魯永華 王水山 李 淼 許 艇

1 工程概況

巴基斯坦尼拉姆-吉拉姆（N-J）水電站工程位于巴基斯坦AJK地區(qū)，為首部筑壩壅水+長(zhǎng)距離隧洞引水的混合開(kāi)發(fā)式水電站，電站裝機(jī)4臺(tái)，總裝機(jī)容量963 MW，額定水頭420 m。引水隧洞單、雙洞混合布置，引水線路長(zhǎng)度28.6 km。其中A1、A4a支洞間引水隧洞采用雙線平行布置，雙線洞段中約11.6 km（單條長(zhǎng)度）采用TBM進(jìn)行開(kāi)挖，隧洞縱坡約為0.78%，開(kāi)挖洞徑8.53 m。N-J工程引水隧洞開(kāi)挖施工中巖爆主要發(fā)生在TBM掘進(jìn)段。

2 地質(zhì)情況

巴基斯坦N-J工程位于亞喜馬拉雅逆沖推覆體上，區(qū)內(nèi)逆沖斷層、褶皺強(qiáng)烈發(fā)育。引水隧洞所穿巖層為上第三系中新統(tǒng)穆里（Murree）組和卡米列（Kamlial）組地層。隧洞進(jìn)口至TBM安裝間沿線一帶為高山區(qū)，沿線最高峰約2 930 m，構(gòu)成了Neelum河與Jhelum河流域的分水嶺。

隧洞進(jìn)口至TBM安裝間隧洞段埋深在150～500 m洞段約占4%，500～1 000 m的洞段約占36%，1 000～1 900 m占60%左右。隧洞穿過(guò)第三系中新世早期的MURREE（穆里）組巖層，巖性主要由砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等組成，巖層基本走向 NW350～355°，傾向 NE，∠41°～80°。巖石工程地質(zhì)性質(zhì)分述如下：

（1）SS-1砂巖（Sandstone）：青灰色，中粗粒結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)，成巖好，厚層-巨厚層，層理清晰，交錯(cuò)層理發(fā)育，含有較多的云母片，性質(zhì)硬且脆，沿隧洞分布厚度4.0～50 m不等，局部洞段厚度大于100 m。

（2）SS-2砂巖（Siltstone）：主要為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，褐灰色、紫褐灰色，泥鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)，呈薄層-中厚層，層理清晰，交錯(cuò)層理發(fā)育，含有較多的云母片，性質(zhì)硬且脆，其硬度次于SS-1砂巖，沿隧洞分布厚度2.0～5.0 m不等，局部洞段厚度大于10.0 m。

（3）SM粉砂質(zhì)泥巖（Silty mudstone）：常呈灰紫色、灰褐色，介于粉砂巖和泥巖之間，均質(zhì)性好。略有粉粒感，強(qiáng)度較低，不透水，遇水崩解成小球粒或圓粒狀，易球狀風(fēng)化。

（4）M泥巖（Mudstone）：均質(zhì)完整的泥巖一般為紅褐色，粉細(xì)顆粒，整體均質(zhì)性好，顯示貝殼狀斷口，從軟到中等硬度。完全劈理化泥巖，或者發(fā)育最徹底的兩類劈理化泥巖為具有鱗片狀劈理化泥巖（類似于斷層泥）及透鏡狀劈理化泥巖（類似于斷層巖）。它在靠近Murree斷層的位置顯示出很強(qiáng)的構(gòu)造活動(dòng)性。

3 巖爆的預(yù)警及防治策略

巖石中積聚的勢(shì)能或應(yīng)變能突然釋放導(dǎo)致巖體瞬態(tài)震動(dòng)的現(xiàn)象叫微震現(xiàn)象，巖爆是開(kāi)挖導(dǎo)致的一種突然性和劇烈性的微震。從工程實(shí)踐的角度看，大埋深、高地應(yīng)力、巖石良好的儲(chǔ)能條件等為巖爆發(fā)生提供了基本條件，不良的地質(zhì)構(gòu)造往往對(duì)巖爆具有強(qiáng)化作用。在大埋深、高地應(yīng)力隧洞工程中，巖爆現(xiàn)象難以避免，巖性及地質(zhì)構(gòu)造的多樣性和復(fù)雜性，又賦予了巖爆的隨機(jī)性、復(fù)雜性。

根據(jù)巖爆的發(fā)生機(jī)理，巖爆可分為應(yīng)變型、斷裂型、巖柱型；按時(shí)間序列分，可以分為及時(shí)型和時(shí)滯型；從聲響特征、圍巖破壞特征及破壞程度、支護(hù)破壞程度、微震能量等方面，巖爆分為輕微、中、強(qiáng)、極強(qiáng)4個(gè)級(jí)別。

巖爆的防治策略主要分為避讓、解除以及防護(hù)3種策略。良好巖爆防治效果的取得往往是3種防治策略的綜合運(yùn)用。工程實(shí)施過(guò)程中，還應(yīng)視工程具體情況采用經(jīng)驗(yàn)法、監(jiān)測(cè)法、數(shù)值法對(duì)巖爆進(jìn)行預(yù)警，針對(duì)性地對(duì)設(shè)計(jì)和施工方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)化。

3.1 巖爆的預(yù)警

巖爆預(yù)警方法主要有3種，即經(jīng)驗(yàn)方法、微震方法以及數(shù)值分析法。

經(jīng)驗(yàn)方法預(yù)警法是利用過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)積累，收集巖爆破壞時(shí)暴露的現(xiàn)象，對(duì)巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)，并總結(jié)出符合本工程特點(diǎn)的巖爆處理方案。

微震監(jiān)測(cè)是目前進(jìn)行巖爆預(yù)警較為普遍的方法，對(duì)于可能存在強(qiáng)烈和極強(qiáng)巖爆風(fēng)險(xiǎn)的隧洞工程，進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)能夠提高巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的精度，使巖爆的預(yù)警更為精準(zhǔn)。

數(shù)值法預(yù)警主要是通過(guò)建立巖爆理論判據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在過(guò)程中不斷修正和驗(yàn)證判據(jù)。

3.2 避讓策略

巖爆防治的避讓策略主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段，是巖爆防治根本性的策略。

在設(shè)計(jì)階段，在對(duì)隧洞地質(zhì)情況進(jìn)行充分勘察的基礎(chǔ)上，優(yōu)化洞線布置，使洞線盡量避開(kāi)高能聚集區(qū)；洞軸線方向盡量與最大主應(yīng)力方向成小角度，與巖層構(gòu)造面成大角度；多條隧洞相鄰布置時(shí)，充分論證選取隧洞間距，避免巖爆的二次應(yīng)力疊加；選擇對(duì)于巖爆的抑制更有利的圓形斷面；同等條件下，鉆爆法比TBM掘進(jìn)具有相對(duì)較低的巖爆風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于巖爆風(fēng)險(xiǎn)較高的隧洞，應(yīng)慎重選取TBM掘進(jìn)方案。

3.3 解除策略

高壓注水、應(yīng)力釋放孔、應(yīng)力解除爆破、先導(dǎo)洞超前開(kāi)挖是較常見(jiàn)的巖爆解除措施。人為改變潛在誘震的結(jié)構(gòu)面狀態(tài)，將強(qiáng)震轉(zhuǎn)化為若干小、微震，避免具有較強(qiáng)破壞性的強(qiáng)震的發(fā)生。

鉆孔進(jìn)行高壓注水的巖爆防治措施適用于透水性弱、封閉條件好、吸水率較高的圍巖，目前公認(rèn)對(duì)于煤層效果較好。

應(yīng)力釋放孔和應(yīng)力解除爆破為在開(kāi)挖前向圍巖高能量聚集區(qū)或控制面部位鉆孔或鉆孔并爆破，使圍巖破裂，能量耗散或轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到降低巖爆發(fā)生幾率和等級(jí)的措施。應(yīng)力釋放孔和應(yīng)力解除爆破孔的布置、深度、爆破參數(shù)均需針對(duì)特定的地質(zhì)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，并應(yīng)針對(duì)工程特點(diǎn)不斷總結(jié)優(yōu)化。

較小的洞徑具有易于自穩(wěn)、巖爆風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低的特點(diǎn)，且能夠釋放圍巖中聚集的高能量，當(dāng)其他巖爆解除措施難以達(dá)到較好效果或TBM設(shè)備因巖爆受困時(shí)，常采用先導(dǎo)洞法進(jìn)行巖爆處理。

3.4 防護(hù)策略

及時(shí)采用柔性吸能支護(hù)系統(tǒng)對(duì)圍巖進(jìn)行保護(hù)，維護(hù)圍巖的完整性和圍壓條件，維持圍巖的承載能力和抗沖擊能力是巖爆防治中的防護(hù)策略。

柔性支護(hù)手段一般有噴混凝土（摻鋼纖維等）、錨桿、水脹式錨桿、機(jī)械式脹殼錨桿、鋼筋網(wǎng)片等組成，對(duì)于強(qiáng)或者極強(qiáng)巖爆區(qū)域可采用滑移型鋼拱架。值得一提的是合理的錨墊板能夠大幅提高系統(tǒng)的防護(hù)能力。

4 N-J工程巖爆狀況及防治措施

4.1 巖爆統(tǒng)計(jì)

隧洞進(jìn)口至TBM掘進(jìn)終點(diǎn)的5.3 km洞段采用鉆爆法施工，最大埋深達(dá)1 400 m左右，未觀察到對(duì)施工產(chǎn)生較大影響的巖爆。TBM掘進(jìn)洞段平均埋深約1 250 m，最大埋深近2 000 m，對(duì)工程施工產(chǎn)生較大不利影響的巖爆基本上都發(fā)生在TBM掘進(jìn)的高埋深洞段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，引水隧洞左洞TBM掘進(jìn)段發(fā)生輕微、中、強(qiáng)、極強(qiáng)4個(gè)級(jí)別巖爆次數(shù)分別為370、53、7、0次；引水隧洞右洞TBM掘進(jìn)段發(fā)生輕微、中、強(qiáng)、極強(qiáng)4個(gè)級(jí)別巖爆次數(shù)分別為359、52、4、1次。兩洞中級(jí)以上巖爆發(fā)生位置標(biāo)示于隧洞地質(zhì)縱剖面圖中，如圖1所示。

圖1 引水隧洞左、右洞TBM掘進(jìn)段巖爆統(tǒng)計(jì)圖

當(dāng)TBM掘進(jìn)至埋深大于800 m洞段時(shí)，中級(jí)以上巖爆開(kāi)始出現(xiàn)；TBM掘進(jìn)至1 100 m以上的埋深洞段時(shí)，中級(jí)以上巖爆開(kāi)始頻發(fā)；強(qiáng)烈?guī)r爆多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育洞段。

隧洞埋深1 200～1 500 m，SS-1砂巖沿洞軸線連續(xù)分布厚度大于8.0 m，發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆概率較大；隧洞埋深大于1 500 m，SS-1砂巖沿洞軸線連續(xù)分布厚度大于5.0 m，發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆概率較大；巖爆發(fā)生多滯后隧洞開(kāi)挖2～8 h，多發(fā)生在掌子面至L1區(qū)（初期支護(hù)）范圍內(nèi)，個(gè)別點(diǎn)強(qiáng)巖爆發(fā)生滯后隧洞開(kāi)挖9～11 d。

4.2 “5.31”極強(qiáng)巖爆

2015年5月31日23時(shí)40分，右洞TBM掘進(jìn)段發(fā)生極強(qiáng)巖爆，掌子面樁號(hào)：9+706，巖爆發(fā)生區(qū)域樁號(hào)：9+706—9+808（長(zhǎng)度約102 m），現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)爆坑11個(gè)；隧洞左側(cè)（左洞TBM已經(jīng)通過(guò)）拱腳最為嚴(yán)重，爆坑基本連續(xù)，爆坑深度一般在0.5～1.0 m，個(gè)別深度超過(guò)1.6 m。TBM及其附屬設(shè)備、支護(hù)結(jié)構(gòu)損毀嚴(yán)重。

當(dāng)晚23時(shí)32分，左洞TBM臺(tái)車(chē)尾部發(fā)生強(qiáng)巖爆，掌子面樁號(hào)：9+526，巖爆區(qū)域樁號(hào)：9+706—9+766（長(zhǎng)度約60 m），巖爆部位距離掌子面約180 m，環(huán)向沿隧道10點(diǎn)鐘至7點(diǎn)鐘以及4點(diǎn)鐘至5點(diǎn)鐘方向，左洞TBM臺(tái)車(chē)尾部約90 m長(zhǎng)的皮帶支架、吊點(diǎn)、托輥扭曲變形嚴(yán)重，臺(tái)車(chē)尾部清渣設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，TBM臺(tái)車(chē)尾部2個(gè)后輪嚴(yán)重變形脫離軌道。

“5.31”極強(qiáng)巖爆的發(fā)生主要原因：近EW向兩條斷層使褶皺發(fā)生了局部撓曲，兩條斷層使得NS向河流急拐變?yōu)镋W走向，控制了碎屑流溝、單面坡等線性行跡。斷層之間的剪切擠壓作用，使撓曲發(fā)育，且局部出現(xiàn)近NS向結(jié)構(gòu)面。構(gòu)造撓曲和平行洞軸線的結(jié)構(gòu)面使得地應(yīng)力方向和大小突變，巖爆發(fā)生在撓曲構(gòu)造部位，含薄層紅色條帶的巨厚層狀灰色砂巖，后部在拱頂靠右側(cè)，前方出現(xiàn)在左側(cè)拱腰，構(gòu)成了呈向西凸出的弧形撓曲構(gòu)造，局部地應(yīng)力集中，且最大主壓應(yīng)力方向由南部的NE向變?yōu)榱吮径蔚慕麰W向，使得最大主應(yīng)力方向與隧洞軸線夾角變大，拱頂切向應(yīng)力急劇增大，右洞中上部，尤其是左側(cè)墻，巖爆強(qiáng)烈。

在以上特殊的不利地質(zhì)條件下，兩洞間距相對(duì)偏小，造成二次應(yīng)力疊加，加劇了巖爆的破壞力。

4.3 超前地質(zhì)探測(cè)與巖爆預(yù)報(bào)

為了掌握掘進(jìn)前方圍巖地質(zhì)條件，施工階段采用TST物探系統(tǒng)和無(wú)芯超前鉆探方法進(jìn)行TBM掘進(jìn)洞段的超前地質(zhì)條件探測(cè)，采用地應(yīng)力實(shí)測(cè)值及三維應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行能量判定巖爆預(yù)報(bào)和微震系統(tǒng)進(jìn)行巖爆預(yù)報(bào)。

TST物探系統(tǒng)超前探測(cè)前方距離約100 m，人造地震波，并采用檢波器接收地震波在隧洞圍巖體的縱波傳播速度，判定圍巖質(zhì)量、類別。無(wú)芯超前鉆探在TBM護(hù)盾的后部隧洞頂拱中間部位實(shí)施，仰角 4°～5°，孔深 20～50 m，主要采用返水顏色及攜帶的巖粉確定巖性界線，無(wú)芯超前鉆探在巖性界線與地下水方面，準(zhǔn)確度相對(duì)較高。

巖爆超前預(yù)報(bào)，主要采用綜合了經(jīng)驗(yàn)法和數(shù)值法的能量法以及微震系統(tǒng)2種方法進(jìn)行預(yù)報(bào)。

能量法巖爆超前預(yù)報(bào)：超過(guò)1 300 m埋深洞段，每隔200 m埋深進(jìn)行1個(gè)斷面的地應(yīng)力實(shí)測(cè)，依據(jù)三維應(yīng)力大小關(guān)系、圍巖巖性的物理力學(xué)性質(zhì)、褶皺構(gòu)造部位、構(gòu)造裂隙發(fā)育程度、圍巖體的完整性、TBM掘進(jìn)參數(shù)等，利用開(kāi)發(fā)的軟件進(jìn)行分析，判定隧洞開(kāi)挖前方將要發(fā)生的巖爆等級(jí)，可進(jìn)行短-中期預(yù)報(bào)，施工過(guò)程中通過(guò)與發(fā)生巖爆位置及巖爆等級(jí)對(duì)比，準(zhǔn)確率較高，預(yù)報(bào)效果良好。

微震系統(tǒng)巖爆預(yù)報(bào)：在隧洞掌子面后方一定距離安裝檢波器，監(jiān)測(cè)記錄前方圍巖體發(fā)生破裂的次數(shù)、波形大小及發(fā)生微破裂的頻率來(lái)進(jìn)行預(yù)報(bào)將要發(fā)生巖爆的時(shí)間及等級(jí)。

4.4 巖爆防治

TBM掘進(jìn)洞段施工過(guò)程中，綜合考慮巖爆風(fēng)險(xiǎn)及TBM的掘進(jìn)效率，根據(jù)超前地質(zhì)探測(cè)與巖爆預(yù)報(bào)結(jié)果，針對(duì)性地采取了以下巖爆防治措施：

（1）加大左右引水洞之間的間距：“5.31”極強(qiáng)巖爆后，對(duì)引水隧洞左洞的軸線向左外移了22.5 m，兩隧洞的中心距由33 m調(diào)整為55.5 m，以降低2條隧道巖爆相互疊加影響的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）對(duì)于中等巖爆段，利用地質(zhì)超前探鉆機(jī)在TBM掌子面頂拱120°范圍內(nèi)鉆設(shè)應(yīng)力釋放孔4～5孔，釋放高能區(qū)能量。

（3）對(duì)于強(qiáng)巖爆段，加密應(yīng)力釋放孔間距至0.6 m左右，并采用漲殼式錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行預(yù)加固。

（4）對(duì)于巖爆段，采取短循環(huán)。支護(hù)緊跟的掘進(jìn)方式：根據(jù)巖爆預(yù)測(cè)情況每循環(huán)進(jìn)尺控制在0.7～1.2 m范圍內(nèi)；“5.31”極強(qiáng)巖爆后，在TBM設(shè)備的L1區(qū)增加了獨(dú)立的混凝土噴射系統(tǒng)，增加了1臺(tái)傘狀鉆機(jī)，進(jìn)一步提高了TBM設(shè)備L1區(qū)支護(hù)的及時(shí)性。

（5）柔性支護(hù)和剛性支護(hù)相結(jié)合：首先初噴鋼纖維混凝土，安裝漲殼式錨桿和鋼筋網(wǎng)片，然后安裝鋼拱架強(qiáng)支護(hù)，最后復(fù)噴混凝土。

（6）對(duì)于巖爆破壞段，洞壁采用35 cm厚鋼筋混凝土或噴鋼纖維混凝土進(jìn)行加強(qiáng)。

5 結(jié)論及建議

（1）本文結(jié)合工程實(shí)踐，系統(tǒng)論述了水工隧洞巖爆防治的基本思路，對(duì)于類似工程應(yīng)對(duì)巖爆問(wèn)題具有一定的指導(dǎo)意義。

（2）同等條件下，鉆爆法比TBM掘進(jìn)具有相對(duì)較低的巖爆風(fēng)險(xiǎn)；TBM掘進(jìn)條件下巖爆防治的工程實(shí)例相對(duì)較少，N-J工程巖爆防治經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)對(duì)于類似工程具有較好的借鑒價(jià)值。

（3）N-J工程“5.31”極強(qiáng)巖爆后，對(duì)巖爆防治方案進(jìn)行了較大的優(yōu)化，效果顯著，雖然隧洞埋深繼續(xù)增加，但未再出現(xiàn)中等以上巖爆。

（4）采用柔性吸能支護(hù)系統(tǒng)提高抗沖擊能力，對(duì)于抵抗巖爆是行之有效的選擇。

（5）提高支護(hù)作業(yè)的機(jī)械化水平，在提高支護(hù)施工質(zhì)量的同時(shí)還能提高支護(hù)速度，利于實(shí)現(xiàn)支護(hù)的及時(shí)性，這也是施工現(xiàn)場(chǎng)巖爆防治研究的一個(gè)重點(diǎn)。