摘要：隨著我國鐵路隧道的大規(guī)模建設(shè)，大量超深埋隧道在高地應(yīng)場條件下的巖爆效應(yīng)將成為鐵路建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)難題。為了判別、預(yù)防巖爆的發(fā)生，提出不同等級巖爆防控措施，通過調(diào)研國內(nèi)相關(guān)專家的研究成果及國內(nèi)外典型巖爆隧道建設(shè)的相關(guān)研究成果，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗，分析巖爆發(fā)生條件、高應(yīng)力狀態(tài)下巖爆發(fā)生機(jī)理、巖爆的預(yù)測、巖爆防治措施及作用機(jī)理，總結(jié)隧道發(fā)生巖爆的特征規(guī)律，提出高應(yīng)力狀態(tài)下不同等級巖爆的防控措施。分析結(jié)果表明，施工過程中巖爆的防治，應(yīng)采取以微震監(jiān)測為主的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法，隧道支護(hù)應(yīng)采用主動支護(hù)和被動防護(hù)相結(jié)合方式，主動支護(hù)主要有預(yù)應(yīng)力錨桿、超前應(yīng)力釋放、拱部超前支護(hù)、優(yōu)化施工工法等措施，被動防護(hù)主要有高強(qiáng)鋼纖維噴射混凝土、鋼拱架、消能防護(hù)網(wǎng)等措施，巖爆的防治技術(shù)的關(guān)鍵在于快速恢復(fù)圍巖原始三軸應(yīng)力狀態(tài)程立，同時采用少人化、無人化的大型機(jī)械化施工，相關(guān)研究成果已納入川藏鐵路巖爆隧道設(shè)計原則。

　　關(guān)鍵詞：鐵路隧道;巖爆隧道;高地應(yīng)力場;主動支護(hù);預(yù)應(yīng)力錨桿;大型機(jī)械化施工

　　引言

　　隨著川藏、滇藏等鐵路的大規(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的效應(yīng)，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，同時給隧道建設(shè)帶來極大影響。目前，國內(nèi)外學(xué)者圍巖的巖爆效應(yīng)也做了大量研究，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)驗的研究，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，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)。康勇等[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)力值的倍。何滿潮[9]通過真三軸主機(jī)巖爆模擬實(shí)驗，得出了90MPa的花崗巖巖爆破壞臨界應(yīng)力值介于100~120MPa的結(jié)論;同時認(rèn)為巖爆試驗中花崗巖聲發(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，106kHz是該類花崗巖瞬時巖爆破壞時重要的特征頻率。

　　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在開挖時掌子面前方約10m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7m范圍內(nèi)，其中掌子面后3m范圍內(nèi)最為明顯;沿洞徑方向，圍巖3m范圍內(nèi)為松動區(qū)，3~9m范圍為損傷區(qū)，9~22m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，系統(tǒng)而全面的研究隧道施工、支護(hù)措施與巖爆的關(guān)系并不多見。本文在總結(jié)已有巖爆特征規(guī)律的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的分析了巖爆的預(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12.5km，單線、設(shè)計時速為160km，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45~190MPa，最大埋深2080m，是目前我國鐵路埋深最大的隧道。在埋深1446m處，實(shí)測最大地應(yīng)力為49.3MPa，推測最大埋深處最大主應(yīng)力為50MPa，最大主應(yīng)力與洞軸近似垂直。 隧道建設(shè)過程中約4500m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)2953m。巖爆持續(xù)時間～168h，發(fā)生巖爆的時段為開挖后～6h，巖爆發(fā)生的位置在75%集中的拱腰處。

　　(2)錦屏二級水電站隧洞群條引水隧洞、條交通洞、條排水洞)，平均長約16.7km，開挖寬度5.7~12.4m，以鉆爆法施工為主，其中條引水隧道東端采用臺TBM施工。隧洞通過地層主要為大理巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度60~210MPa，最大埋深2525m，是目前我國埋深最大的地下隧洞。在埋深1350m處，實(shí)測最大地應(yīng)力為44MPa，推測最大埋深處最大主應(yīng)力為120MPa。隧道建設(shè)過程中單個隧洞約3900m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1070m。即時性巖爆在開挖過程中、開挖后2~5個小時或1~3內(nèi)發(fā)生，間歇性持續(xù)時間數(shù)天至10余天;時滯性巖爆一般發(fā)生在開挖后6~30內(nèi)。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。

　　2巖爆的破壞機(jī)理分析

　　2.1巖爆的定義及分類

　　AI等[1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，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)生時機(jī)的不同，分為即時型巖爆[19](開挖后2h內(nèi)或3d內(nèi)發(fā)生)和時滯型巖爆[20](開挖以后發(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)巖條件下巖爆的發(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)境下巖爆的發(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/σmax<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≤/σmax<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、斷層錯動及大埋深。

　　(3)開挖卸荷效應(yīng)下巖爆的破壞機(jī)理隧道開挖之前，圍巖處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài)下，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(σσ)(約為最大主應(yīng)力的倍)[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，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。

　　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)報分為勘察設(shè)計與施工兩個階段。在勘察設(shè)計階段的預(yù)測主要有強(qiáng)度應(yīng)力比法(/σmax，鐵路隧道設(shè)計規(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。

　　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、再釋放三個過程。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)生時機(jī)及持續(xù)時間的長短，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、以及人員和機(jī)械的安全防護(hù)、巖爆待避等。

　　5川藏鐵路巖爆設(shè)計主要原則

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

　　(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，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。

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　　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)的機(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，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，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，文章中結(jié)合已有工程的經(jīng)驗分析，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。本文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川藏鐵路設(shè)計原則，并應(yīng)用于巖爆隧道的設(shè)計與施工。

　　(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)報措施，提高巖爆的預(yù)測精度，并加強(qiáng)防護(hù)措施。

　　(6)時滯型巖爆發(fā)生時破壞極大,且發(fā)生時機(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。

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　　作者：鞏江峰1，田四明1，楊治剛2