王佐榮

（陜西省引漢濟渭工程建設有限公司 陜西 戶縣 710302）

1 前言

引漢濟渭工程是陜西省內(nèi)跨流域調(diào)水工程，整個工程由調(diào)水工程和輸配水工程兩部分組成。調(diào)水工程由位于漢江干流的黃金峽水利樞紐、支流子午河的三河口水利樞紐以及穿越秦嶺的秦嶺輸水隧洞三大部分組成。秦嶺隧洞全長98.30km，設計流量70m3/s，縱坡比1/2500，分黃三段和越嶺段。其中穿越秦嶺主脊段39.08km采用TBM法施工，該段位于秦嶺嶺脊高中山區(qū)及嶺南中低山區(qū)，地形起伏，高程范圍1050m～2420m，洞室最大埋深約2000m。本文擬對引漢濟渭秦嶺隧洞越嶺段嶺南TBM施工段（K27+643.006～K46+360.000）18.717km地段圍巖的巖爆分析、研究，提出TBM法施工通過巖爆地段的施工預防措施。

2 秦嶺隧洞地質情況

2.1 地層巖性

秦嶺輸水隧洞工程范圍內(nèi)主要涉及地層為元古界長角壩巖群黑龍?zhí)督M石英巖、印支期花崗巖、華力西期閃長以及斷層脆裂巖、糜棱巖。

2.2 地質構造

秦嶺輸水隧洞工程在大地構造的單元上屬于秦嶺褶皺系，褶皺帶總體呈東西向展布，主要發(fā)育加里東期褶皺帶和華力西、印支期褶皺帶，褶皺較為發(fā)育。區(qū)域性大斷裂主要發(fā)育為山陽～鳳鎮(zhèn)斷裂（QF4）走向為北西向，表現(xiàn)為張性，該斷裂切割深、延伸約190m。其次是一般性斷裂（f7）走向多為近東西向，表現(xiàn)為壓性，延伸約30m，規(guī)模相對較小。

2.3 穩(wěn)定性分析

引漢濟渭秦嶺隧洞嶺南引水隧洞洞室埋深500m～2000m，巖性主要為變砂巖、石英巖、花崗巖、閃長巖。洞身段位于弱風化～未風化巖體中，巖體較完整。且洞身段位于地下水位以下，地下水分布主要受構造、節(jié)理、裂隙的發(fā)育和分布情況控制，主要表現(xiàn)為基巖裂隙水及構造裂隙水。受地質構造影響較大的接觸帶及斷層影響帶為穩(wěn)定性差的Ⅳ類圍巖，QF4斷層帶處洞室圍巖屬極不穩(wěn)定的V類圍巖。

3 秦嶺隧洞嶺南引水隧洞巖爆發(fā)生機理的認識

巖爆是在高地應力條件下地下工程開挖過程中，硬脆性圍巖由于開挖卸荷導致洞壁應力分異，儲存于巖體中的彈性應變能突然釋放，而產(chǎn)生的爆裂、松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象，是一種動力失穩(wěn)地質災害，并伴有不同程度的爆炸、撕裂聲。高應力的產(chǎn)生，一方面來自于原巖應力，另一方面來自于因開挖而產(chǎn)生的應力集中，這取決于工程的地質條件和開挖工藝條件。

從引漢濟渭秦嶺隧洞嶺南段地質條件看，洞室埋深500m～2000m，巖性主要為變砂巖、石英巖、花崗巖、閃長巖。洞身段位于弱風化-未風化巖體中，巖體較完整。洞身段均位于地下水位以下，在CZK-4孔中采用水壓致裂法進行地應力測試，共進行了9個深度段水壓致裂測試和3個測段的印模定向測試。在CZK-4孔測試深度內(nèi)，最大水平主應力值為16.11 MPa～23.7MPa，最小水平主應力值為10.11 MPa～15.41MPa。從應力與深度的關系看，應力值隨深度變化有明顯增加的趨勢。根據(jù)CZK-4孔3個測段印模測試結果得到的最大水平主應力的方向分別為N30°W-N46°W，表明秦嶺嶺南區(qū)附近最大水平主應力的優(yōu)勢作用方向為北西向。

深鉆孔地應力實測結果表明，三項主應力的關系為：SH＞Sh＞Sv，具有較為明顯的水平構造應力的作用，地應力值較大。在大埋深條件下，由于隧洞的開挖，洞室附近產(chǎn)生應力集中，具備發(fā)生巖爆的應力條件。

通過類比既有西（安）（安）康鐵路秦嶺特長隧道巖爆段地質條件，可以發(fā)現(xiàn)同時具備下列條件的洞段巖爆災害的可能性較大。

（1）巖質堅硬，彈性模量大，抗壓強度高，新鮮巖石飽和抗壓強度均大于60MPa的脆性巖石。

（2）所有發(fā)生巖爆地段，都是受地質構造影響輕微，斷裂構造不發(fā)育，節(jié)理不發(fā)育～較發(fā)育，巖體體積節(jié)理數(shù)JV值多為2～8條/m3。巖體完整性系數(shù)均大于0.55，巖體完整或較完整，為Ⅰ、Ⅱ類圍巖。

（3）無地下水活動，巖體干燥。絕大多數(shù)巖爆洞段皆為貧水段，有少數(shù)巖爆段屬弱富水段，而在富水段落無巖爆。

（4）絕大多數(shù)巖爆發(fā)生在埋深大于500m的洞段，位于嶺脊前后，少數(shù)巖爆發(fā)生在埋深較淺50m～350m，沿隧洞軸向。洞身段對應地表皆為地形急劇變化的陡坡地段。

從巖爆段隧洞埋深條件分析，秦嶺隧洞高地應力區(qū)也主要分布在埋深大于500m的洞段，而在隧洞淺埋段斜坡應力集中帶內(nèi)存在局部應力集中，也有發(fā)生巖爆的可能性。預測隧洞通過脊嶺花崗巖、閃長巖地段巖爆在所難免，巖爆的等級以中等—輕微為主，局部可能發(fā)生強烈?guī)r爆。

4 引漢濟渭秦嶺隧洞嶺南引水隧洞巖爆防治措施

4.1 采用TBM鉆進方案

（1）對掌子面進行深孔爆破，爆破參數(shù)可根據(jù)實際情況確定：孔深、藥量、鉆孔位置及數(shù)量、頻度等。

表1 TBM試驗段巖爆段預測統(tǒng)計表

（2）TBM開挖過程中，加大刀盤噴水量，減緩掘進進度，充分降低周邊圍巖的脆性，同時需要對護盾內(nèi)出露的圍巖立即采取不間斷的噴水措施，使圍巖濕潤，提高其韌性，軟化表面，促使應力釋放和調(diào)整，從而降低或消除巖爆的程度。

（3）對巖體及時支護，采用永臨結合方式，頂拱范圍采用永久支護，邊墻范圍在TBM開挖輪廓線內(nèi)，采用臨時支護。因為巖爆的發(fā)生不是一次就結束的，小的巖爆持續(xù)2天～3天，大的巖爆可能持續(xù)10天～20天。

（4）當TBM進入強巖爆階段以后，如遇到刀盤推力和頂護盾壓力增大以及刀盤前部巖爆的聲響這些巖爆現(xiàn)象，應及時調(diào)整TBM掘進參數(shù)，放慢掘進速度。在施工工程中逐步摸索TBM在巖爆段的掘進參數(shù)，減少誘發(fā)巖爆的可能性。

（5）進入巖爆段以后，TBM掘進速度相對較慢，可適當?shù)拈_展長錨桿試驗。錨桿類型以中空漲殼式預應力錨桿為主，也可開展其他類型的錨桿試驗。在施工過程中以錨網(wǎng)噴為主，適當?shù)臅r候加密錨桿。

（6）加強應力與變形監(jiān)測。微震監(jiān)測是必須的，積極與國內(nèi)高校和科研單位合作，采用目前預測巖爆的最先進手段對TBM前方圍巖進行預測，主要采用微震監(jiān)測及BM系統(tǒng)監(jiān)測法。

4.2 先導洞開挖再TBM鉆進方案

（1）先導洞開挖，釋放部分地應力，降低強巖爆的誘發(fā)幾率，從而可保證人和設備的相對安全。

（2）先導洞的位置選擇至關重要，這關系到TBM的有效工作。

（3）先導洞與TBM兩個掌子面間的距離一定要合理，可根據(jù)微震監(jiān)測和數(shù)值模擬來確定。

5 防護措施

巖爆是必然發(fā)生的，但巖爆也是可以防治的。在防治巖爆的過程中，應注意個人防護，從而保證人員的生命安全。

（1）在巖爆段開挖前，注意收集引漢濟渭秦嶺隧洞在開挖工過程中的巖爆地質資料。在巖爆段的附近采取超前地質預報手段對高地應力區(qū)所產(chǎn)生的巖爆位置進行準備定位，并進行巖石室內(nèi)試驗，判斷巖爆的可能性和發(fā)生的等級，做到事先預報，提前做好巖爆的技術準備和準備工作。

（2）總結了解其他類似工程發(fā)生巖爆事故造成人員傷亡、設備損壞情況，制定具體的個人防護措施和設備防護措施。

（3）巖爆發(fā)生段在巖爆發(fā)生半個月內(nèi)，禁止人員在已發(fā)生巖爆段停留，禁止停放各種設備。巖爆能量的釋放不是一次就能釋放完的，通常會在幾天甚至十幾天內(nèi)才能基本釋放。

6 幾點建議

（1）目前TBM掘進技術對于不良地質條件適應性較差，在應用過程中經(jīng)常遇到工程地質問題。洞室通過地段埋深均大于500m，在巖體較完整地段，有發(fā)生輕微～中等巖爆的可能，因此，為了能夠克服、解決這些問題，需要在工程設計階段就要有足夠的認識，加強以重大工程地質預測為中心的超前地質預報工作，并在施工過程中充分利用各種地質資料和超前地質預報成果，建立工程地質模型，對遇到的問題做出接近實際的評估。

（2）巖爆的發(fā)生與巖石的埋深及強度密切相關。埋深及巖石強度越大，發(fā)生巖爆的強度越大。因此，在開挖過程中一定要配置經(jīng)驗豐富專業(yè)地質人員，根據(jù)隧洞的埋深及巖性做出正確的判斷和指南。

（3）工程管理直接影響工程的安全，因此，在注重巖爆預測與防治技術的同時，應該從管理上下功夫，完善各項管理體制及制度，制定切實可行的施工方案及預案，這樣可大大減少或降低巖爆造成的危害，加快工程建設進展。陜西水利

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