TBM施工引水隧洞巖爆預(yù)防與處理方法
——以新疆某引水隧洞施工為例

藺鳳林

新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000

1 工程概況

新疆某引水隧洞工區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，深埋隧洞段位于阿爾泰山南麓侵蝕構(gòu)造中山區(qū)，主要是受地殼應(yīng)力場(chǎng)擠壓和右旋作用形成隆起區(qū)，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期間又被一系列以NWW向的壓性斷裂和以NW～NNW向的壓扭性斷裂切割成斷塊，依次錯(cuò)落和斜翹，形成階梯狀的斷壘隆起，水平和垂直升降運(yùn)動(dòng)顯著。隧洞上覆巖體厚度為600～720m，圍巖為華力西晚期侵入變質(zhì)花崗巖、閃長(zhǎng)巖及奧陶系二云母石英片巖等，為中～堅(jiān)硬巖，巖石強(qiáng)度一般，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體完整。巖石具有弱片麻理、片理結(jié)構(gòu)，隱節(jié)理發(fā)育，片理產(chǎn)狀與主壓應(yīng)力方向大致相同或交角很小，地下水貧乏，深埋隧洞段具備發(fā)生巖爆的地質(zhì)條件。TBM開(kāi)挖洞段上游引水隧洞長(zhǎng)度為15.15km，采用開(kāi)敞式TBM開(kāi)挖，刀盤(pán)直徑為7.8m。經(jīng)前期勘查所得，隧洞區(qū)圍巖實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力值可達(dá)23～27MPa。

2 隧洞巖爆預(yù)測(cè)

巖爆預(yù)警的作用是及時(shí)了解巖爆是否存在，預(yù)判巖爆等級(jí)，以根據(jù)巖爆等級(jí)采取相應(yīng)的支護(hù)措施。該隧洞中某段主要由東北大學(xué)采用巖爆微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行巖爆等級(jí)預(yù)警。在初始地應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力值較高，可能巖爆區(qū)域進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)，結(jié)合工程地質(zhì)類(lèi)比法進(jìn)行宏觀預(yù)報(bào)，及結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合分析。巖爆的發(fā)生機(jī)理與區(qū)域構(gòu)造、地層巖性、地下水活動(dòng)、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度有密切聯(lián)系，一般區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、巖石堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)面不發(fā)育、地下水活動(dòng)微弱、地應(yīng)力高、新鮮脆硬性干燥巖石深埋部位洞段易發(fā)生巖爆。應(yīng)在施工期間進(jìn)行必要的圍巖檢測(cè)，如變形檢測(cè)、應(yīng)力檢測(cè)等，收集圍巖巖爆前后的各種物理力學(xué)參數(shù)，并加以總結(jié)分析。

3 隧洞巖爆特征及成因

3.1 巖爆特征

（1）應(yīng)變型巖爆主要發(fā)生在圍巖強(qiáng)度高、完整性較好、節(jié)理較發(fā)育～不發(fā)育、干燥無(wú)水段。其發(fā)生時(shí)間具有不確定性，個(gè)別時(shí)候在露出護(hù)盾之前就已經(jīng)發(fā)生，來(lái)不及支護(hù)；也可能是出露護(hù)盾時(shí)較為完整，滯后一段時(shí)間后才開(kāi)始顯現(xiàn)，影響施工安全。其影響深度一般在20～30cm，且伴有爆裂聲響。

（2）應(yīng)變結(jié)構(gòu)面滑移型巖爆多發(fā)生在巖體節(jié)理較發(fā)育、巖體較完整～完整段，節(jié)理面平直光滑延伸性差，大多呈閉合狀，無(wú)充填，巖面干燥無(wú)水。這種圍巖在掘進(jìn)開(kāi)挖中高地應(yīng)力作用較明顯，表現(xiàn)為無(wú)任何征兆發(fā)生爆竹聲或轟雷聲，沿著斷面節(jié)理薄弱點(diǎn)開(kāi)始巖爆，巖塊應(yīng)聲掉落，隨后伴隨聲響以片狀、塊狀剝落為主，一次性巖爆掉塊體積較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，最后形成較大塌腔。另外，也表現(xiàn)為隧洞底部由于應(yīng)力擠壓造成底部隆起等現(xiàn)象。

3.2 巖爆成因

巖爆位于拱頂及拱肩的情況較多見(jiàn)，巖爆等級(jí)為輕微～中等。隧洞發(fā)生巖爆的過(guò)程中，剛開(kāi)始能聽(tīng)到巖石被擠壓和折斷的聲音，多為轟雷聲和爆竹聲，聲音較脆。隨后部分巖石會(huì)出現(xiàn)爆裂并伴隨墜落的現(xiàn)象。巖石的母體會(huì)從巖石壁中彈射而出，使隧洞發(fā)生坍塌性的現(xiàn)象。隧洞發(fā)生巖爆時(shí)，都是瞬間發(fā)生的，這在一定程度上使得巖爆的防治與預(yù)測(cè)工作較為困難，并且隧道巖爆發(fā)生的時(shí)間也存在一定的不確定性。

巖爆發(fā)生的原因是在開(kāi)挖或其他外界擾動(dòng)下，地下工程巖體中聚積的彈性變形勢(shì)能突然釋放，導(dǎo)致出現(xiàn)圍巖爆裂、彈射等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。巖爆通常在開(kāi)挖形成臨空面，并積聚一段時(shí)間應(yīng)力后產(chǎn)生。

4 TBM巖爆洞段施工措施及處理方法

4.1 巖爆洞段施工措施

預(yù)警圍巖中存在巖爆時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工單位結(jié)合地質(zhì)情況應(yīng)遵循“以防為主，防治結(jié)合”原則，積極主動(dòng)采取預(yù)防措施和強(qiáng)有力的施工支護(hù)，確保巖爆地段的施工安全，將巖爆發(fā)生的可能性及巖爆的危害降到最小。隧洞施工過(guò)程中，要充分考慮巖石的高地應(yīng)力及其自身的壓力強(qiáng)度，以免因負(fù)荷過(guò)大而導(dǎo)致坍塌現(xiàn)象發(fā)生，在最大程度上滿足隧洞巖石的強(qiáng)度理論，讓隧道巖爆的發(fā)生概率降到最低。巖爆洞段解決措施一般有開(kāi)挖優(yōu)化、應(yīng)力釋放、支護(hù)優(yōu)化，以降低巖爆風(fēng)險(xiǎn)。

在深埋隧洞段或高應(yīng)力區(qū)，要調(diào)查巖爆地段的地質(zhì)條件，觀測(cè)記錄巖爆的規(guī)模、巖爆的位置和范圍、延續(xù)時(shí)間、巖塊大小、形狀及巖爆發(fā)生時(shí)間與掘進(jìn)的關(guān)系。預(yù)警存在巖爆洞段施工過(guò)程中，要及時(shí)觀察露出護(hù)盾?chē)鷰r情況，判定巖爆是否已經(jīng)在護(hù)盾里面發(fā)生。巖爆具有滯后性，露出護(hù)盾之后也要隨時(shí)觀察巖體表面是否存在剝落現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)真判定巖體內(nèi)部發(fā)生的各種聲音。

針對(duì)巖爆等不良地質(zhì)地段，施工方應(yīng)準(zhǔn)備相應(yīng)的預(yù)防預(yù)報(bào)、應(yīng)急技術(shù)預(yù)案等措施，備足有關(guān)的應(yīng)急機(jī)具和材料。隧洞巖爆并不是自然地質(zhì)災(zāi)害，而是與隧道的施工技術(shù)息息相關(guān)?？茖W(xué)合理的隧洞施工技術(shù)能夠在最大程度上減少隧道施工中發(fā)生的巖爆現(xiàn)象。

4.2 不同類(lèi)型巖爆洞段處理方法

巖爆洞段圍巖類(lèi)別判定應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487—2008）附錄Q和《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50287—2016）附錄T（巖爆特征和巖石強(qiáng)度應(yīng)力比判據(jù)）綜合判定，確保巖爆等級(jí)的準(zhǔn)確性，不同的巖爆等級(jí)采取不同的支護(hù)方式。

（1）對(duì)于存在輕微巖爆洞段，施工時(shí)可通過(guò)掌子面及洞周?chē)鷰r噴水對(duì)易產(chǎn)生巖爆的巖石起到一定的軟化作用，促使應(yīng)力釋放和調(diào)整，適當(dāng)改變巖石力學(xué)性質(zhì)，降低巖石的脆性，采取錨桿鋼筋網(wǎng)（可采用150mm×150mm或100mm×100mm的小網(wǎng)格網(wǎng)片）加拱架的支護(hù)方式。

（2）圍巖露出護(hù)盾后，在確定的巖爆條帶兩側(cè)各超寬1m范圍內(nèi)掛鋼筋網(wǎng)并設(shè)置土25砂漿錯(cuò)桿，錨桿長(zhǎng)度為2m，間距1.5m，呈梅花狀分布。在180°范圍內(nèi)噴射C30砼封閉，噴砼厚度為15cm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖爆的危害程度，由現(xiàn)場(chǎng)確定提前采用應(yīng)急噴射砼封閉圍巖?？筛鶕?jù)巖爆掉塊大小及分布范圍，現(xiàn)場(chǎng)確定采用鋼筋對(duì)鋼筋網(wǎng)進(jìn)行環(huán)向加固。巖爆形成圍巖崩坍體積較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取應(yīng)急噴漿系統(tǒng)進(jìn)行噴砼支護(hù)，必要時(shí)安設(shè)格柵拱架。

（3）應(yīng)力集中輕微巖爆～中等巖爆段，要及時(shí)對(duì)漏出護(hù)盾巖石進(jìn)行錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼筋排及拱架加強(qiáng)支護(hù)，防止巖爆松動(dòng)圈巖石繼續(xù)釋放應(yīng)力，應(yīng)及時(shí)噴射混凝土封閉圍巖，提高整體防護(hù)作用。對(duì)于輕微、中等巖爆洞段，可將錨桿鉆孔作為應(yīng)力釋放孔，必要時(shí)向孔內(nèi)噴灌高壓水軟化圍巖，以釋放部分地應(yīng)力。巖爆段初噴射后，及時(shí)對(duì)巖爆松散體進(jìn)行固結(jié)回填注漿，減少由于應(yīng)力過(guò)度釋放造成的圍巖松軟現(xiàn)象，確保施工安全。

4.3 預(yù)警中～強(qiáng)巖爆及發(fā)生巖爆后的措施

（1）加強(qiáng)對(duì)露出護(hù)盾?chē)鷰r的觀察，觀察掘進(jìn)參數(shù)，觀察出渣量情況，認(rèn)真判定巖體內(nèi)部發(fā)生的崩解聲音等。

（2）安排專(zhuān)職人員及時(shí)進(jìn)行巖爆后排險(xiǎn)工作，及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，加強(qiáng)巡回檢查和危石處理，杜絕崩落的巖石砸壞設(shè)備或傷害人員的現(xiàn)象發(fā)生。

（3）對(duì)開(kāi)挖易產(chǎn)生較大塑形變形的圍巖及高地應(yīng)力中等巖爆段圍巖，可采用合成纖維噴射混凝土。對(duì)于圍巖松散掉塊或中等巖爆地層，TBM施工中可使用鋼筋排結(jié)合鋼筋網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，鋼筋排和鋼筋網(wǎng)應(yīng)存在20cm的搭接長(zhǎng)度。對(duì)于Ⅲ b類(lèi)圍巖洞段，除頂拱局部掉塊、塌方段、中等巖爆段可采用鋼筋排進(jìn)行支護(hù)外，一般應(yīng)以鋼筋網(wǎng)支護(hù)為主，禁止過(guò)度采用鋼筋排進(jìn)行支護(hù)。

（4）隧洞施工過(guò)程中加強(qiáng)人員和設(shè)備的管理防護(hù)，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，要妥善保護(hù)監(jiān)控量測(cè)的元器件，并有顯著的安全標(biāo)識(shí)。在巖爆地段埋設(shè)量測(cè)元器件，必須在對(duì)巖爆進(jìn)行了妥善處理后進(jìn)行。

5 結(jié)論

綜上所述，TBM施工巖爆段隧洞工作具有重要意義，圍巖出護(hù)盾后，若聽(tīng)到轟雷聲和爆竹聲，且聲音較脆時(shí)，是巖爆的前兆，需予以重視。對(duì)此，要進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)警模型，提高預(yù)警準(zhǔn)確率，為接下來(lái)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)控奠定良好基礎(chǔ)。圍巖露出護(hù)盾時(shí)，要根據(jù)地質(zhì)、巖爆程度等及時(shí)掛鋼筋網(wǎng)、布置錨桿。對(duì)巖爆烈度較高處增設(shè)一定的鋼拱架支撐。要改變圍巖強(qiáng)度，降低巖爆發(fā)生概率，防止巖爆的繼續(xù)發(fā)生。