鞏江峰,田四明,楊治剛

(1.中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038； 2.中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司,太原 030024)

引言

隨著我國西南地區(qū)鐵路的大規(guī)模建設(shè)，隧道施工將面臨長段落埋深超過1500m的超深埋隧道引起的巖爆效應(yīng)問題。另外，川藏鐵路走行在印度板塊和歐亞板塊強(qiáng)烈碰撞縫合帶，經(jīng)過岡底斯—喜馬拉雅造山系、班公湖—怒江對接帶羌塘—三江造山系、揚(yáng)子臺地等一級構(gòu)造帶，區(qū)域地應(yīng)力高、環(huán)境復(fù)雜，隧道建設(shè)過程中不可避免地會出現(xiàn)高強(qiáng)度的巖爆。巖爆發(fā)生具有突然性、高危性特點(diǎn)和動力失穩(wěn)特征，在高地應(yīng)力隧道及地下工程開挖過程中發(fā)生頻率極高[1]。巖爆的發(fā)生給隧道施工人員和設(shè)備帶來極大的安全隱患，同時(shí)給隧道建設(shè)帶來極大影響。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對圍巖的巖爆效應(yīng)做了大量研究，研究結(jié)果豐碩。馮夏庭等[2]系統(tǒng)地研究了巖爆機(jī)制和巖爆孕育過程。李天斌等[3]研究了硬脆性巖石熱-力-損傷模型。蒙偉等[4]通過疊加原理，將溫度應(yīng)力場疊加到重力及構(gòu)造應(yīng)力場中，得到了與高地溫相符的巖體初始地應(yīng)力場。

陳衛(wèi)忠等[5]基于脆性巖石卸荷圍壓實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)巖爆是能量積聚-釋放的過程，經(jīng)歷了應(yīng)力集中、能量聚集、微裂紋形成與擴(kuò)展、裂紋貫通、巖爆發(fā)生等階段；同時(shí)由于裂隙的傳播和應(yīng)力的轉(zhuǎn)移不充分，卸荷速率越快，巖爆時(shí)破壞的能量越大。王青海等[6]研究認(rèn)為巖爆是壓致拉裂、壓致剪切拉裂和彎曲鼓折的結(jié)果，提出巖石的噴水軟化系數(shù)越小，噴水降低巖體儲存能力越好的結(jié)論。若斷層破碎帶巖體破碎不具備儲存大能量的條件時(shí)，斷層破碎帶和節(jié)理十分發(fā)育的部位不會出現(xiàn)巖爆；若斷層附近完整巖體由于構(gòu)造應(yīng)力集中效應(yīng)，存儲較大的彈性應(yīng)變能，容易發(fā)生巖爆。許東俊等[7]研究表明，地下洞室周邊圍巖中存在著產(chǎn)生巖爆的極限深度，極限深度的大小與水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值有關(guān)，洞壁巖體從雙軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)逐漸過渡到真三軸應(yīng)力狀態(tài)?？涤碌萚8]利用巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)特性及有限元數(shù)值分析的方法對隧道地應(yīng)力特征和巖爆進(jìn)行了預(yù)測的研究，發(fā)現(xiàn)隧道開挖后最大切向應(yīng)力通常是最大地應(yīng)力值的2倍。何滿潮[9]通過真三軸主機(jī)巖爆模擬實(shí)驗(yàn)，得出了90 MPa的花崗巖巖爆破壞臨界應(yīng)力值介于100～120 MPa的結(jié)論；同時(shí)認(rèn)為巖爆試驗(yàn)中花崗巖聲發(fā)射頻譜經(jīng)歷了由低頻單峰向高頻單峰轉(zhuǎn)變，最后又恢復(fù)低頻單峰，106 kHz是該類花崗巖瞬時(shí)巖爆破壞時(shí)重要的特征頻率。陳炳瑞等[10]通過研究錦屏二級深埋引水隧道TBM施工過程巖爆，發(fā)現(xiàn)TBM在開挖時(shí)掌子面前方約10 m范圍內(nèi)的圍巖已受到不同程度的損傷與擾動，TBM掘進(jìn)后圍巖損傷破裂主要集中在掌子面后7 m范圍內(nèi)，其中掌子面后3 m范圍內(nèi)最為明顯；沿洞徑方向，圍巖3 m范圍內(nèi)為松動區(qū)，3～9 m為損傷區(qū)，9～22 m為擾動區(qū)。谷明成等[11]通過對秦嶺隧道巖爆的研究，得出高彈脆性巖體和高地應(yīng)力環(huán)境是巖爆發(fā)生的必要條件，洞室開挖導(dǎo)致應(yīng)力集中是巖爆發(fā)生的觸發(fā)條件的結(jié)論。

以上研究分別從巖爆與能量的關(guān)系、巖爆與巖體受力關(guān)系、巖爆的發(fā)生與巖體應(yīng)力分布的關(guān)系、特定巖石的巖爆破壞頻率、巖爆的影響范圍等微觀的角度來討論巖爆的破壞特征，但系統(tǒng)而全面研究隧道施工、支護(hù)措施與巖爆的關(guān)系學(xué)術(shù)成果并不多見。本文在總結(jié)已有巖爆特征規(guī)律的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析巖爆的預(yù)測、控制預(yù)防措施及適用范圍。

1 國內(nèi)外典型巖爆隧道特征分析

1.1 國內(nèi)典型巖爆隧道

(1)拉林鐵路巴玉隧道[12]全長12.5 km，單線、設(shè)計(jì)時(shí)速為160 km，隧道通過地層主要為粗粒結(jié)構(gòu)的花崗巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度45～190 MPa，最大埋深2 080 m，是目前我國鐵路埋深最大的隧道。在埋深1 446 m處，實(shí)測最大地應(yīng)力為49.3 MPa，推測最大埋深處最大主應(yīng)力為50 MPa，最大主應(yīng)力與洞軸近似垂直。

隧道建設(shè)過程中約4 500 m長度范圍內(nèi)發(fā)生了不同強(qiáng)度的巖爆，其中，中等及強(qiáng)烈?guī)r爆段落達(dá)2 953 m。巖爆持續(xù)時(shí)間6～168 h，發(fā)生巖爆的時(shí)段為開挖后2～6 h，巖爆發(fā)生的位置在75%集中的拱腰處。圖1為本隧道現(xiàn)場發(fā)生巖爆的情況。

圖1 典型高應(yīng)力條件下隧道巖爆

(2)錦屏二級水電站隧洞群[13](4條引水隧洞、2條交通洞、1條排水洞)，平均長約16.7 km，開挖寬度5.7～12.4 m，以鉆爆法施工為主，其中2條引水隧道東端采用2臺TBM施工。隧洞通過地層主要為大理巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度60～210 MPa，最大埋深2 525 m，是目前我國埋深最大的地下隧洞。在埋深1 350 m處，實(shí)測最大地應(yīng)力為44 MPa，推測最大埋深處最大主應(yīng)力為120 MPa。

隧道建設(shè)過程中單個(gè)隧洞約3 900 m長度范圍內(nèi)發(fā)生了不同強(qiáng)度的巖爆，其中，中等及強(qiáng)烈?guī)r爆段落1 070 m。即時(shí)性巖爆在開挖過程中、開挖后2～5 h或1～3 d內(nèi)發(fā)生，間歇性持續(xù)時(shí)間數(shù)天至10余天；時(shí)滯性巖爆一般發(fā)生在開挖后6～30 d。另外，根據(jù)TBM施工和鉆爆施工對比分析認(rèn)為，深埋隧洞TBM施工引發(fā)巖爆的風(fēng)險(xiǎn)高于鉆爆法施工。巖爆發(fā)生的部位門形隧洞多集中在起拱肩、拱頂處；圓形隧洞多集中在邊墻處。

(3)引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞[14]為一輸水工程，長81.779 km，開挖寬度約8 m，其中，鉆爆法施工42.7 km，TBM施工39.1 km，TBM施工段位于隧洞中間越嶺段。隧洞通過地層主要為砂巖、閃長巖及花崗巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度60～193 MPa，最大埋深2 012 m。在埋深1 160 m處，實(shí)測最大地應(yīng)力為65 MPa，推測最大埋深處最大主應(yīng)力為90 MPa。

隧道建設(shè)過程中約5 359 m長度范圍內(nèi)發(fā)生了不同強(qiáng)度的巖爆，其中，中等及強(qiáng)烈?guī)r爆段落達(dá)2 873 m。巖爆持續(xù)時(shí)間1～28 h，發(fā)生巖爆的時(shí)段為開挖后24 h，TBM施工段中等至強(qiáng)烈?guī)r爆連續(xù)發(fā)生，造成拱部巖體大面積坍塌、邊墻巖體開裂滑塌等災(zāi)害。

1.2 國外典型巖爆隧道

(1)卡姆奇克隧道[15]位于烏茲別克斯坦境內(nèi)安格連至瑟布鐵路，全長19.2 km，單線電氣化鐵路，隧道通過地層主要為花崗閃長巖、正長斑巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度135～210 MPa，最大埋深1 275 m。

隧道建設(shè)過程中約10 532 m長度范圍內(nèi)發(fā)生了不同強(qiáng)度的巖爆，其中，中等及強(qiáng)烈?guī)r爆段落達(dá)4 274 m。本隧道巖爆多在開挖后隨即發(fā)生，輕微巖爆持續(xù)時(shí)間一般2～4 h、最長1～2 d；中等巖爆持續(xù)時(shí)間一般10～12 h、最長3～4 d；強(qiáng)烈?guī)r爆持續(xù)時(shí)間一般12 h左右，最長7 d。

(2)NEELUM-JHELUM隧洞[16]為巴基斯坦一電站引水隧洞，全長28.6 km，隧道通過地層主要為砂巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度75～138 MPa，最大埋深1 920 m，實(shí)測最大地應(yīng)力108.8 MPa，最大主應(yīng)力與隧洞軸線夾角62°～87°，施工采用鉆爆法+TBM相結(jié)合的工法。

針對不同強(qiáng)度的巖爆，設(shè)計(jì)采用調(diào)整TBM掘進(jìn)速度、超前施作水平泄壓孔、加強(qiáng)鋼架支護(hù)等措施予以防護(hù)。施工過程中發(fā)生了極強(qiáng)巖爆，主要集中在拱部10～12點(diǎn)方向，最大爆坑深度達(dá)3.5 m。

基于對國內(nèi)外典型巖爆案例的分析，可以看出大埋深高應(yīng)力條件下隧道在開挖過程中極易發(fā)生巖爆，巖爆發(fā)生的位置、等級及持續(xù)時(shí)間與地應(yīng)力大小、隧道埋深、施工工法有著極其密切的關(guān)系。為系統(tǒng)提出一套預(yù)測巖爆發(fā)生、發(fā)生等級及防控措施，基于巖爆產(chǎn)生機(jī)理對巖爆發(fā)生的特征及典型巖爆工點(diǎn)的防控措施進(jìn)行了研究，總結(jié)歸納了巖爆的預(yù)測方法、巖爆等級預(yù)測及巖爆隧道的施工方法及防控措施。

2 巖爆的破壞機(jī)理分析

2.1 巖爆的定義及分類

CAI等[17]認(rèn)為，突然、劇烈發(fā)生的，且引起地層震動、會對隧道或礦井的開挖造成破壞的圍巖損傷才能被稱為巖爆。巖爆是高地應(yīng)力環(huán)境下堅(jiān)硬、脆性巖體因地下洞室開挖導(dǎo)致巖體內(nèi)積聚的彈性應(yīng)變能突發(fā)性的急劇釋放，引起開挖洞室周壁巖體的松脫、剝落、彈射，甚至是洞室周圍一定范圍內(nèi)巖體的整體塌落。

TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》依據(jù)巖石強(qiáng)度應(yīng)力比及隧道開挖過程中巖爆的危害程度，將巖爆等級劃分為輕微、中等、強(qiáng)烈和極強(qiáng)四類。國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)對巖爆機(jī)理進(jìn)行了深入研究，提出了諸多形成巖爆的力學(xué)機(jī)理，其不盡相同，但總的來說，依據(jù)巖體的力學(xué)表現(xiàn)形式分為剪切破壞型、劈裂破壞型、彎折內(nèi)鼓型及復(fù)合型巖爆[18]。另外，根據(jù)巖爆發(fā)生時(shí)機(jī)的不同，分為即時(shí)型巖爆[19](開挖后1～2 h內(nèi)或1～3 d內(nèi)發(fā)生)和時(shí)滯型巖爆[20](開挖6 d以后發(fā)生)。

2.2 巖爆破壞機(jī)理

影響巖爆發(fā)生的因素較多，其中硬質(zhì)巖體和高地應(yīng)力環(huán)境是引發(fā)巖爆的前提條件，開挖擾動及卸荷效應(yīng)是誘發(fā)巖爆發(fā)生的直接原因。

(1)硬質(zhì)巖條件下巖爆發(fā)生機(jī)理

硬質(zhì)巖的彈性模量、剪切模量、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度高，其應(yīng)力-應(yīng)變主要為彈性變形，破壞前塑性變形很小，在構(gòu)造運(yùn)動中具備存儲很大應(yīng)變能，隧道開挖后洞壁圍巖從三向應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整為雙向應(yīng)力狀態(tài)，洞壁周邊巖體能量進(jìn)一步積聚，隨著臨空面的產(chǎn)生，洞周一定范圍內(nèi)巖體彈性應(yīng)變能量的急劇釋放引發(fā)巖爆。硬質(zhì)巖中巖性的彈性能量指數(shù)和脆性指數(shù)是反映巖體儲存能量的能力及巖體的脆性指標(biāo)，也是衡量巖體發(fā)生巖爆可能性的重要參考指標(biāo)。代表性巖性有花崗巖、大理巖、灰?guī)r、白云巖、石英砂巖等。

(2)高地應(yīng)力環(huán)境下巖爆發(fā)生機(jī)理

巖爆的發(fā)生受圍巖強(qiáng)度、初始地應(yīng)力狀態(tài)、巖體構(gòu)造環(huán)境、施工方法等多種因素影響，其中初始地應(yīng)力決定了巖體中彈性應(yīng)變能的大小，也是判定高地應(yīng)力環(huán)境的主要指標(biāo)。GB/T50218—2014《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》將初始巖石強(qiáng)度應(yīng)力比Rc/σmax<4為極高地應(yīng)力區(qū)，易發(fā)生強(qiáng)烈、極強(qiáng)等級的巖爆；4≤Rc/σmax<7為高地應(yīng)力區(qū)，易發(fā)生輕微、中等強(qiáng)度的巖爆。引起初始高地應(yīng)力環(huán)境的主要原因有地質(zhì)構(gòu)造、斷層錯(cuò)動及大埋深。

(3)開挖卸荷效應(yīng)下巖爆破壞機(jī)理

隧道開挖之前，圍巖處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài)，處于“彈性壓縮”狀態(tài)下，隧道開挖后洞壁巖體徑向應(yīng)力解除，巖體向隧道內(nèi)變形。如圖2所示，由于初始應(yīng)力場的重新分布，造成切向應(yīng)力集中，最大值可達(dá)到(3σ1-σ3)(約為最大主應(yīng)力的2倍)[2]。切向應(yīng)力的陡增引起洞周圍巖體應(yīng)變能的陡增，當(dāng)應(yīng)力超過巖石抗壓強(qiáng)度時(shí)，周邊巖體在應(yīng)力集中作用下微裂紋不斷產(chǎn)生、擴(kuò)展、貫通，當(dāng)外部巖體釋放的能量大于裂紋產(chǎn)生所需要的能量，剩余的彈性應(yīng)變能將轉(zhuǎn)化為動能，使破裂的巖塊以剝落、彈射，甚至是大范圍的內(nèi)部巖體垮塌脫離。

圖2 洞壁巖塊隨開挖應(yīng)力變化示意

3 巖爆隧道的預(yù)測及分析

隧道施工過程中是否會發(fā)生巖爆，巖爆發(fā)生的強(qiáng)弱，其預(yù)測、預(yù)報(bào)分為勘察設(shè)計(jì)與施工兩個(gè)階段。在勘察設(shè)計(jì)階段的預(yù)測主要有強(qiáng)度應(yīng)力比法(Rc/σmax，鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范)，在施工階段主要有Russenes判據(jù)法、基于Kaiser聲發(fā)射效應(yīng)的微震監(jiān)測、鉆屑法及水分法等。在此基礎(chǔ)上結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地下水發(fā)育狀況、巖石的脆性指數(shù)、節(jié)理裂隙發(fā)育情況、物探成果等進(jìn)行綜合判斷分析。結(jié)合對國內(nèi)外已修建的工程的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，高應(yīng)力區(qū)巖爆特征主要如下。

(1)勘察設(shè)計(jì)階段采用強(qiáng)度應(yīng)力比法(Rc/σmax)對巖爆進(jìn)行預(yù)測，基本能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測及巖爆發(fā)生的情況分析，實(shí)際發(fā)生巖爆地段占預(yù)測的22%～90%。

(2)發(fā)生巖爆的地段一般情況干燥無水，且?guī)r體較完整。

(3)斷層帶內(nèi)發(fā)生巖爆的概率較低，斷層帶附近完整巖體內(nèi)發(fā)生巖爆的概率較高。

(4)微震監(jiān)測能夠有效監(jiān)測到巖爆的發(fā)生，其準(zhǔn)確率可達(dá)50%～80%，且?guī)r爆的等級越高，預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率越高。

(5)巖爆的預(yù)測應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場圍巖監(jiān)控量測及已開挖段發(fā)生巖爆的情況，并結(jié)合理論分析進(jìn)行綜合預(yù)判。

(6)巖爆跟埋深有關(guān)系，但不是正比關(guān)系。國外曾經(jīng)在埋深65 m處發(fā)生巖爆，但發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆段埋深一般都大于800 m。

4 巖爆隧道的處置措施及適用范圍

巖爆發(fā)生的過程大致經(jīng)歷能量釋放、積聚、再釋放3個(gè)階段。第一階段能量釋放，隧道開挖損傷區(qū)以外擾動區(qū)巖體彈性應(yīng)變能釋放；第二階段能量積聚，松動區(qū)及損傷區(qū)圍巖應(yīng)力集中，巖石內(nèi)部裂隙閉合→彈性變形→開始產(chǎn)生裂隙，過程中伴隨著明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象；第三階段能量釋放，松動區(qū)內(nèi)部巖體裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展→裂隙貫通→脫離巖塊的脫落、彈射。

根據(jù)巖爆預(yù)測等級發(fā)生時(shí)機(jī)及持續(xù)時(shí)間的長短，巖爆的處置可分為主動支護(hù)和被動防護(hù)措施。主動支護(hù)措施主要有超前應(yīng)力釋放(鉆孔泄壓、高壓噴水、超前施工小導(dǎo)洞)、超前支護(hù)、預(yù)應(yīng)力錨桿、調(diào)整開挖進(jìn)度、優(yōu)化開挖工法以及調(diào)整開挖洞型等；被動防護(hù)措施主要有噴射混凝土(鋼纖維混凝土)、鋼筋網(wǎng)(高強(qiáng)鋼絲網(wǎng))、型鋼(格柵)鋼架、人員和機(jī)械的安全防護(hù)、巖爆待避等。

(1)超前應(yīng)力釋放

超前應(yīng)力釋放主要采取超前施做鉆孔釋放應(yīng)力及掌子面噴水、鉆孔注水等措施。其中超前應(yīng)力釋放孔主要解決掌子面巖爆問題，一般情況下是垂直掌子面施作長1～3倍開挖洞徑的鉆孔，在爆破過程中使掌子面一定深度范圍內(nèi)形成破碎帶，解除掌子面附近圍巖的應(yīng)力集中，并使應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，減少巖體積聚的彈性能，以降低掌子面發(fā)生巖爆的風(fēng)險(xiǎn)。一般情況下在巖爆等級為強(qiáng)烈及以上地段采用超前鉆孔應(yīng)力釋放。

掌子面噴水或超前鉆孔內(nèi)注水可有效降低圍巖的彈性模量，降低巖體脆性指標(biāo)，降低巖體內(nèi)的能量積聚，降低巖爆風(fēng)險(xiǎn)，適用于各等級的巖爆地段。

(2)超前支護(hù)

開挖前在拱部周邊設(shè)置長3～6 m小導(dǎo)管或者錨桿，其主要功能在于防止拱部巖體在殘余應(yīng)變能的作用下脫落、彈射、垮塌，超前支護(hù)可有效減少和降低拱部巖爆風(fēng)險(xiǎn)。一般情況下應(yīng)用于強(qiáng)烈及以上巖爆地段。

(3)隧道開挖方式

隧道開挖涉及開挖工法、開挖進(jìn)尺、開挖洞型等，所有的內(nèi)容均圍繞開挖如何釋放巖體內(nèi)部的彈性應(yīng)變能。相關(guān)科研及試驗(yàn)證明，一次開挖斷面越大、進(jìn)尺越長，由于彈性應(yīng)變能釋放不充分，開挖后彈性應(yīng)變能瞬間釋放，巖爆的風(fēng)險(xiǎn)高，宜采用小斷面短進(jìn)尺的開挖工法。隧道開挖輪廓宜盡量圓順，減少局部應(yīng)力集中而產(chǎn)生巖爆。另外預(yù)裂光面爆破技術(shù)可有效降低隧道開挖輪廓外巖體的損傷，從而降低巖爆風(fēng)險(xiǎn)。

(4)噴射混凝土

隧道開挖排險(xiǎn)后噴射混凝土能迅速形成支護(hù)能力，封閉暴露的巖體，同時(shí)配合鋼筋網(wǎng)(高強(qiáng)鋼絲網(wǎng))快速形成柔性支護(hù)體系，一方面對圍巖形成一定的支護(hù)力，另一方面避免洞壁應(yīng)力集中區(qū)巖爆發(fā)生脫落、彈射的巖塊危及施工人員及設(shè)備的安全。為了提高噴射混凝土的抗拉能力，通常采用高強(qiáng)度等級的噴射混凝土，在混凝土中摻加鋼纖維，或采用納米混凝土等。強(qiáng)烈及以上巖爆地段，噴射混凝土宜采用鋼纖維混凝土。

(5)預(yù)應(yīng)力錨桿

隧道開挖就是將洞壁一定范圍內(nèi)的巖體從三向應(yīng)力狀態(tài)瞬間在橫向或者豎向卸荷，轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)，地應(yīng)力在開挖影響范圍內(nèi)重新調(diào)整。在這個(gè)過程中切向應(yīng)力變大，洞壁巖體破壞，及時(shí)施作預(yù)應(yīng)力錨桿，可迅速恢復(fù)圍巖的三向受力狀態(tài)，并使應(yīng)力向深部巖體轉(zhuǎn)移，降低洞周發(fā)生巖爆的風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的系統(tǒng)錨桿(砂漿或中空)是圍巖發(fā)生變形受拉后才能發(fā)揮作用，也可降低巖爆的風(fēng)險(xiǎn)，屬被動防護(hù)。預(yù)應(yīng)力錨桿主動支護(hù)適用于中等及以上巖爆地段。

(6)鋼架支護(hù)體系

在強(qiáng)烈、極強(qiáng)巖爆地段，由于洞周巖體損傷較為嚴(yán)重，應(yīng)力調(diào)整過程中可能產(chǎn)生較大范圍內(nèi)巖體裂隙的貫通，一旦支護(hù)能力不足可能會導(dǎo)致大面積的垮塌。為了提高錨噴支護(hù)體系的支護(hù)剛度，通常在噴射混凝土中設(shè)置型鋼鋼架或格柵鋼架。巖爆地段鋼架受力主要為彈性應(yīng)變能的突然釋放荷載，型鋼鋼架在應(yīng)對巖爆突然釋放的荷載方面更為適合。采用鋼架支護(hù)適用于強(qiáng)烈及以上巖爆地段。

(7)待避

根據(jù)拉林、成蘭、西康等鐵路隧道的統(tǒng)計(jì)分析，巖爆發(fā)生的主要時(shí)段是開挖后1～8 h內(nèi)；錦屏及秦嶺引水工程即時(shí)性巖爆發(fā)生在開挖后5～24 h內(nèi)，時(shí)滯型巖爆發(fā)生在開挖后6～30 d內(nèi)。對于在開挖8 h以內(nèi)發(fā)生的巖爆，根據(jù)實(shí)際情況可采取等待巖爆發(fā)生后再進(jìn)行處置的方案，該方法對施工工效影響較大。

(8)機(jī)械化施工及人員防護(hù)

根據(jù)調(diào)研巖爆隧道后期運(yùn)營過程中未發(fā)生因巖爆而產(chǎn)生病害，故巖爆隧道防治重點(diǎn)關(guān)鍵在施工期人員及設(shè)備的防護(hù)，重點(diǎn)是人員安全的防護(hù)。另外巖爆在發(fā)生過程中伴隨劇烈的聲響，對作業(yè)人員的心理影響極大，最有效的手段就是掌子面附近采用高度機(jī)械化施工，實(shí)現(xiàn)少人化、無人化或遠(yuǎn)程操控，可有效避免巖爆產(chǎn)生的傷害。

5 某高原鐵路巖爆設(shè)計(jì)主要原則

某高原鐵路預(yù)測隧道通過巖爆段長度約161 km，其中強(qiáng)烈?guī)r爆地段約19 km，中等巖爆地段約72 km。巖爆地段中實(shí)測最大水平地應(yīng)力為47.7 MPa，分析預(yù)測最大水平地應(yīng)力達(dá)75 MPa。為了降低巖爆對工程的影響，結(jié)合相關(guān)課題研究高原鐵路巖爆設(shè)計(jì)的主要原則如下。

(1)采用以“微震監(jiān)測+超前長距離鉆孔”為主的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，有效預(yù)測掌子面前方巖爆發(fā)生的地段及強(qiáng)度。

(2)中等及以上巖爆地段采用大型機(jī)械化施工，盡可能減小掌子面附近人員暴露作業(yè)。

(3)巖爆地段錨桿均采用預(yù)應(yīng)力錨桿。

(4)巖爆地段噴射混凝土采用C30高強(qiáng)纖維混凝土，中等及以上巖爆地段設(shè)置消能防護(hù)網(wǎng)。

(5)強(qiáng)烈、極強(qiáng)巖爆地段設(shè)置鋼拱架防護(hù)。

(6)TBM施工通過巖爆地段，結(jié)合巖爆強(qiáng)度等級，采取調(diào)整掘進(jìn)速度、拱部設(shè)置鋼筋排、邊墻設(shè)置消能防護(hù)網(wǎng)、設(shè)置鋼拱架、架設(shè)鋼管片等綜合防護(hù)措施。

6 結(jié)論與建議

通過對典型巖爆特征規(guī)律系統(tǒng)的分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力作用下隧道巖爆具有特定的特征規(guī)律，在系統(tǒng)分析巖爆產(chǎn)生和防護(hù)機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外典型巖爆工程的案例經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)歸納總結(jié)了巖爆的控制方法，并對巖爆控制的關(guān)鍵因素提出建議。

(1)注重巖爆的預(yù)測預(yù)報(bào)，采取多種方式綜合預(yù)測，并結(jié)合施工期間的微震監(jiān)測進(jìn)行綜合判定，且目前強(qiáng)烈以上巖爆采用微震監(jiān)測，預(yù)測的準(zhǔn)確率可達(dá)80%以上，結(jié)合已有工程的經(jīng)驗(yàn)分析，給出了發(fā)生巖爆地段的工程地質(zhì)特點(diǎn)。

(2)巖爆的防治技術(shù)手段重點(diǎn)是如何快速恢復(fù)原始三軸地應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)考慮提前釋放圍巖內(nèi)部的彈性應(yīng)變能，降低巖體的彈性、脆性。首次提出了巖爆隧道的支護(hù)措施應(yīng)采用主動支護(hù)與被動防護(hù)相結(jié)合的綜合防治措施，較為全面的論述了相關(guān)防護(hù)措施的作用機(jī)理，并給出了不同防護(hù)措施的適用范圍。

(3)巖爆隧道最大的危害是在施工期威脅掌子面附近作業(yè)人員的人身安全，采用少人化、無人化的大型機(jī)械化智能施工是解決巖爆隧道快速施工的關(guān)鍵。

(4)本文研究成果目前已成功納入高原鐵路設(shè)計(jì)原則，并應(yīng)用于巖爆隧道的設(shè)計(jì)與施工。

(5)TBM施工巖爆隧道，由于施工進(jìn)度較快，開挖過程中的能量釋放有限，同時(shí)TBM掘進(jìn)過程中對微震監(jiān)測干擾較大， 施工過程可能誘發(fā)較大規(guī)模的巖爆，需進(jìn)一步研究TBM 搭載式綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)措施，提高巖爆的預(yù)測精度，并加強(qiáng)防護(hù)措施。

(6) 時(shí)滯型巖爆發(fā)生時(shí)破壞極大， 且發(fā)生時(shí)機(jī)難以掌握，目前尚難以準(zhǔn)確預(yù)測，需要積極開展相關(guān)研究，以指導(dǎo)施工。