深埋隧道巖爆預(yù)測及防治技術(shù)現(xiàn)狀綜述

汪 珂

(1. 陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，陜西 西安 710043； 2. 西安理工大學(xué)巖土工程研究所，陜西 西安 710048)

0 引言

高原地區(qū)的隧道通常為巖質(zhì)隧道，大多數(shù)具有斷面大、埋深大和高地應(yīng)力等特點(diǎn)，因此常常遭遇巖爆等地質(zhì)災(zāi)害的影響。高地應(yīng)力導(dǎo)致巖塊碎片剝離、彈射發(fā)生巖爆現(xiàn)象，對設(shè)備造成損毀，對人員造成傷害，從而延誤工期并造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。世界上最早記錄巖爆的歷史可以追溯到18世紀(jì)30年代，發(fā)生在英國的萊比錫煤礦的巖爆[1-2]。從此以后，世界各地的煤礦硬巖礦山、巖石地下工程等先后發(fā)生各種規(guī)模的巖爆。工程界對巖爆的預(yù)測和處治進(jìn)行了諸多研究，也取得了一系列成果[3-4]。周瑞忠[5]研究了靜力平衡、強(qiáng)度破壞和斷裂破壞三者之間的聯(lián)系和區(qū)別，并對巖爆發(fā)生的力學(xué)機(jī)制和臨界條件做出了解釋。嚴(yán)健等[6]通過熱力耦合的數(shù)值計(jì)算方式，得到了川藏鐵路桑珠嶺隧道圍巖應(yīng)力范圍與溫度的關(guān)系。尚彥軍等[7]通過整理歸納影響巖爆發(fā)生的各種因素，得到了由巖體最大切應(yīng)力、巖石的抗拉強(qiáng)度以及巖體完整性這3個獨(dú)立參數(shù)所擬合出的用來評價巖爆烈度的關(guān)系式。谷明成等[8]對秦嶺隧道的巖爆展開了深入研究，通過巖體物理力學(xué)測試、巖體原位應(yīng)力測試，用巖性條件和圍巖完整度預(yù)測了巖爆發(fā)生等級。張永雙等[9]以高黎貢山越嶺隧道為工程依托，展開巖爆模型試驗(yàn)，揭示出花崗斑巖巖爆現(xiàn)象的發(fā)育過程，即前期出現(xiàn)裂紋或者存在巖塊剝落現(xiàn)象，隨后開始崩射。

以上研究主要根據(jù)單個隧道揭示巖爆的力學(xué)機(jī)制、發(fā)展規(guī)律及防治技術(shù)，對于不同地質(zhì)條件下高地應(yīng)力隧道的建設(shè)難以起到參考作用。近幾十年來，中國建成和在建的深埋長大隧道數(shù)量較多，如川藏鐵路拉林段的巴玉隧道[10]、桑珠嶺隧道[6]，川藏鐵路成康段折多山隧道[11]，川藏公路雅康段二郎山隧道[12]，雅安—西昌高速公路泥巴山隧道[13]，秦巴山區(qū)的大巴山隧道[14]，米倉山隧道[15]，秦嶺終南山隧道[16]，西康鐵路秦嶺隧道[17]，浙江地區(qū)的蒼嶺隧道[18]，江西地區(qū)的九嶺山隧道[19]等。本文對我國已經(jīng)修建的大面積出現(xiàn)過巖爆現(xiàn)象的隧道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析總結(jié)巖爆預(yù)報、處置的新方法及巖爆地區(qū)隧道設(shè)計(jì)具體參數(shù)，以期為類似工程提供一定參考。

1 深埋隧道巖爆災(zāi)害及特征統(tǒng)計(jì)

1.1 巖爆災(zāi)害統(tǒng)計(jì)

針對單個隧道，在缺乏樣本的情況下，難以得出系統(tǒng)性的結(jié)果。通過統(tǒng)計(jì)國內(nèi)多個長大巖爆隧道，尤其對近年來川藏高原與秦巴山區(qū)眾多巖爆隧道進(jìn)行總結(jié)分析，以期為目前川藏鐵路巖爆隧道及其他隧道的修建提供重要參考[20-22]。統(tǒng)計(jì)多個發(fā)生巖爆現(xiàn)象的隧道，對其所在區(qū)域、巖性、隧道類型、最大埋深等情況進(jìn)行總結(jié)，如表1所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，我國出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象較為嚴(yán)重的隧道多發(fā)生在川藏高原和秦巴山區(qū)(見圖1)。以往研究根據(jù)表中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，巖爆隧道埋深均在700 m以上，主要為閃長巖等硬巖。

表1 發(fā)生巖爆隧道統(tǒng)計(jì)

表1(續(xù))

圖1 巖爆隧道分布概況

1.2 巖爆特征分析

通過記錄巖爆后的現(xiàn)場特征，對巖爆的強(qiáng)烈程度進(jìn)行分級，為隧道施工前降低巖爆危害做出應(yīng)對措施提供依據(jù)和參考。根據(jù)秦巴山區(qū)二郎山隧道、秦嶺隧道等隧道的巖爆處治經(jīng)驗(yàn)，對巖爆進(jìn)行詳細(xì)分級以及特征描述，見表2。根據(jù)表中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，巖體最大切應(yīng)力與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的比值為判定巖爆等級的基本依據(jù)，并可根據(jù)表中聲音特點(diǎn)、表觀現(xiàn)象特點(diǎn)、損害程度等確定相應(yīng)的預(yù)防手段。

2 巖爆評估及預(yù)警方法研究現(xiàn)狀

2.1 設(shè)計(jì)階段巖爆判據(jù)分析

對于巖爆高風(fēng)險地區(qū)，隧道支護(hù)設(shè)計(jì)過程需要辨別不同地段的巖爆等級。設(shè)計(jì)初期，通過地勘資料確定隧道埋深、地?zé)岬刃畔?，判定隧道是否存在巖爆風(fēng)險。具體可通過試驗(yàn)探究巖石物理力學(xué)性質(zhì)(如地應(yīng)力、巖石單軸抗壓強(qiáng)度等)對巖爆進(jìn)行等級劃分。另外，在開挖過程中，可借助原位試驗(yàn)測得巖體的二次應(yīng)力對設(shè)計(jì)進(jìn)行修正。

表2 巖爆分級及各級特征[36-37]

目前，關(guān)于巖爆預(yù)測方法的研究可總結(jié)為3類： 第1類是基于巖爆機(jī)制的巖爆判據(jù)方法，如 Russense判據(jù)、Barton 判據(jù)等；第2類是基于現(xiàn)場實(shí)測的巖爆預(yù)測方法，諸如微震法、聲發(fā)射法等；第3類是基于巖爆影響因素的巖爆綜合預(yù)測方法。第3類方法可以相對全面地考慮問題，較好地指導(dǎo)了工程實(shí)踐，是目前巖爆預(yù)測研究的重點(diǎn)。第3類方法又可具體細(xì)分為2類： 1)基于巖爆指標(biāo)判據(jù)的預(yù)測方法，主要有模糊綜合評判模型[38]、物元可拓模型[39]、理想點(diǎn)模型[40]、云模型[41]等； 2)基于巖爆工程實(shí)例數(shù)據(jù)的預(yù)測方法，主要有決策樹模型[42]、支持向量機(jī)模型[43]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[44]、貝葉斯判別模型[45]等。

巖爆分級依據(jù)眾多，在設(shè)計(jì)工作中選擇合適的判據(jù)及其重要。不同埋深、不同地區(qū)、不同巖性的情況下采用的判據(jù)是不一樣的。前文介紹了國內(nèi)部分巖爆隧道的基本情況，統(tǒng)計(jì)了隧道在修建過程中所用到的一些判據(jù)，可為同一地區(qū)相同巖性情況下的巖爆預(yù)測及處理提供借鑒。由于巖爆隧道數(shù)量較多，有的隧道巖爆分級中采用了多個判例。本文搜集應(yīng)用效果較好的實(shí)例進(jìn)行了分析，結(jié)果分類見表3。

表3 巖爆隧道分級判別指標(biāo)

表3(續(xù))

表中判據(jù)的應(yīng)用效果分析： 折多山隧道按照波蘭國家標(biāo)準(zhǔn)使用巖爆傾向性指數(shù)進(jìn)行判斷，預(yù)測結(jié)果與開挖后的實(shí)際情況相吻合； 二郎山隧道使用的徐林生判據(jù)，對設(shè)計(jì)中初步確定的巖爆區(qū)域進(jìn)行了校準(zhǔn)，并在施工中驗(yàn)證了其正確性; 拉林鐵路桑珠嶺隧道使用了陶振宇判據(jù)、王元漢判據(jù)，結(jié)果表明圍巖應(yīng)力釋放過程中前期使用陶振宇判據(jù)更為準(zhǔn)確，應(yīng)力釋放后期使用王元漢判據(jù)更為準(zhǔn)確; 盆因拉隧道應(yīng)用巖爆傾向性指數(shù)、強(qiáng)度脆性系數(shù)、變形脆性系數(shù)法以及Russeness判據(jù)，對于花崗巖、閃長巖等可能發(fā)生的巖爆等級均有著準(zhǔn)確的預(yù)測; 米倉山隧道運(yùn)用了陶振宇判據(jù)、Turchaninov判據(jù)，實(shí)際工程記錄表明預(yù)測準(zhǔn)確有效; 拉林鐵路巴玉隧道對谷-陶巖爆判斷依據(jù)進(jìn)行修正，實(shí)測結(jié)果區(qū)域巖爆狀態(tài)和巖爆等級與谷-陶巖爆判據(jù)預(yù)測結(jié)果高度相似。

從上述工程的分析可知，根據(jù)不同的圍巖及埋深特征使用不同的判據(jù)有著諸多成功案例。在同一隧道的不同階段采用不同的判據(jù)使得預(yù)判更加準(zhǔn)確，例如盆因拉深埋隧道、米倉山隧道。對于工況類似的隧道可采用相同判據(jù)，例如拉林鐵路桑珠嶺隧道和米倉山隧道均采用了陶振宇判據(jù)。這10個隧道的最大埋深均超過了1 000 m，巖性均以花崗巖和閃長巖為主。以上所有的判據(jù)均離不開巖石的地應(yīng)力及其他力學(xué)性質(zhì)，因此需要借鑒巖性和地勘資料進(jìn)行判定。判定定值通常是研究單個隧道得出來的，因此評判指標(biāo)的定值不可任意套用。為了保證判定的準(zhǔn)確性，在工程中可以采用多種判別式進(jìn)行判別，同時通過實(shí)時監(jiān)測法以及現(xiàn)場情況進(jìn)行驗(yàn)證，選擇出準(zhǔn)確率較高的判別方式。典型深埋長大硬巖隧道巖爆統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 典型深埋長大硬巖隧道巖爆統(tǒng)計(jì)

表4(續(xù))

2.2 施工階段實(shí)時監(jiān)測法

通過儀器對地下工程巖體進(jìn)行監(jiān)測，在深埋狀況下可以監(jiān)測到掌子面前方一段距離的巖爆動向。國內(nèi)外工程通常應(yīng)用有微震監(jiān)測法、聲波發(fā)射法、回彈法、微重力法以及電磁波輻射法。聲波發(fā)射法在高黎貢山隧道、秦嶺終南山特長公路隧道實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用[15]。巖爆過程中會釋放出能量從而發(fā)出一定頻率的聲波，掌握這一規(guī)律可以預(yù)測巖爆等級。但是不同巖形、不同大小的巖體所表現(xiàn)出的特征千差萬別，規(guī)律難以準(zhǔn)確掌握。通常需要實(shí)驗(yàn)室先得出其聲發(fā)射特征，再進(jìn)行應(yīng)用。

近些年來，秦巴山區(qū)、青藏高原多處長大隧道巖爆實(shí)測手段常用微震監(jiān)測法，并發(fā)揮了重要作用，如表5所示。

表5 微震監(jiān)測法應(yīng)用統(tǒng)計(jì)

3 巖爆的預(yù)防及處理

通過巖爆預(yù)測，對工程中存在較大可能發(fā)生巖爆的區(qū)域，根據(jù)巖爆等級進(jìn)行“解除”、“防護(hù)”、“控制”。即通過改善圍巖條件來解除部分圍巖應(yīng)力；合理選擇防護(hù)方式，在不耽誤工期的同時有效經(jīng)濟(jì)地選擇治理巖爆的措施；采取合理的施工方法，減少對于圍巖的擾動，降低巖爆發(fā)生頻率。

3.1 改善圍巖條件

3.1.1 物理力學(xué)特性

對于輕微巖爆段的處理，通常是在爆破后及時向掌子面、側(cè)壁、碴堆采用高壓灑水。根據(jù)米倉山隧道的經(jīng)驗(yàn)，為盡量減少停留在掌子面前方的時間，主要采用的手段是： 采用5 L/s的水槍對隧道掌子面及隧道洞壁進(jìn)行噴水，持續(xù)時間約為2 min，以降低巖體溫度、除塵、濕潤巖體、提高巖體的塑形、緩釋圍巖壓力、降低巖爆的強(qiáng)烈程度。對于中等及以上的巖爆段，近年來青藏高原和秦巴山區(qū)處理中等巖爆段，采取高壓灑水措施，利用高壓水槍向鉆錨桿孔以及炮眼孔內(nèi)注水(見圖2)后進(jìn)行爆破，利用水壓擴(kuò)展原有裂縫，產(chǎn)生更多裂縫，從而降低巖體儲存的彈性應(yīng)變能[12,17]。

圖2 掌子面高壓灑水

3.1.2 應(yīng)力條件

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中等及強(qiáng)烈?guī)r爆段，在隧道側(cè)壁及掌子面鉆孔，允許巖體產(chǎn)生一定的形變，從而可有效地降低巖體的應(yīng)力。同時在孔內(nèi)注射高壓水劈裂巖體，破松動圍巖，提前釋放應(yīng)力，降低巖體剛性，減小地應(yīng)力。各個隧道鉆孔參數(shù)的統(tǒng)計(jì)如表6所示。應(yīng)力釋放孔分為深孔和淺孔，深孔通常位于掌子面中心，有正方形方陣分布或者扇形區(qū)域分布2種方式，孔深通常在10 m以上。淺孔通常位于拱腳部位，孔深為4～5 m[7]。打設(shè)應(yīng)力孔釋放應(yīng)力通常用于巖爆中—高風(fēng)險段落，統(tǒng)計(jì)了其中較為成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，具體設(shè)計(jì)方案統(tǒng)計(jì)如表6所示。根據(jù)不同的巖爆程度和不同范圍的巖爆區(qū)域分為淺孔爆破和深孔爆破，主要對掌子面上半部分進(jìn)行應(yīng)力釋放。該措施工序較為復(fù)雜，在輕微巖爆段落不建議進(jìn)行。在中等巖爆段落采用掌子面上半部分淺孔爆破，在嚴(yán)重巖爆段落，多采用拱部深孔爆破、掌子面正中心淺孔爆破相結(jié)合的應(yīng)力釋放方式。

表6 應(yīng)力釋放孔鉆取參數(shù)

3.2 合理選擇初期支護(hù)

3.2.1 支護(hù)參數(shù)

巖爆隧道所處地層巖性通常為花崗巖、閃長巖等高脆性巖體，圍巖級別通常在Ⅲ級及以上。對于巖爆隧道的支護(hù)通常需要考慮巖爆發(fā)生的可能性以及等級。通過統(tǒng)計(jì)分析可以得知： 巖爆段應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增大預(yù)留變形量，在立架之后，噴射5 cm的鋼筋混凝土或者鋼纖維混凝土，待掌子面掘進(jìn)至約10 m后再根據(jù)圍巖情況分2～3次復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度。根據(jù)桑珠嶺隧道、巴玉隧道、米倉山隧道[6,10,46]等建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，在Ⅱ級(中等巖爆)以上地段，最好打入漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿或者早強(qiáng)砂漿錨桿。與此同時，在柔性鋼筋網(wǎng)安裝完畢后，需要將錨桿外露端頭進(jìn)行橫焊連接加固。根據(jù)調(diào)查的長大巖爆隧道各個巖爆段所使用的支護(hù)參數(shù)，篩選出施工中較為成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)具體參數(shù)如表7時，較為合理。

表7 支護(hù)參數(shù)

表7(續(xù))

3.2.2 新材料新技術(shù)

巖爆所產(chǎn)生的動力常常造成鋼筋網(wǎng)的沖擊破壞，采用柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)對圍巖表面進(jìn)行覆蓋，該系統(tǒng)主要包括鋼絲繩網(wǎng)、支撐 繩、漲殼式錨桿 3 個部分(見圖3)。鋼絲繩間通過卡扣固定(見圖 3(a))，鋼絲繩網(wǎng)與支撐繩之間通過縫合繩連接，支撐繩與漲殼式錨桿之間通過外露套環(huán)固定連接，漲殼式錨桿交錯布置，四周及中心錨桿通過鉆孔安裝，深入圍巖錨固(見圖 3(b))。鋼絲繩網(wǎng)及支撐繩通過預(yù)張拉，對整個巖面形成連續(xù)支撐，從而實(shí)現(xiàn)防護(hù)功能。鋼絲繩網(wǎng)是防護(hù)網(wǎng)的主要吸能構(gòu)件；鋼絲繩網(wǎng)和錨桿是防護(hù)網(wǎng)的主要承載力構(gòu)件；柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)可以有效攔截輕微巖爆或中等程度巖爆所產(chǎn)生的彈射石塊，抵御巖塊的沖擊作用[52-54]。

(a) 巖爆防護(hù)網(wǎng)平面

(b) 隧道中防護(hù)網(wǎng)布置斷面

基于該技術(shù)形成一套高效快捷的支護(hù)方案，可提升工程進(jìn)度，降低工程造價。具體流程如下： 1)光面爆破； 2)初次噴射混凝土； 3)圍巖鉆孔并打入錨桿； 4)架設(shè)鋼筋網(wǎng)； 5)將鋼筋網(wǎng)與先前打入的錨桿連接固定； 6)采取濕噴方式再次噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度。米倉山隧道[14]運(yùn)用該工法，在施工效率增加了30%～40%的同時減少了工程總價，如圖4所示。

(a) 柔性支護(hù)截面

(b) 錨桿細(xì)部

(c) 巖爆防護(hù)網(wǎng)構(gòu)造細(xì)節(jié)

(d) 布置效果圖

3.3 改進(jìn)施工方法

3.3.1 鉆爆法

據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)： 在實(shí)際應(yīng)用中，采用光爆技術(shù)開挖的隧道形成了開挖輪廓光滑平整，保持了圍巖的穩(wěn)定性，巖爆段采取光面爆破能改善洞壁應(yīng)力的分布，降低巖爆過程中能量的釋放。光面爆破中通過優(yōu)化輔助和周邊炮孔等孔網(wǎng)以及相應(yīng)的炸藥單耗等參數(shù)(見表8—9)，可滿足高地應(yīng)力、多巖爆、大斷面隧洞的安全開挖。

表8 高地應(yīng)力地區(qū)光面爆破掏槽參數(shù)建議值[55]

表9 高地應(yīng)力地區(qū)光面爆破炮孔參數(shù)建議值[55]

為避免爆破后的塌方，針對巖爆多發(fā)區(qū)域采用“短進(jìn)尺，弱爆破”的手段。在爆破技術(shù)上，巴玉隧道采用“直眼掏槽”法，采取水壓爆破的手段進(jìn)行軟爆破開挖；當(dāng)處于輕微巖爆或中等巖爆段時，應(yīng)優(yōu)先考慮全斷面法開挖；當(dāng)處于強(qiáng)烈?guī)r爆段時，上下臺階法則更為有效[10, 16, 56]。巖爆嚴(yán)重地段應(yīng)遵循“先平導(dǎo)，后擴(kuò)挖”的原則，其中小斷面邊界在全斷面的外輪廓內(nèi)1～1.5 m較為適合，在小斷面開挖后，緊跟著擴(kuò)挖，超前導(dǎo)洞在釋放應(yīng)力的同時，也有利于巖爆的超前預(yù)報工作。

循環(huán)進(jìn)尺不宜太長，避免爆破后發(fā)生塌方，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)： 新二郎山隧道等輕微巖爆段每循環(huán)進(jìn)尺最大長度為3 m，基本不超過3 m。對于中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆地段，采用上下臺階法開挖，米倉山隧道上臺階循環(huán)進(jìn)尺控制在2 m以內(nèi)，拱部適當(dāng)加長至4.5 m；秦嶺鐵路隧道 Ⅱ 線中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆地段采取每循環(huán)進(jìn)尺2 m；巴玉隧道強(qiáng)烈?guī)r爆地段循環(huán)進(jìn)尺控制在2 m以內(nèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)： 輕微巖爆段，單次進(jìn)尺長度不超過3 m；中等巖爆段，單次進(jìn)尺長度為2 m；強(qiáng)烈?guī)r爆地段，單次進(jìn)尺長度不可超過2 m。另外，通過新二郎山隧道等多個隧道的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，隧道爆破結(jié)束后的5～10 h、10～15 h發(fā)生頻率最高。工程中，在輕微巖爆段可不考慮施工待避，在中等巖爆段待避時間3～5 h。強(qiáng)烈?guī)r爆段開挖過程中,以圍巖趨于穩(wěn)定階段每天累計(jì)收斂值1～2 mm為最佳支護(hù)時間。

秦嶺終南山公路隧道[16]在掘進(jìn)過程中，采用三臂鑿巖臺車有效地避免了巖爆對施工人員的危害。同時，在支護(hù)過程中，對臺車及施工人員進(jìn)行防護(hù)，并保證時刻巡視，掌握圍巖動態(tài)(見圖5)。隨著施工方法、裝備的提升，施工組織水平也相應(yīng)提升。這些優(yōu)秀的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒到每個巖爆隧道的施工工作中去。

圖5 防護(hù)及處理手段

3.3.2 巖石掘進(jìn)機(jī)法

從川藏鐵路規(guī)劃的趨勢來看，越來越多的隧道使用鉆爆法結(jié)合TBM等高度械化配套的施工方降低施工人員風(fēng)險。甘肅武九高速高樓山隧道、秦嶺隧道 Ⅰ 線隧道等隧道使用了TBM輔以鉆爆法開挖。表10為根據(jù)秦嶺隧道 Ⅰ 線隧道巖爆段記錄的施工數(shù)據(jù)，可供后續(xù)工程參考[18,57]。

表10 秦嶺隧道巖爆段與非巖爆段TBM掘進(jìn)情況比較

巖爆風(fēng)險段隧道，TBM的改進(jìn)措施主要有：

1)增加掘進(jìn)直徑。采用增大削刀掘進(jìn)直徑，形成一定的變形空間。

2)提供最大脫困轉(zhuǎn)矩。當(dāng)TBM出現(xiàn)卡鉆或受困時，前方刀頭在油壓的驅(qū)動作用下變速反轉(zhuǎn)，從而脫困。

3)改進(jìn)TBM設(shè)施。在尾盾安置多功能鉆孔系統(tǒng)，為地質(zhì)鉆探和灌漿支護(hù)等服務(wù)。

4)TBM和鉆爆法混合使用，以便提高工作效率。

5)選用合理的TBM掘進(jìn)參數(shù)。

6)及時地對開挖面進(jìn)行有效支護(hù)，縮短圍巖暴露時長，防止巖爆再次發(fā)展。

7)對于不同巖爆地段采取不同的防治措施，面對較強(qiáng)巖爆時，為避免出現(xiàn)安全事故，可選取“先平導(dǎo)，后擴(kuò)挖”的施工手段。

據(jù)調(diào)查，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)參數(shù)如表11時，施工能取得較好的效果。有利于降低施工材料的損耗、節(jié)省掘進(jìn)循環(huán)時間，從而降低生產(chǎn)成本。

表11 巖爆段與非巖爆段TBM掘進(jìn)參數(shù)比較

4 結(jié)論與討論

1)根據(jù)中國近年來修建隧道發(fā)生巖爆的案例統(tǒng)計(jì)可知： 其地層主要為閃長巖、花崗巖等硬巖，埋深絕大多數(shù)在700 m以上。工程上，根據(jù)巖爆發(fā)生時的特征進(jìn)行了分級，在設(shè)計(jì)階段可通過巖體物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行巖爆等級劃分，這些判別式通用性較強(qiáng)，判別標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值適用于判別巖性、埋深相近的隧道。對于同一個隧道宜采用多個判別式進(jìn)行相互印證，現(xiàn)場監(jiān)控量測以及觀測可以作為制定判別標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)和有效性驗(yàn)證手段。

2)在巖爆防治階段，根據(jù)不同的巖爆等級，總結(jié)提出了不同等級圍巖段落的初期支護(hù)適用的參數(shù)；針對鉆爆法，通過對比總結(jié)，細(xì)化了不同巖爆段落的開挖方法、進(jìn)尺長度以及相應(yīng)的等待時間。

3)目前，判別式的使用仍然未有明確的衡量標(biāo)準(zhǔn)，不同地區(qū)、巖性、埋深的隧道的巖爆判據(jù)相差較大。隨著高應(yīng)力地區(qū)隧道的大量修建，收集采集相關(guān)數(shù)據(jù)建立資料詳實(shí)的數(shù)據(jù)庫將成為解決該問題的重要途徑。

進(jìn)一步研究的意義與建議： 1)目前關(guān)于巖爆的判別式種類較多，可建立巖爆監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法結(jié)合現(xiàn)場情況進(jìn)行AI判定和預(yù)測； 2)在施工過程中實(shí)時反饋，不斷地修正、完善巖爆分析的大數(shù)據(jù)庫和專家分析系統(tǒng)，將眾多判據(jù)形成一套準(zhǔn)確快捷的評判系統(tǒng)； 3)隨著無人機(jī)、機(jī)器視覺及信號采集技術(shù)的發(fā)展，可利用無人機(jī)在施工現(xiàn)場布置微震監(jiān)測系統(tǒng)及聲波發(fā)射裝置，代替人工巡視及聲波信號采集，避免巖爆信息采集過程中的危險； 4)利用多光譜兼熱成像技術(shù)，測量巖爆發(fā)生時的熱成像圖譜； 5)利用XTDIC系統(tǒng)結(jié)合數(shù)字圖像(DIC)及立體視覺技術(shù)，通過追蹤斑圖像，實(shí)現(xiàn)巖爆過程位移場及應(yīng)變場的全過程監(jiān)測，可以精確記錄圍巖動向，測量巖爆發(fā)生時的圍巖動向； 6)采用MatDEM建立巖爆離散元模型，利用能量迭代算法準(zhǔn)確模擬巖爆過程。