唐貴強

摘要：針對引漢濟渭工程秦嶺隧洞具有超長、大埋深、地質(zhì)條件復(fù)雜、高地溫、高地應(yīng)力、施工通風(fēng)及運輸距離長等特點，開挖施工過程中巖爆的預(yù)防和處理是難點，在施工過程中，運用理論分析及現(xiàn)場試驗等方法，通過對開挖前巖爆產(chǎn)生地段的預(yù)報解除和開挖后支護參數(shù)優(yōu)化，減小巖爆對工程安全和進度的影響。以引水隧洞4號支洞的開挖段為試驗段，采集開挖過程中發(fā)生巖爆的信息，通過微震監(jiān)測預(yù)報數(shù)據(jù)，對應(yīng)力解除爆破前、后監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，進行巖爆段開挖前應(yīng)力解除爆破和開挖后支護參數(shù)優(yōu)化，提出輕微、中度、強烈?guī)r爆的有效防治措施。結(jié)果表明：應(yīng)力解除施工方案可以避免或大幅降低巖爆的發(fā)生概率、烈度與規(guī)模，具備對應(yīng)力集中部位預(yù)測準確、應(yīng)力解除到位、解除效果可靠的優(yōu)點，同時在開挖后對輕微、中度、強烈?guī)r爆段采取不同支護參數(shù)，能夠有效地減小巖爆造成的破壞，保證隧洞圍巖穩(wěn)定和地下結(jié)構(gòu)安全。

關(guān)鍵詞：開挖;巖爆;微震監(jiān)測;支護參數(shù);引漢濟渭;秦嶺隧洞

中圖分類號：TV851

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.02.028

引漢濟渭工程秦嶺隧洞具有超長、大埋深、地質(zhì)條件復(fù)雜、高地溫、高地應(yīng)力、施工通風(fēng)及運輸距離長等特點，深埋、高應(yīng)力、強巖爆條件下如何安全、快速完成隧道掘進施工，目前是熱點、難點問題。

深埋隧洞TBM（隧道掘進機）全斷面掘進時，在局部超高應(yīng)力集中的完整硬脆性巖體洞段將直面極強巖爆的風(fēng)險，設(shè)備和人員的安全將遭受極大的威脅1-7]。已掘進貫通的錦屏二級水電站3#引水隧洞極強巖爆段實施了“先半導(dǎo)洞+TBM聯(lián)合掘進”試驗，結(jié)合微震實時監(jiān)測對TBM半導(dǎo)洞掘進的巖爆風(fēng)險開展了研究。監(jiān)測結(jié)果表明：①TBM半導(dǎo)洞掘進期間，日平均微震事件數(shù)、日平均輻射微震能、微震大事件數(shù)及實際巖爆發(fā)生次數(shù)和強度均遠遠低于TBM全斷面掘進：②能量指數(shù)對數(shù)值和累積視體積的時域演化表明，TBM半導(dǎo)洞掘進強烈?guī)r爆發(fā)生的風(fēng)險遠低于TBM全斷面掘進，現(xiàn)場實際開挖也證明了這一點：③半導(dǎo)洞洞段微震事件的空間集結(jié)程度、總數(shù)、震級與能量輻射均遠小于全斷面洞段。因此，TBM半導(dǎo)洞掘進的巖爆風(fēng)險遠遠低于TBM全斷面掘進，在施工條件允許的情況下采用先半導(dǎo)洞預(yù)處理，然后TBM半斷面掘進極強巖爆段，以控制巖爆風(fēng)險的方案是可行的。

由于秦嶺隧洞施加預(yù)應(yīng)力設(shè)備沉重、施加預(yù)應(yīng)力時間過久、操作時安全風(fēng)險較高等，因此截至目前還未找到適合秦嶺隧洞的較理想的測試技術(shù)。

微震監(jiān)測技術(shù)可為提前做好巖爆段的施工技術(shù)改進及人員調(diào)配贏得時間，從而大大降低巖爆段的施工難度及風(fēng)險。因此，引漢濟渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程4號支洞采用微震監(jiān)測技術(shù)，筆者對其應(yīng)力解決爆破及支護參數(shù)優(yōu)化進行了分析和研究。

1 工程概況

引漢濟渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程4號支洞位于秦嶺嶺南山區(qū)，該區(qū)山高坡陡，工點范圍內(nèi)地形起伏不平，最大高差760 m。4號支洞洞身埋深250—1 430 m，最大埋深位于樁號斜47+20位置;洞口位于寧陜縣四畝地鎮(zhèn)雞冠寨和麻房子之間麻河右岸公路邊斜坡上，洞口處有簡易公路通過，交通較為便利。該支洞起訖里程為斜00+00一斜57+84.平距5 784m，斜長5 820.21 m，為綜合坡比-10.79%的反坡隧洞，洞身斜31+73.255-斜51+80.375段位于半徑為3 300m的曲線上，其余段均位于直線上。其設(shè)計斷面為城門洞形，開挖尺寸為6.80 mx7.04 m（寬×高），圍巖以Ⅱ類花崗巖為主，巖體單軸抗壓強度較高，地下水不發(fā)育。

2 巖爆試驗段施工

2.1 施工情況

將斜50+35-斜54+75段（長度411.3 m）作為巖爆試驗段。該試驗段施工于2017年3月27日正式開始，到7月16日結(jié)束，歷時111 d，其間發(fā)生輕微巖爆1次，中等巖爆2次，中等一強烈、強烈?guī)r爆共11次（發(fā)生巖爆后造成塌腔）。

2.2 水文地質(zhì)情況

2.2.1 設(shè)計地質(zhì)情況

巖爆試驗段洞身埋深1 250～1 318 m，主要涉及地層為印支期花崗巖，巖石強度高、地溫高，花崗巖呈灰白色，主要礦物為斜長石、鉀長石、石英和少量黑云母及角閃石，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，完整基巖，圍巖強度達2 500 kPa。巖性為花崗巖、碎裂巖，巖石強風(fēng)化、未風(fēng)化，巖體大部分受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微一較重，局部受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴重，節(jié)理裂隙大部分不發(fā)育，局部較發(fā)育一發(fā)育，巖體大部分較完整一完整，局部完整性差一較破碎，圍巖大部分基本穩(wěn)定一穩(wěn)定，局部穩(wěn)定性差一不穩(wěn)定。

2.2.2 開挖揭示后地質(zhì)情況

由于剩余施工段的埋深均在1 200 m以上，且地質(zhì)狀況和試驗段類似，因此通過試驗段的圍巖情況統(tǒng)計及相應(yīng)的支護參數(shù)可為后續(xù)施工提供借鑒，從而降低巖爆對施工進度造成的影響。

2.3 巖石抗壓強度

根據(jù)巖爆試驗段（斜50+35-斜54+75）巖爆發(fā)生的規(guī)模，結(jié)合該段巖石實測抗壓強度、隧洞埋深等發(fā)現(xiàn)，巖石整體完整性尚好，巖石抗壓強度在140 MPa以上，埋深1 200 m以上巖爆發(fā)生的概率逐步增大，并且以干燥為主的圍巖段巖爆活躍度較高。

2.4 應(yīng)力解除爆破

2.4.1 應(yīng)力解除爆破實施情況

在距離掌子面（斜5+546）4m之外的斜5+537-5+542范圍拱頂偏右側(cè)發(fā)生滯后型巖爆，伴隨較大聲響和巖塊掉落，滯后時間約ld。由于事先已有微震活躍征兆，巖爆風(fēng)險較大，因此工程技術(shù)人員進行了有效應(yīng)力釋放操作，未造成人員傷亡和設(shè)備損壞。

在掌子面斜5+543及其后Sm左右范圍內(nèi)采集到47次微震，其中3次震級和能量較大，主要分布于掌子面附近，微震活躍度輕微偏中等，微震活動分布情況如圖1所示。

在掌子面斜5+543及其后5～15 m范圍內(nèi)采集到32個有效微震事件，其中有2個能量較大，整體來看，響炮后的微震活躍度和巖爆風(fēng)險較高。

響炮后掌子面樁號為斜5+546，響炮前后微震事件比較集中的位置距離掌子面5～15 m.第二天滯后型巖爆正好發(fā)生在這個范圍之內(nèi)，從監(jiān)測結(jié)果可以看出，右側(cè)更為活躍和集中，與巖爆發(fā)生在拱頂右側(cè)相符。

2.4.2 應(yīng)力解除爆破前后監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

主要利用聲學(xué)、地震學(xué)和地球物理學(xué)原理和計算機的計算功能來實現(xiàn)微震事件的精確定位和級別判定。該系統(tǒng)的工作原理是傳感器接收原始微震信號以后將其發(fā)送到微震監(jiān)測系統(tǒng)的信號采集單元，軟件可以將此信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)信號并傳給數(shù)據(jù)采集計算機，經(jīng)軟件對原始數(shù)據(jù)信號進行加工處理、分析，并在繪圖儀上或三維空間和時間軸下對微震事件進行實體演示，實現(xiàn)對巖爆風(fēng)險的預(yù)測。通過對2017年4月1日-6月15日4號支洞每次響炮前后（響炮前5h內(nèi)，響炮后3h內(nèi)）產(chǎn)生微震所釋放的能量進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得出以下結(jié)論：

（1）爆破震動對應(yīng)力有明顯的釋放作用。響炮后3h釋放的能量總體大于響炮前5h釋放的能量，總共統(tǒng)計響炮次數(shù)69次，其中67次響炮后的能量釋放大于響炮前的。

（2）能量釋放總體隨巖爆風(fēng)險的增大而增大。巖爆風(fēng)險較高的洞段，響炮前后所釋放的能量往往達幾萬甚至數(shù)十萬焦耳;反之，巖爆風(fēng)險較小的洞段，響炮前5h釋放的能量多為0，響炮后釋放的能量多在幾十到幾千焦耳，但沒有一個準確的能量數(shù)值來區(qū)分巖爆風(fēng)險的高低。

（3）巖體本身的非均勻性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致響炮前后所釋放的能量相差較大，具有一定的隨機性。即使同為巖爆風(fēng)險較小的洞段，相同爆破參數(shù)的條件下所釋放的能量也可能相差數(shù)十倍甚至數(shù)百倍。

（4）巖爆試驗段共進行75次響炮前后微震釋放能量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，所監(jiān)測的結(jié)果與現(xiàn)場情況較為吻合，鑒于巖爆機理的復(fù)雜性和影響因素的多樣性，發(fā)生巖爆的準確時間還難以做出準確判斷和預(yù)測。

2.5 巖爆對施工的影響

在巖爆試驗段施工中，不同強度等級的巖爆均有發(fā)生，對施工現(xiàn)場造成了不同程度的危害，嚴重影響了施工進度，同時對現(xiàn)場作業(yè)人員的身心健康有極大影響。經(jīng)統(tǒng)計，因巖爆而造成的掌子面施工巖爆釋放應(yīng)力等待、清渣、加密錨桿施做、掛設(shè)柔性鋼絲網(wǎng)、安設(shè)型鋼拱架、塌腔回填等用時達41.5 d，同時突發(fā)性、滯后性巖爆致使鑿巖臺車、噴漿機械手被砸壞。據(jù)統(tǒng)計，三臂鑿巖臺車共被嚴重砸壞2次，停機修理時間達到4.3d;噴漿臺車在巖爆段施工中嚴重受損1次，停機修理時間達到1.4 d。僅111 d的巖爆試驗段施工中有47.2d受巖爆影響，占試驗段施工總時間的42.5%。

3 巖爆段新材料應(yīng)用

3.1 超前錨桿

試驗段施工中，使用3.5 m的砂漿錨桿做超前支護，對下個循環(huán)開挖斷面的拱部范圍做預(yù)加固，仰角控制在15°左右，與隧洞軸線夾角約27°。從實施效果來看，其在輕微一中等等級的巖爆段起到了良好的效果，對一些地質(zhì)構(gòu)造弱面（如長大節(jié)理、斷層）部位會抵消部分外力擾動誘發(fā)的地應(yīng)力。超前支護的桿體與巖石節(jié)理走向大角度穿插，減少了坍塌現(xiàn)象，保證了良好的開挖成型，同時避免了較大石塊墜落對人員設(shè)備的威脅，減小了施工風(fēng)險，提高了施工效率。

3.2 納米仿纖維噴射混凝土

開挖揭示后裸露圍巖及時噴射高強度混凝土進行封閉，傳統(tǒng)型噴射混凝土存在一次噴射厚度較薄、回彈率較大、凝結(jié)時間長、強度不高、抗壓和抗折強度低等缺點，難以滿足巖爆段支護要求。試驗段采用跨越型-2000仿纖維噴射混凝土，其仿纖維噴射混凝土回彈率減小至15%（原噴射混凝土回彈率為20%），并且可以短時間內(nèi)實現(xiàn)噴射混凝土厚度大幅度增大，輕微巖爆破壞噴層發(fā)生掉塊、剝落的現(xiàn)象大大減少。通過現(xiàn)場取樣檢測及分析，噴射混凝土與周圍巖石的黏結(jié)強度較高，綜合回彈率為8%左右，噴射混凝土支護快，可在2 min內(nèi)終凝，ld強度達到16 MPa（普通C20噴射混凝土28 d強度達到20 MPa）.一次噴射混凝土厚度顯著增大，可達35 cm。

3.3 柔性鋼絲網(wǎng)

巖爆試驗段采用在隧道拱部1800范圍內(nèi)掛設(shè)柔性鋼絲網(wǎng)進行加強支護，即由多張鋼絲網(wǎng)組成一張巨型大網(wǎng)將整個隧道出露巖面包裹嚴實。通過現(xiàn)場觀察得出：即使輕微、中等巖爆產(chǎn)生落石、剝落，也只能在柔性鋼絲網(wǎng)內(nèi)運動，其起到了緩沖作用，能夠均勻傳遞受力，充分發(fā)揮了整個系統(tǒng)的防護能力，即局部受載、整體作用，從而使系統(tǒng)能承受較大的荷載并降低單根錨桿的錨固力，不會導(dǎo)致石塊迅速掉落、垮塌，若發(fā)生巖爆，則現(xiàn)場施工作業(yè)人員能夠及時撤離，機械設(shè)備短時間可以安全轉(zhuǎn)移，進而有效保護施工人員、施工機械、設(shè)備等的安全。

4 超前應(yīng)力解除爆破

在巖爆段預(yù)防以及治理中，經(jīng)參建單位研究決定，對掌子面前方一定范圍內(nèi)進行應(yīng)力解除爆破，同時引進大連理工大學(xué)微震檢測技術(shù)，對施工現(xiàn)場掌子面進行了開挖爆破前后微震事件采集，最終分析預(yù)測該段不同程度巖爆潛在風(fēng)險等級。為了對掌子面前方一定范圍內(nèi)的高地應(yīng)力進行解除，現(xiàn)場開挖后對裸露的圍巖進行噴水作業(yè)及施做直徑89 mm的超前應(yīng)力解除爆破孔。

4.1 應(yīng)力解除爆破的必要性

在支護、施鉆期間，采集到1個有效微震事件，共釋放能量42.1 J，支護、施鉆期間的微震活動分布情況見圖2。開挖響炮后8h內(nèi)共采集到12個有效微震事件，其中有1次震級和能量較大，共釋放能量4 456 J，微震活動分布情況見圖3。

開始短進尺掘進后沒有實施應(yīng)力解除爆破，開挖響炮后釋放能量比為1：105.8，通過加強支護，進尺較少，實施短進尺開挖后，微震活躍性大大降低。已有數(shù)據(jù)顯示，目前巖爆風(fēng)險不高，巖體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的復(fù)雜性、多變性使得爆破前后釋放的能量具有較大的隨機性。

4.2 應(yīng)力解除爆破參數(shù)的優(yōu)化

參考微震監(jiān)測的數(shù)據(jù)綜合分析，結(jié)合4號支洞斜井應(yīng)力解除爆破施工情況，應(yīng)力解除爆破參數(shù)還需要局部調(diào)整。鑒于圍巖情況的復(fù)雜性和多變性，微震監(jiān)測還不能為應(yīng)力解除爆破提供可靠的參考數(shù)據(jù)。目前，主洞鉆爆法采用孔徑89 mm的應(yīng)力釋放孔，建議在不同等級的原應(yīng)力解除爆破參數(shù)基礎(chǔ)上單孔適當增加裝藥量200—400 g。

4.3 應(yīng)力解除爆破工序優(yōu)化

在支洞拱部1800范圍內(nèi)打設(shè)13個應(yīng)力解除爆破孔，孔徑89 mm，孔深5.0 m，孔間距90 cm.仰角150左右，單孔裝藥量800 g，應(yīng)力解除爆破后到開挖響炮之間，共采集到38個有效微震事件，其中有4次巖爆，共釋放能量74 423 J，施鉆到應(yīng)力解除爆破之前的微震活動分布見圖4。開挖響炮后13.5 h內(nèi)共采集到65個有效微震事件，其中有多次巖爆，共釋放能量452 574 J，應(yīng)力解除爆破釋放能量與開挖響炮后釋放能量比為1：6.08，應(yīng)力解除爆破后到開挖響炮之間的微震活動分布見圖5。此次應(yīng)力解除爆破后能量釋放較多，在相同的鉆孔和裝藥參數(shù)下此次釋放能量與前一次應(yīng)力解除爆破差異巨大（前一次釋放能量為12.8J）?？梢?，巖體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的復(fù)雜性、多變性使得應(yīng)力解除爆破釋放的能量具有較大的隨機性。

綜上所述，通過分析微震監(jiān)測數(shù)據(jù)得出：超前應(yīng)力解除爆破提前釋放的能量為74 423 J，而開挖爆破后釋放的能量為452 574 J，能量比為1：6.08。超前應(yīng)力解除爆破同掌子面開挖同時起爆時，釋放的能量比分別為1：77、1：673.85，均小于1：6.08，因此超前應(yīng)力解除爆破同掌子面開挖同時起爆時釋放能量遠大于超前應(yīng)力解除爆破提前釋放的能量。

4.4 巖爆段的支護措施及參數(shù)

在巖爆試驗段逐步采取了一系列有效措施，并引進了大量的新材料、新工藝等加強巖爆段施工巖爆治理，如施做超前應(yīng)力解除爆破孔、施做φ22 mm超前砂漿錨桿、噴射高壓水軟化圍巖、噴射納米仿纖維噴射混凝土、掛設(shè)直徑4.0～ 6.5 mm的柔性鋼絲網(wǎng)、安設(shè)I16型鋼拱架等，其中一種或幾種措施結(jié)合使用取得良好的加強支護效果。

4.4.1 輕微巖爆段支護

應(yīng)力解除爆破孔孔徑89 mm.孔深5.0 m，在拱部1200范圍內(nèi)布設(shè)（根據(jù)微震監(jiān)測確定應(yīng)力集中位置進行調(diào)整），孔間距1.1 m，10個/循環(huán)，孔位與周邊眼相同，孔向仰角15°，單孔藥量1 000 g（5節(jié)）。在節(jié)理發(fā)育地段隨機施做直徑22 mm的砂漿（錨固劑）錨桿，長度3.5 m，初噴納米仿纖維噴射混凝土厚5 cm，復(fù)噴普通C20混凝土厚度至10 cm，施做孔徑42 mm的徑向應(yīng)力釋放孔，孔深為2.0 m，孔數(shù)隨機（依據(jù)巖爆區(qū)域面積大小而定）。

4.4.2 中等巖爆段支護

應(yīng)力解除爆破孔孔徑89 mm.孔深5.0 m.拱部1200范圍內(nèi)布設(shè)（根據(jù)微震監(jiān)測確定應(yīng)力集中位置進行調(diào)整），孔間距0.9 m，12個/循環(huán)，孔位與周邊眼相同，孔向仰角200，單孔藥量1400 g。在拱部1200范圍內(nèi)布設(shè)超前錨桿，長度4.0 m，單循環(huán)10根，間距1.1 m;初噴納米仿纖維噴射混凝土5 cm，復(fù)噴普通C20混凝土厚度至10 cm。拱部使用直徑25 mm漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿，錨桿長度4.0 m.間距1.5 mX1.5 m（環(huán)×縱），錨桿墊板20 cmx20 cm，厚度8 mm。側(cè)墻隨機使用直徑22 mm砂漿錨桿，長2.5 m。拱部1800鋪設(shè)直徑6.5 mm的柔性鋼絲網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸1.5 cmx1.5 cm;施做孔徑42 mm的徑向應(yīng)力釋放孔，孔深2.0m。拱部180°范圍內(nèi)，間距1.2 mxl.2 m，采用C20納米仿鋼纖維混凝土封閉掌子面，厚度5 cm。

4.4.3 強烈?guī)r爆段支護

開挖外輪廓線外擴17 cm，應(yīng)力解除爆破孔孔徑89 mm，孔深5.5 m，拱部180°范圍內(nèi)布設(shè)（根據(jù)微震監(jiān)測確定應(yīng)力集中位置進行調(diào)整）.孔間距0.91 m，18個/循環(huán)，孔位與周邊眼相同，孔向仰角30°，單孔裝藥1.8 kg。初噴納米仿纖維噴射混凝土厚7 cm，復(fù)噴普通C20混凝土厚度至27 cm，安設(shè)I16型鋼拱架，拱架間距1.0 m/榀，直徑22 mm連接筋環(huán)向間距100 cm。拱墻鋪設(shè)直徑8 mm圓鋼網(wǎng)片，網(wǎng)格尺寸20 cm×20cm，以及單榀拱架鎖腳錨桿8根，長3.5 m，為直徑22mm的螺紋鋼砂漿錨桿。采用C20納米仿鋼纖維混凝土封閉掌子面，厚度7 cm。

5 結(jié)語

從試驗段巖爆發(fā)生情況來看，巖石整體完整性較好，巖石抗壓強度在140 MPa以上，以干燥為主的圍巖段巖爆活躍度較高。巖爆試驗段共進行75次響炮前后（響炮前5h內(nèi)，響炮后3h內(nèi)）微震釋放能量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，所監(jiān)測的結(jié)果與現(xiàn)場情況較為吻合，不過鑒于巖爆機理的復(fù)雜性和影響因素的多樣性，對于巖爆的準確時間還難以做出準確判斷和預(yù)測。

結(jié)合試驗段微震監(jiān)測報告，從應(yīng)力解除爆破單獨施做和應(yīng)力解除爆破同掌子面開挖同時起爆時爆破前后能量釋放的統(tǒng)計結(jié)果來看，同時起爆的效果要優(yōu)于應(yīng)力解除爆破于開挖爆破前單獨施做的效果。對應(yīng)力解除爆破參數(shù)和工序進行了優(yōu)化，在原應(yīng)力解除爆破參數(shù)基礎(chǔ)上適當增加藥量200～ 400 g，采用應(yīng)力解除爆破與開挖爆破同時起爆（應(yīng)力解除爆破與周邊眼同時起爆，即應(yīng)力解除爆破孔安裝毫秒雷管MS11）的方法，可提高應(yīng)力解除爆破效果。有針對性地對不同等級的巖爆段調(diào)整支護參數(shù)和現(xiàn)場支護過程，取得了較好的效果，減小了施工難度和施工風(fēng)險。

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