秦岭隧洞岩爆应力解除爆破及支护参数优化

唐贵强

摘要：针对引汉济渭工程秦岭隧洞具有超长、大埋深、地质条件复杂、高地温、高地应力、施工通风及运输距离长等特点，开挖施工过程中岩爆的预防和处理是难点，在施工过程中，运用理论分析及现场试验等方法，通过对开挖前岩爆产生地段的预报解除和开挖后支护参数优化，减小岩爆对工程安全和进度的影响。以引水隧洞4号支洞的开挖段为试验段，采集开挖过程中发生岩爆的信息，通过微震监测预报数据，对应力解除爆破前、后监测数据进行对比分析，进行岩爆段开挖前应力解除爆破和开挖后支护参数优化，提出轻微、中度、强烈岩爆的有效防治措施。结果表明：应力解除施工方案可以避免或大幅降低岩爆的发生概率、烈度与规模，具备对应力集中部位预测准确、应力解除到位、解除效果可靠的优点，同时在开挖后对轻微、中度、强烈岩爆段采取不同支护参数，能够有效地减小岩爆造成的破坏，保证隧洞围岩稳定和地下结构安全。

关键词：开挖;岩爆;微震监测;支护参数;引汉济渭;秦岭隧洞

中图分类号：TV851

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.02.028

引汉济渭工程秦岭隧洞具有超长、大埋深、地质条件复杂、高地温、高地应力、施工通风及运输距离长等特点，深埋、高应力、强岩爆条件下如何安全、快速完成隧道掘进施工，目前是热点、难点问题。

深埋隧洞TBM（隧道掘进机）全断面掘进时，在局部超高应力集中的完整硬脆性岩体洞段将直面极强岩爆的风险，设备和人员的安全将遭受极大的威胁1-7]。已掘进贯通的锦屏二级水电站3#引水隧洞极强岩爆段实施了“先半导洞+TBM联合掘进”试验，结合微震实时监测对TBM半导洞掘进的岩爆风险开展了研究。监测结果表明：①TBM半导洞掘进期间，日平均微震事件数、日平均辐射微震能、微震大事件数及实际岩爆发生次数和强度均远远低于TBM全断面掘进：②能量指数对数值和累积视体积的时域演化表明，TBM半导洞掘进强烈岩爆发生的风险远低于TBM全断面掘进，现场实际开挖也证明了这一点：③半导洞洞段微震事件的空间集结程度、总数、震级与能量辐射均远小于全断面洞段。因此，TBM半导洞掘进的岩爆风险远远低于TBM全断面掘进，在施工条件允许的情况下采用先半导洞预处理，然后TBM半断面掘进极强岩爆段，以控制岩爆风险的方案是可行的。

由于秦岭隧洞施加预应力设备沉重、施加预应力时间过久、操作时安全风险较高等，因此截至目前还未找到适合秦岭隧洞的较理想的测试技术。

微震监测技术可为提前做好岩爆段的施工技术改进及人员调配赢得时间，从而大大降低岩爆段的施工难度及风险。因此，引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程4号支洞采用微震监测技术，笔者对其应力解决爆破及支护参数优化进行了分析和研究。

1 工程概况

引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程4号支洞位于秦岭岭南山区，该区山高坡陡，工点范围内地形起伏不平，最大高差760 m。4号支洞洞身埋深250—1 430 m，最大埋深位于桩号斜47+20位置;洞口位于宁陕县四亩地镇鸡冠寨和麻房子之间麻河右岸公路边斜坡上，洞口处有简易公路通过，交通较为便利。该支洞起讫里程为斜00+00一斜57+84.平距5 784m，斜长5 820.21 m，为综合坡比-10.79%的反坡隧洞，洞身斜31+73.255-斜51+80.375段位于半径为3 300m的曲线上，其余段均位于直线上。其设计断面为城门洞形，开挖尺寸为6.80 mx7.04 m（宽×高），围岩以Ⅱ类花岗岩为主，岩体单轴抗压强度较高，地下水不发育。

2 岩爆试验段施工

2.1 施工情况

将斜50+35-斜54+75段（长度411.3 m）作为岩爆试验段。该试验段施工于2017年3月27日正式开始，到7月16日結束，历时111 d，其间发生轻微岩爆1次，中等岩爆2次，中等一强烈、强烈岩爆共11次（发生岩爆后造成塌腔）。

2.2 水文地质情况

2.2.1 设计地质情况

岩爆试验段洞身埋深1 250～1 318 m，主要涉及地层为印支期花岗岩，岩石强度高、地温高，花岗岩呈灰白色，主要矿物为斜长石、钾长石、石英和少量黑云母及角闪石，粒状变晶结构，块状构造，完整基岩，围岩强度达2 500 kPa。岩性为花岗岩、碎裂岩，岩石强风化、未风化，岩体大部分受地质构造影响轻微一较重，局部受地质构造影响严重，节理裂隙大部分不发育，局部较发育一发育，岩体大部分较完整一完整，局部完整性差一较破碎，围岩大部分基本稳定一稳定，局部稳定性差一不稳定。

2.2.2 开挖揭示后地质情况

由于剩余施工段的埋深均在1 200 m以上，且地质状况和试验段类似，因此通过试验段的围岩情况统计及相应的支护参数可为后续施工提供借鉴，从而降低岩爆对施工进度造成的影响。

2.3 岩石抗压强度

根据岩爆试验段（斜50+35-斜54+75）岩爆发生的规模，结合该段岩石实测抗压强度、隧洞埋深等发现，岩石整体完整性尚好，岩石抗压强度在140 MPa以上，埋深1 200 m以上岩爆发生的概率逐步增大，并且以干燥为主的围岩段岩爆活跃度较高。

2.4 应力解除爆破

2.4.1 应力解除爆破实施情况

在距离掌子面（斜5+546）4m之外的斜5+537-5+542范围拱顶偏右侧发生滞后型岩爆，伴随较大声响和岩块掉落，滞后时间约ld。由于事先已有微震活跃征兆，岩爆风险较大，因此工程技术人员进行了有效应力释放操作，未造成人员伤亡和设备损坏。

在掌子面斜5+543及其后Sm左右范围内采集到47次微震，其中3次震级和能量较大，主要分布于掌子面附近，微震活跃度轻微偏中等，微震活动分布情况如图1所示。

在掌子面斜5+543及其后5～15 m范围内采集到32个有效微震事件，其中有2个能量较大，整体来看，响炮后的微震活跃度和岩爆风险较高。

响炮后掌子面桩号为斜5+546，响炮前后微震事件比较集中的位置距离掌子面5～15 m.第二天滞后型岩爆正好发生在这个范围之内，从监测结果可以看出，右侧更为活跃和集中，与岩爆发生在拱顶右侧相符。

2.4.2 应力解除爆破前后监测数据对比分析

主要利用声学、地震学和地球物理学原理和计算机的计算功能来实现微震事件的精确定位和级别判定。该系统的工作原理是传感器接收原始微震信号以后将其发送到微震监测系统的信号采集单元，软件可以将此信号转变为数据信号并传给数据采集计算机，经软件对原始数据信号进行加工处理、分析，并在绘图仪上或三维空间和时间轴下对微震事件进行实体演示，实现对岩爆风险的预测。通过对2017年4月1日-6月15日4号支洞每次响炮前后（响炮前5h内，响炮后3h内）产生微震所释放的能量进行数据统计分析得出以下结论：

（1）爆破震动对应力有明显的释放作用。响炮后3h释放的能量总体大于响炮前5h释放的能量，总共统计响炮次数69次，其中67次响炮后的能量释放大于响炮前的。

（2）能量释放总体随岩爆风险的增大而增大。岩爆风险较高的洞段，响炮前后所释放的能量往往达几万甚至数十万焦耳;反之，岩爆风险较小的洞段，响炮前5h释放的能量多为0，响炮后释放的能量多在几十到几千焦耳，但没有一个准确的能量数值来区分岩爆风险的高低。

（3）岩体本身的非均匀性和结构的复杂性导致响炮前后所释放的能量相差较大，具有一定的随机性。即使同为岩爆风险较小的洞段，相同爆破参数的条件下所释放的能量也可能相差数十倍甚至数百倍。

（4）岩爆试验段共进行75次响炮前后微震释放能量数据统计分析，所监测的结果与现场情况较为吻合，鉴于岩爆机理的复杂性和影响因素的多样性，发生岩爆的准确时间还难以做出准确判断和预测。

2.5 岩爆对施工的影响

在岩爆试验段施工中，不同强度等级的岩爆均有发生，对施工现场造成了不同程度的危害，严重影响了施工进度，同时对现场作业人员的身心健康有极大影响。经统计，因岩爆而造成的掌子面施工岩爆释放应力等待、清渣、加密锚杆施做、挂设柔性钢丝网、安设型钢拱架、塌腔回填等用时达41.5 d，同时突发性、滞后性岩爆致使凿岩台车、喷浆机械手被砸坏。据统计，三臂凿岩台车共被严重砸坏2次，停机修理时间达到4.3d;喷浆台车在岩爆段施工中严重受损1次，停机修理时间达到1.4 d。仅111 d的岩爆试验段施工中有47.2d受岩爆影响，占试验段施工总时间的42.5%。

3 岩爆段新材料应用

3.1 超前锚杆

试验段施工中，使用3.5 m的砂浆锚杆做超前支护，对下个循环开挖断面的拱部范围做预加固，仰角控制在15°左右，与隧洞轴线夹角约27°。从实施效果来看，其在轻微一中等等级的岩爆段起到了良好的效果，对一些地质构造弱面（如长大节理、断层）部位会抵消部分外力扰动诱发的地应力。超前支护的杆体与岩石节理走向大角度穿插，减少了坍塌现象，保证了良好的开挖成型，同时避免了较大石块坠落对人员设备的威胁，减小了施工风险，提高了施工效率。

3.2 纳米仿纤维喷射混凝土

开挖揭示后裸露围岩及时喷射高强度混凝土进行封闭，传统型喷射混凝土存在一次喷射厚度较薄、回弹率较大、凝结时间长、强度不高、抗压和抗折强度低等缺点，难以满足岩爆段支护要求。试验段采用跨越型-2000仿纤维喷射混凝土，其仿纤维喷射混凝土回弹率减小至15%（原喷射混凝土回弹率为20%），并且可以短时间内实现喷射混凝土厚度大幅度增大，轻微岩爆破坏喷层发生掉块、剥落的现象大大减少。通过現场取样检测及分析，喷射混凝土与周围岩石的黏结强度较高，综合回弹率为8%左右，喷射混凝土支护快，可在2 min内终凝，ld强度达到16 MPa（普通C20喷射混凝土28 d强度达到20 MPa）.一次喷射混凝土厚度显著增大，可达35 cm。

3.3 柔性钢丝网

岩爆试验段采用在隧道拱部1800范围内挂设柔性钢丝网进行加强支护，即由多张钢丝网组成一张巨型大网将整个隧道出露岩面包裹严实。通过现场观察得出：即使轻微、中等岩爆产生落石、剥落，也只能在柔性钢丝网内运动，其起到了缓冲作用，能够均匀传递受力，充分发挥了整个系统的防护能力，即局部受载、整体作用，从而使系统能承受较大的荷载并降低单根锚杆的锚固力，不会导致石块迅速掉落、垮塌，若发生岩爆，则现场施工作业人员能够及时撤离，机械设备短时间可以安全转移，进而有效保护施工人员、施工机械、设备等的安全。

4 超前应力解除爆破

在岩爆段预防以及治理中，经参建单位研究决定，对掌子面前方一定范围内进行应力解除爆破，同时引进大连理工大学微震检测技术，对施工现场掌子面进行了开挖爆破前后微震事件采集，最终分析预测该段不同程度岩爆潜在风险等级。为了对掌子面前方一定范围内的高地应力进行解除，现场开挖后对裸露的围岩进行喷水作业及施做直径89 mm的超前应力解除爆破孔。

4.1 应力解除爆破的必要性

在支护、施钻期间，采集到1个有效微震事件，共释放能量42.1 J，支护、施钻期间的微震活动分布情况见图2。开挖响炮后8h内共采集到12个有效微震事件，其中有1次震级和能量较大，共释放能量4 456 J，微震活动分布情况见图3。

开始短进尺掘进后没有实施应力解除爆破，开挖响炮后释放能量比为1：105.8，通过加强支护，进尺较少，实施短进尺开挖后，微震活跃性大大降低。已有数据显示，目前岩爆风险不高，岩体结构和构造的复杂性、多变性使得爆破前后释放的能量具有较大的随机性。

4.2 应力解除爆破参数的优化

参考微震监测的数据综合分析，结合4号支洞斜井应力解除爆破施工情况，应力解除爆破参数还需要局部调整。鉴于围岩情况的复杂性和多变性，微震监测还不能为应力解除爆破提供可靠的参考数据。目前，主洞钻爆法采用孔径89 mm的应力释放孔，建议在不同等级的原应力解除爆破参数基础上单孔适当增加装药量200—400 g。

4.3 应力解除爆破工序优化

在支洞拱部1800范围内打设13个应力解除爆破孔，孔径89 mm，孔深5.0 m，孔间距90 cm.仰角150左右，单孔装药量800 g，应力解除爆破后到开挖响炮之间，共采集到38个有效微震事件，其中有4次岩爆，共释放能量74 423 J，施钻到应力解除爆破之前的微震活动分布见图4。开挖响炮后13.5 h内共采集到65个有效微震事件，其中有多次岩爆，共释放能量452 574 J，应力解除爆破释放能量与开挖响炮后释放能量比为1：6.08，应力解除爆破后到开挖响炮之间的微震活动分布见图5。此次应力解除爆破后能量释放较多，在相同的钻孔和装药参数下此次释放能量与前一次应力解除爆破差异巨大（前一次释放能量为12.8J）。可见，岩体结构和构造的复杂性、多变性使得应力解除爆破释放的能量具有较大的随机性。

综上所述，通过分析微震监测数据得出：超前应力解除爆破提前释放的能量为74 423 J，而开挖爆破后释放的能量为452 574 J，能量比为1：6.08。超前应力解除爆破同掌子面开挖同时起爆时，释放的能量比分别为1：77、1：673.85，均小于1：6.08，因此超前应力解除爆破同掌子面开挖同时起爆时释放能量远大于超前应力解除爆破提前释放的能量。

4.4 岩爆段的支护措施及参数

在岩爆试验段逐步采取了一系列有效措施，并引进了大量的新材料、新工艺等加强岩爆段施工岩爆治理，如施做超前应力解除爆破孔、施做φ22 mm超前砂浆锚杆、喷射高压水软化围岩、喷射纳米仿纤维喷射混凝土、挂设直径4.0～ 6.5 mm的柔性钢丝网、安设I16型钢拱架等，其中一种或几种措施结合使用取得良好的加强支护效果。

4.4.1 轻微岩爆段支护

应力解除爆破孔孔径89 mm.孔深5.0 m，在拱部1200范围内布设（根据微震监测确定应力集中位置进行调整），孔间距1.1 m，10个/循环，孔位与周边眼相同，孔向仰角15°，单孔药量1 000 g（5节）。在节理发育地段随机施做直径22 mm的砂浆（锚固剂）锚杆，长度3.5 m，初喷纳米仿纤维喷射混凝土厚5 cm，复喷普通C20混凝土厚度至10 cm，施做孔径42 mm的径向应力释放孔，孔深为2.0 m，孔数随机（依据岩爆区域面积大小而定）。

4.4.2 中等岩爆段支护

应力解除爆破孔孔径89 mm.孔深5.0 m.拱部1200范围内布设（根据微震监测确定应力集中位置进行调整），孔间距0.9 m，12个/循环，孔位与周边眼相同，孔向仰角200，单孔药量1400 g。在拱部1200范围内布设超前锚杆，长度4.0 m，单循环10根，间距1.1 m;初喷纳米仿纤维喷射混凝土5 cm，复喷普通C20混凝土厚度至10 cm。拱部使用直径25 mm涨壳式预应力中空注浆锚杆，锚杆长度4.0 m.间距1.5 mX1.5 m（环×纵），锚杆垫板20 cmx20 cm，厚度8 mm。侧墙随机使用直径22 mm砂浆锚杆，长2.5 m。拱部1800铺设直径6.5 mm的柔性钢丝网，网格尺寸1.5 cmx1.5 cm;施做孔径42 mm的径向应力释放孔，孔深2.0m。拱部180°范围内，间距1.2 mxl.2 m，采用C20纳米仿钢纤维混凝土封闭掌子面，厚度5 cm。

4.4.3 强烈岩爆段支护

开挖外轮廓线外扩17 cm，应力解除爆破孔孔径89 mm，孔深5.5 m，拱部180°范围内布设（根据微震监测确定应力集中位置进行调整）.孔间距0.91 m，18个/循环，孔位与周边眼相同，孔向仰角30°，单孔装药1.8 kg。初喷纳米仿纤维喷射混凝土厚7 cm，复喷普通C20混凝土厚度至27 cm，安设I16型钢拱架，拱架间距1.0 m/榀，直径22 mm连接筋环向间距100 cm。拱墙铺设直径8 mm圆钢网片，网格尺寸20 cm×20cm，以及单榀拱架锁脚锚杆8根，长3.5 m，为直径22mm的螺纹钢砂浆锚杆。采用C20纳米仿钢纤维混凝土封闭掌子面，厚度7 cm。

5 结语

从试验段岩爆发生情况来看，岩石整体完整性较好，岩石抗压强度在140 MPa以上，以干燥为主的围岩段岩爆活跃度较高。岩爆试验段共进行75次响炮前后（响炮前5h内，响炮后3h內）微震释放能量数据统计分析，所监测的结果与现场情况较为吻合，不过鉴于岩爆机理的复杂性和影响因素的多样性，对于岩爆的准确时间还难以做出准确判断和预测。

结合试验段微震监测报告，从应力解除爆破单独施做和应力解除爆破同掌子面开挖同时起爆时爆破前后能量释放的统计结果来看，同时起爆的效果要优于应力解除爆破于开挖爆破前单独施做的效果。对应力解除爆破参数和工序进行了优化，在原应力解除爆破参数基础上适当增加药量200～ 400 g，采用应力解除爆破与开挖爆破同时起爆（应力解除爆破与周边眼同时起爆，即应力解除爆破孔安装毫秒雷管MS11）的方法，可提高应力解除爆破效果。有针对性地对不同等级的岩爆段调整支护参数和现场支护过程，取得了较好的效果，减小了施工难度和施工风险。

参考文献：

[1] 王进城，李东弘，李松磊，齐热哈塔尔水电站工程深埋隧洞块状岩体岩爆区施工防护措施[J].水利水电技术，2017，48（10）：93-97.

[2] 高玉生，张宏，赵国斌，深埋长隧洞岩爆机理研究及防治实践[M].北京：中国水利水电出版社，2014：102-106.

[3] 肖建清，杨玉东，冯夏庭，基于梁柱稳定理论的深埋隧洞岩爆破坏及孕育机理研究[J].防灾减灾工程学报，2014，34（2）：203-210.

[4] 王湘锋，锦屏二级水电站深埋特长引水隧洞岩爆模拟及预测研究[D].成都：成都理工大学，2006：23-28.

[5]姚成林，深埋长隧洞岩爆灾害机理及判据研究[D].北京：中国地质大学，2014：86- 90.

[6] DETOURNAY E，CHENG A H D.Prelatic Response of aBorehole in Non-Hydrostatic Stress Field[J].J. Rock Mech.Sci.& Geomech Abstr.，2010，56（10）：72-76.

[7]SENJUNTICHAI T，RAJAPAKSE R K N D.Transients Re-sponse of Circular Cavity in a Poroealastic Medium[J]. Int.J.for Numerical and Analytical Methoda in Ceoniechanicsics，2005，78（6）：11-16.