高地應(yīng)力下洞室?guī)r爆防治原則及方法研究

王修華，馬行東，袁國慶

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

許多位于西南高山地區(qū)的地下工程己經(jīng)或即將開工建設(shè)，在這些地區(qū)修建的地下工程普遍具有埋深大、洞線長、地下水豐富、地質(zhì)條件復(fù)雜的特點(diǎn)，因而在設(shè)計(jì)和建設(shè)中會遇到一系列特殊問題，如高地應(yīng)力、高外水壓力、高壓涌水和巖爆等，其中尤以巖爆最為突出。巖爆是一種在深埋地下工程施工過程中常見的動(dòng)力破壞現(xiàn)象，當(dāng)巖體中聚積的高彈性應(yīng)變能高于巖石破壞所消耗的能量時(shí)，巖體結(jié)構(gòu)平衡被破壞，多余的能量就導(dǎo)致巖石爆裂，使巖石碎片從巖體中剝離、崩出，對施工安全威脅很大［1］。

巖爆災(zāi)害往往造成開挖工作面的嚴(yán)重破壞，造成巖爆設(shè)備損壞、人員傷亡，形成超挖、影響施工進(jìn)度、增加成本、早期支護(hù)失效等問題，甚至在嚴(yán)重時(shí)，還會誘發(fā)地震。目前，主要通過一些工程措施減輕或避免巖爆。依據(jù)巖爆發(fā)生的必要條件，可以考慮從如下3個(gè)方面減小或消除巖爆危害：降低圍巖應(yīng)力集中水平；改變圍巖性狀，降低其脆性或使其存儲的能量提前釋放；采用合理的手段進(jìn)行支護(hù)，提高巖體徑向支護(hù)壓力。

總體而言，巖爆問題應(yīng)以“以防為主，防控結(jié)合”為指導(dǎo)思想。從發(fā)生的巖爆的工程實(shí)例來看，在現(xiàn)有的技術(shù)水平下，如果能夠較精確預(yù)測巖爆等級，采用目前的防護(hù)措施可以有效的降低巖爆的危害，如果預(yù)測的巖爆等級產(chǎn)生偏差，可能會導(dǎo)致設(shè)備損壞，人員傷亡或者造成施工成本增加，巖爆防治的效果主要依賴于巖爆預(yù)測的準(zhǔn)確程度。為此，開展系統(tǒng)的巖爆研究，探索新的巖爆預(yù)測方法和理論模型，對提高巖爆防治技術(shù)水平具有重要理論價(jià)值和實(shí)際意義。

世界各國在防治巖爆的實(shí)踐中，總結(jié)了許多防治方法，總結(jié)起來有：改善圍巖應(yīng)力、改變圍巖性質(zhì)、加固圍巖、改善施工方法及防護(hù)等。

1 巖爆防治原則

巖爆防治應(yīng)針對不同巖爆等級、不同危害的巖爆有針對性的加以防范，應(yīng)以“安全第一、綜合分析、以防為主、防控結(jié)合、科學(xué)處理”為指導(dǎo)思想。

（1）深埋地下洞室?guī)r體中賦存的高地應(yīng)力是圍巖開挖后發(fā)生破壞的主要因素之一，因此，在勘察階段就需要充分論證工程樞紐區(qū)的地應(yīng)力量級、方向和分布狀況。調(diào)查方法主要包括地質(zhì)分析、地應(yīng)力測量、圍巖變形破壞的經(jīng)驗(yàn)（反）分析等。

地質(zhì)分析是地應(yīng)力調(diào)查的基礎(chǔ)，以構(gòu)造地質(zhì)分析為主，包括依據(jù)地質(zhì)構(gòu)造形跡的歷史構(gòu)造地應(yīng)力分析以及現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)特征的現(xiàn)今構(gòu)造地應(yīng)力分析。一般而言，構(gòu)造格局形成時(shí)間越早，歷史構(gòu)造地應(yīng)力格局與現(xiàn)今地應(yīng)力場之間的差別可能更大?，F(xiàn)今構(gòu)造地應(yīng)力場的分析方法可以采用震源機(jī)制解了大地位移解獲得。地質(zhì)分析中還需要調(diào)查近代地表地質(zhì)作用的方式和程度，地表抬升和剝蝕強(qiáng)烈時(shí)，剝蝕導(dǎo)致的應(yīng)力釋放以垂直方向較水平方向強(qiáng)烈，因此可以導(dǎo)致水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值的增大，而沉積使得水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力之比減小。

地應(yīng)力測量一般采用水壓致裂法和應(yīng)力解除法。單點(diǎn)地應(yīng)力測試成果代表巖體局部范圍內(nèi)的局部地應(yīng)力，應(yīng)根據(jù)較大范圍和較多的地應(yīng)力測試成果進(jìn)行回歸分析，結(jié)合地質(zhì)分析獲得工程區(qū)的初始地應(yīng)力場。判斷初始地應(yīng)力場方向的另外一種方法是利用鉆孔、勘探平洞中出現(xiàn)的高地應(yīng)力破壞現(xiàn)象進(jìn)行反分析的方法。需要注意的是，深埋隧洞室中往往存在3種典型地應(yīng)力帶，即隧洞進(jìn)水口區(qū)域和出水口區(qū)域的河谷地應(yīng)力帶、隧洞中段的重力應(yīng)力帶，以及在斷層（或節(jié)理）穿越區(qū)域的斷層應(yīng)力帶，3種應(yīng)力帶的分布特征和對圍巖破壞的作用有顯著差異。

（2）在規(guī)劃階段，工程選址就應(yīng)考慮盡量避開可能發(fā)生嚴(yán)重巖爆的地區(qū)。無法避讓時(shí)，應(yīng)盡量使地下洞室長軸軸線方向與最大主應(yīng)力方向平行或小角度相交，減小洞壁的切向應(yīng)力的集中水平。

（3）在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)巖爆發(fā)生的必要條件，減小或消除巖爆危害可符合下列規(guī)定：改善圍巖應(yīng)力，降低圍巖應(yīng)力集中水平；改變圍巖性狀，降低其脆性或使其存儲的能量提前釋放；采用合理的手段進(jìn)行支護(hù)，提高巖壁巖體徑向支護(hù)壓力；改善施工方法及防護(hù)。

（4）在施工階段，利用現(xiàn)有的勘測資料，首先開展概念模型建模及數(shù)學(xué)模型建模工作，經(jīng)過三維有限元數(shù)值運(yùn)算、對洞室不同開挖工序的模擬和反演分析，進(jìn)一步確定施工當(dāng)中哪些部位和樁號較易發(fā)生巖爆以及發(fā)生巖爆區(qū)域地應(yīng)力的數(shù)量級，優(yōu)化施工開挖方法和支護(hù)措施，為施工過程中巖爆的防治提供理論參考［2］。

在施工前，現(xiàn)場作業(yè)人員應(yīng)了解其地質(zhì)特征，針對可能出現(xiàn)巖爆的地段采取積極主動(dòng)的預(yù)防措施和強(qiáng)有力的支護(hù)方案，確保巖爆地段的施工安全；技術(shù)人員、安全人員等應(yīng)充分理解巖爆的特點(diǎn)及其危害的嚴(yán)重性，全體施工人員思想上高度重視，將巖爆發(fā)生的可能性及危害程度降到最低。

在施工過程當(dāng)中，應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)測，可采用綜合方法判斷可能產(chǎn)生巖爆高地應(yīng)力的范圍，預(yù)報(bào)地應(yīng)力的大小以及巖爆發(fā)生的可能性［2］。

2 巖爆防治方法

巖爆防治主要有改善圍巖應(yīng)力條件、改善洞室圍巖物理力學(xué)性能、加固圍巖等措施以及完善施工支護(hù)工作來防治巖爆。

2.1 改善圍巖應(yīng)力的方法

從強(qiáng)度理論角度看，巖爆是一種破壞，伴隨著破壞釋放能量而造成震動(dòng)、拋突、坍落、堵塞等災(zāi)害，因此如果能使圍巖應(yīng)力小于圍巖強(qiáng)度就不會發(fā)生巖爆，要達(dá)此目的有以下幾種方法：

（1）慎重確定地下洞室穿行方位。在設(shè)計(jì)階段，選定地下洞室穿過方位時(shí)，根據(jù)區(qū)域性構(gòu)造地質(zhì)所提供的資料，盡可能回避處于活躍期的褶斷帶，不要使洞室的施工造成大的、老的構(gòu)造復(fù)活或形成所構(gòu)造的誘發(fā)因素。這就可避免承受復(fù)雜而巨大的地質(zhì)應(yīng)力的破壞作用，也包括施工中的巖爆襲擊。

（2）在布置地下工程時(shí)，應(yīng)盡量使長軸方向與最大主應(yīng)力平行，這樣可以減小洞壁圍巖的切向應(yīng)力。

（3）在開挖爆破時(shí)，采用短進(jìn)尺、多循環(huán)亦可以改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。

（4）選擇合適的洞形，以改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。

（5）采用釋放應(yīng)力孔，掌子面打孔釋放應(yīng)力。

（6）改變導(dǎo)坑段面形狀：在開挖過程中，改變導(dǎo)坑斷面形狀，將通常采用的梯形面改為弧形拱頂。這不僅減小了圍巖壓力，更重要的是有利于巖層隱藏的彈性勢能從急變緩地釋放，也改善了臨時(shí)支護(hù)受力狀態(tài)。適當(dāng)提高拱頂開挖高度，一般提高0.3m，有利于襯砌混凝土施工時(shí)時(shí)臨時(shí)支護(hù)的拆換和模板的安裝。

（7）斷頂法。這是門頭溝煤礦長期摸索出來的一種治理沖擊地壓的方法。斷頂法的施工要點(diǎn)和主要目的是：在待采煤體隔離煤柱一側(cè)的老采空區(qū)內(nèi)，對大面積懸空頂板進(jìn)行人工強(qiáng)制局部崩落，形成寬約6m，深為6～8m的一條溝，用以人工調(diào)配頂板應(yīng)力分布，減小待采煤體開采后的應(yīng)力集中，削弱空區(qū)頂板與待采區(qū)頂板巖層的力學(xué)聯(lián)系，防止沖擊地壓。

（8）回填法?；靥罘ㄔ谀戏墙鸬V中用得較多，在采空區(qū)回填廢碴，回填有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一個(gè)是可以減少礦坑跨度，減少最終收斂量以及每一次回采礦中的誘發(fā)位移；二是圍巖壓密回填物質(zhì)必然做功，圍巖可以釋放能量。

（9）解除應(yīng)力法。人為地解除應(yīng)力的方法是較為主動(dòng)的方法［3］。該方法是在預(yù)計(jì)可能發(fā)生巖爆的洞段內(nèi)，通過人工進(jìn)行垂直于掌子面的超深鉆孔施爆工作，造成掌子面內(nèi)相當(dāng)深度的地方成為一個(gè)破碎帶，以減輕掌子面上的壓力，從而使巖爆的烈度和影響范圍降低，從而保證施工人員的安全，這種人工解除應(yīng)力的方法還可以產(chǎn)生增大掌子面破裂帶寬度的效應(yīng)，產(chǎn)生把高應(yīng)力峰值從掌子面移動(dòng)到實(shí)體巖石的效應(yīng)，以及產(chǎn)生把高應(yīng)力峰值從掌子面移動(dòng)到實(shí)體巖石的效應(yīng)。但實(shí)施該方法也有一些問題，主要有應(yīng)力解除孔的鉆進(jìn)深度、裝藥量以及時(shí)間間隔等，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況而定，但一般在掌子面前應(yīng)確保最少有幾米厚的破碎巖石緩沖帶存在［3］。多次實(shí)踐證明，實(shí)施應(yīng)力解除的結(jié)果，不僅可以用于減少一般巖爆的影響，而且還可用于那些為數(shù)不多的嚴(yán)重巖爆中，由此而使因巖爆引起的傷亡人數(shù)和延誤的施工時(shí)間顯著減少并在心理上給予施工人員極大的安慰。另外，在進(jìn)行人工應(yīng)力解除爆破的同時(shí)偶爾發(fā)生的輕微巖爆，防止了突發(fā)性巖爆條件的形成和猛烈?guī)r爆的發(fā)生，這一點(diǎn)對不可避免的巖爆發(fā)生來講，是控制巖爆發(fā)生的重要手段。對于人工應(yīng)力解除措施未能防止巖爆發(fā)生的情況，可能與巖石的殘痕以及因自然原因或人工原因應(yīng)力已被解除的地方有關(guān)。應(yīng)力解除法的應(yīng)用經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)證明，不僅原理正確，而且能夠?qū)嶋H應(yīng)用，是防治巖爆的有利措施之一，同時(shí)其存在問題有待在實(shí)踐中繼續(xù)探索改進(jìn)。

2.2 改變圍巖性質(zhì)的方法

2.2.1 鉆孔壓力注水法

應(yīng)用鉆孔水力劈裂法向孔內(nèi)進(jìn)行高壓注水，使巖體產(chǎn)生裂縫，從而達(dá)到緩減應(yīng)力集中、減弱巖爆的效果，這也是常用的一種措施［4］。

在中國的煤炭部門，普遍采用對煤層預(yù)注水法來改變煤的變形及強(qiáng)度特性。煤試樣浸泡水之后，動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間增長，能量釋放率明顯降低［5］。

煤層壓力注水通常有兩種方法，第一種是通過壓力預(yù)注水的方法，在煤層開采前使煤體濕潤，減弱或消除煤的沖擊能力，這是一種積極主動(dòng)的區(qū)域性防治方法。第二種方法是在工作面的前方，對局部應(yīng)力集中帶進(jìn)行高壓注水，以減緩應(yīng)力集中，解除沖擊危險(xiǎn)，是一種局部解危措施。

2.2.2 表面噴水法

爆破后應(yīng)立刻向工作面及附近洞壁巖體噴灑高壓水，增強(qiáng)塑性，降低巖體的脆性和巖爆的劇烈程度，同時(shí)可以起到降溫除塵的效果。也可使用炮孔和錨桿孔向巖體深處注水，也可獲得更好的效果［6］。

2.3 加固圍巖的方法

對已開挖的洞壁進(jìn)行加固以及掌子面前方的超前錨固，其作用有兩個(gè)：第一，改善掌子面及1～2倍洞徑洞段內(nèi)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。由于支護(hù)的作用，不但改變應(yīng)力大小的分布，而且還使洞壁從單軸應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槿S應(yīng)力狀態(tài)。第二，防護(hù)作用。防止彈射、塌落等事故。一般加固方法有以下幾種：

（1）噴混凝土法。此法可用于弱巖爆洞段。對巖壁進(jìn)行噴混凝土，厚度一般為5～10cm。

（2）噴鋼纖維混凝土法。噴鋼纖維混凝土，由于鋼纖維混凝土具有較大的柔性和抗剪能力，因此，能夠承受較大的變形而不使表層開裂。鋼纖維混凝土比較適合處理輕微巖爆。

（3）錨桿法。錨桿是加固和治理中等巖爆最有效的方法之一，及時(shí)施作錨桿不僅可以加固巖體，還可以改變洞壁巖體的應(yīng)力狀態(tài)，改變巖爆的觸發(fā)條件，控制巖爆發(fā)生的前兩個(gè)階段的發(fā)展，從而達(dá)到防止巖爆發(fā)生的目的。錨桿應(yīng)在離掌子面兩倍洞徑范圍內(nèi)施作，或超前施作；錨桿長度一般大于2.5m，間距一般視現(xiàn)場情況定；錨桿的種類通常選用膨脹錨桿、摩擦錨桿、機(jī)械式錨桿。

在日本關(guān)越隧道，為防止掌子面巖爆飛石造成傷亡，進(jìn)行短進(jìn)尺爆破。將原計(jì)劃的3m改為0.9～1.2m，掌子面采用3m長的錨桿進(jìn)行錨固，爆破后錨桿剩余長度起加固作用，然后再用3m長錨桿進(jìn)行錨固，錨固后再打炮眼，進(jìn)行下一循環(huán)爆破。在挪威Hyanger-Lanefjord隧道中，用系統(tǒng)錨桿及鋼纖維噴砼加固發(fā)生巖爆的洞壁。在挪威Sima電站地下廠房，發(fā)生嚴(yán)重巖爆，用3～8m長的錨桿錨固，并進(jìn)行掛網(wǎng)噴混凝土處理，取得了滿意的效果。在瑞典的Ritsen地下廠房交通洞中，頂板連續(xù)松脫，每月加深0.5m，用錨桿阻止了劈裂的擴(kuò)展。

（4）噴錨法和掛網(wǎng)噴漿法。當(dāng)巖爆后殘留巖片較多且危及安全時(shí)，可采用噴錨法處理，用錨桿加固后再行噴漿，錨桿深度一般為3～4m，間距1～2m；當(dāng)殘留巖片較普遍時(shí)，則需采用掛網(wǎng)噴漿法以防掉塊。

（5）錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)。采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)，適用于中等和強(qiáng)烈?guī)r爆區(qū)，除了安裝系統(tǒng)錨桿外，還可配合掛鋼筋網(wǎng)和噴混凝土，也可用噴鋼纖維混凝土代替掛網(wǎng)噴護(hù)。

（6）鋼拱架支護(hù)和混凝土襯砌支護(hù)。采用鋼拱架支護(hù)和混凝土襯砌支護(hù)，適用于強(qiáng)烈?guī)r爆區(qū)，鋼拱架安裝完成后，應(yīng)及時(shí)噴射混凝土，噴射時(shí)分層、分段進(jìn)行，鋼拱架應(yīng)全部被混凝土覆蓋。

（7）開縫式錨管支護(hù)。在美國愛達(dá)華州的某礦井，對因埋深大及巖體內(nèi)存在水平應(yīng)力等原因，導(dǎo)致該礦開采面及附近地區(qū)出現(xiàn)的震級達(dá)2～6級。巖爆的解決辦法是采用開縫式錨管，對認(rèn)為可能發(fā)生巖爆的區(qū)域進(jìn)行支護(hù)，其具體方法是先用風(fēng)鉆或鉆車沿隧洞的縱向和橫向，間隔1.8m鉆直徑為35mm的孔，再用風(fēng)鉆或鉆車將直徑41mm的開縫式錨管壓入孔內(nèi)，然后將錨管的尾端板緊固的支護(hù)頂拱或邊墻的墊板（0.3m×2.4m2）上。這種用開縫式錨管解決巖爆的方法經(jīng)實(shí)踐證明，能夠抗住上述量級的巖爆，且具有裝設(shè)方便、立即起到支護(hù)作用的優(yōu)點(diǎn)。

（8）Swellex錨桿支護(hù)。日本鐘鉤高速公路第二隧道在施工時(shí)多次發(fā)生巖爆，施工單位曾試用玻璃纖維錨栓以及用樹脂粘固的鋼筋栓等方法防治，都未能奏效，爆破后錨栓脫落，巖爆繼續(xù)發(fā)生。后經(jīng)多次試驗(yàn)研制出Swellex錨桿，滿足了防治巖爆的要求。在爆破后僅錨栓外端被炸掉，其余部分仍留在巖體中，從而對工作面起到支護(hù)作用，使之不受巖爆干擾。具體做法是將安放在鑿巖臺車上的22根4m長的錨栓垂直插入工作面，并向內(nèi)延伸再進(jìn)行鉆爆。爆破深度1.5m，錨栓炸斷后在巖體內(nèi)尚遺留2.5m起支護(hù)作用，隨后進(jìn)行噴錨支護(hù)，再進(jìn)行掘進(jìn)的工作順序。這種錨栓具有穩(wěn)固巖體、阻止巖爆且無需水泥灌漿或樹脂處理、收效快的特點(diǎn)，它可以使工作面巖體的部分應(yīng)力由22個(gè)錨栓孔釋放出來。Swellex錨栓材質(zhì)堅(jiān)硬且具有可壓縮的特點(diǎn)，能夠阻止巖塊滑動(dòng)，保持較大的約束力，在錨栓卡盤下放置木塊，可以調(diào)節(jié)因巖石破碎所產(chǎn)生的應(yīng)變，并使巖體快速平移卡住錨栓間巖體碎塊。對中等至嚴(yán)重巖爆防治時(shí)，要配以噴混凝土和鋼筋網(wǎng)共同使用，使用證明，它能夠有效防治巖爆。

（9）新材料。納米鋼纖維混凝土，納米仿鋼纖維混凝。納米混凝土拌和物和易性好，利于施工，抗壓、抗拉強(qiáng)度較高，抗裂性能較好，一次噴射厚度大，適用于隧道強(qiáng)巖爆地段巖爆防治。XPM納米材料是新型無機(jī)納米級多效、多功能外加劑，它集減水、增強(qiáng)、速凝為一體，能夠降低噴射混凝土的回彈量、降低洞內(nèi)粉塵、提高噴射混凝土早期的抗壓強(qiáng)度、提高一次性噴射厚度、提高噴射混凝土的抗?jié)B效果。

（10）新工法。①水脹式錨桿：施工速度較快，不進(jìn)行注漿，但只能作為臨時(shí)支護(hù)，可施加一定的預(yù)應(yīng)力。②漲殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿：施工速度快，并能迅速形成錨固力，可后注漿，注漿質(zhì)量有保證，可避免施工人員在圍巖下暴露太長時(shí)間，并能作為永久支護(hù)。③防沖抗爆恒阻大變形錨：大變形抗巖爆錨桿能隨圍巖變形多次吸收能量，從而抑制巖爆的發(fā)生，并且可通過安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化進(jìn)一步采取防范措施。

2.4 改進(jìn)施工方法

2.4.1 鉆爆法

巖爆多發(fā)區(qū)采用“深預(yù)裂，短進(jìn)尺、弱爆破”，輕微或中等巖爆可考慮全斷面法，強(qiáng)烈?guī)r爆“上下臺階法”，巖質(zhì)巖爆“先平導(dǎo)，后擴(kuò)挖”。

2.4.2 巖石掘進(jìn)機(jī)法

TBM改進(jìn)措施主要有：（1）增加掘進(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(shí)，前方刀頭在油壓的驅(qū)動(dòng)作用下變速反轉(zhuǎn)，從而脫困；（3）改進(jìn)TBM設(shè)施，在尾盾布置多功能鉆孔系統(tǒng)，為地質(zhì)鉆探或灌漿支護(hù)等服務(wù)；（4）TBM和鉆爆法混合使用，以便提高工作效率；（5）選擇合適的TBM掘進(jìn)參數(shù)；（6）及時(shí)地對開挖面進(jìn)行有效支護(hù)，縮短圍巖暴露時(shí)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(shí)，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”。

2.4.3 其他改善施工方法

（1）將深孔爆破變?yōu)闇\孔爆破，減小一次裝藥量，增加不同部位炮眼的雷管段位間隔，從而延長爆破時(shí)間，降低爆破對圍巖的影響，削弱爆破動(dòng)應(yīng)力場的疊加，減少巖爆頻率和強(qiáng)度。（2）改變洞室的開挖斷面形狀，把洞室直接或近似開挖成相應(yīng)于巖爆后圍巖穩(wěn)定的洞室形狀，如“A”字形、不規(guī)則的梯形等，從而減小巖爆的程度。（3）在強(qiáng)烈?guī)r爆區(qū)用臺車打應(yīng)力釋放孔［7］。

不同的施工方法其防治巖爆的方法也不同，例如對于鉆爆法和TBM施工法其防治方法就不盡相同。

①鉆爆法施工段防治措施。目前在建的雙江口水電站主要是用鉆爆法施工，采用應(yīng)力解除爆破的方法是進(jìn)行巖爆控制的主動(dòng)手段。應(yīng)力解除爆破的目的是解除或降低應(yīng)力集中區(qū)部位的高應(yīng)力，爆破區(qū)域應(yīng)位于應(yīng)力集中區(qū)范圍內(nèi)，并以能有效解除或降低應(yīng)力為原則。為盡可能降低施工干擾，現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)力解除爆破多結(jié)合在正常的開挖爆破過程中實(shí)施。采用應(yīng)力解除爆破時(shí)，開挖進(jìn)尺原則上以不超過2m為宜，孔深為進(jìn)尺的2～2.5倍。

鉆爆法開挖洞段巖爆防治采取了積極主動(dòng)的預(yù)防措施和強(qiáng)有力的支護(hù)措施，確保巖爆洞段的施工安全。主要是采用控制爆破和錨噴支護(hù)，即短進(jìn)尺控制爆破開挖，強(qiáng)烈與極強(qiáng)巖爆洞段要求配合應(yīng)力解除爆破開挖，以下是一些具體措施：

隧洞開挖必須采用光面爆破。必要時(shí)，應(yīng)力解除爆破技術(shù)作為高地應(yīng)力區(qū)日常性爆破作業(yè)的一部分。

出渣后立即對開挖掌子面以及周邊巖壁進(jìn)行危石清除作業(yè)，然后進(jìn)行高壓水沖洗［4］。

觀察現(xiàn)場狀況，根據(jù)巖爆預(yù)警監(jiān)測結(jié)果決定是否回避。極強(qiáng)和強(qiáng)烈?guī)r爆洞段開挖前應(yīng)考慮掌子面的噴護(hù)以及超前錨桿預(yù)支護(hù)措施［4］。

具備施工安全條件后，立即進(jìn)行鋼纖維混凝土施工，保證噴層厚度和質(zhì)量，初噴厚度一般為8cm。

完成噴層施工后，立即進(jìn)行錨桿施工，如臨時(shí)支護(hù)，可采用水脹式錨桿。

對已挖洞段圍巖應(yīng)力變化及深部圍巖破裂微震及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警工作，以指導(dǎo)現(xiàn)場加強(qiáng)支護(hù)施工或臨時(shí)撤退規(guī)避。

采用多臂臺鉆機(jī)械化作業(yè)，嚴(yán)禁采用人工鉆爆方式，避免強(qiáng)烈?guī)r爆引發(fā)人員傷亡事故。

②TBM法施工段防治措施。受TBM設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，幾乎無法對掌子面前方3m和掌子面后方5m的微震源主要分布區(qū)域和巖爆高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)實(shí)施有效的人工干預(yù)措施，也無法對這一范圍的圍巖實(shí)施有效支護(hù)。TBM掘進(jìn)條件下一般只限于對巖爆發(fā)生后的事故處理具體如下：

輕微巖爆。TBM按正常的速率掘進(jìn)；掘進(jìn)后盡快對新開挖面進(jìn)行納米鋼纖維混凝土等噴護(hù)處理，確保TBM掘進(jìn)掌子面后未支護(hù)長度不超過3m；對噴護(hù)段圍巖立刻實(shí)施系統(tǒng)錨桿處理，部分可采用機(jī)械式脹殼預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行快速加固，隨機(jī)配合槽鋼拱架或鋼筋拱肋加固［8］；及時(shí)完成其他系統(tǒng)支護(hù)。

中等巖爆。降低TBM掘進(jìn)速度；掘進(jìn)后立即對新開挖面進(jìn)行納米仿鋼纖維混凝土等噴護(hù)處理，確保TBM掘進(jìn)掌子面后未支護(hù)長度不超過護(hù)盾長度；對噴護(hù)段圍巖立即實(shí)施掛網(wǎng)處理，使用預(yù)制鋼筋網(wǎng)，采用墊板與錨桿連接的方式固定，與錨桿系統(tǒng)形成完整的支護(hù)系統(tǒng)；在掛網(wǎng)施工的同時(shí)進(jìn)行防巖爆快速錨固處理，視現(xiàn)場潛在巖爆程度，采用機(jī)械式脹殼預(yù)應(yīng)力錨桿，配合系統(tǒng)型鋼拱架進(jìn)行系統(tǒng)初期支護(hù)，并與表面支護(hù)措施（網(wǎng)、噴層和鋼拱架）構(gòu)成支護(hù)系統(tǒng)［8］；在早期快速錨固后，盡快安裝系統(tǒng)性永久錨桿。

強(qiáng)烈?guī)r爆或劇烈?guī)r爆。施工時(shí)應(yīng)在這些洞段加強(qiáng)微震監(jiān)測和巖爆預(yù)測工作，一旦進(jìn)入潛在強(qiáng)巖爆高發(fā)洞段，需要采取非常措施提前解除掌子面前方巖爆風(fēng)險(xiǎn)，利用鉆爆法在TBM掌子面前方預(yù)先開挖超前導(dǎo)洞，配合使用應(yīng)力解除爆破，提前釋放能量，為TBM安全掘進(jìn)創(chuàng)造條件。本方案實(shí)質(zhì)上是把TBM開挖施工的巖爆風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移給鉆爆法，利用鉆爆法掘進(jìn)時(shí)可以采取人工干預(yù)的優(yōu)點(diǎn)通過強(qiáng)巖爆風(fēng)險(xiǎn)洞段。

2.5 新材料和新工法防護(hù)

2.5.1 新材料

納米鋼纖維混凝土，納米仿鋼纖維混凝。納米混凝土拌和物和易性好，利于施工，抗壓、抗拉強(qiáng)度較高，抗裂性能較好，一次噴射厚度大，適用于隧道強(qiáng)巖爆地段巖爆防治。XPM納米材料是新型無機(jī)納米級多效、多功能外加劑，它集減水、增強(qiáng)、速凝為一體，能夠降低噴射混凝土的回彈量、降低洞內(nèi)粉塵、提高噴射混凝土早期的抗壓強(qiáng)度、提高一次性噴射厚度、提高噴射混凝土的抗?jié)B效果。

柔性防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)：鋼絲繩網(wǎng)、支撐繩、漲殼式錨桿，鋼絲繩網(wǎng)是防護(hù)網(wǎng)的主要吸能構(gòu)架，鋼絲繩網(wǎng)和錨桿是防護(hù)網(wǎng)的主要承載力構(gòu)架，可以有效攔截輕微巖爆或中等巖爆所產(chǎn)生的彈射石塊，抵御巖塊的沖擊作用。

2.5.2 新工法

①水脹式錨桿：施工速度較快，不進(jìn)行注漿，但只能作為臨時(shí)支護(hù)，可施加一定的預(yù)應(yīng)力。②漲殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿：施工速度快，并能迅速形成錨固力，可后注漿，注漿質(zhì)量有保證，避免了施工人員在圍巖下暴露太長時(shí)間，并能作為永久支護(hù)。③防沖抗爆恒阻大變形錨：大變形抗巖爆錨桿能隨圍巖變形多次吸收能量，從而抑制巖爆的發(fā)生，并且通過安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化可采取進(jìn)一步的補(bǔ)強(qiáng)與防范措施，為巖爆防治提供了可行的技術(shù)支撐。

3 巖爆防范措施

3.1 防護(hù)、躲避及監(jiān)測措施

3.1.1 采取防護(hù)措施

增設(shè)臨時(shí)防護(hù)措施，給主要的施工設(shè)備安裝防護(hù)網(wǎng)和防護(hù)棚架，掌子面可加掛鋼絲網(wǎng)，給施工人員發(fā)放鋼盔、防彈背心等。利用鋼絲網(wǎng)、尼龍網(wǎng)等防護(hù)物攔擋巖爆飛石。比如，日本關(guān)越隧洞，除前述掌子面超前錨固外，在臺車上裝上鋼絲網(wǎng)防護(hù)，保護(hù)打炮眼，裝藥工人的安全。在天生橋水電站，在掘進(jìn)機(jī)及后配套上安裝了“鐵甲”，構(gòu)成一個(gè)“防石棚”，避免了巖爆塊塌落傷人，砸毀機(jī)器設(shè)備。

3.1.2 主動(dòng)躲避及清除浮石

巖爆非常劇烈時(shí)，為了安全，應(yīng)在危險(xiǎn)距離范圍以外躲避一段時(shí)間，直至巖爆平靜為止。然后，應(yīng)增強(qiáng)巡回撬頂，及時(shí)清理爆裂的危石，保證施工人員的安全。

巖爆一般在爆破后1h左右比較猛烈，以后趨于緩和，多數(shù)發(fā)生在1～2倍洞徑的范圍內(nèi)，所以躲避是一種行之有效的方法。比如在挪威的Sima地下廠房，每個(gè)爆破循環(huán)之后，工人必須躲避在安全處，待巖爆平息之后再進(jìn)行施工。此外，在施工過程中加強(qiáng)發(fā)生檢查和危石處理，認(rèn)真防護(hù)觀察圍巖動(dòng)態(tài)。如發(fā)現(xiàn)撕裂聲，立即撤離人員與機(jī)具。

3.1.3 加強(qiáng)施工期監(jiān)測

有必要指出的是，在施工期進(jìn)行必要的圍巖監(jiān)測，如聲發(fā)射、變形監(jiān)測和應(yīng)力監(jiān)測等［9］，預(yù)測臨爆前的信息從而采取有效的防范措施［10］。

3.2 現(xiàn)場施工防范措施

（1）加強(qiáng)現(xiàn)場巖爆監(jiān)測、設(shè)置專職安全員全天候巡視警戒及巡回找頂，必要時(shí)及時(shí)躲避。依據(jù)地應(yīng)力測試、巖爆微震監(jiān)測和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，綜合分析預(yù)警區(qū)域內(nèi)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級。

（2）嚴(yán)格控制每循環(huán)進(jìn)尺，加強(qiáng)鉆爆控制；嚴(yán)格控制超欠挖，保證開挖面的圓順和平整度，減少臨空面，降低巖爆發(fā)生的概率。

（3）強(qiáng)化作業(yè)人員安全、紀(jì)律教育以及巖爆、防護(hù)知識學(xué)習(xí)；嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)技術(shù)和安全操作規(guī)程規(guī)范；危險(xiǎn)地段設(shè)置照片并增設(shè)醒目警示標(biāo)示。

（4）掌子面所有施工及管理人員佩戴安全防護(hù)用品，對主要施工設(shè)備采取設(shè)置防護(hù)網(wǎng)、防護(hù)鋼板等安全防護(hù)措施。

（5）掌子面開挖臺架安裝防護(hù)網(wǎng)或鋼板，或者架設(shè)移動(dòng)防護(hù)棚架，防止巖塊掉落飛出，有效保護(hù)人員和設(shè)備安全。

（6）加強(qiáng)機(jī)械化配套施工，盡可能減少作業(yè)人員數(shù)量。

（7）所有工作面安設(shè)監(jiān)控?cái)z像裝置，清晰記載巖爆發(fā)生時(shí)的現(xiàn)象。

（8）施工期全面做好應(yīng)急培訓(xùn)與演練，施工現(xiàn)場做好應(yīng)急物質(zhì)材料貯備工作。

最后結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，本文總結(jié)了不同地應(yīng)力條件下大型地下洞室群支護(hù)措施，如表1所示。

表1 不同地應(yīng)力條件下大型地下洞室群支護(hù)措施

4 結(jié) 論

（1）巖爆防治應(yīng)針對不同巖爆等級、不同危害的巖爆有針對性地加以防范，從巖爆防治原則角度，本文從勘察階段、規(guī)劃階段、設(shè)計(jì)和施工階段進(jìn)行闡述和總結(jié)，為巖爆防治方法和措施提供依據(jù)。

（2）巖爆防治方法主要有改善圍巖應(yīng)力條件、改善洞室圍巖物理力學(xué)性能、加固圍巖以及完善施工和支護(hù)工作等措施，不同工程應(yīng)根據(jù)具體情況采取不同的防治方法。

（3）從巖爆防范措施的角度，主要從防護(hù)、躲避及監(jiān)測措施和現(xiàn)場施工防范措施兩個(gè)方面進(jìn)行了考慮，同時(shí)結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了不同地應(yīng)力條件下大型地下洞室群支護(hù)措施經(jīng)驗(yàn)表。

（4）本文從不同角度歸納闡述了水電工程地下洞室?guī)r爆防治原則和方法，并對巖爆防治措施進(jìn)行了歸納和總結(jié)，對工程具有一定的指導(dǎo)意義。