TBM隧道施工的岩爆灾害及其预防

吴建中 廖炎

摘要通过对大量文献资料和工程实例的研究,从岩石力学和工程地质角度对岩石TBM掘进过程中遇到的岩爆不良工程地质问题进行了剖析,并对采用的工程处理措施作了总结对比。

关键词TBM,岩爆，隧道

岩爆是在高地应力硬脆性岩体中隧道开挖诱发的一种工程地质问题，严重威胁洞内施工人员和设备的安全，影响隧道正常施工。TBM施工对围岩扰动较小，且开挖断面多为圆形，在一定程度上减弱了围岩应力局部集中现象，降低了岩爆发生的可能性。尽管如此，在国内外一些隧道TBM施工过程中，仍然有岩爆发生，如我国的秦岭隧道和天生桥二级水电站引水隧洞，在TBM施工中均发生了不同程度的岩爆。

1 岩爆的定义

关于岩爆的定义，学术界至今仍未形成统一的认识，总的来说可以概括为以下两种观点：第一种观点认为只要岩体破坏时有声响，产生片帮、爆裂剥落甚至弹射等现象，有新鲜破裂面即可称为岩爆；另一种观点认为只有产生弹射、抛掷性破坏者才能称为岩爆。王兰生教授等（1998）从岩爆的力学机制出发，将岩爆定义为：在高地应力条件下地下洞室开挖过程中，围岩因开挖卸荷导致洞壁产生应力分异作用，储存于岩体中的弹性应变能突然释放，因而产生爆裂松脱、剥落（离）、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。

2 岩爆的形成机制及特征

⑴ 岩爆的形成机制。岩爆的形成具有一定的条件，强大的地应力场构成的地质环境和硬脆性围岩是岩爆发生的决定因素，是内因；而施工引起的洞室围岩应力的变化则是诱发因素，是岩爆发生的外因。可以说，岩爆发生是内外因相互作用的结果。

由于岩体本身的复杂性，加之岩爆是一种极为复杂的动力现象，人们对于岩爆的破坏过程还不清楚，关于岩爆的形成机理一直未能定论。目前，用于分析岩爆灾害形成机理的基本理论主要有强度理论、能量理论、稳定性理论等，人们从不同角度对岩爆的形成机理进行了分析。

E.Hoek等认为，岩爆是高地应力区洞室围岩剪切破坏作用的产物。Zoback教授在解释钻孔崩落现象成因时，也认为类似“岩爆”的孔壁崩落破坏属于剪切破坏。然而Mastin（1984）、Haimson（1972,1985）则通过打有圆孔的砂岩岩板进行的单项压缩物理模拟试验，在实验室真实地再现了孔壁崩落现象，他们得出这一现象是由于孔壁应力集中部位的局部破坏所引起的，系张性破裂的产物。

我国杨淑清教授等通过天生桥二级水电站引水隧洞相似材料岩爆机制物理模拟试验，总结出围岩劈裂破坏和剪切破坏是岩爆的两种产生机制，并认为他们是两种应力水平的产物，即劈裂破坏属于脆性断裂，而剪切破坏是岩石应力达到峰值强度状态时的破坏；谭以安则认为，岩爆系一渐进破坏过程，其形成过程可分为“劈裂成板→剪断成块→块片弹射”三个阶段，岩爆属张、剪脆性破坏；王兰生教授等认为，岩爆就其破裂机制而言，是一种开挖卸荷条件下岩石自身弹性应变能突然释放所造成的脆性破裂或爆裂，爆裂造成的岩块（片）则可以爆裂松脱、爆裂剥离、爆裂弹射或抛掷等不同方式脱离母体，其脱离方式、初速度和规模等与爆裂时的破坏机制及释放弹性应变能的多少和波及深度等因素有关，并将岩爆力学机制归纳为压致拉裂、压致剪切拉裂、弯曲鼓折三种基本形式；李广平将受压岩体中的裂纹分为压剪闭合裂纹和压剪不闭合裂纹两种性态，分析了压剪裂纹的启裂和扩展准则，认为岩爆是围岩在洞室开挖过程中发生应力调整时，岩体中的预存裂纹发生扩展而引起岩体发生宏观脆性断裂的结果。

⑵ 岩爆的特征。隧道施工中的岩爆主要有以下特征：

①突发性：岩爆现象是一种能量的突然释放，在发生前没有明显的预兆。

②延续性：岩爆的发生并不是一次就终止了，往往具有延续性。首次岩爆后几天或几十天再次发生，有的可能持续较长时间才结束。

③滞后性：岩爆现象一般并不伴随岩体开挖立即发生，而往往在岩体开挖后几小时、几天甚至更长时间（一个月甚至数月）才发生，发生的频率随暴露后的时间延长而降低。

④衰减性：岩爆一般在开挖初期比较强烈，随着时间推移，能量释放减弱，强度也随之衰减。

⑤岩爆主要发生于高地应力条件下结构完整或较完整的花岗岩、片麻岩、石英岩、砂岩、闪长岩、石灰岩等硬脆性围岩中。

⑥绝大多数岩爆都发生在掌子面及附近一定范围内。岩爆高峰区段，随着掌子面的前移而被向前拖动，但和掌子面的间距一般保持不变；掌子面和高峰区段以外，也有岩爆发生，但是发生几率相对较小。

3 岩爆对TBM施工的危害

岩爆具有突发性，会不同程度地危害洞内施工人员和设备的安全，影响隧道正常施工：

⑴ 岩块爆裂飞出，砸伤洞内工作人员，破坏施工设备；

⑵ 使隧道掌子面凸凹不平，影响TBM掘进效率，严重时可能损坏刀具；

⑶ 强烈岩爆时，造成岩体大规模坍塌，使TBM掘进困难，甚至将机体掩埋，导致卡机事故，严重地拖延工期。

4 TBM施工中岩爆的预防措施

⑴ TBM施工中岩爆的预测预报方法。目前基于岩爆理论和岩爆破坏机制而提出的各种预测预报理论方法很多，但在实际工程应用中尚存在一些困难；在实际隧道施工中需要一些具体的、切实可行的现场预测预报方法，目前国内外隧道施工中常用的岩爆预测预报方法主要有：

①钻孔岩芯饼化法：对于强度很高的岩石，在高地应力作用下钻孔岩芯发生饼化，出现饼裂现象。因此可以根据某一深度以下岩芯出现的饼裂现象及岩饼数量的相对大小来判断岩爆发生的可能性。

②声发射法（A-E法）：根据应力与声发射信号的强弱，分析判断岩爆发生的强弱与位置。该种方法是对岩爆孕育过程最直接的监测方法和预报方法。此方法的基本参数是能率E和大事件数频度N，它们在一定程度上反映出岩体内部的破裂程度和应力增长速度。此方法可望在现场对岩爆进行直接的定位定量预报，具有很大发展前景。

③超前地质预报法：综合采用地面地质调查、洞内超前导坑、超前钻及各种物探方法（如地质雷达探测、TSP探测等）相结合的方法进行超前地质预报。根据超前地质预报成果，分析研究围岩体的岩性、地应力大小、应力集中程度以及构造发育程度等，判断岩爆的发生与否以及岩爆的位置、规模。

④地震波预测法：结合超前地质预报工作，利用单道地震仪对掌子面及前方岩体进行监测，达到预测岩爆的目的。

⑵ TBM施工中岩爆的防治措施。由于岩爆具有突发性、破坏性，会不同程度地影响TBM正常施工，降低掘进效率，甚至危及洞内施工人员和设备的安全，严重拖延工期。因此，一定要做好岩爆超前预测预报工作，确定岩爆发生的位置、规模，并制定相应的施工对策。对于轻微岩爆，可不进行预处理；而对于中等或强烈岩爆，则可在TBM施工中采取以下处理措施：

①超前应力释放：TBM掘进前，利用超前钻孔释放地应力，并在钻孔中注水，湿化岩体，从而有效地降低围岩体内部的高地应力，达到预防岩爆的目的。

②改善围岩体的物理力学特性：TBM掘进过程中，不断向掌子面围岩喷洒冷水，湿润岩体，以此达到降低围岩强度、增强围岩塑性、减弱围岩脆性、最终消除岩爆或降低岩爆烈度的目的。

③及时支护：TBM开挖后，及时采取适宜的支护形式加强支护，尽量减少围岩暴露时间。支护形式随TBM护盾形式的不同而变：对于双护盾TBM，应在TBM开挖后及时安装管片衬砌；对于敞开式或单护盾TBM，则可根据岩爆烈度不同分别采用喷射混凝土、锚喷网或格栅钢拱架等方式进行支护。此外，为避免岩爆石块坍落伤人或砸毁机械设备，最好在TBM后配套设备上安装防石棚。

④加强监测工作：隧道施工中一定要加强对强烈岩爆的监测工作，并及时采取紧急措施，避免强烈岩爆造成人员伤亡和设备损坏。

5 结语

目前TBM掘进技术对于不良地质条件适应性较差,在应用过程中经常遇到的主要工程地质问题。为了能够克服、解决这些问题,需要在工程可行性研究和设计阶段就给予足够的认识和重视,加强以重大工程地质预测为中心的超前地质预报工作,并在施工过程中充分利用各种地质资料和超前地质预报成果,建立工程地质模型,对遇到的问题作出接近实际的评估。

参考文献

[1] 王兰生, 李天斌, 徐进, 等. 川藏公路二郎山隧道围岩变形破裂的调研与监测. 四川省公路学会隧道专委会学术论文集. 1998

[2] Hoek E, Brown E T. Underground Excavation in Rock. London: Institute of Mining and Metallurgy, 1980

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