控可分為主動(dòng)防控和被動(dòng)防控。主動(dòng)防控的作用機(jī)制是降低圍巖應(yīng)力、改善圍巖性質(zhì)、超前主動(dòng)支護(hù)，進(jìn)而降低巖爆風(fēng)險(xiǎn)，措施包括鉆孔應(yīng)力釋放、超前應(yīng)力解除爆破、先導(dǎo)洞、高壓噴水、鉆孔注水、超前錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)。被動(dòng)防控的作用機(jī)制是加固圍巖以提高抗沖擊力，措施包括噴錨支護(hù)、鋼支撐、鋼筋網(wǎng)(柔性鋼絲網(wǎng))，根據(jù)延性的不同又可進(jìn)一步區(qū)分為剛性支護(hù)和柔性支護(hù)。輕微巖爆采取被動(dòng)支護(hù)即可，中等及以上巖爆則需采取主動(dòng)+被動(dòng)聯(lián)合防控，輔以優(yōu)化的施工措施和必要的安全措施，以達(dá)到最佳的防控效果。

(2)鉆爆法與TBM法開挖的深埋隧洞具有不同的巖爆特點(diǎn)及防控側(cè)重點(diǎn)。與鉆爆法相比，TBM法施工的巖爆高發(fā)期為整個(gè)掘進(jìn)過程，巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)更大，且高等級(jí)巖爆發(fā)生前伴隨低等級(jí)巖爆。TBM法的巖爆防控重點(diǎn)是通過主動(dòng)防控措施規(guī)避強(qiáng)烈-極強(qiáng)巖爆，鉆爆法的巖爆防控重點(diǎn)是及時(shí)封閉支護(hù)保護(hù)人員安全。

(3)重大深埋隧洞工程基本都采取了主動(dòng)+被動(dòng)聯(lián)合防控技術(shù)，以應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的強(qiáng)烈-極強(qiáng)巖爆。主動(dòng)防控方面，超前應(yīng)力解除爆破是應(yīng)用最廣泛的措施。被動(dòng)防控方面，普遍使用噴錨網(wǎng)支護(hù)聯(lián)合鋼拱架共同加固圍巖，且由傳統(tǒng)“噴射混凝土+剛性錨桿+鋼筋網(wǎng)”剛性支護(hù)逐漸發(fā)展為“噴射鋼纖維混凝土(或納米仿纖維混凝土)+漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿/水脹式錨桿+柔性鋼絲網(wǎng)”的快速柔性吸能支護(hù)。

為了更好解決將來深埋隧洞建設(shè)中的巖爆防控問題，可加強(qiáng)以下3個(gè)方面的關(guān)注：

(1)考慮巖爆孕育過程和防控時(shí)機(jī)的動(dòng)態(tài)防控。一方面，根據(jù)新揭露的地質(zhì)條件和巖爆等級(jí)，需對(duì)開挖、應(yīng)力釋放和支護(hù)方案等進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新與優(yōu)化[62]；另一方面，巖爆的孕育和發(fā)生是一個(gè)時(shí)間演化過程，巖爆防控措施的實(shí)施存在最優(yōu)時(shí)機(jī)。在深入掌握巖爆孕育機(jī)制及演化過程的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)防控，是需要進(jìn)一步研究的方向。

(2)兼顧效率和安全的量化精準(zhǔn)防控。當(dāng)前巖爆防控技術(shù)的施工參數(shù)多根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范或經(jīng)驗(yàn)而定，許多巖爆防控措施的防控效果難以定量評(píng)價(jià)，可能導(dǎo)致不必要的工期、工程造價(jià)增加或防控措施達(dá)不到實(shí)際巖爆所要求的防控效果。因此，巖爆防控效果的量化評(píng)估有待于進(jìn)一步研究。

(3)更高效的超前應(yīng)力釋放技術(shù)和新型柔性吸能支護(hù)體系。 由于巖爆的發(fā)生伴隨著儲(chǔ)存在巖體中彈性應(yīng)變能的大量劇烈釋放， 更高效的超前應(yīng)力釋放和具備主動(dòng)、 吸能兩大特點(diǎn)的支護(hù)體系將更有利于圍巖能量的釋放和轉(zhuǎn)移， 將是防控強(qiáng)烈-極強(qiáng)巖爆的理想手段， 因此有必要開展更深入的研究。