TBM施工引水隧洞巖爆預防與處理方法
——以新疆某引水隧洞施工為例

藺鳳林

新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000

1 工程概況

新疆某引水隧洞工區內地質條件復雜，深埋隧洞段位于阿爾泰山南麓侵蝕構造中山區，主要是受地殼應力場擠壓和右旋作用形成隆起區，新構造運動期間又被一系列以NWW向的壓性斷裂和以NW～NNW向的壓扭性斷裂切割成斷塊，依次錯落和斜翹，形成階梯狀的斷壘隆起，水平和垂直升降運動顯著。隧洞上覆巖體厚度為600～720m，圍巖為華力西晚期侵入變質花崗巖、閃長巖及奧陶系二云母石英片巖等，為中～堅硬巖，巖石強度一般，節理裂隙不發育，巖體完整。巖石具有弱片麻理、片理結構，隱節理發育，片理產狀與主壓應力方向大致相同或交角很小，地下水貧乏，深埋隧洞段具備發生巖爆的地質條件。TBM開挖洞段上游引水隧洞長度為15.15km，采用開敞式TBM開挖，刀盤直徑為7.8m。經前期勘查所得，隧洞區圍巖實測最大主應力值可達23～27MPa。

2 隧洞巖爆預測

巖爆預警的作用是及時了解巖爆是否存在，預判巖爆等級，以根據巖爆等級采取相應的支護措施。該隧洞中某段主要由東北大學采用巖爆微震監測系統進行巖爆等級預警。在初始地應力場應力值較高，可能巖爆區域進行微震監測，結合工程地質類比法進行宏觀預報，及結合施工經驗進行綜合分析。巖爆的發生機理與區域構造、地層巖性、地下水活動、結構面發育程度有密切聯系，一般區域構造活動強烈、巖石堅硬、結構面不發育、地下水活動微弱、地應力高、新鮮脆硬性干燥巖石深埋部位洞段易發生巖爆。應在施工期間進行必要的圍巖檢測，如變形檢測、應力檢測等，收集圍巖巖爆前后的各種物理力學參數，并加以總結分析。

3 隧洞巖爆特征及成因

3.1 巖爆特征

（1）應變型巖爆主要發生在圍巖強度高、完整性較好、節理較發育～不發育、干燥無水段。其發生時間具有不確定性，個別時候在露出護盾之前就已經發生，來不及支護；也可能是出露護盾時較為完整，滯后一段時間后才開始顯現，影響施工安全。其影響深度一般在20～30cm，且伴有爆裂聲響。

（2）應變結構面滑移型巖爆多發生在巖體節理較發育、巖體較完整～完整段，節理面平直光滑延伸性差，大多呈閉合狀，無充填，巖面干燥無水。這種圍巖在掘進開挖中高地應力作用較明顯，表現為無任何征兆發生爆竹聲或轟雷聲，沿著斷面節理薄弱點開始巖爆，巖塊應聲掉落，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，持續時間較長，最后形成較大塌腔。另外，也表現為隧洞底部由于應力擠壓造成底部隆起等現象。

3.2 巖爆成因

巖爆位于拱頂及拱肩的情況較多見，巖爆等級為輕微～中等。隧洞發生巖爆的過程中，剛開始能聽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。隨后部分巖石會出現爆裂并伴隨墜落的現象。巖石的母體會從巖石壁中彈射而出，使隧洞發生坍塌性的現象。隧洞發生巖爆時，都是瞬間發生的，這在一定程度上使得巖爆的防治與預測工作較為困難，并且隧道巖爆發生的時間也存在一定的不確定性。

巖爆發生的原因是在開挖或其他外界擾動下，地下工程巖體中聚積的彈性變形勢能突然釋放，導致出現圍巖爆裂、彈射等地質災害現象。巖爆通常在開挖形成臨空面，并積聚一段時間應力后產生。

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

預警圍巖中存在巖爆時，現場施工單位結合地質情況應遵循“以防為主，防治結合”原則，積極主動采取預防措施和強有力的施工支護，確保巖爆地段的施工安全，將巖爆發生的可能性及巖爆的危害降到最小。隧洞施工過程中，要充分考慮巖石的高地應力及其自身的壓力強度，以免因負荷過大而導致坍塌現象發生，在最大程度上滿足隧洞巖石的強度理論，讓隧道巖爆的發生概率降到最低。巖爆洞段解決措施一般有開挖優化、應力釋放、支護優化，以降低巖爆風險。

在深埋隧洞段或高應力區，要調查巖爆地段的地質條件，觀測記錄巖爆的規模、巖爆的位置和范圍、延續時間、巖塊大小、形狀及巖爆發生時間與掘進的關系。預警存在巖爆洞段施工過程中，要及時觀察露出護盾圍巖情況，判定巖爆是否已經在護盾里面發生。巖爆具有滯后性，露出護盾之后也要隨時觀察巖體表面是否存在剝落現象，現場認真判定巖體內部發生的各種聲音。

針對巖爆等不良地質地段，施工方應準備相應的預防預報、應急技術預案等措施，備足有關的應急機具和材料。隧洞巖爆并不是自然地質災害，而是與隧道的施工技術息息相關。科學合理的隧洞施工技術能夠在最大程度上減少隧道施工中發生的巖爆現象。

4.2 不同類型巖爆洞段處理方法

巖爆洞段圍巖類別判定應嚴格根據《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50487—2008）附錄Q和《水力發電工程地質勘察規范》（GB 50287—2016）附錄T（巖爆特征和巖石強度應力比判據）綜合判定，確保巖爆等級的準確性，不同的巖爆等級采取不同的支護方式。

（1）對于存在輕微巖爆洞段，施工時可通過掌子面及洞周圍巖噴水對易產生巖爆的巖石起到一定的軟化作用，促使應力釋放和調整，適當改變巖石力學性質，降低巖石的脆性，采取錨桿鋼筋網（可采用150mm×150mm或100mm×100mm的小網格網片）加拱架的支護方式。

（2）圍巖露出護盾后，在確定的巖爆條帶兩側各超寬1m范圍內掛鋼筋網并設置土25砂漿錯桿，錨桿長度為2m，間距1.5m，呈梅花狀分布。在180°范圍內噴射C30砼封閉，噴砼厚度為15cm。根據現場巖爆的危害程度，由現場確定提前采用應急噴射砼封閉圍巖。可根據巖爆掉塊大小及分布范圍，現場確定采用鋼筋對鋼筋網進行環向加固。巖爆形成圍巖崩坍體積較大時，應及時采取應急噴漿系統進行噴砼支護，必要時安設格柵拱架。

（3）應力集中輕微巖爆～中等巖爆段，要及時對漏出護盾巖石進行錨桿、鋼筋網、鋼筋排及拱架加強支護，防止巖爆松動圈巖石繼續釋放應力，應及時噴射混凝土封閉圍巖，提高整體防護作用。對于輕微、中等巖爆洞段，可將錨桿鉆孔作為應力釋放孔，必要時向孔內噴灌高壓水軟化圍巖，以釋放部分地應力。巖爆段初噴射后，及時對巖爆松散體進行固結回填注漿，減少由于應力過度釋放造成的圍巖松軟現象，確保施工安全。

4.3 預警中～強巖爆及發生巖爆后的措施

（1）加強對露出護盾圍巖的觀察，觀察掘進參數，觀察出渣量情況，認真判定巖體內部發生的崩解聲音等。

（2）安排專職人員及時進行巖爆后排險工作，及時加強支護，加強巡回檢查和危石處理，杜絕崩落的巖石砸壞設備或傷害人員的現象發生。

（3）對開挖易產生較大塑形變形的圍巖及高地應力中等巖爆段圍巖，可采用合成纖維噴射混凝土。對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合鋼筋網進行支護，鋼筋排和鋼筋網應存在20cm的搭接長度。對于Ⅲ b類圍巖洞段，除頂拱局部掉塊、塌方段、中等巖爆段可采用鋼筋排進行支護外，一般應以鋼筋網支護為主，禁止過度采用鋼筋排進行支護。

（4）隧洞施工過程中加強人員和設備的管理防護，加強監測，要妥善保護監控量測的元器件，并有顯著的安全標識。在巖爆地段埋設量測元器件，必須在對巖爆進行了妥善處理后進行。

5 結論

綜上所述，TBM施工巖爆段隧洞工作具有重要意義，圍巖出護盾后，若聽到轟雷聲和爆竹聲，且聲音較脆時，是巖爆的前兆，需予以重視。對此，要進一步優化預警模型，提高預警準確率，為接下來的巖爆風險動態調控奠定良好基礎。圍巖露出護盾時，要根據地質、巖爆程度等及時掛鋼筋網、布置錨桿。對巖爆烈度較高處增設一定的鋼拱架支撐。要改變圍巖強度，降低巖爆發生概率，防止巖爆的繼續發生。