引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞嶺南TBM施工段巖爆防治措施探討

王佐榮

（陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司 陜西 戶縣 710302）

1 前言

引漢濟(jì)渭工程是陜西省內(nèi)跨流域調(diào)水工程，整個(gè)工程由調(diào)水工程和輸配水工程兩部分組成。調(diào)水工程由位于漢江干流的黃金峽水利樞紐、支流子午河的三河口水利樞紐以及穿越秦嶺的秦嶺輸水隧洞三大部分組成。秦嶺隧洞全長98.30km，設(shè)計(jì)流量70m3/s，縱坡比1/2500，分黃三段和越嶺段。其中穿越秦嶺主脊段39.08km采用TBM法施工，該段位于秦嶺嶺脊高中山區(qū)及嶺南中低山區(qū)，地形起伏，高程范圍1050m～2420m，洞室最大埋深約2000m。本文擬對(duì)引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞越嶺段嶺南TBM施工段（K27+643.006～K46+360.000）18.717km地段圍巖的巖爆分析、研究，提出TBM法施工通過巖爆地段的施工預(yù)防措施。

2 秦嶺隧洞地質(zhì)情況

2.1 地層巖性

秦嶺輸水隧洞工程范圍內(nèi)主要涉及地層為元古界長角壩巖群黑龍?zhí)督M石英巖、印支期花崗巖、華力西期閃長以及斷層脆裂巖、糜棱巖。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

秦嶺輸水隧洞工程在大地構(gòu)造的單元上屬于秦嶺褶皺系，褶皺帶總體呈東西向展布，主要發(fā)育加里東期褶皺帶和華力西、印支期褶皺帶，褶皺較為發(fā)育。區(qū)域性大斷裂主要發(fā)育為山陽～鳳鎮(zhèn)斷裂（QF4）走向?yàn)楸蔽飨颍憩F(xiàn)為張性，該斷裂切割深、延伸約190m。其次是一般性斷裂（f7）走向多為近東西向，表現(xiàn)為壓性，延伸約30m，規(guī)模相對(duì)較小。

2.3 穩(wěn)定性分析

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞嶺南引水隧洞洞室埋深500m～2000m，巖性主要為變砂巖、石英巖、花崗巖、閃長巖。洞身段位于弱風(fēng)化～未風(fēng)化巖體中，巖體較完整。且洞身段位于地下水位以下，地下水分布主要受構(gòu)造、節(jié)理、裂隙的發(fā)育和分布情況控制，主要表現(xiàn)為基巖裂隙水及構(gòu)造裂隙水。受地質(zhì)構(gòu)造影響較大的接觸帶及斷層影響帶為穩(wěn)定性差的Ⅳ類圍巖，QF4斷層帶處洞室圍巖屬極不穩(wěn)定的V類圍巖。

3 秦嶺隧洞嶺南引水隧洞巖爆發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)

巖爆是在高地應(yīng)力條件下地下工程開挖過程中，硬脆性圍巖由于開挖卸荷導(dǎo)致洞壁應(yīng)力分異，儲(chǔ)存于巖體中的彈性應(yīng)變能突然釋放，而產(chǎn)生的爆裂、松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象，是一種動(dòng)力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害，并伴有不同程度的爆炸、撕裂聲。高應(yīng)力的產(chǎn)生，一方面來自于原巖應(yīng)力，另一方面來自于因開挖而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，這取決于工程的地質(zhì)條件和開挖工藝條件。

從引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞嶺南段地質(zhì)條件看，洞室埋深500m～2000m，巖性主要為變砂巖、石英巖、花崗巖、閃長巖。洞身段位于弱風(fēng)化-未風(fēng)化巖體中，巖體較完整。洞身段均位于地下水位以下，在CZK-4孔中采用水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，共進(jìn)行了9個(gè)深度段水壓致裂測(cè)試和3個(gè)測(cè)段的印模定向測(cè)試。在CZK-4孔測(cè)試深度內(nèi)，最大水平主應(yīng)力值為16.11 MPa～23.7MPa，最小水平主應(yīng)力值為10.11 MPa～15.41MPa。從應(yīng)力與深度的關(guān)系看，應(yīng)力值隨深度變化有明顯增加的趨勢(shì)。根據(jù)CZK-4孔3個(gè)測(cè)段印模測(cè)試結(jié)果得到的最大水平主應(yīng)力的方向分別為N30°W-N46°W，表明秦嶺嶺南區(qū)附近最大水平主應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)作用方向?yàn)楸蔽飨颉?/p>

深鉆孔地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果表明，三項(xiàng)主應(yīng)力的關(guān)系為：SH＞Sh＞Sv，具有較為明顯的水平構(gòu)造應(yīng)力的作用，地應(yīng)力值較大。在大埋深條件下，由于隧洞的開挖，洞室附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，具備發(fā)生巖爆的應(yīng)力條件。

通過類比既有西（安）（安）康鐵路秦嶺特長隧道巖爆段地質(zhì)條件，可以發(fā)現(xiàn)同時(shí)具備下列條件的洞段巖爆災(zāi)害的可能性較大。

（1）巖質(zhì)堅(jiān)硬，彈性模量大，抗壓強(qiáng)度高，新鮮巖石飽和抗壓強(qiáng)度均大于60MPa的脆性巖石。

（2）所有發(fā)生巖爆地段，都是受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，節(jié)理不發(fā)育～較發(fā)育，巖體體積節(jié)理數(shù)JV值多為2～8條/m3。巖體完整性系數(shù)均大于0.55，巖體完整或較完整，為Ⅰ、Ⅱ類圍巖。

（3）無地下水活動(dòng)，巖體干燥。絕大多數(shù)巖爆洞段皆為貧水段，有少數(shù)巖爆段屬弱富水段，而在富水段落無巖爆。

（4）絕大多數(shù)巖爆發(fā)生在埋深大于500m的洞段，位于嶺脊前后，少數(shù)巖爆發(fā)生在埋深較淺50m～350m，沿隧洞軸向。洞身段對(duì)應(yīng)地表皆為地形急劇變化的陡坡地段。

從巖爆段隧洞埋深條件分析，秦嶺隧洞高地應(yīng)力區(qū)也主要分布在埋深大于500m的洞段，而在隧洞淺埋段斜坡應(yīng)力集中帶內(nèi)存在局部應(yīng)力集中，也有發(fā)生巖爆的可能性。預(yù)測(cè)隧洞通過脊嶺花崗巖、閃長巖地段巖爆在所難免，巖爆的等級(jí)以中等—輕微為主，局部可能發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆。

4 引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞嶺南引水隧洞巖爆防治措施

4.1 采用TBM鉆進(jìn)方案

（1）對(duì)掌子面進(jìn)行深孔爆破，爆破參數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況確定：孔深、藥量、鉆孔位置及數(shù)量、頻度等。

表1 TBM試驗(yàn)段巖爆段預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)表

（2）TBM開挖過程中，加大刀盤噴水量，減緩掘進(jìn)進(jìn)度，充分降低周邊圍巖的脆性，同時(shí)需要對(duì)護(hù)盾內(nèi)出露的圍巖立即采取不間斷的噴水措施，使圍巖濕潤，提高其韌性，軟化表面，促使應(yīng)力釋放和調(diào)整，從而降低或消除巖爆的程度。

（3）對(duì)巖體及時(shí)支護(hù)，采用永臨結(jié)合方式，頂拱范圍采用永久支護(hù)，邊墻范圍在TBM開挖輪廓線內(nèi)，采用臨時(shí)支護(hù)。因?yàn)閹r爆的發(fā)生不是一次就結(jié)束的，小的巖爆持續(xù)2天～3天，大的巖爆可能持續(xù)10天～20天。

（4）當(dāng)TBM進(jìn)入強(qiáng)巖爆階段以后，如遇到刀盤推力和頂護(hù)盾壓力增大以及刀盤前部巖爆的聲響這些巖爆現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)調(diào)整TBM掘進(jìn)參數(shù)，放慢掘進(jìn)速度。在施工工程中逐步摸索TBM在巖爆段的掘進(jìn)參數(shù)，減少誘發(fā)巖爆的可能性。

（5）進(jìn)入巖爆段以后，TBM掘進(jìn)速度相對(duì)較慢，可適當(dāng)?shù)拈_展長錨桿試驗(yàn)。錨桿類型以中空漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿為主，也可開展其他類型的錨桿試驗(yàn)。在施工過程中以錨網(wǎng)噴為主，適當(dāng)?shù)臅r(shí)候加密錨桿。

（6）加強(qiáng)應(yīng)力與變形監(jiān)測(cè)。微震監(jiān)測(cè)是必須的，積極與國內(nèi)高校和科研單位合作，采用目前預(yù)測(cè)巖爆的最先進(jìn)手段對(duì)TBM前方圍巖進(jìn)行預(yù)測(cè)，主要采用微震監(jiān)測(cè)及BM系統(tǒng)監(jiān)測(cè)法。

4.2 先導(dǎo)洞開挖再TBM鉆進(jìn)方案

（1）先導(dǎo)洞開挖，釋放部分地應(yīng)力，降低強(qiáng)巖爆的誘發(fā)幾率，從而可保證人和設(shè)備的相對(duì)安全。

（2）先導(dǎo)洞的位置選擇至關(guān)重要，這關(guān)系到TBM的有效工作。

（3）先導(dǎo)洞與TBM兩個(gè)掌子面間的距離一定要合理，可根據(jù)微震監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬來確定。

5 防護(hù)措施

巖爆是必然發(fā)生的，但巖爆也是可以防治的。在防治巖爆的過程中，應(yīng)注意個(gè)人防護(hù)，從而保證人員的生命安全。

（1）在巖爆段開挖前，注意收集引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞在開挖工過程中的巖爆地質(zhì)資料。在巖爆段的附近采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段對(duì)高地應(yīng)力區(qū)所產(chǎn)生的巖爆位置進(jìn)行準(zhǔn)備定位，并進(jìn)行巖石室內(nèi)試驗(yàn)，判斷巖爆的可能性和發(fā)生的等級(jí)，做到事先預(yù)報(bào)，提前做好巖爆的技術(shù)準(zhǔn)備和準(zhǔn)備工作。

（2）總結(jié)了解其他類似工程發(fā)生巖爆事故造成人員傷亡、設(shè)備損壞情況，制定具體的個(gè)人防護(hù)措施和設(shè)備防護(hù)措施。

（3）巖爆發(fā)生段在巖爆發(fā)生半個(gè)月內(nèi)，禁止人員在已發(fā)生巖爆段停留，禁止停放各種設(shè)備。巖爆能量的釋放不是一次就能釋放完的，通常會(huì)在幾天甚至十幾天內(nèi)才能基本釋放。

6 幾點(diǎn)建議

（1）目前TBM掘進(jìn)技術(shù)對(duì)于不良地質(zhì)條件適應(yīng)性較差，在應(yīng)用過程中經(jīng)常遇到工程地質(zhì)問題。洞室通過地段埋深均大于500m，在巖體較完整地段，有發(fā)生輕微～中等巖爆的可能，因此，為了能夠克服、解決這些問題，需要在工程設(shè)計(jì)階段就要有足夠的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)以重大工程地質(zhì)預(yù)測(cè)為中心的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，并在施工過程中充分利用各種地質(zhì)資料和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果，建立工程地質(zhì)模型，對(duì)遇到的問題做出接近實(shí)際的評(píng)估。

（2）巖爆的發(fā)生與巖石的埋深及強(qiáng)度密切相關(guān)。埋深及巖石強(qiáng)度越大，發(fā)生巖爆的強(qiáng)度越大。因此，在開挖過程中一定要配置經(jīng)驗(yàn)豐富專業(yè)地質(zhì)人員，根據(jù)隧洞的埋深及巖性做出正確的判斷和指南。

（3）工程管理直接影響工程的安全，因此，在注重巖爆預(yù)測(cè)與防治技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)該從管理上下功夫，完善各項(xiàng)管理體制及制度，制定切實(shí)可行的施工方案及預(yù)案，這樣可大大減少或降低巖爆造成的危害，加快工程建設(shè)進(jìn)展。陜西水利

[1]張可誠，張杰等.秦嶺隧道掘機(jī)通過巖爆地段的對(duì)策[J].世界隧道，2000（4）.

[2]張國云編著.地下工程巖爆資料匯編[M].鐵道部隧道工程局科研所情報(bào)室.

[3]徐林生，唐伯明，慕長春等.巖爆發(fā)生條件研究[J].公路交通技術(shù)，2003年04期.

[4]陳文杰，汪華東，杜關(guān).錦屏二級(jí)水電站引水隧洞巖爆預(yù)報(bào)及防治 [J].科技傳播，2011年13期.