爆破擾動下TBM隧洞時滯型巖爆特征及影響機制研究

全永威，王 軍，熊永潤，姚志賓，張 宇，胡 磊

（1.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.東北大學資源與土木工程學院，深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；3.遼寧省深部工程與智能技術重點實驗室（東北大學），遼寧 沈陽 110819）

開挖誘發(fā)的巖爆災害以其突發(fā)性、破壞性和不確定性，給工程設計、施工及災害防控帶來巨大困難和挑戰(zhàn)[1?4]。為更好描述和區(qū)分不同巖爆現象，馮夏庭等[5]根據巖爆發(fā)生時間與施工時間和空間的關系，將巖爆分為即時型巖爆[6]、時滯型巖爆[7]和間歇型巖爆[8]。其中，時滯型巖爆是指開挖卸荷且應力調整平衡后，外界擾動作用下發(fā)生的巖爆?！皶r空滯后性”是時滯型巖爆的普遍規(guī)律和內在本質[9]，這種特性會對施工人員及設備造成巨大威脅，因此迫切需要對其發(fā)生特征及影響機制開展相關研究。

陳炳瑞等[7]以錦屏II級水電站鉆爆法引水隧洞和排水洞施工期間發(fā)生的時滯型巖爆為研究對象，分析總結了時滯型巖爆的發(fā)生特征，并系統研究了其孕育規(guī)律與機制，同時指出誘發(fā)時滯型巖爆的外界擾動發(fā)生的時間是影響時滯型巖爆發(fā)生時間的關鍵因素之一。國內外許多學者針對爆破擾動與巖爆之間的關系開展了深入研究。李夕兵等[10]、宮鳳強等[11]認為擾動作用可以起到誘發(fā)圍巖破壞的作用。趙周能[12]分析了爆破擾動下鉆爆法隧洞時滯型巖爆的發(fā)生規(guī)律，認為頻繁的爆破擾動會導致圍巖產生累積性損傷，造成巖體力學性質的不斷劣化，最終誘發(fā)時滯型巖爆。對于此類爆破等應力擾動波誘發(fā)的巖爆，何滿潮等[13]研究了不同應力狀態(tài)下擾動波頻率和波幅與巖爆誘發(fā)的關系。蘇國韶等[14]通過開展低頻周期擾動荷載與靜載聯合作用下巖爆過程的真三軸試驗，指出在擾動荷載的作用下，試樣出現彈性應變能小幅度突增且彈性應變能極限存儲能力快速下降的“雙向背離效應”，使得巖爆現象更容易發(fā)生。以上研究主要基于鉆爆法隧洞分析了爆破擾動的發(fā)生時間、頻率、幅值等對時滯型巖爆孕育過程的影響，在隧道掘進機（tunnel boring machine, TBM）隧洞方面的研究相對較少。

鉆爆法和TBM法兩種開挖方式下的時滯型巖爆的發(fā)生特征及機理也有區(qū)別。在爆破擾動作用下巖石破裂形式會發(fā)生轉化，剪切事件顯著增多[1]。Zhang等[15]認為采用鉆爆法的隧洞后期會受到來自工作面的爆炸應力波產生的多次擾動，更容易發(fā)生時滯型巖爆。而采用TBM開挖時，洞壁完整性好，承載力高，使得圍巖應力集中區(qū)域更臨近洞壁[16]。若消除后期爆炸應力波對圍巖的擾動作用，由于鉆爆法爆破開挖過程中圍巖開裂過程耗散了較多能量，其發(fā)生時滯型巖爆的風險低于TBM法[17]。

鑒于上述研究，開挖擾動和爆破擾動會對潛在時滯型巖爆區(qū)圍巖造成顯著的影響，但不同開挖方式下時滯型巖爆的發(fā)生特征及影響機制仍待進一步研究。本文通過對比分析某TBM法開挖主隧洞在鉆爆法開挖拆機洞施工期間發(fā)生的5次時滯型巖爆，總結時滯型巖爆的時空特征和破壞特征，分析爆破擾動、巖爆區(qū)地質條件、即時型巖爆情況和支護等因素對時滯型巖爆的影響機制，以期為時滯型巖爆的預警與防控提供有益參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

某引水隧洞K54+000——K54+993段平均埋深約為467 m，主要采用TBM開挖，斷面為圓形，直徑7.0 m。待TBM開挖貫通后，在K54+975——K54+993段TBM開挖隧洞的基礎上進行擴挖，進而形成拆機洞。拆機洞采用微差爆破和光面爆破技術進行開挖，炮孔深3.5 m，沿洞軸線布置，拆機洞斷面為城門洞型，爆破一次成型，斷面尺寸為 9.3 m×10.5 m（寬×高），全長 18 m。拆機洞縱斷面圖及橫斷面圖如圖1所示。

圖1 拆機洞縱斷面圖及橫斷面圖Fig.1 Vertical section and cross section of the machine removal tunnel

該洞段巖性主要為石炭紀凝灰?guī)r，總體呈灰黑色，質地堅硬，飽和單軸抗壓強度80～105 MPa。根據勘察階段實測地應力結果，最大水平主應力（σH）、最小水平主應力（σh）與垂直應力（σv）間的關系為σH>σv>σh，其中σH為 12～17 MPa，σv為 10～14 MPa，σh為 6～11 MPa。原巖應力場中水平應力占主導地位，最大水平主應力與隧洞軸線夾角34°～79°，三向主應力與隧洞的空間關系如圖2所示。受圍巖巖性及地應力的影響，該洞段開挖期間，輕微巖爆頻發(fā)，部分區(qū)域甚至有中等巖爆發(fā)生，絕大部分巖爆為即時型巖爆，在未出護盾時就已發(fā)生，K54+000——K54+700段即時型巖爆分布情況如圖3所示。圖3中隧洞方位指面向掌子面，參考時鐘的刻度將隧洞斷面劃分為12個方位，用以區(qū)分隧洞各部位，并將其作為空間展布圖的縱坐標。從圖3（a）可以看出，該洞段開挖時，巖爆以輕微巖爆為主，主要發(fā)生在斷層下盤附近區(qū)域，且爆坑范圍較大；從圖3（b）可以看出，K54+300——K54+700 段在斷層附近及其余區(qū)域均有輕微巖爆發(fā)生。

圖2 地應力與隧洞的空間關系Fig.2 Spatial relationship between in-situ stress and tunnel

圖3 K54+000——K54+700段即時型巖爆分布示意圖Fig.3 Distribution diagram of the immediate rockburst in K54+000——K54+700 section

1.2 地質概況

如圖4（a）所示，K54+228——K54+250 區(qū)域發(fā)育 2 條近平行斷層，產狀分別為 NW358°∠27°和 NW358°∠21°，斷層寬3～16 cm，局部寬20～40 cm，斷層帶內為角礫巖、擠壓片巖及碎裂巖，斷面較平直光滑，附著斷層泥薄膜，表現出強烈的擠壓破碎特征，該斷層對圍巖的影響相對較大。如圖4（b）所示，K54+608——K54+608.5區(qū)域發(fā)育一條小型斷層，產狀為NE48°∠90°。該斷層垂直于洞軸線，屬于正斷層，斷層帶寬5～10 cm，局部寬10～13 cm，斷層帶內為角礫巖、擠壓碎裂巖，斷面較平直粗糙，該斷層對圍巖的影響相對較小。

圖4 K54+000——K54+700段地質展布圖Fig.4 Geological distribution of K54+000——K54+700 section

K54+000——K54+700段整體較完整，局部受地質構造影響較為破碎。其中，K54+000——K54+220段主要發(fā)育 1 組節(jié)理，產狀 NW278°～348°∠40°～65°，少量傾向NE，與洞軸線夾角35°～40°，多微張，充填灰白色鈣質薄膜及灰黑色巖屑，節(jié)理面平直粗糙，節(jié)理延伸長度3～9 m，發(fā)育間距一般0.5～5 m，局部發(fā)育間距0.1～0.3 m。K54+220——K54+264段主要發(fā)育2組節(jié)理：①NW343°～358°∠35°～55°，張開度0.5～5 mm，充填灰綠色巖屑及灰白色鈣質薄膜，節(jié)理面多平直粗糙，延伸長度一般1～2 m，發(fā)育間距0.1～0.5 m；②NE58°∠85°，微張，充填灰白色鈣質細脈，節(jié)理面平直粗糙，延伸長度一般1～3 m，間距0.3～1.0 m。K54+264——K54+700段主要發(fā)育 2 組節(jié)理：①NW275°～340°∠20°～60°，與洞軸線夾角43°～22°，張開度1～2 mm，局部充填白色鈣膜及鐵繡色斑，節(jié)理面平直粗糙，延伸長度6～10 m，間距 0.6～1.8 m；②NE45°～85°∠50°～80°，與洞軸線夾角87°～53°，多閉合，無充填，節(jié)理面平直粗糙，一般以數條成組平行發(fā)育，組間距5～8 m，組內間距0.5～1.2 m。

1.3 支護條件

K54+000——K54+700段圍巖初期支護概況如圖5所示。結合圖3和圖4可以發(fā)現，當揭露圍巖完整性較好或僅有輕微巖爆發(fā)生時，初期支護措施以隨機砂漿錨桿與鋼筋網片為主；當輕微巖爆次數較多且范圍較大時，初期支護措施以系統砂漿錨桿與鋼筋網片為主，如K54+180——K54+228區(qū)域；當揭露圍巖完整性較差，有中等巖爆或結構型塌方破壞時，采用HW125型鋼拱架與鋼筋排加強支護，如K54+228——K54+245區(qū)域。此外，當經過TBM噴混區(qū)時，現場再根據實際情況對圍巖施作混凝土噴層以加強支護。

圖5 K54+000——K54+700段圍巖初期支護概況Fig.5 Overview of the initial support of surrounding rock in K54+000——K54+700 section

2 時滯型巖爆特征

2.1 時滯型巖爆概況

拆機洞于2021年10月7日、10月15日分別進行了爆破開挖，2次爆破期間并沒有時滯型巖爆發(fā)生，第2次爆破后7 d，即10月22日，于K54+200——K54+213區(qū)域發(fā)生了巖爆Ⅰ。此后直至11月17日，K54+000——K54+700段累計發(fā)生了5次時滯型巖爆，其沿洞軸線的分布情況如圖6所示。

圖6 某引水隧洞時滯型巖爆分布示意圖Fig.6 Distribution diagram of t time delayed rockburst in a diversion tunnel

按照發(fā)生時間的先后順序，將時滯型巖爆分別命名為巖爆Ⅰ——巖爆Ⅴ。其中K54+200——K54+213區(qū)域，8點半——9點半方位和10點——3點鐘方位均有巖爆發(fā)生，爆坑相鄰且?guī)r爆發(fā)生時間接近，為便于分析，將其合并劃分為巖爆Ⅰ。依據《水利水電工程地質勘察規(guī)范》（GB 50487——2008）[18]中規(guī)定的指標劃分上述時滯型巖爆等級后，該洞段累計發(fā)生3次輕微巖爆，分別為巖爆Ⅱ、巖爆Ⅳ和巖爆Ⅴ；累計發(fā)生1次中等巖爆和1次強烈?guī)r爆，分別為巖爆Ⅲ和巖爆Ⅰ。各時滯型巖爆的發(fā)生信息，包括發(fā)生時間、發(fā)生位置、爆坑形態(tài)、結構面信息、巖爆前支護措施等，見表1，表中“工作面”是指第2次爆破開挖時的工作面，樁號為K54+982。

表1 時滯型巖爆發(fā)生信息統計Table 1 Statistics of occurrence information of time delayed rockburst

2.2 巖爆發(fā)生時空特征

表2統計了K54+000——K54+700段5次時滯型巖爆滯后開挖與拆機洞最后1次爆破的天數及滯后工作面的距離信息。從表2可以發(fā)現，該洞段巖爆發(fā)生滯后開挖的平均天數超過100 d，滯后工作面平均距離超過600 m，體現出顯著的時空滯后特征，這一特征導致K54+000——K54+700段時滯型巖爆的發(fā)生具有“隨機性”，現場施工過程中很難對時滯型巖爆施作針對性的防范措施，故人員和設備常常面臨時滯型巖爆的“突然襲擊”。

表2 時滯型巖爆滯后時間及空間信息Table 2 Lag time and spatial information of time delayed rockburst

在錦屏Ⅱ級水電站引水隧洞鉆爆段[11]施工期間，時滯型巖爆滯后工作面距離主要集中在39～130 m之間，最遠約300 m，滯后爆破時間均分布在24 h之內，爆破后4 h是時滯型巖爆活動高發(fā)期。區(qū)別于上述鉆爆法開挖隧洞，K54+000——K54+700段采用TBM法開挖，該段時滯型巖爆區(qū)滯后工作面距離334～857 m之間，滯后爆破時間均超過7 d。由此可以發(fā)現，鉆爆法與TBM法開挖下時滯型巖爆的時空特征存在明顯的差異，爆破對K54+000——K54+700段圍巖的擾動程度相對較小。

2.3 巖爆破壞特征

不同等級時滯型巖爆的斷面位置及破壞范圍存在明顯差異。巖爆Ⅰ——巖爆Ⅴ斷面分布情況如圖7所示。從圖中可以看出，巖爆Ⅰ和巖爆Ⅲ分別為強烈?guī)r爆和中等巖爆，其破壞深度較大，爆坑從側墻一直延伸至拱頂，造成大范圍錨網噴支護系統遭到破壞。巖爆Ⅱ、巖爆Ⅳ和巖爆Ⅴ均為輕微巖爆，爆坑通常形成于側墻附近，造成小范圍混凝土噴層的破壞。

圖7 時滯型巖爆斷面分布情況Fig.7 Section distribution of time deleyed rockburst

結合表1和圖8，強烈?guī)r爆和中等巖爆區(qū)域多發(fā)育短小隱節(jié)理和含鈣膜充填或鐵銹色斑的細密節(jié)理，無延伸長的結構面，爆坑形態(tài)受節(jié)理影響較小，整體呈長條深窩型或深窩型，局部沿隱節(jié)理的破壞面出現臺階狀陡坎，如圖8（a）所示。輕微巖爆區(qū)域除含鈣膜充填的細密節(jié)理外，均至少發(fā)育1條含充填物的傾向SW的陡傾結構面，爆坑以結構面為邊界或以結構面為中心向兩邊擴展，整體呈現淺窩型，如圖8（b）所示。

圖8 巖爆區(qū)域內的結構面Fig.8 Structural plane in rockburst area

由于時滯型巖爆區(qū)原生結構面較為發(fā)育，當結構面延伸、擴展并貫通時，爆落塊體以薄楔形巖塊、不規(guī)則巖片為主，受多組結構面的共同影響其塊度通常較小。如圖9所示，巖爆Ⅳ區(qū)域發(fā)育1條墨綠色填充結構面和多組含鈣膜充填的細小節(jié)理，巖爆發(fā)生后爆落的塊體以薄楔形巖塊為主，且具有一定的分選性[19]，即爆堆中心以較大巖塊堆積為主，向四周巖石塊度逐漸變小。

圖9 巖爆IV爆堆Fig.9 Rockburst IV pile

3 時滯型巖爆影響機制

3.1 時滯型巖爆區(qū)應力環(huán)境

本文統計了時滯型巖爆爆坑深度與爆坑中心前后各10 m范圍內累計即時型巖爆爆坑深度的關系，如圖10所示，發(fā)生區(qū)域爆坑中心前后各10 m范圍內累計即時型巖爆爆坑深度越大，時滯型巖爆爆坑深度也越大，反之亦然。圍巖應力是影響巖爆的主要因素之一[20]，而上述規(guī)律的本質是圍巖應力集中程度與巖爆風險間的關系。TBM開挖卸荷后，巖體初始應力場調整造成環(huán)向應力集中，導致巖體內部能量不斷聚集，當巖體中儲存的可釋放彈性應變能大于巖體儲能極限時，就會導致巖爆發(fā)生。因此，若某區(qū)域即時型巖爆次數多、等級高、深度大，則表明該區(qū)域的應力集中程度也相對較高，可能導致該區(qū)域潛在更高的時滯型巖爆風險。

圖10 時滯型巖爆爆坑深度與爆坑中心前后各10 m范圍內累計即時型巖爆爆坑深度的關系Fig.10 Relationship between the depth of time delayed rockburst pit and the cumulative depth of immediate rockburst pit within 10 m in front of and behind the rockburst pit center

3.2 時滯型巖爆發(fā)生的地質力學模式

結合表1和圖8，K54+000——K54+700段時滯型巖爆區(qū)通常圍巖堅硬且完整性較好，但節(jié)理、夾層等原生結構面相對比較豐富，使得圍巖具備一定儲能能力的同時，也使其內部微裂隙更容易擴展貫通。從巖爆的地質力學模式[21?23]出發(fā)，不同等級時滯型巖爆間的孕育過程存在明顯差異。隧洞開挖后，在環(huán)向壓應力和向臨空面方向卸荷回彈的共同作用下，圍巖不斷產生平行于臨空面的張拉裂紋，且沿結構面發(fā)生剪切破裂，并隨時間推移逐漸向兩端和內部擴展。當拉伸破裂上端穿切至結構面或與剪切破裂貫通時，此破裂端部變?yōu)樽杂啥耍谛逗苫貜椇蛷较驊Φ墓餐饔孟孪蚺R空面拋擲，如圖11（a）所示。該破壞模式易造成烈度較小的輕微巖爆，如巖爆Ⅱ、巖爆Ⅳ和巖爆Ⅴ。此外，若圍巖體賦存一定數量的隱性結構面，則在圍巖不斷產生平行于臨空面的張拉裂紋的過程中，巖體內的隱性結構面也同時沿結構面尖端擴展并發(fā)生剪切滑移，當其與張拉裂紋貫通、交切后，在巖體內易形成楔形塊體，在卸荷回彈和徑向應力的共同作用下向臨空面拋擲彈射，如圖11（b）所示。該破壞模式易發(fā)造成烈度較大的中等巖爆，甚至是強烈?guī)r爆，如巖爆Ⅰ和巖爆Ⅲ。

圖11 不同等級時滯型巖爆地質力學模式示意圖Fig.11 Schematic diagram of geomechanical model of time deleyed rockburst of different grades

3.3 拆機洞爆破擾動作用

鉆爆法隧洞每一循環(huán)的開挖都需要進行裝藥爆破，故鉆爆法隧洞圍巖遭受的擾動更加頻繁。結合2.2節(jié)中對不同開挖方式下時滯型巖爆時空特征的對比，發(fā)現鉆爆法隧洞時滯型巖爆滯后爆破時間更近，滯后工作面距離更短，根據爆破地震波衰減規(guī)律[24]，可知其受到的爆破擾動強度更高。因此，相對TBM隧洞而言，鉆爆法隧洞開挖時受到爆破擾動強，導致原生結構面的擴展和次生結構面的大量產生，同時也釋放了部分圍巖應力，需要更頻繁、更高強度的爆破擾動才能達到誘發(fā)時滯型巖爆條件，因此爆破擾動往往起到了控制性的作用[25]。

鑒于上述結論，K54+000——K54+700段時滯型巖爆區(qū)滯后最后一次（共2次）爆破時間超過7 d，且爆心距超過了300 m，故拆機洞爆破對時滯型巖爆區(qū)的擾動強度較小，且并未直接誘發(fā)時滯型巖爆，而是作用于時滯型巖爆的孕育過程，使其加速發(fā)生。

3.4 爆破擾動下時滯型巖爆影響機制

綜合前文所述，K54+000——K54+700段時滯型巖爆區(qū)域圍巖均受到斷層構造不同程度的影響，導致斷層附近完整區(qū)域應力異常升高，且以構造應力為主。在這一應力環(huán)境中，圍巖開挖后的應力集中程度相對大于其他區(qū)域，同時節(jié)理、夾層等原生結構面的存在使得巖體內部微裂隙更容易擴展貫通，導致隧洞開挖時即時型巖爆頻發(fā)。此后，隨著工作面的遠離和時間的推移，圍巖應力場不斷進行調整后逐漸趨于穩(wěn)定，同時現場也及時施作了支護措施，提高了圍巖的整體強度和儲能極限，因此，圍巖暫時并沒有發(fā)生進一步破壞。此過程中外界仍在持續(xù)對巖體做功，巖體內部裂紋按照不同的地質力學模式不斷萌生、擴展，但總體仍處于較緩慢的狀態(tài)。當拆機洞爆破開挖產生的爆炸應力波傳播到該區(qū)域時，在其擾動下巖體內部新生裂紋數量增加，原有裂紋加速擴展，同時巖體中的軟弱結構面強度參數不斷弱化，使該區(qū)域發(fā)生破壞變得容易，從而加速圍巖發(fā)生破壞的進程。當最終巖體內部損傷累積到臨界值且支護強度不足時，即使沒有外界擾動的發(fā)生，圍巖仍然會發(fā)生失穩(wěn)，進而突破支護體的束縛，引發(fā)時滯型巖爆。

4 結論

（1）受斷層構造、巖體條件等影響，不同等級時滯型巖爆發(fā)生的時空特征及破壞特征均具有顯著差異性。強烈?guī)r爆和中等巖爆區(qū)域位于斷層附近，應力集中程度相對較高，圍巖發(fā)育短小隱節(jié)理和含鈣膜充填或鐵銹色斑的細密節(jié)理；輕微巖爆距斷層遠或位于正斷層附近，應力集中程度相對較低，除含鈣膜充填的細密節(jié)理外，均至少發(fā)育1條含充填物的傾向SW的陡傾結構面。

（2）不同開挖方式下時滯型巖爆滯后工作面的距離、滯后爆破時間等特征存在明顯差異，在頻繁、高強度爆破擾動的影響下，鉆爆法隧洞受爆破擾動的影響程度更大，且時滯型巖爆滯后爆破時間更近，滯后工作面距離更短。

（3）爆炸應力波的傳播過程中，巖體中的軟弱結構面也會吸收應力波傳遞的大部分能量，造成巖體內結構面強度參數不斷弱化，使其發(fā)生破壞變得容易，從而加速了時滯型巖爆的進程。