歐陽林，張如九，劉耀儒，黃其帥，李建賀，龐智勇

(1.云南省滇中引水工程建設(shè)管理局，昆明 650051； 2.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室，北京100084； 3.云南省滇中引水工程有限公司，昆明 650000； 4.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，武漢 430010)

1 研究背景

近年來，隨著地下工程建設(shè)逐漸向地層深部拓展，興建了許多超大埋深的引水隧洞，如雅礱江錦屏二級水電站引水隧洞最大埋深2 525 m，引漢濟渭工程秦嶺隧洞最大埋深2 012 m，巴基斯坦N-J水電站引水隧洞最大埋深近2 000 m等[1-3]。深埋工程地質(zhì)條件復(fù)雜，具有“三高一擾動”(高地應(yīng)力、高地溫、高水壓、強開挖擾動)的特點[4]，導(dǎo)致施工過程中各種地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，其中巖爆就是較常見的一種嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害。巖爆定義為高地應(yīng)力條件下硬巖開挖卸荷引發(fā)的圍巖彈射破壞現(xiàn)象[5]，其嚴(yán)重威脅施工期人員和設(shè)備安全，同時延緩工程進度，使工程量和工程造價大幅增加，上述已建深埋隧洞均受巖爆災(zāi)害困擾。隨著滇中引水工程、雅下水電開發(fā)等大型水電工程的逐步建設(shè)，深部巖體開挖卸荷引發(fā)的巖爆問題將更加突出，深埋隧洞施工將面臨更多巨大挑戰(zhàn)。因此，開展有效的巖爆防控，以減輕乃至消除巖爆危害，對保證深埋隧洞的安全穩(wěn)定具有重要意義。

目前， 國內(nèi)外許多深埋隧洞基于工程自身的特點， 在施工過程中采取了有針對性的巖爆防控技術(shù)， 并取得了一定效果[6-10]。 然而， 不同工程的地質(zhì)條件、 巖爆情況、 施工方法等各方面因素不盡相同， 所采取巖爆防控技術(shù)的作用機理、 適用范圍、 防控效果也具有不同的特點。 因此， 針對深埋隧洞的巖爆防控技術(shù)進行系統(tǒng)性梳理與總結(jié)十分必要。 本文在介紹巖爆的分類、 機制、 評價預(yù)警方法及防控原則的基礎(chǔ)上， 主要討論施工期巖爆防控的主動措施和被動措施； 同時針對鉆爆法和TBM施工的不同巖爆特點， 分析各自的巖爆防控重點， 并歸納典型工程的巖爆防控技術(shù)(擬)應(yīng)用情況， 以期為深埋隧洞的巖爆防控及相關(guān)研究提供參考。

2 巖爆類型、機制、評價預(yù)警及防控原則

2.1 巖爆類型和孕育機制

根據(jù)發(fā)生時間的不同，巖爆類型一般劃分為即時型巖爆和時滯型巖爆，即時型巖爆又分為即時性應(yīng)變型、即時性應(yīng)變-結(jié)構(gòu)面滑移型，時滯型巖爆可進一步劃分為時空滯后型和時間滯后型[11-12]。根據(jù)發(fā)生機制的不同，通?？煞譃閼?yīng)變型巖爆、斷裂滑移型巖爆[13]。根據(jù)烈度等級的不同，一般分為輕微巖爆、中等巖爆、強烈?guī)r爆、極強巖爆。

應(yīng)變型巖爆本質(zhì)上是巖石的脆性破壞，一般認(rèn)為其機制是完整巖體隧洞開挖卸荷引起圍巖應(yīng)力集中，拉裂紋萌生并不斷擴展、貫通直至破壞，當(dāng)圍巖彈性應(yīng)變能大于破壞耗散能時，在剩余能量的驅(qū)動下破壞體向臨空面彈射而出。斷裂滑移型巖爆本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)面的剪切滑移破壞，由于結(jié)構(gòu)面性狀和力學(xué)行為的復(fù)雜性，關(guān)于斷裂滑移型巖爆的具體誘發(fā)機理，目前尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識，但結(jié)構(gòu)面可能誘發(fā)高等級巖爆這一現(xiàn)象已得到確認(rèn)[14-15]。水電交通隧洞施工一般對大規(guī)模的斷層擾動較小，可能誘導(dǎo)強烈?guī)r爆的結(jié)構(gòu)面以較小規(guī)模的節(jié)理、層面、硬性結(jié)構(gòu)面為主[14]，且?guī)r爆爆坑以結(jié)構(gòu)面為邊界。

2.2 巖爆風(fēng)險評價與監(jiān)測預(yù)警

在工程設(shè)計階段和開挖初期進行巖爆風(fēng)險評價，在施工開挖過程中開展巖爆實時監(jiān)測預(yù)警，能夠為巖爆防控提供科學(xué)決策依據(jù)。

巖爆的風(fēng)險評價方面，目前主要是基于巖爆的強度理論、能量理論、剛度理論等，提出相應(yīng)的巖爆風(fēng)險評價指標(biāo)，包括經(jīng)驗指標(biāo)和數(shù)值指標(biāo)。經(jīng)驗指標(biāo)可根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗或室內(nèi)試驗確定巖爆風(fēng)險等級的劃分閾值，形成宏觀經(jīng)驗判據(jù)，典型判據(jù)如應(yīng)力強度比[16-18]、彈性能指數(shù)[19]、脆性系數(shù)[20]等。數(shù)值指標(biāo)基于數(shù)值計算得到，通過分析數(shù)值指標(biāo)的時空分布情況，可評價巖爆風(fēng)險等級、區(qū)域、破壞深度等信息，典型的數(shù)值指標(biāo)包括局部能量釋放率[21]、破壞接近度[22]、能量耗散率[23]等。此外，還可以通過綜合考慮多個指標(biāo)判據(jù)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型及機器學(xué)習(xí)等方法進行綜合決策，以提高巖爆風(fēng)險評價的準(zhǔn)確度。

巖爆的監(jiān)測預(yù)警方面，主要是基于一些現(xiàn)場監(jiān)測方法，包括微震法、聲發(fā)射法、微重力法、鉆屑法、電磁輻射法等。目前應(yīng)用最廣泛的是微震監(jiān)測法[24-25]，通過分析微震事件的活動特征，獲取破裂時間、位置、能量等震源參數(shù)，推斷巖體的力學(xué)狀態(tài)和破壞特征，揭示主要損傷區(qū)域和潛在巖爆區(qū)域。

2.3 巖爆防控原則

在合理判斷潛在巖爆烈度等級、潛在部位等信息的基礎(chǔ)上，近年來許多巖爆防控技術(shù)得到了發(fā)展與應(yīng)用，就其遵循的防治原則而言，主要包括“釋放或轉(zhuǎn)移圍巖應(yīng)力”“改善圍巖物理力學(xué)性質(zhì)”“加固圍巖”3個方面[26-27]。其中，“釋放或轉(zhuǎn)移圍巖應(yīng)力”從控制巖爆的外在條件出發(fā)，采取應(yīng)力釋放或轉(zhuǎn)移措施，以降低圍巖應(yīng)力水平，典型措施如施作超前應(yīng)力釋放孔、應(yīng)力解除爆破、開挖先導(dǎo)洞等；“改善圍巖物理力學(xué)性質(zhì)”從控制巖爆的內(nèi)在因素出發(fā)，主要是進行高壓噴水或鉆孔注水促使圍巖軟化，降低其巖爆傾向性；“加固圍巖”從提高圍巖的抗力出發(fā)，主要是通過支護加固措施加強圍巖-支護結(jié)構(gòu)的承載力和抗沖擊力，包括噴錨支護、鋼支撐、鋼筋網(wǎng)等。

除了上述防控原則和相應(yīng)措施外，在巖爆洞段的施工中，還可以通過改進開挖工法或掘進參數(shù)，獲得更好的巖爆防控效果，如采用“短進尺、多循環(huán)”的開挖作業(yè)方式、鉆爆法采取直眼掏槽和水壓爆破技術(shù)并提高光面爆破效果等[28]。此外，還需采取一定安全防護措施，如人員及設(shè)備配備防護服、防護網(wǎng)、防護鋼板等。在面對強烈或極強巖爆時，若人力無法控制，人員設(shè)備均需進行待避以確保安全，如巴玉隧道一次極強巖爆曾規(guī)避了一個星期[29]。

綜合以上巖爆風(fēng)險評價、監(jiān)測預(yù)警方法及相關(guān)防控技術(shù)、施工及安全措施，總結(jié)得到深埋隧洞巖爆防控的總體框架，如圖1所示。

圖1 深埋隧洞巖爆防控總體框架Fig.1 Framework of rockburst prevention in deep tunnels

3 巖爆的主動防控和被動防控

巖爆的主動防控是在開挖作業(yè)前或開挖初期進行的巖爆預(yù)防，其目標(biāo)是通過改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)和物理力學(xué)性質(zhì)，或通過超前支護或主動支護措施，大幅降低巖爆風(fēng)險乃至消除巖爆。巖爆的被動防控是在開挖作業(yè)后開展的巖爆防護，其目標(biāo)是通過剛性支護和柔性支護的聯(lián)合作用，防止巖爆飛濺，增強隧洞結(jié)構(gòu)的自承能力和抗沖擊能力，有效保護人員和設(shè)備安全。

3.1 巖爆的主動防控措施

3.1.1 鉆孔應(yīng)力釋放和超前應(yīng)力解除爆破

鉆孔應(yīng)力釋放是在隧洞洞壁或掌子面鉆孔以釋放部分圍巖應(yīng)力；超前應(yīng)力解除爆破是當(dāng)鉆孔無法滿足巖爆等級所要求的應(yīng)力釋放程度時，而在常規(guī)的應(yīng)力釋放孔的基礎(chǔ)上，進一步采取的爆破卸壓措施。

鉆孔應(yīng)力釋放的作用機理是通過鉆孔的變形來釋放洞壁圍巖切向應(yīng)力和儲存的彈性應(yīng)變能，同時使圍巖切向應(yīng)力峰值向內(nèi)部圍巖轉(zhuǎn)移。由于應(yīng)力釋放能力有限，鉆孔應(yīng)力釋放主要適用于輕微-中等巖爆，其防控效果與鉆孔長度、直徑、間距等因素相關(guān)，其中鉆孔直徑對應(yīng)力釋放效果影響最大[30]。鉆孔可于隧洞開挖初期在洞壁施作(徑向應(yīng)力釋放孔)，也可于隧洞開挖前在掌子面施作(超前應(yīng)力釋放孔)，伴隨高壓注水可以達到更好的防控效果。此外，也可采取巖壁切槽等方式，其作用原理與鉆孔相同。鉆孔及切槽除了采用傳統(tǒng)鉆機等設(shè)備，在煤礦領(lǐng)域已有案例采用新型的水射流切割技術(shù)[31]，但目前在水電交通隧洞中鮮見應(yīng)用。

超前應(yīng)力解除爆破的作用機理是在前方圍巖內(nèi)部形成一個破碎帶，以降低掌子面附近的應(yīng)力，并使峰值應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部[6，32]。由于超前應(yīng)力解除爆破具有較強的卸壓和應(yīng)力釋放能力，主要適用于強烈?guī)r爆和極強巖爆。就防控效果而言，超前應(yīng)力解除爆破能夠?qū)?yīng)力集中區(qū)域進行有針對性的應(yīng)力解除，應(yīng)力釋放效果良好，在工程中應(yīng)用廣泛。通過水力輔助爆破的方式能夠達到更好的應(yīng)力釋放效果，在煤礦領(lǐng)域也有采取水壓致裂技術(shù)的做法[33]。超前應(yīng)力解除(釋放)孔的具體布置方案可基于前方圍巖情況和實時預(yù)測的巖爆風(fēng)險等級，通過數(shù)值模擬或試驗方法確定[34]。

3.1.2 先導(dǎo)洞

先導(dǎo)洞是在隧洞正式開挖前，采用鉆爆法在掌子面前方提前開挖的面積較小的工作面。先導(dǎo)洞一般洞徑較小，因而具有自穩(wěn)能力強、巖爆風(fēng)險較低的特點，在減緩前方圍巖應(yīng)力和能量集中的同時，其本身也可以作為地質(zhì)超前探洞[35]。

先導(dǎo)洞的作用機理與鉆孔應(yīng)力釋放類似，可以將先導(dǎo)洞視為大直徑的鉆孔，因而具有更好的應(yīng)力釋放與轉(zhuǎn)移效果。先導(dǎo)洞的應(yīng)力釋放能力主要受爆破參數(shù)和斷面尺寸影響[36]，與超前應(yīng)力釋放孔類似，可以通過數(shù)值模擬及試驗來確定合理的布置方案，從而使防控效果最大化[37]。在實際施工中，當(dāng)其他的巖爆主動巖爆防控措施效果不佳或TBM一次性全斷面開挖面臨強烈-極強巖爆時，可以采用先導(dǎo)洞法進行處理[38]。

3.1.3 高壓噴水和鉆孔注水

在施工期對隧洞洞壁噴高壓水或鉆孔高壓注水可以促使圍巖軟化，改善圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，進而一定程度上緩解巖爆[39-40]。水防治巖爆的作用機理如下[26]：①高壓注水具有楔劈作用，可以降低圍巖表層強度；②水有利于圍巖應(yīng)變能的釋放，能夠降低剩余彈性能，避免應(yīng)變能過度集中；③水有利于裂隙的萌生與擴展，從而降低巖體的完整性與儲能能力。從實踐效果看，由于水影響范圍有限，高壓噴水或鉆孔注水措施一般作為巖爆防控的輔助或局部解危措施，需搭配其他巖爆防控措施共同發(fā)揮其效能。

3.1.4 超前錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿支護

超前錨桿支護是在隧洞開挖前，在圍巖預(yù)先布設(shè)的位置中以受拉作用的形式將錨桿打入，對前方圍巖進行超前支護加固的方法。常見的超前支護措施還包括超前小導(dǎo)管、超前管棚等，在水工隧洞中，超前支護以超前錨桿為主。預(yù)應(yīng)力錨桿支護是通過錨頭產(chǎn)生的錨固力對圍巖施加一定的預(yù)緊力，主動加固圍巖的方法。

超前錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿支護的作用機理包括以下幾個方面[41]：①錨桿鉆孔本身就起到應(yīng)力釋放作用；②使圍巖能夠較快從開挖后的二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?nèi)驊?yīng)力狀態(tài)，起到應(yīng)力轉(zhuǎn)移作用；③作為圍巖的加固補強措施，及時發(fā)揮錨桿的懸吊、組合梁等作用，錨固巖爆掉塊及塌方，提高巖體的自承能力和儲能能力。傳統(tǒng)的系統(tǒng)錨桿雖然也具備上述作用，但只有在開挖作業(yè)和圍巖向臨空面變形后才能發(fā)揮其效能，屬于被動支護[42]。

超前錨桿作為臨時支護，要求錨桿迅速發(fā)揮作用，宜采用早強砂漿錨桿、樹脂錨桿或管縫式錨桿，一般用于強烈及以上巖爆洞段，可有效降低隧洞拱部的巖爆風(fēng)險，對于來不及進行初期支護的即時型巖爆尤為適用[43]。預(yù)應(yīng)力錨桿主動支護目前采用較多的是漲殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿，其支護力高，作用速度快，且能夠作為永久支護，適用于中等及更強烈?guī)r爆洞段。

3.2 巖爆的被動防控措施

3.2.1 噴錨支護

噴錨支護是隧洞施工及巖爆防控中普遍采取的措施，通過噴射混凝土和錨桿支護相結(jié)合，共同對圍巖進行支護加固，包括初期支護(臨時支護)和二次支護(永久襯砌)。其作用機制是使錨桿、混凝土噴層和圍巖構(gòu)成聯(lián)合承載體系，增強隧洞結(jié)構(gòu)的整體性、自承能力和抗沖擊能力，從而抵御巖爆的危害。

針對不同烈度等級的巖爆，需采用不同的混凝土和錨桿類型。對于輕微-中等巖爆的防控，采用普通混凝土和普通砂漿錨桿即可。然而，常規(guī)混凝土和系統(tǒng)錨桿變形性能較差，屬剛性支護，無法起到很好的吸能和抗動荷作用；當(dāng)開挖洞段有強烈-極強巖爆風(fēng)險時，要求混凝土有較高韌性和抗壓抗折強度，錨桿具有較好的屈服和讓壓能力，從而形成柔性支護體系，吸收巖爆動應(yīng)力作用下產(chǎn)生的動能[44-45]。此時，混凝土宜采用鋼筋混凝土、鋼纖維混凝土或納米仿鋼纖維混凝土等高性能復(fù)合材料[10]；錨桿宜采用適應(yīng)變形能力強的吸能錨桿，如水脹式錨桿、錐形錨桿等[46]。

3.2.2 鋼筋網(wǎng)(柔性鋼絲網(wǎng))

普通鋼筋網(wǎng)、柔性鋼絲網(wǎng)及其他高性能金屬繩網(wǎng)是典型的柔性防護措施，其作用機理是通過錨桿、噴射混凝土與掛網(wǎng)相結(jié)合(噴錨網(wǎng)支護)，構(gòu)成聯(lián)合支護體系，使鋼筋網(wǎng)(柔性鋼絲網(wǎng))形成對圍巖表面的及時有效覆蓋，充分發(fā)揮對爆裂巖石的承托、緩沖和吸能作用[47]。與普通鋼筋網(wǎng)相比，柔性鋼絲網(wǎng)具有可預(yù)制、強度高、變形性能優(yōu)、抗沖擊能力好、作用速度快的特點，其施工流程如圖2[47]所示。鋼筋網(wǎng)(柔性鋼絲網(wǎng))一般在輕微-中等巖爆中較為適用，強烈?guī)r爆還需結(jié)合有效的超前應(yīng)力釋放技術(shù)共同應(yīng)對。

圖2 柔性鋼絲網(wǎng)施工流程示意圖[47]Fig.2 Sketch of construction process of flexible steel mesh[47]

3.2.3 鋼支撐

鋼支撐是隧洞初期支護的常見措施，同時也是永久支護的組成部分，可以有效防護巖爆導(dǎo)致的巖體垮塌，包括型鋼拱架和格柵鋼架。型鋼拱架是典型的大剛度、強支護措施，利用鋼拱架沿隧洞環(huán)向支撐，提供較大的初期徑向支護阻力，有效增強隧洞結(jié)構(gòu)的剛性和承載力。與型鋼拱架相比，格柵鋼架屬于柔性支護[48]，初期釋放圍巖變形能力較好，施工方便且較為經(jīng)濟，但整體剛度較低。鋼支撐一般用于中等及以上巖爆洞段，根據(jù)巖爆風(fēng)險等級的大小，可采取不同的鋼拱架間距及設(shè)置鋼筋排封閉支護[34]。

3.3 主動+被動聯(lián)合防控

從上述巖爆的主動及被動防控措施可以看出，主動防控既包括對圍巖本身的處理措施，如鉆孔應(yīng)力釋放、高壓噴水等，也包括對圍巖的預(yù)支護和主動支護技術(shù)。被動防控的特征是作用機制的發(fā)揮依賴于隧洞開挖后圍巖產(chǎn)生的變形及破壞，措施主要包括錨桿支護、噴混凝土、柔性防護網(wǎng)及鋼支撐，根據(jù)剛度的大小選取不同材料類型，又可區(qū)分為剛性支護和柔性支護，如圖3所示。

圖3 巖爆的主動與被動防控典型措施Fig.3 Typical methods for active and passive rockburst prevention

一般而言，巖爆的主動防控措施易影響施工進度，故巖爆風(fēng)險不大時，只采取被動防控措施即可。當(dāng)巖爆風(fēng)險較高，面臨強烈?guī)r爆或極強巖爆時，則必須采取有效的主動+被動聯(lián)合防控措施[34]，通過超前應(yīng)力釋放降低圍巖整體巖爆風(fēng)險，同時通過支護體系增強隧洞結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力。理想的應(yīng)力釋放應(yīng)具有高效性，理想的支護體系應(yīng)具有主動和吸能兩大特點[49]。

近年來，基于“噴射鋼纖維混凝土(或納米仿鋼纖維混凝土)+漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿+柔性鋼絲網(wǎng)”的快速柔性支護技術(shù)在一些工程中逐漸得到了應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)的“噴射混凝土+剛性錨桿+鋼筋網(wǎng)”剛性被動支護，新型柔性支護體系具有主動加固和柔性吸能的特點，具有施工速度快、機械化程度高、吸能能力強等優(yōu)勢[47]，但關(guān)于該技術(shù)的耦合作用機理與支護參數(shù)優(yōu)化的研究，目前尚不成熟。

4 鉆爆法和TBM法施工的巖爆防控重點

4.1 不同施工方法的巖爆特點

鉆爆法與TBM法施工下的圍巖巖爆具有一定的共性，如巖爆部位相同、破壞機制相近等。然而，由于隧洞開挖本質(zhì)也是卸荷與應(yīng)力釋放過程，采取不同施工開挖方法，圍巖發(fā)生巖爆時必然也呈現(xiàn)不同的特點，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

(1)巖爆高發(fā)期。 采用鉆爆法施工， 圍巖為瞬態(tài)卸荷， 開挖爆破后數(shù)小時至1 d內(nèi)應(yīng)變能迅速積聚， 此時為掌子面附近圍巖巖爆的高發(fā)期。 如鉆爆法施工的錦屏輔助洞的巖爆多發(fā)生在掌子面開挖爆破后的5～20 h[6]。 采用TBM施工， 圍巖為準(zhǔn)靜態(tài)卸荷， 開挖連續(xù)、 均勻， 巖體內(nèi)應(yīng)變能的劇烈調(diào)整伴隨開挖全過程及停機后1 h內(nèi)， 因此整個掘進作業(yè)過程均為掌子面附近圍巖的巖爆高峰期[50]。

(2)巖爆風(fēng)險等級。采用鉆爆法施工時，巖體內(nèi)部儲存的應(yīng)變能在爆破過程中大量耗散，剩余應(yīng)變能較小，且多一次性釋放，因此同等條件下巖爆等級相對較低，若發(fā)生強烈?guī)r爆，也不具備伴隨輕微-中等巖爆的特點。采用TBM法掘進的隧洞，圍巖存儲的彈性應(yīng)變能耗散較少，且能夠多次釋放，整體巖爆等級較高，在發(fā)生強烈-極強巖爆前伴隨有輕微與中等巖爆[51]。如表1[35]所示，錦屏二級水電站排水洞與輔助洞在樁號SK9+283—SK12+102范圍內(nèi)埋深、巖性條件及斷面尺寸均相似，然而，TBM法開挖的排水洞在巖爆段長度和巖爆等級上均大于鉆爆法開挖的輔助洞。

表1 錦屏二級水電站排水洞與輔助洞巖爆情況對比[35]Table 1 Comparison of rockbursts between the drainage tunnel and auxiliary tunnel of Jinping Ⅱ hydropower station[35]

4.2 不同施工方法的巖爆防控重點

鉆爆法在各種斷面尺寸、復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧洞開挖中適應(yīng)性更強，而TBM法在難以增加施工支洞的圓形斷面、長大隧洞的機械化快速掘進中具有明顯優(yōu)勢。在巖爆防控方面，各自的側(cè)重點也有所不同。

由于鉆爆法施工巖爆的高峰期基本在開挖爆破后數(shù)小時內(nèi)，所以可以視情況采取待避措施或機械作業(yè)[50]。此外，鉆爆法施工下圍巖整體巖爆風(fēng)險較低，但在鉆爆開挖及支護過程中，由于施工作業(yè)人員缺少大型設(shè)備的保護，即使發(fā)生輕微-中等烈度巖爆，也會對人員造成巨大的安全威脅。因此，鉆爆法施工開挖時，巖爆防控的關(guān)鍵在于采取快速、有效的(被動)支護措施，及時加固、封閉圍巖，提高隧洞結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力，有效保護人員安全。若預(yù)測有強烈-極強風(fēng)險，也應(yīng)配合主動防控措施對圍巖提前進行應(yīng)力釋放、弱化等處理。

TBM法施工整體巖爆風(fēng)險較鉆爆法高，但TBM設(shè)備及加裝的防護設(shè)施自身具備一定的抵抗輕微-中等巖爆的能力。然而，當(dāng)遭遇強烈-極強巖爆時，也會造成設(shè)備損毀、人員安全受到威脅，并嚴(yán)重延緩施工進度，無法發(fā)揮TBM法快速施工的優(yōu)勢[35]。因此，TBM開挖方式下的巖爆防控重點是，采取超前應(yīng)力釋放等積極主動的防控措施，將原本可能發(fā)生的強烈-極強巖爆轉(zhuǎn)化為低等級巖爆乃至消除巖爆，使其不利影響處在TBM設(shè)備的承受和自我防護能力范圍之內(nèi)，嚴(yán)格避免由強烈-極強巖爆引起的TBM設(shè)備和支護結(jié)構(gòu)損毀。同時，還需對TBM掘進參數(shù)進行優(yōu)化，如降低掘進速度，以獲得更好的巖爆防控效果[52]。另外，由于TBM是多功能一體的大型復(fù)雜機械系統(tǒng)，在各防控措施的實施過程中，如何與TBM設(shè)備協(xié)調(diào)配合也是值得考慮的問題。

由上述分析可知，TBM法開挖比鉆爆法開挖受巖爆困擾更多，在巖爆防控方面不如鉆爆法靈活，若發(fā)生高等級巖爆，造成的后果也更加嚴(yán)重，因此更加注重主動的超前防控。此外，在一些強烈-極強巖爆情況下，可將TBM法開挖與鉆爆法開挖相結(jié)合，從而發(fā)揮各自的優(yōu)勢，典型的措施即“鉆爆法開挖先導(dǎo)洞+TBM二次擴挖”方案。

5 典型工程的巖爆防控技術(shù)應(yīng)用

5.1 錦屏二級水電站引水隧洞

錦屏二級水電站引水隧洞群具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點，在該隧洞群的鉆爆法和TBM法施工過程中，發(fā)生了一系列中等-強烈-極強巖爆，對人員及設(shè)備造成了不同程度的危害。其強烈-極強巖爆段的防控以機械化作業(yè)為主要手段，主要采取微震監(jiān)測、應(yīng)力解除爆破、先導(dǎo)洞、鋼拱架與錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護相結(jié)合的綜合防控技術(shù)，保證了實際施工的安全和進度，對巖爆預(yù)防和處理取得了較好效果。具體如下[35，53]：

(1)對于鉆爆法施工的洞段，在微震監(jiān)測的基礎(chǔ)上，先采用應(yīng)力解除爆破降低圍巖能量集中，配合高壓水沖洗，然后采取臨時支護措施，包括噴射纖維混凝土、掛鋼筋網(wǎng)、錨桿支護(水脹式錨桿和漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿)、鋼拱架等，后續(xù)跟進機械化系統(tǒng)噴錨永久支護。施工措施采取“短進尺、弱爆破”全斷面開挖，進尺控制在1.5～2.0 m之間，同時保證光面爆破效果。

(2)對于TBM法施工的洞段，當(dāng)具備發(fā)生強烈-極強巖爆風(fēng)險時，采取的防控措施主要是利用鉆爆法開挖先導(dǎo)洞以釋放高地應(yīng)力，隨后TBM二次擴挖。圖4為錦屏二級水電站引水隧洞采取的先導(dǎo)洞典型斷面(半圓和馬蹄形)[54]。在部分極高巖爆風(fēng)險洞段，甚至將原設(shè)計TBM掘進段調(diào)整為全斷面鉆爆法施工，再使TBM安全通過[55]。

圖4 先導(dǎo)洞典型斷面示意圖[54]Fig.4 Sketch of typical section of pilot tunnel[54]

5.2 引漢濟渭工程秦嶺隧洞

引漢濟渭工程秦嶺隧洞嶺南TBM施工洞段埋深大、地應(yīng)力高且?guī)r石完整性好，上述因素導(dǎo)致其施工過程中強烈-極強巖爆頻發(fā)。據(jù)施工過程中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該洞段巖爆一般發(fā)生在拱頂150°及掌子面后方6 m范圍內(nèi)，80%的巖爆在掌子面開挖后2 d內(nèi)生，其中60%為強烈?guī)r爆[2]。其巖爆防控在采用微震監(jiān)測系統(tǒng)提前判斷掌子面前方15 m范圍內(nèi)圍巖巖爆風(fēng)險的基礎(chǔ)上，主要采取如下措施：

掌子面開挖前，根據(jù)巖爆等級，采取合理的參數(shù)進行超前應(yīng)力解除爆破預(yù)處理，配合拱部180°范圍及掌子面的高壓噴水。巖爆試驗段還采用了Φ22 mm砂漿錨桿超前支護。掌子面開挖后，根據(jù)巖爆等級及時采用鋼拱架+鋼筋排進行剛性支護，同時采用納米仿纖維噴射混凝土+漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿+柔性鋼絲網(wǎng)進行柔性支護[56]。上述措施使得圍巖結(jié)構(gòu)迅速形成一個封閉的整體，同時具有較強的吸能能力，一定程度上降低了巖爆破壞支護結(jié)構(gòu)的風(fēng)險，使得TBM能夠安全高效通過巖爆段。

5.3 巴基斯坦N-J水電站引水隧洞

巴基斯坦N-J水電站引水隧洞區(qū)域地質(zhì)條件十分復(fù)雜，在埋深>1 300 m的深埋SS-1砂巖洞段，當(dāng)巖石完整且干燥時，TBM施工巖爆風(fēng)險大幅增加[7]。實際施工中，引水隧洞左右洞共發(fā)生輕微巖爆729次、中等巖爆105次、強烈?guī)r爆11次、極強巖爆1次[57]。巖爆洞段的巖爆風(fēng)險預(yù)測采用微震系統(tǒng)和能量法超前預(yù)報，對于中等及更強烈?guī)r爆，采取的防控措施主要包括[7]：

開挖掘進前，在掌子面頂拱120°范圍內(nèi)施作4～5個超前應(yīng)力釋放孔，并向孔中注射高壓水；對于強烈?guī)r爆洞段，則縮小應(yīng)力釋放孔的間距，同時采用漲殼式錨桿進行超前支護。掌子面開挖后，立即對新揭露的圍巖進行噴灑水軟化處理，同時利用剛性支護與柔性支護措施聯(lián)合加固圍巖。先采取噴射鋼纖維混凝土+漲殼式錨桿支護+掛鋼筋網(wǎng)的柔性支護，隨后進行鋼拱架剛性支護，最后復(fù)噴混凝土。此外，TBM采取短循環(huán)掘進，進尺控制在0.7～1.2 m之間，系統(tǒng)支護及時跟進。

5.4 滇中引水工程香爐山隧洞

目前在建的滇中引水工程香爐山隧洞總長度62.596 km，最大埋深1 450 m，是滇中引水工程最長的深埋隧洞，也是總干渠的關(guān)鍵控制性工程，采用鉆爆法和TBM法組合施工。香爐山隧洞埋深1 250～1 450 m,地應(yīng)力可達40～46 MPa的極高應(yīng)力量級。由于隧洞區(qū)斷褶構(gòu)造發(fā)育且地下水較豐富，硬巖巖爆問題總體上不會很突出，然而在局部復(fù)雜極高應(yīng)力場背景下，在堅硬完整巖體(玄武巖、灰?guī)r等)和地下水貧乏的洞段中仍存在較大的中等-強烈風(fēng)險[58]。據(jù)估計，香爐山隧洞中等巖爆段長4.138 km，占隧洞總長6.61%；強烈?guī)r爆段長0.356 km，占隧洞總長0.57%[59]。針對Ⅲ1類玄武巖潛在巖爆段，初設(shè)采取的巖爆支護措施為錨噴網(wǎng)支護+二次支護的方式，必要時應(yīng)采用管棚或超前小導(dǎo)管及鋼拱架加強支護，支護結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖5所示。

圖5 香爐山隧洞潛在巖爆洞段支護結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Sketch of support structure in potential rockburst section of Xianglushan tunnel

為預(yù)防在建的香爐山隧洞后續(xù)開挖施工過程中可能發(fā)生的強烈-極強巖爆，需開展更深入的研究，探索新型柔性支護措施的作用機理及支護方法。同時，還需要從便于設(shè)計、施工應(yīng)用的角度進一步提出連續(xù)巖爆的主動防控方法，以指導(dǎo)香爐山隧洞的安全高效施工。

4個典型水工隧洞巖爆段的工程地質(zhì)條件和巖爆防控技術(shù)對比如表2所示。從表2可以看出，不同工程巖爆段的巖石性質(zhì)雖有所差異，但普遍處于大埋深及高地應(yīng)力環(huán)境中，且均面臨TBM開挖方式下的強烈?guī)r爆風(fēng)險。巖爆防控方面，各工程基本采取了主動和被動聯(lián)合防控措施共同應(yīng)對中等及以上等級巖爆。其中，主動措施以超前應(yīng)力釋放為核心，輔以噴水處理、預(yù)應(yīng)力錨桿及超前錨桿等；被動措施普遍采取“噴錨網(wǎng)+鋼拱架”聯(lián)合支護，且在部分巖爆洞段使用水脹式錨桿、漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿、鋼纖維(納米仿纖維)混凝土、柔性鋼絲網(wǎng)等高性能吸能支護型式以達到更好效果。

表2 典型隧洞巖爆段的工程地質(zhì)條件和巖爆防控技術(shù)對比Table 2 Comparison of engineering geological conditions and rockburst prevention methods among typical tunnel projects

6 總結(jié)與展望

巖爆防控對于深埋隧洞的安全高效施工至關(guān)重要。本文結(jié)合巖爆的分類、機制、評價預(yù)警方法及防控原則，分析了施工期巖爆防控的主動措施和被動措施，闡述了鉆爆法和TBM施工的巖爆特點和巖爆防控重點，歸納了典型工程的巖爆防控技術(shù)應(yīng)用情況，主要結(jié)論如下：

(1)巖爆防控可分為主動防控和被動防控。主動防控的作用機制是降低圍巖應(yīng)力、改善圍巖性質(zhì)、超前主動支護，進而降低巖爆風(fēng)險，措施包括鉆孔應(yīng)力釋放、超前應(yīng)力解除爆破、先導(dǎo)洞、高壓噴水、鉆孔注水、超前錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿支護。被動防控的作用機制是加固圍巖以提高抗沖擊力，措施包括噴錨支護、鋼支撐、鋼筋網(wǎng)(柔性鋼絲網(wǎng))，根據(jù)延性的不同又可進一步區(qū)分為剛性支護和柔性支護。輕微巖爆采取被動支護即可，中等及以上巖爆則需采取主動+被動聯(lián)合防控，輔以優(yōu)化的施工措施和必要的安全措施，以達到最佳的防控效果。

(2)鉆爆法與TBM法開挖的深埋隧洞具有不同的巖爆特點及防控側(cè)重點。與鉆爆法相比，TBM法施工的巖爆高發(fā)期為整個掘進過程，巖爆風(fēng)險等級更大，且高等級巖爆發(fā)生前伴隨低等級巖爆。TBM法的巖爆防控重點是通過主動防控措施規(guī)避強烈-極強巖爆，鉆爆法的巖爆防控重點是及時封閉支護保護人員安全。

(3)重大深埋隧洞工程基本都采取了主動+被動聯(lián)合防控技術(shù)，以應(yīng)對可能發(fā)生的強烈-極強巖爆。主動防控方面，超前應(yīng)力解除爆破是應(yīng)用最廣泛的措施。被動防控方面，普遍使用噴錨網(wǎng)支護聯(lián)合鋼拱架共同加固圍巖，且由傳統(tǒng)“噴射混凝土+剛性錨桿+鋼筋網(wǎng)”剛性支護逐漸發(fā)展為“噴射鋼纖維混凝土(或納米仿纖維混凝土)+漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿/水脹式錨桿+柔性鋼絲網(wǎng)”的快速柔性吸能支護。

為了更好解決將來深埋隧洞建設(shè)中的巖爆防控問題，可加強以下3個方面的關(guān)注：

(1)考慮巖爆孕育過程和防控時機的動態(tài)防控。一方面，根據(jù)新揭露的地質(zhì)條件和巖爆等級，需對開挖、應(yīng)力釋放和支護方案等進行動態(tài)更新與優(yōu)化[62]；另一方面，巖爆的孕育和發(fā)生是一個時間演化過程，巖爆防控措施的實施存在最優(yōu)時機。在深入掌握巖爆孕育機制及演化過程的基礎(chǔ)上進行實時動態(tài)防控，是需要進一步研究的方向。

(2)兼顧效率和安全的量化精準(zhǔn)防控。當(dāng)前巖爆防控技術(shù)的施工參數(shù)多根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范或經(jīng)驗而定，許多巖爆防控措施的防控效果難以定量評價，可能導(dǎo)致不必要的工期、工程造價增加或防控措施達不到實際巖爆所要求的防控效果。因此，巖爆防控效果的量化評估有待于進一步研究。

(3)更高效的超前應(yīng)力釋放技術(shù)和新型柔性吸能支護體系。 由于巖爆的發(fā)生伴隨著儲存在巖體中彈性應(yīng)變能的大量劇烈釋放， 更高效的超前應(yīng)力釋放和具備主動、 吸能兩大特點的支護體系將更有利于圍巖能量的釋放和轉(zhuǎn)移， 將是防控強烈-極強巖爆的理想手段， 因此有必要開展更深入的研究。