我國高地應力區隧道巖爆研究現狀及分析

鞏江峰,田四明,楊治剛

(1.中國鐵路經濟規劃研究院有限公司,北京 100038； 2.中鐵十二局集團第二工程有限公司,太原 030024)

引言

隨著我國西南地區鐵路的大規模建設，隧道施工將面臨長段落埋深超過1500m的超深埋隧道引起的巖爆效應問題。另外，川藏鐵路走行在印度板塊和歐亞板塊強烈碰撞縫合帶，經過岡底斯—喜馬拉雅造山系、班公湖—怒江對接帶羌塘—三江造山系、揚子臺地等一級構造帶，區域地應力高、環境復雜，隧道建設過程中不可避免地會出現高強度的巖爆。巖爆發生具有突然性、高危性特點和動力失穩特征，在高地應力隧道及地下工程開挖過程中發生頻率極高[1]。巖爆的發生給隧道施工人員和設備帶來極大的安全隱患，同時給隧道建設帶來極大影響。

目前，國內外學者針對圍巖的巖爆效應做了大量研究，研究結果豐碩。馮夏庭等[2]系統地研究了巖爆機制和巖爆孕育過程。李天斌等[3]研究了硬脆性巖石熱-力-損傷模型。蒙偉等[4]通過疊加原理，將溫度應力場疊加到重力及構造應力場中，得到了與高地溫相符的巖體初始地應力場。

陳衛忠等[5]基于脆性巖石卸荷圍壓實驗研究，發現巖爆是能量積聚-釋放的過程，經歷了應力集中、能量聚集、微裂紋形成與擴展、裂紋貫通、巖爆發生等階段；同時由于裂隙的傳播和應力的轉移不充分，卸荷速率越快，巖爆時破壞的能量越大。王青海等[6]研究認為巖爆是壓致拉裂、壓致剪切拉裂和彎曲鼓折的結果，提出巖石的噴水軟化系數越小，噴水降低巖體儲存能力越好的結論。若斷層破碎帶巖體破碎不具備儲存大能量的條件時，斷層破碎帶和節理十分發育的部位不會出現巖爆；若斷層附近完整巖體由于構造應力集中效應，存儲較大的彈性應變能，容易發生巖爆。許東俊等[7]研究表明，地下洞室周邊圍巖中存在著產生巖爆的極限深度，極限深度的大小與水平應力與垂直應力比值有關，洞壁巖體從雙軸壓縮應力狀態逐漸過渡到真三軸應力狀態?？涤碌萚8]利用巖石聲發射Kaiser效應特性及有限元數值分析的方法對隧道地應力特征和巖爆進行了預測的研究，發現隧道開挖后最大切向應力通常是最大地應力值的2倍。何滿潮[9]通過真三軸主機巖爆模擬實驗，得出了90 MPa的花崗巖巖爆破壞臨界應力值介于100～120 MPa的結論；同時認為巖爆試驗中花崗巖聲發射頻譜經歷了由低頻單峰向高頻單峰轉變，最后又恢復低頻單峰，106 kHz是該類花崗巖瞬時巖爆破壞時重要的特征頻率。陳炳瑞等[10]通過研究錦屏二級深埋引水隧道TBM施工過程巖爆，發現TBM在開挖時掌子面前方約10 m范圍內的圍巖已受到不同程度的損傷與擾動，TBM掘進后圍巖損傷破裂主要集中在掌子面后7 m范圍內，其中掌子面后3 m范圍內最為明顯；沿洞徑方向，圍巖3 m范圍內為松動區，3～9 m為損傷區，9～22 m為擾動區。谷明成等[11]通過對秦嶺隧道巖爆的研究，得出高彈脆性巖體和高地應力環境是巖爆發生的必要條件，洞室開挖導致應力集中是巖爆發生的觸發條件的結論。

以上研究分別從巖爆與能量的關系、巖爆與巖體受力關系、巖爆的發生與巖體應力分布的關系、特定巖石的巖爆破壞頻率、巖爆的影響范圍等微觀的角度來討論巖爆的破壞特征，但系統而全面研究隧道施工、支護措施與巖爆的關系學術成果并不多見。本文在總結已有巖爆特征規律的基礎上，系統分析巖爆的預測、控制預防措施及適用范圍。

1 國內外典型巖爆隧道特征分析

1.1 國內典型巖爆隧道

(1)拉林鐵路巴玉隧道[12]全長12.5 km，單線、設計時速為160 km，隧道通過地層主要為粗粒結構的花崗巖，單軸飽和抗壓強度45～190 MPa，最大埋深2 080 m，是目前我國鐵路埋深最大的隧道。在埋深1 446 m處，實測最大地應力為49.3 MPa，推測最大埋深處最大主應力為50 MPa，最大主應力與洞軸近似垂直。

隧道建設過程中約4 500 m長度范圍內發生了不同強度的巖爆，其中，中等及強烈巖爆段落達2 953 m。巖爆持續時間6～168 h，發生巖爆的時段為開挖后2～6 h，巖爆發生的位置在75%集中的拱腰處。圖1為本隧道現場發生巖爆的情況。

圖1 典型高應力條件下隧道巖爆

(2)錦屏二級水電站隧洞群[13](4條引水隧洞、2條交通洞、1條排水洞)，平均長約16.7 km，開挖寬度5.7～12.4 m，以鉆爆法施工為主，其中2條引水隧道東端采用2臺TBM施工。隧洞通過地層主要為大理巖，單軸飽和抗壓強度60～210 MPa，最大埋深2 525 m，是目前我國埋深最大的地下隧洞。在埋深1 350 m處，實測最大地應力為44 MPa，推測最大埋深處最大主應力為120 MPa。

隧道建設過程中單個隧洞約3 900 m長度范圍內發生了不同強度的巖爆，其中，中等及強烈巖爆段落1 070 m。即時性巖爆在開挖過程中、開挖后2～5 h或1～3 d內發生，間歇性持續時間數天至10余天；時滯性巖爆一般發生在開挖后6～30 d。另外，根據TBM施工和鉆爆施工對比分析認為，深埋隧洞TBM施工引發巖爆的風險高于鉆爆法施工。巖爆發生的部位門形隧洞多集中在起拱肩、拱頂處；圓形隧洞多集中在邊墻處。

(3)引漢濟渭秦嶺隧洞[14]為一輸水工程，長81.779 km，開挖寬度約8 m，其中，鉆爆法施工42.7 km，TBM施工39.1 km，TBM施工段位于隧洞中間越嶺段。隧洞通過地層主要為砂巖、閃長巖及花崗巖，單軸飽和抗壓強度60～193 MPa，最大埋深2 012 m。在埋深1 160 m處，實測最大地應力為65 MPa，推測最大埋深處最大主應力為90 MPa。

隧道建設過程中約5 359 m長度范圍內發生了不同強度的巖爆，其中，中等及強烈巖爆段落達2 873 m。巖爆持續時間1～28 h，發生巖爆的時段為開挖后24 h，TBM施工段中等至強烈巖爆連續發生，造成拱部巖體大面積坍塌、邊墻巖體開裂滑塌等災害。

1.2 國外典型巖爆隧道

(1)卡姆奇克隧道[15]位于烏茲別克斯坦境內安格連至瑟布鐵路，全長19.2 km，單線電氣化鐵路，隧道通過地層主要為花崗閃長巖、正長斑巖，單軸飽和抗壓強度135～210 MPa，最大埋深1 275 m。

隧道建設過程中約10 532 m長度范圍內發生了不同強度的巖爆，其中，中等及強烈巖爆段落達4 274 m。本隧道巖爆多在開挖后隨即發生，輕微巖爆持續時間一般2～4 h、最長1～2 d；中等巖爆持續時間一般10～12 h、最長3～4 d；強烈巖爆持續時間一般12 h左右，最長7 d。

(2)NEELUM-JHELUM隧洞[16]為巴基斯坦一電站引水隧洞，全長28.6 km，隧道通過地層主要為砂巖，單軸飽和抗壓強度75～138 MPa，最大埋深1 920 m，實測最大地應力108.8 MPa，最大主應力與隧洞軸線夾角62°～87°，施工采用鉆爆法+TBM相結合的工法。

針對不同強度的巖爆，設計采用調整TBM掘進速度、超前施作水平泄壓孔、加強鋼架支護等措施予以防護。施工過程中發生了極強巖爆，主要集中在拱部10～12點方向，最大爆坑深度達3.5 m。

基于對國內外典型巖爆案例的分析，可以看出大埋深高應力條件下隧道在開挖過程中極易發生巖爆，巖爆發生的位置、等級及持續時間與地應力大小、隧道埋深、施工工法有著極其密切的關系。為系統提出一套預測巖爆發生、發生等級及防控措施，基于巖爆產生機理對巖爆發生的特征及典型巖爆工點的防控措施進行了研究，總結歸納了巖爆的預測方法、巖爆等級預測及巖爆隧道的施工方法及防控措施。

2 巖爆的破壞機理分析

2.1 巖爆的定義及分類

CAI等[17]認為，突然、劇烈發生的，且引起地層震動、會對隧道或礦井的開挖造成破壞的圍巖損傷才能被稱為巖爆。巖爆是高地應力環境下堅硬、脆性巖體因地下洞室開挖導致巖體內積聚的彈性應變能突發性的急劇釋放，引起開挖洞室周壁巖體的松脫、剝落、彈射，甚至是洞室周圍一定范圍內巖體的整體塌落。

TB10003—2016《鐵路隧道設計規范》依據巖石強度應力比及隧道開挖過程中巖爆的危害程度，將巖爆等級劃分為輕微、中等、強烈和極強四類。國內外眾多科研機構對巖爆機理進行了深入研究，提出了諸多形成巖爆的力學機理，其不盡相同，但總的來說，依據巖體的力學表現形式分為剪切破壞型、劈裂破壞型、彎折內鼓型及復合型巖爆[18]。另外，根據巖爆發生時機的不同，分為即時型巖爆[19](開挖后1～2 h內或1～3 d內發生)和時滯型巖爆[20](開挖6 d以后發生)。

2.2 巖爆破壞機理

影響巖爆發生的因素較多，其中硬質巖體和高地應力環境是引發巖爆的前提條件，開挖擾動及卸荷效應是誘發巖爆發生的直接原因。

(1)硬質巖條件下巖爆發生機理

硬質巖的彈性模量、剪切模量、抗壓強度和抗剪強度高，其應力-應變主要為彈性變形，破壞前塑性變形很小，在構造運動中具備存儲很大應變能，隧道開挖后洞壁圍巖從三向應力狀態調整為雙向應力狀態，洞壁周邊巖體能量進一步積聚，隨著臨空面的產生，洞周一定范圍內巖體彈性應變能量的急劇釋放引發巖爆。硬質巖中巖性的彈性能量指數和脆性指數是反映巖體儲存能量的能力及巖體的脆性指標，也是衡量巖體發生巖爆可能性的重要參考指標。代表性巖性有花崗巖、大理巖、灰巖、白云巖、石英砂巖等。

(2)高地應力環境下巖爆發生機理

巖爆的發生受圍巖強度、初始地應力狀態、巖體構造環境、施工方法等多種因素影響，其中初始地應力決定了巖體中彈性應變能的大小，也是判定高地應力環境的主要指標。GB/T50218—2014《工程巖體分級標準》將初始巖石強度應力比Rc/σmax<4為極高地應力區，易發生強烈、極強等級的巖爆；4≤Rc/σmax<7為高地應力區，易發生輕微、中等強度的巖爆。引起初始高地應力環境的主要原因有地質構造、斷層錯動及大埋深。

(3)開挖卸荷效應下巖爆破壞機理

隧道開挖之前，圍巖處于三向應力平衡狀態，處于“彈性壓縮”狀態下，隧道開挖后洞壁巖體徑向應力解除，巖體向隧道內變形。如圖2所示，由于初始應力場的重新分布，造成切向應力集中，最大值可達到(3σ1-σ3)(約為最大主應力的2倍)[2]。切向應力的陡增引起洞周圍巖體應變能的陡增，當應力超過巖石抗壓強度時，周邊巖體在應力集中作用下微裂紋不斷產生、擴展、貫通，當外部巖體釋放的能量大于裂紋產生所需要的能量，剩余的彈性應變能將轉化為動能，使破裂的巖塊以剝落、彈射，甚至是大范圍的內部巖體垮塌脫離。

圖2 洞壁巖塊隨開挖應力變化示意

3 巖爆隧道的預測及分析

隧道施工過程中是否會發生巖爆，巖爆發生的強弱，其預測、預報分為勘察設計與施工兩個階段。在勘察設計階段的預測主要有強度應力比法(Rc/σmax，鐵路隧道設計規范)，在施工階段主要有Russenes判據法、基于Kaiser聲發射效應的微震監測、鉆屑法及水分法等。在此基礎上結合區域地質構造、地下水發育狀況、巖石的脆性指數、節理裂隙發育情況、物探成果等進行綜合判斷分析。結合對國內外已修建的工程的經驗總結，高應力區巖爆特征主要如下。

(1)勘察設計階段采用強度應力比法(Rc/σmax)對巖爆進行預測，基本能夠滿足設計的要求。根據現場實際監測及巖爆發生的情況分析，實際發生巖爆地段占預測的22%～90%。

(2)發生巖爆的地段一般情況干燥無水，且巖體較完整。

(3)斷層帶內發生巖爆的概率較低，斷層帶附近完整巖體內發生巖爆的概率較高。

(4)微震監測能夠有效監測到巖爆的發生，其準確率可達50%～80%，且巖爆的等級越高，預報的準確率越高。

(5)巖爆的預測應結合現場圍巖監控量測及已開挖段發生巖爆的情況，并結合理論分析進行綜合預判。

(6)巖爆跟埋深有關系，但不是正比關系。國外曾經在埋深65 m處發生巖爆，但發生強烈巖爆段埋深一般都大于800 m。

4 巖爆隧道的處置措施及適用范圍

巖爆發生的過程大致經歷能量釋放、積聚、再釋放3個階段。第一階段能量釋放，隧道開挖損傷區以外擾動區巖體彈性應變能釋放；第二階段能量積聚，松動區及損傷區圍巖應力集中，巖石內部裂隙閉合→彈性變形→開始產生裂隙，過程中伴隨著明顯的聲發射現象；第三階段能量釋放，松動區內部巖體裂隙穩定擴展→裂隙貫通→脫離巖塊的脫落、彈射。

根據巖爆預測等級發生時機及持續時間的長短，巖爆的處置可分為主動支護和被動防護措施。主動支護措施主要有超前應力釋放(鉆孔泄壓、高壓噴水、超前施工小導洞)、超前支護、預應力錨桿、調整開挖進度、優化開挖工法以及調整開挖洞型等；被動防護措施主要有噴射混凝土(鋼纖維混凝土)、鋼筋網(高強鋼絲網)、型鋼(格柵)鋼架、人員和機械的安全防護、巖爆待避等。

(1)超前應力釋放

超前應力釋放主要采取超前施做鉆孔釋放應力及掌子面噴水、鉆孔注水等措施。其中超前應力釋放孔主要解決掌子面巖爆問題，一般情況下是垂直掌子面施作長1～3倍開挖洞徑的鉆孔，在爆破過程中使掌子面一定深度范圍內形成破碎帶，解除掌子面附近圍巖的應力集中，并使應力向深部轉移，減少巖體積聚的彈性能，以降低掌子面發生巖爆的風險。一般情況下在巖爆等級為強烈及以上地段采用超前鉆孔應力釋放。

掌子面噴水或超前鉆孔內注水可有效降低圍巖的彈性模量，降低巖體脆性指標，降低巖體內的能量積聚，降低巖爆風險，適用于各等級的巖爆地段。

(2)超前支護

開挖前在拱部周邊設置長3～6 m小導管或者錨桿，其主要功能在于防止拱部巖體在殘余應變能的作用下脫落、彈射、垮塌，超前支護可有效減少和降低拱部巖爆風險。一般情況下應用于強烈及以上巖爆地段。

(3)隧道開挖方式

隧道開挖涉及開挖工法、開挖進尺、開挖洞型等，所有的內容均圍繞開挖如何釋放巖體內部的彈性應變能。相關科研及試驗證明，一次開挖斷面越大、進尺越長，由于彈性應變能釋放不充分，開挖后彈性應變能瞬間釋放，巖爆的風險高，宜采用小斷面短進尺的開挖工法。隧道開挖輪廓宜盡量圓順，減少局部應力集中而產生巖爆。另外預裂光面爆破技術可有效降低隧道開挖輪廓外巖體的損傷，從而降低巖爆風險。

(4)噴射混凝土

隧道開挖排險后噴射混凝土能迅速形成支護能力，封閉暴露的巖體，同時配合鋼筋網(高強鋼絲網)快速形成柔性支護體系，一方面對圍巖形成一定的支護力，另一方面避免洞壁應力集中區巖爆發生脫落、彈射的巖塊危及施工人員及設備的安全。為了提高噴射混凝土的抗拉能力，通常采用高強度等級的噴射混凝土，在混凝土中摻加鋼纖維，或采用納米混凝土等。強烈及以上巖爆地段，噴射混凝土宜采用鋼纖維混凝土。

(5)預應力錨桿

隧道開挖就是將洞壁一定范圍內的巖體從三向應力狀態瞬間在橫向或者豎向卸荷，轉變為雙向應力狀態，地應力在開挖影響范圍內重新調整。在這個過程中切向應力變大，洞壁巖體破壞，及時施作預應力錨桿，可迅速恢復圍巖的三向受力狀態，并使應力向深部巖體轉移，降低洞周發生巖爆的風險。傳統的系統錨桿(砂漿或中空)是圍巖發生變形受拉后才能發揮作用，也可降低巖爆的風險，屬被動防護。預應力錨桿主動支護適用于中等及以上巖爆地段。

(6)鋼架支護體系

在強烈、極強巖爆地段，由于洞周巖體損傷較為嚴重，應力調整過程中可能產生較大范圍內巖體裂隙的貫通，一旦支護能力不足可能會導致大面積的垮塌。為了提高錨噴支護體系的支護剛度，通常在噴射混凝土中設置型鋼鋼架或格柵鋼架。巖爆地段鋼架受力主要為彈性應變能的突然釋放荷載，型鋼鋼架在應對巖爆突然釋放的荷載方面更為適合。采用鋼架支護適用于強烈及以上巖爆地段。

(7)待避

根據拉林、成蘭、西康等鐵路隧道的統計分析，巖爆發生的主要時段是開挖后1～8 h內；錦屏及秦嶺引水工程即時性巖爆發生在開挖后5～24 h內，時滯型巖爆發生在開挖后6～30 d內。對于在開挖8 h以內發生的巖爆，根據實際情況可采取等待巖爆發生后再進行處置的方案，該方法對施工工效影響較大。

(8)機械化施工及人員防護

根據調研巖爆隧道后期運營過程中未發生因巖爆而產生病害，故巖爆隧道防治重點關鍵在施工期人員及設備的防護，重點是人員安全的防護。另外巖爆在發生過程中伴隨劇烈的聲響，對作業人員的心理影響極大，最有效的手段就是掌子面附近采用高度機械化施工，實現少人化、無人化或遠程操控，可有效避免巖爆產生的傷害。

5 某高原鐵路巖爆設計主要原則

某高原鐵路預測隧道通過巖爆段長度約161 km，其中強烈巖爆地段約19 km，中等巖爆地段約72 km。巖爆地段中實測最大水平地應力為47.7 MPa，分析預測最大水平地應力達75 MPa。為了降低巖爆對工程的影響，結合相關課題研究高原鐵路巖爆設計的主要原則如下。

(1)采用以“微震監測+超前長距離鉆孔”為主的綜合超前地質預報，有效預測掌子面前方巖爆發生的地段及強度。

(2)中等及以上巖爆地段采用大型機械化施工，盡可能減小掌子面附近人員暴露作業。

(3)巖爆地段錨桿均采用預應力錨桿。

(4)巖爆地段噴射混凝土采用C30高強纖維混凝土，中等及以上巖爆地段設置消能防護網。

(5)強烈、極強巖爆地段設置鋼拱架防護。

(6)TBM施工通過巖爆地段，結合巖爆強度等級，采取調整掘進速度、拱部設置鋼筋排、邊墻設置消能防護網、設置鋼拱架、架設鋼管片等綜合防護措施。

6 結論與建議

通過對典型巖爆特征規律系統的分析總結，發現高應力作用下隧道巖爆具有特定的特征規律，在系統分析巖爆產生和防護機理的基礎上，結合國內外典型巖爆工程的案例經驗，系統歸納總結了巖爆的控制方法，并對巖爆控制的關鍵因素提出建議。

(1)注重巖爆的預測預報，采取多種方式綜合預測，并結合施工期間的微震監測進行綜合判定，且目前強烈以上巖爆采用微震監測，預測的準確率可達80%以上，結合已有工程的經驗分析，給出了發生巖爆地段的工程地質特點。

(2)巖爆的防治技術手段重點是如何快速恢復原始三軸地應力狀態，同時考慮提前釋放圍巖內部的彈性應變能，降低巖體的彈性、脆性。首次提出了巖爆隧道的支護措施應采用主動支護與被動防護相結合的綜合防治措施，較為全面的論述了相關防護措施的作用機理，并給出了不同防護措施的適用范圍。

(3)巖爆隧道最大的危害是在施工期威脅掌子面附近作業人員的人身安全，采用少人化、無人化的大型機械化智能施工是解決巖爆隧道快速施工的關鍵。

(4)本文研究成果目前已成功納入高原鐵路設計原則，并應用于巖爆隧道的設計與施工。

(5)TBM施工巖爆隧道，由于施工進度較快，開挖過程中的能量釋放有限，同時TBM掘進過程中對微震監測干擾較大， 施工過程可能誘發較大規模的巖爆，需進一步研究TBM 搭載式綜合超前地質預報措施，提高巖爆的預測精度，并加強防護措施。

(6) 時滯型巖爆發生時破壞極大， 且發生時機難以掌握，目前尚難以準確預測，需要積極開展相關研究，以指導施工。