水电站设计 第３０卷第３期 Ｄ Ｈ Ｐ Ｓ ２ ０ １ ４年９月 超深埋隧洞ＴＢＭ施工的岩爆研究 史永跃，李卫国，张美华，赵 伟，任 铭 （四）ｑ－－滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都６１００７２） 摘要：ＴＢＭ工法最显著的优势就在于掘进速度快，其决定性因素是掘进、支护设备与隧洞地质条件的匹配程度，而岩爆（尤其是 强烈岩爆）是制约锦屏二级水电站隧洞开挖进度的瓶颈问题。本文结合施工排水洞岩爆现象及支护处理措施，对岩爆的声学特 征、时空效应、破坏方式等进行分析，总结了ＴＢＭ施工洞段岩爆的特点。在水电隧洞工程中引入了微震监测进行岩爆预报，也是 目前岩爆监测与预报或预警最有效的技术之一。在对岩爆发生规律、特点、预报研究的基础上，根据ＴＢＭ设备的特点和能力，提 出了防治不同等级岩爆的工程措施和建议。 关键词：ＴＢＭ；岩爆；施工排水洞；微震监测；锦屏二级水电站 中图分类号：ＴＶ６７２．１；ＴＶ２２１．２ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００３—９８０５（２０１４）０３—００９７—０８ 锦屏二级水电站长隧洞由平行的２条辅助洞 ０前 言 （１７．５ｋｍ）、１条施工排水洞（１６．７３ｋｍ）和４条引水 隧洞（１６．６７ｋｍ）组成，７条隧洞的主洞段平行布置， ＴＢＭ综合应用了计算机、自动化、机械、新材 方位角为Ｎ５８。Ｗ。１号、３号引水洞和施工排水洞 采用ＴＢＭ施工，其余隧洞采用传统的钻爆法开挖。 隧洞洞群沿线上覆岩体厚度一般为１ ５００～２ ０００ｍ， 最大约为２ ５２５ｍ，具有地质条件复杂、埋深大、洞线 料、系统科学等领域里的高新技术，相对于传统钻爆 法具有明显的快速、优质、安全、环保等优点，从松散 软土到极坚硬的岩石都可应用，在国际上有“移动 式掘进工厂”之美誉¨Ｉ２ｊ。近几年的隧道工程建设 中，有３０％～４０％是采用ＴＢＭ进行开挖的，然而， 由于ＴＢＭ设备庞大，对地质条件适应性没有钻爆 法那样灵活，在没有预警的情况下遇到不良地质条 件时，ＴＢＭ掘进受到的影响远大于钻爆法，往往导 长、洞径大、通风难、施工干扰大等特点，为超深埋长 隧洞特大型地下水电工程，目前是世界上规模最大 的水工隧洞工程。已通车的Ｂ辅助洞位于排水洞 右侧，断面６ｍ×６．５ｍ（宽×高），与排水洞轴线中心 线水平间距为３５ｍ，其中最小底板高差为３．５ｍ，最 大高差为９５ｍ；已贯通的４号引水洞位于排水洞的 左侧，洞径为１３ ｍ×１３ｍ的马蹄形断面，与排水洞 致掘进速度缓慢、效率低下、工期拖延，如果处理不 当，甚至会带来灾难性后果 叫 。 以往我国对ＴＢＭ施工工程地质问题研究，主 轴线中心线水平间距为４５ｍ。 在排水洞ＴＢＭ施工过程中，多次在局部超高 应力集中的完整、硬脆性大理岩洞段发生了强烈或 极强岩爆，威胁着施工人员和机械设备的安全，并造 成长时间停机。虽然辅助洞岩爆的研究取得了一定 的成果，但由于问题的复杂性和施工方法的不同，难 以完全照搬过来防治ＴＢＭ施工中的强烈岩爆。本 文基于ＴＢＭ施工支护前后遇到的岩爆现象及所采 取的应急处理措施，同时结合辅助洞和４号引水隧 洞岩爆防治的研究成果，对ＴＢＭ施工岩爆特点及 要侧重于施工中遇到的软岩及构造破碎带等不良地 质体引起的工程地质问题＿５ Ｊ，诸如突水、塌方、卡机 等工程事故，如昆明掌鸠河引水供水工程、山西万 家寨引黄工程、八十一大坂隧洞、辽宁大伙房引 水隧洞等。而对ＴＢＭ在深埋、高地应力、坚硬完整 岩体中掘进的岩爆问题研究较少，国内尽管对秦岭 铁路隧道和天生桥二级引水隧洞ＴＢＭ施工的岩爆 开展过相关研究，但这两条隧道（洞）的平均埋深和 地应力均不足锦屏二级隧洞的一半，属于轻微～中 等岩爆，对锦屏二级超深埋超高地应力的强岩爆防 治的工程类比作用有限。 预防进行了研究，以期对类似工程ＴＢＭ施工的岩 爆防治提供一定的参考和借鉴。 收稿日期：２０１３—０５—２９ 作者简介：史永跃（１９７６一），男，内蒙古五原县人，高级工程师，从事水电工程咨询与管理工作。 地应力场（倾角６．４５。）逐渐过渡为以近垂直地应力 １ 锦屏二级水电站长隧洞工程地质条 （倾角７５．４。）为主的自重应力场 （见图１），但地 件 隧洞穿过的主要地层为三迭系，由东向西先后 揭露中统盐塘组（Ｔ ）大理岩、白山组（Ｔ ）大理岩、 上统（Ｔ ）砂板岩、杂谷脑组（Ｔ ）大理岩、下统（Ｔ ） 器嚣 一 关系 叭憎随 绿泥石片岩和变质中细砂岩等地层。 隧洞区地应力场的主要控制因素是岩体自重和 近东西向的水平挤压，其次是近南北向的水平挤压， 东、西端实测最大应力值４６．５１ＭＰａ（埋深１ ８９５ｍ）。 隧洞轴线（Ｎ５８。Ｗ）与现代主构造应力方向（ＮＷＷ ～恒 洞 探洞Ｎ／ｍ ＳＥＥ）的夹角小于３０。，两者近于平行。据锦屏二 图１ 锦屏二级探洞实测最大主应力分布变化示意 级已有地应力测试结果进行的三维初始应力场反演 根据华东院所做的新鲜岩石常规物理力学试验 成果 （见表１），岩石平均饱和抗压强度均大于 回归分析，在隧洞轴线剖面上的最大主应力（ ，） 值为７０．１ ＭＰａ，最小主应力（ ）值为３０．１ＭＰａ。 随着隧洞埋深的增加，地应力从岸坡附近的近水平 ６０ＭＰａ，属于坚硬岩，其中白山组大理岩平均饱和抗 压强度高达１２２．１ ＭＰａ。 表１ 隧洞东端岩石物理力学参数平均值 按照（ＧＢ５０２８７—２００６）《水力发电工程地质勘 灾难性的，如１ｌ・２８极强岩爆造成了设备毁坏，停 工２年后直接用混凝土回填。 综上所述，强烈的破坏性岩爆是控制锦屏二级 察规范》对地应力分级和岩爆等级划分标准，处于 弹性状态的脆性岩石，当其强度应力ＬＬ４＂，于７时就 可能发生岩爆，即埋深大于５００ｍ的大理岩洞段就 ＴＢＭ施工进度、安全和投资的一个最突出问题。岩 爆崩落或弹射的大量岩块不但损坏机械设备，同时 直接威胁作业人员的生命安全，给作业人员的心理 造成极大的压力，而且岩爆崩落岩块的清理大型机 械设备根本无用武之地。每次岩爆发生后的工程处 理耗时长，由于破坏性岩爆导致ＴＢＭ停机处理累 计已达１０２天，以及在岩爆洞段要采取人工喷混凝 具备了发生轻微岩爆的条件。锦屏二级隧洞区属于 极高地应力，局部应力集中洞段或部位岩石强度应 力比小于１，也具备了发生极强岩爆的地质条件。 ２排水洞岩爆对ＴＢＭ掘进的影响 施工排水洞采用美国ＲＯＢＢＩＮＳ公司生产的开 土、立钢拱架、挂网、锚杆联合支护，不但进度慢而且 施工安全风险很大，不仅没有发挥ＴＢＭ快速掘进 的优势，而且严重影响了施工进度计划，增加了工程 投资。 敞式ＴＢＭ施工，由东端向西端顺坡掘进，直径 ７．２ｍ。２００８年６月１８日从桩号ＳＫ１５＋０５２开始试 掘进，２００９年１１月２８日掘进至桩号ＳＫ９＋２８３，１８ 个多月总进尺５ ７６９ｍ（包括２个月试掘进），平均日 进尺１０．９０５ｍ，最高日进尺５０．００１１ＴＩ，平均月进尺 ３２０．４６ｍ，最高月进尺７５３．２７７ｍ，ＴＢＭ掘进月进尺 变化如图２所示。 ３排水洞ＴＢＭ施工段岩爆发生的特 点及分布规律 施工排水洞ＴＢＭ掘进过程中，现场地质人员 对每次岩爆的发生、发展过程进行了详细的记录。 第一次轻微岩爆发生在桩号ＳＫＩ５＋Ｏ３３左侧（北 排水洞ＴＢＭ掘进过程中，发生大小岩爆数以 千计，先后发生了１４次破坏性强烈或极强岩爆。可 以看出强岩爆对施工进度的影响非常明显，甚至是 ９８ ８００ ｏ 一 ７００ 第 ６００ 自 ● ２ｃ ０Ｌ ，ｓ 蕃（ １） ｊ１． ｌ Ｉ ７）； 定 一 ；７‘ ｌ 甬； Ｋ ５ ）０】 ／Ｓ ；８一 一 ～姗 一 姗 一 瑚 ｔ３， 一 （１： ｊ３ 一 ｊ， ● 占Ｉ 量 ｇ — 一 一 ５００ 目４００ Ｉ２： 一 欢 岩 爆 ｝３ｌ —＿ ２ｌ ＩＯＬ ／ｓ ｝７ 一 第（５） （６）次 岩爆 抬高 轨道 １５９ ３００ 口 ２４１ ２００ １００ ２１ ０ ．ｎ． ．几． 车２ｉ ＝ｉ 寻 时 ．兽ｉ 几． － ．几．ｎ． ．几．兰 ５１ ３４ ６８ 岩爆 第（８）第（９） 次岩次岩 爆 爆 第∞第ａＤ 次岩∞∞ 爆 ∞次 寻葛 ｉｉ 洋 军车２ ＝ＩＩ 蚕 薰 蚕 萋 蚕 蚕 蚕 蚕 蚕 § 奏 奏 蚕 蚕 鸯 蚕 鸯 奏 间 图２施工排水洞ＴＢＭ掘进月进尺情况 侧）拱肩，爆坑深０．６ｍ，垂直埋深约Ｉ Ｏ００ｍ。随着 ＴＢＭ向前掘进，从盐塘组（Ｔ： ）大理岩进入白山组 （Ｔ ）大理岩后，隧洞埋深相应增加，最深已达到 内，这与ＴＢＭ支护设备在该范围内不能及时有效 支护有着密切的关系。排水洞ＴＢＭ开挖的累计岩 爆洞段长达２ ０２０．４ｍ，占到了ＴＢＭ开挖洞段的 ２ ３６０ｍ，相应岩爆发生频率和强度也不断增加。岩 爆主要发生在掌子面至指形护盾间约６ｍ的范围 序号岩爆日期 岩爆桩号 Ｓ Ｋ １４＋３５％，其中对ＴＢＭ施工设备和人员威胁最大的破 坏性岩爆有１４次（如表２所示）。 位 停 加 备∞ 注 ∞ ∞ 表２ 施工排水洞ＴＢＭ掘进段破坏性岩爆统计 岩性 滞 ４１５－豫 煳岩ｚ…ｓ ６３－７４ｈ 删壁ｔ ｏｏ ｚ． ｓ ７０ １ ７２１ ２．８ 支护后发生岩爆，４榀拱架折断或 严重变形，在向斜核部，岩性变化 接触带 ２ ２００８／９／１２ ＳＫ１４＋２５１ 灰白色粗晶大理岩 ５—１５ ２０—２５ｈ两洞壁腰线 １ ７４０ ２．０ ＳＫ１４＋２４１（Ｔｉｙ） ＳＫ１４＋２２２（Ｔｉ ） 。， 支护后发生岩爆，６榀拱架严重变 形，ＮＷＷ向缓倾结构面控制 声响沉闷，钢拱架未能及时安设， 指形护盾变形 支护后发生岩爆，４榀钢拱架 （ＨＩ２５）出现断裂、弯曲变形 锚杆、随机钢筋网支护后，锚杆钻 机及操作平台损坏 钢拱架支护前发生岩爆，设备局部 变形受损 钢拱架支护后发生岩爆，高压电 缆、四平线、通信光纤破坏 掌子面岩爆，岩粉突出，卡死刀盘 和护盾，主轴承铁屑增多 支护后发生岩爆，８榀Ｈ。： 钢拱架 折断或严重变形 ＮＮＷ向结构面控制，４榀拱架严 重变形，７榀折断，锚杆钻机操作 平台被压，大量岩粉喷出，以拳头 大小的棱块体居多 掌子面发生极强岩爆卡刀盘，声响 大，１１月６日就发生过强岩爆，使 ＴＢＭ水平方向偏离轴线１３ｍｍ ＳＫ１４＋２３０～灰白色粗晶大理岩 ＳＫ１２＋４６５ 灰白色条带粗晶大 （执刀ｌ可 ｄ一１２ ４０～４５ｈ 辟 ５ ＳＫ１２＋４４５理岩（ ） ＳＫ１１＋９５０一灰白色条带状粗晶 ５一ｌ５ ＳＫＩ１＋９４０大理岩（Ｔ２ｂ） ＳＫＩ１＋９１７ 灰白色粗晶大理岩 ＳＫＩ１＋９０６（Ｔ２ｈ） ５—１６ ８～２８ ２０—４０ｈ 拱肩 ３—１０ｈ 流方向右１ ８００ ２一 ２ ．壁及拱肩 变鎏 向右１ ８５０ ２一 ３ 壁及拱肩 鎏室向右１ ８７５ ２一． ５ 水流方向右１ ８００ １一 ．。 ， ３５ｈ ‘ ＳＫ１２＋４７５ 灰白色条带状大理 ＳＫ１２＋４６７岩（Ｔｉ ） ８ ２０ｏ９／６／３０ ８９２ ６６ｄ 辟 一 ２ ＳＫ９＋８７０ 灰白色细晶大理岩 Ｏ一８ ｓＫ９＋８６２（Ｔ，ｂ） ＳＫ９＋８３４～灰白色细晶大理岩 ５—１６ ＳＫ９＋８２３（Ｔ２ｂ） ０—１０ｈ 周围 面和护盾２ ００９ ３５ ．９ ２００９／７／２９ １０—５０ｈ 壁及拱肩 鎏 向右２ ０１４ 。 ３．’ ３ ．。 ～ 煳岩ｓ—ｚｚ ２４ｈ￣６ｄ虿 。。范ｚ。ｓ…。ｚ∞ 一 ＳＫ９ ２：＋ （％ ９１ Ｔ２ｈ） 纽晶大理岩。－５ ０－４８ｈ围和掌子面范ｚ ３３５¨＿ ６０ ＳＫ９ ２８８ ６ 岩（Ｔ２ｂ） 。＋ －５ ０－４８ｈ围和掌子面 ３５０ ｚ．ｓ ・ １２０ ＴＢＭ换步时护盾内发生，岩粉喷 出，声响巨大，已喷混支扩，刀盘被 卡，ＴＢＭ水平方向偏离轴线 ２０ｍｍ ， 岩 ０￣７２ｈ 范ｚ ｓ …ｚ ｚ 。 两榀拱架下沉十多厘米，声响大， 最深塌坑３．２ｍ，刀盘被卡 Ｋ９＋３１７－ｓＫ９＋２８３灰白细晶大理岩。（Ｔ２ｂ ～２３ ０－５５ｄ 套箸方向右２ ３６。８．。４ｏｏ 受ＮＷＷ与隧洞轴线小夹角结构 停机２年面控制，伴有巨大的似轰雷般的响 多，未拆声，且有很大的冲击波，瞬间灰白 除，用混凝色的粉尘弥漫约１Ｏ分钟后逐渐消 土回填 散，震动剧烈，厚８０ｍｍ的高强钢 板主梁前段在焊缝处折断 可以看出，破坏性强烈岩爆集中发生在灰白色 的 和Ｔ 大理岩中，埋深大于１ ６００ｍ（主要发生 在大于２ ０００ｍ洞段），且一般发生在隧洞右拱肩 （靠近Ｂ辅助洞），滞后开挖时间２Ｏ小时以上；发生 外水压力的地质条件，在水电围岩分类ＨＣ的基础 上进行了修正，引入了地应力修正系数以反映高地 应力对围岩的影响，形成了与实际围岩类别较为接 近的ＪＰＨＣ分类法。该分类法把在Ⅱ、Ⅲ类围岩段 了５次掌子面及护盾内卡刀盘的极强岩爆，其余均 （１．５倍洞径）范围内，大部分是在拱架支护后发生 的，爆坑深大于２ｍ，已支护的钢拱架均被强烈岩爆 折断或严重变形。 发生的岩爆分成了轻微岩爆（１Ｉ ｂ）、中等岩爆（Ⅲ 用ＪＰＨＣ分类法对施工排水洞ＴＢＭ掘进的５ ７６９ｍ 洞段进行了围岩类别划分，同时与其两侧钻爆法开 挖的４号引水洞和Ｂ辅助洞对应洞段的围岩类别 进行对比分析（见图３）。 ∞ ∞－ｊ册如∞ 瞧姐 如 ｂ）、强烈岩爆（１０别 炎 Ｖｂ）和极强岩爆（Ｖｂ）四个级别。采 是在出了指形护盾后发生的，集中在距掌子面１１ｍ 华东院针对锦屏二级深埋隧洞的高地应力、高 Ｖｂ 口４号０Ｉ水隧洞 口施１ｉ￣ｔｌｉ水涮 ＿Ｂ辅助涮 ６．７ １６０ ．５３．５ ４７．４ ６８．８ １．４ １．６ １．３ ２７．４ ２５．８ ７．５ １０．１ ６．５ ２．４ １．０ １．８ １．５ １８５ ．图３施－ｒｔｔ￣水洞与相邻隧洞各类围岩分布情况对比 排水洞发生岩爆的洞段与４号引水洞、Ｂ辅助 洞的桩号基本能对应上，但强度和长度却相差较大。 更容易形成很高的切向应力，当埋深超过ｌ ０００ｍ 后，围岩强度应力比低于某一限值时，相对于钻爆法 而言，ＴＢＭ开挖发生岩爆的可能性更大，且破坏性 也更强。 ＴＢＭ开挖洞段的轻微岩爆（ＩＩ ｂ）和中等岩爆（ＩＩＩｂ） 的长度是Ｂ辅助洞的２～３倍，而与４号引水洞所占 比例较接近；强烈岩爆（１Ｖｂ）的洞段长度也要高于 钻爆法的，钻爆法开挖的４号引水洞和Ｂ辅助洞均 （２）岩爆一般发生在的完整、硬脆、干燥的 大理岩和Ｔ 大理岩的高应力洞段，但也有在线状出 水洞段局部发生轻微或中等强度的岩爆；随着隧洞 未发生极强岩爆（Ｖｂ），而施工排水洞ＴＢＭ施工中 有极强岩爆洞段５７ｍ（发生３次）。影响这三条平 行隧洞岩爆洞段长度和强度不一致的原因有很多， 埋深的增加，岩爆发生的强度和频率明显增加；当洞 壁出现呈阶梯状分布于两壁及顶部密集的松弛裂隙 笔者认为，主要是由岩性、地应力及岩体强度的相互 关系决定的。首先，隧洞区地应力分布并不是一个 时，卡钻现象增多，渣料岩粉含量明显增加，局部 Ｈ：Ｓ浓度增加，有上述现象的洞段通常发生强烈或 极强岩爆；强烈岩爆洞段开挖后经过一段时间的应 均布场，受构造的影响明显，如在褶皱核部、岩性或 断层接触带附近、长大刚性结构面尖灭交汇部位等 力调整，在后期的施工、爆破等震动诱发下，还可能 再次发生中等或强烈岩爆；在岩爆洞段之问也存在 间隔的低地应力带，如塌方、节理夹泥和涌水洞段。 （３）岩爆具有突发性和衰减性，在强烈岩爆发 生后短时间内一般还会发生几次强度较小的岩爆， 易形成高地应力岛，从而导致岩爆洞段具有间隔分 布的特点，且洞段长度也相差较大；此外，还与隧洞 开挖的先后顺序、开挖方法、断面大小、形状和支护 方式及时间等密切相关，这些因素直接影响围岩的 二次应力分布和集中程度，也是造成相邻隧洞岩爆 的洞段长和强度差异较大的一个工程因素。 经对施工排水洞ＴＢＭ施工现场岩爆现象进行 观察、记录和分析，统计岩爆发生的岩性、声响、时 发生的频率随开挖暴露的时间延长而降低。绝大部 分岩爆在ＴＢＭ掘进震动时诱发，在护盾内能听到 清脆的爆裂声，主要为轻微或中等的应变型岩爆， ７０％集中在左拱肩（北侧），洞底右侧（南侧）表现为 片状剥离，崩落岩块多呈片状或贝壳状，厚度５～ １０ｃｍ，爆坑多呈穹状，深度小于１ｍ；而强烈岩爆一 般滞后开挖２０／Ｊ，ｕ，ｌ，岩爆声响沉闷，如闷雷或爆破， 间、规模、部位及伴随的现象，初步认识到了排水洞 ＴＢＭ施工岩爆有如下特点和规律。 （１）ＴＢＭ施工对围岩的扰动很小，在洞壁表层 １ ００ 并伴有烟雾状岩粉喷出，深度一般大于２ｍ，崩落岩 块呈板状、棱块状，多发生在隧洞右侧（南侧）拱肩， 约占岩爆的２０％，通常受压扭性ＮＮＥ或ＮＷＷ向 长大结构面控制，属剪切破坏型岩爆（如图４）。应 变型岩爆在隧洞两壁发生部位的连线一般垂直初始 最大主应力，初步判断隧洞区自重应力受地形影响 掌握了排水洞ＴＢＭ施工的岩爆特点、规律和 机理，采取的防治措施才能有针对性，最终目的就是 ４ ＴＢＭ施工强岩爆洞段的防治措施 预报、防止或控制强岩爆的发生，消除或降低强岩爆 对施工人员和设备造成的危害。通过国内外大量工 而发生了偏离，近似平行东端边坡。 多为轻微、中等的 型岩爆，占岩爆的 剪切破坏型岩爆多发 部位，占岩爆的２０％ 图４排水洞岩爆发生的典型部位及主应力方向（顺水流方向） 程实践经验的积累，目前已有许多有效防治岩爆的 措施，归纳起来有４种 Ｊ：设法降低可能发生岩爆处 的应力水平；将可能的震动源推移到距掌子面或洞 壁更远处；使岩体内积聚的应变能均匀释放，从而避 布设超前砂浆锚杆，并与径向锚杆连接，如在梁的底 部配筋一样，达到增加脆性岩体的抗拉强度或缓冲 的效果；或在超前孔中进行注高压水，在围岩内部形 成一个低弹区，使开挖隧洞临空面的切向应力达到 免破坏性极大的岩爆发生；改变可能发生岩爆处的 岩体力学性质，从而改变岩体的破坏模式（由猛烈 破坏变为缓慢破坏）等。 岩爆防治措施一般分两步走，一是开挖前主动 的“防”，二是开挖后被动的“治”。ＴＢＭ前端配备 有锚杆钻机、混凝土喷射设备、钢筋网及钢支撑安装 器、超前地质钻机，可实现对围岩进行及时支护和超 前处理，可以做到事前主动防治岩爆。据施工排水 洞ＴＢＭ施工对岩爆采取的措施和效果，结合３号 引水洞和国内外其他ＴＢＭ施工对岩爆的处理经 均匀分布的形状，对主动预防岩爆将会更加有效。 ４．２围岩加固措施 施工排水洞在中等岩爆洞段采用锚网喷联合柔 性支护手段防治岩爆效果较好，围岩一出护盾及时 在上半断面１６０。范围内手喷厚８ｃｍ的ＣＦ 纳米混 凝土封闭，挂ｔｈ６．５＠１００×１００的单层或双层钢筋 网片，安设长２．５ｍ、ｔｈ２２＠１．０ｍ×１．０ｍ梅花型布置 的药卷锚杆，加设西２２纵向连接筋与锚杆焊接，局 部架立Ｈ 型钢拱架，间距１．３／２．５ｍ。壳体式加固 围岩的措施不仅改善了浅部围岩的应力大小及分 布，而且还使洞壁从二维应力状态变为三维应力状 态，增加了岩体的强度，提高了岩体强度应力比，对 防治爆坑深度小于１ｍ的轻微和中等强度岩爆效果 显著。 但在强烈岩爆洞段架立Ｈ 型钢拱架、间距 １．３ｍ、纵向工１２型钢连接的强支护措施，对于岩爆 坑深达２～３．５ｍ的强岩爆却未达到预期目的。如 验，对于不同等级的岩爆要采取不同的措施，或几种 措施的合理组合才能取得比较理想的效果。 ４．１ 改变或改善围岩力学性质和应力条件 掘进过程中用ＴＢＭ锚杆钻机在隧洞上半断面 １６０。范围内造设６４２＠１．０ｍ×１．０ｍ的应力释放 孑Ｌ，增加洞壁岩体塑性，降低局部岩体承压强度，从 而使洞壁应力降低，使高应力峰值转移至深部围岩， 达到降低可能发生岩爆的强度或防止岩爆发生的目 的；通过向掌子面和洞壁喷洒高压水，既可以冲洗岩 钢拱架支护后仍然发生了几次强烈岩爆，钢拱架被 折断或严重变形（如图５），２．５ｍ长的锚杆也有被拉 面，还可以提高表面围岩的塑性，以减轻岩爆的强 度。已采取的应力松弛孔和高压喷水在缓减和防止 轻微或中等岩爆起到了一定的效果。 在强烈岩爆洞段建议利用ＴＢＭ自带的超前钻 出的现象。刚性拱架支护只是对岩块的弹射和塌落 具有缓冲消能作用，起到了第一道安全防护的作用， 在一定程度上保证了人员和设备的安全，但是这种 刚性支护对强烈岩爆的防治不仅起不到效果，而且 】０１ 的可缩钢拱架支护，配合恒阻大变形的长锚杆和喷 混联合系统支护，也就是当应力超过岩体强度发生 应变型破坏时，钢拱架和锚杆随着岩体变形还能提 供一个较大恒定抗力，直至破坏岩体的动能被全部 消耗为止。实践证明，锚杆是防治岩爆最有效的支 护手段，对爆坑深达３ｍ的极强岩爆，２．５ｍ长的锚 杆明显太短，锚杆应增加到５ｍ，最好能与高抗力的 抗压锚杆（如锥形锚杆、恒阻大变形锚杆等）联合使 用，锚杆要加垫板以确保轴向受力和加固表层围岩， 间距也可适当加密。 ４．３调整掘进参数和设备防护措施 图５第（２）次岩爆钢拱架折断和扭曲（ＳＫ１４＋２４１～ ＳＫＩ４＋２５１） 在强岩爆洞段，由于围岩强度大、地应力高， ＴＢＭ掘进的扰动不停地诱发岩爆，掌子面崩落的岩 块多、能量大，致使滚刀崩口损坏现象激增，这种情 还有利于表面弹性应变能的积累，有增强岩爆破坏 性的趋势。 ＴＢＭ开挖洞段的强～极强岩爆一般滞后开挖 ２０ｈ，在围岩出护盾后支护要快，且支护必须具有一 定的屈服性，达到以柔克刚的效果。对强烈岩 爆段应改变用刚性拱架支护的方案，宜采用刚塑性 况下不需要大的掘进推力碎岩，进而为了降低对围 岩的扰动，ＴＢＭ掘进参数一般要较非岩爆洞段小。 施工排水洞在强岩爆洞段采用的掘进参数如表３所 示，掘进速率降低到非岩爆洞段的２／３，也即小于 ２ｍ／ｈ，掘进推力也降到了非岩爆洞段的一半。 表３ Ｔ： 大理岩Ｉｘ＂ｌ岩爆与非岩爆段掘进参数对比 由于水平撑靴的推力可以达到２８ＭＰａ，在支撑 洞壁和回收换步时极易诱发强烈岩爆，故在换步时 施工人员应撤离撑靴影响洞段，同时加压和卸压的 速度要慢，给围岩应力一个缓慢调整的过程，避免诱 体微震活动的时间、震源位置、震级、能量释放及非 线性应变区域等数据；进一步研究锦屏二级岩爆发 生的规律、机理，然后根据积累的经验进行判断、评 估和预报监测范围内岩体发生岩爆的空间位置、时 间和强度。这种预报方法是目前最直接的，也是最 有效预报岩爆的方法，如图６所示，在排水洞１１・ ２８岩爆事件前，该洞段范围内的微震事件集中，具 备了发生极强岩爆的征兆，已经预测有强岩爆的发 生，如果以前积累了大量岩爆的微震监测数据后，就 可以对该次岩爆进行更准确的预报。 根据Ｂ辅助洞对比预测强岩爆发生的洞段范 发岩爆；增加滚刀的韧性，减少高能量岩爆岩块对滚 刀的损坏；在岩爆洞段施工对人员和设备进行必要 的防护，采取在操作室和锚杆钻机操作平台上安装 防护钢板，以保证施工安全。 ４．４岩爆的监测与预报 施工排水洞工程首次将微震监测技术应用于 ＴＢＭ施工岩爆的监测和预警。沿隧洞轴线方向布 置３个监测断面，问距３０～４０ｍ，距掌子面４０～ １４０ｍ，每个断面在隧洞两壁各钻设一个 ２深约 围，掘进过程中观察强岩爆发生前的一些迹象，如片 状剥离、声响沉闷、岩石硬脆等现象，再结合微震预 ３ｍ的上斜孔，测量并算出孔底三维坐标，然后在每 个钻孔内使用树脂固定一个传感器，并与孔底围岩 紧密耦合。随着ＴＢＭ推进而调整传感器位置，实 现实时、连续、长期的移动式监测。第一步工作就是 采集数据，剔除非岩爆产生的噪声，建立微震事件数 据库，通过记录、统计、分析微震波信息，从而获得岩 １ ０２ 报来指导ＴＢＭ掘进，调整施工进度、掘进参数、支 护部位及参数，紧急情况撤离人员待避，能够极大地 降低ＴＢＭ在强岩爆洞段施工的安全风险。 ４．５ 开挖半导洞预处理强岩爆段 对于ＴＢＭ掘进的隧洞，由于受到设备和支护 能力的，不能像钻爆法洞段灵活地采取有针对 爆的监测和预报，对防止和降低ＴＢＭ施工岩爆的 风险具有非常积极的作用，也是确保施工人员安全 的有力武器。 ［４］ 吴世勇，王鸽，徐劲松，等．锦屏二级水电站ＴＢＭ选型及施工 关键技术研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００８，２７（１０）：２０００ —２００９． ［５］ 尚彦军，史永跃，曾庆利，等．昆明上公山隧道复杂地质条件 下软弱围岩中ＴＢＭ卡机及护盾变形问题分析和对策［Ｊ］．岩 石力学与工程学报，２００５，２４（２１）：３８５８—３８６３． （４）为了规避极强岩爆对ＴＢＭ施工的风险，采 用提前开挖上半导洞释放岩体应变能，ＴＢＭ二次扩 挖通过时发生强烈岩爆的风险将大大降低。 参考文献： 张镜剑．ＴＢＭ的应用及其有关问题和展望［Ｊ］．岩石力学与 工程学报，１９９９，１８（３）：３６３—３６７． ［６］ 张国平．锦屏二级水电站深埋长引水隧洞围岩稳定性分析与 研究［Ｄ］．南京：河海大学，２００７． ［７］ 中国水电顾问集团华东勘测设计研究院．雅砻江锦屏水电枢 纽工程锦屏辅助洞竣工报告［Ｒ］．２００９． ［８］ 郭然，潘长良，于润沧．有岩爆倾向硬岩矿床采矿理论与技术 ［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，２００３． ［９］ 王继敏．大型ＴＢＭ通过岩爆洞段导洞开挖技术研究［Ｊ］．水 力发电，２０１１，３７（１２）：３８—４Ｏ． ［２］ 傅冰骏．建立隧道掘进机产业促进我国地下空间开发［Ｊ］． 探矿工程，２００１，（２）：１—２． Ａ．Ｂｏｎｉｆａｃｅ．Ｓｏｍｅ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｌｅｓｓｏｎｓ Ｌｅａｒｔ ｆｒｏｍ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ［３］ ｔｈｅ Ｌｅｓｏｔｈｏ Ｈｉｇｈｌａｎｄｓ Ｗａｔｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｕｎｎｅｌ［Ｊ］．Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ａｎｄ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９９，１４（１）：２９—３５． ［１０］ 张照太，陈竹，陈炳瑞，等．大直径ＴＢＭ通过深埋强岩爆洞 段的岩爆防治方法［Ｊ］．煤炭学报，２０１１，３６（增２）：４３１—４３５． （上接第９６页） 混凝土厚度，来计算，．＝２．２７５ｍ处的寒潮降温程 ３管上覆盖土 继续以上例题，管上增加：拱形覆盖土内半径ｒ ＝度：混凝土导热系数５．０５ｋＪ／（ｍ．ｈ．ｏＣ），粘土导热 糸数４．１９ｋＪ／（ｍ．ｈ．ｏＣ），粘土外半径 折算为混凝 土外半径ｒ２＝（Ｆ３—２．２７５）５．０５／４．１９＋２．２７５ｍ，算 出ｒ，，见表２。 ２．２７５ｍ，土外半径ｒ，（ｍ），把覆盖土厚度折算为 Ｆ ４．２４ ４ ｒ＝２．２７５代入（７）式分子：ｓｈ ［（２．２７５—１．６２５）２． ０８８］＋ｓｉｎ （１．３５７）＝２．２８９＋０．９５５＝４．２４４： 代入（９）式，得ｒ＝２．２７５ｍ处降温是： Ｔｍ＝１０√ Ｔｍ明显减小 。 ＝１３．６５８√ 表２寒潮下覆盖土内混凝土管顶面的降温 按上式算出ｒ＝２．２７５ｍ处降温ｒ，ｍ见表２。从表可看出覆盖土厚度Ｆ３—２．２７５增加，混凝土管顶面降温 参考文献： Ｆ．Ｐ．Ｉｎｃｒｏｐｅｒａ．传热和传质基本原理［Ｍ］．化学工业出版社， ２００７． 析及处理［Ｊ］．水力发电学报，１９８３（２）． ［３］ 苟芳蓉，黄煌，陈子海．冶勒水电站压力管道设计［Ｊ］．水电站 设计，２０１１（１）． ［４］ 吴一匡．混凝土面板堆石坝的温度应力［Ｃ］∥．土石坝技术． 电力出版社，２０１１． ［２］ 曾宪岳，李德基，张忠信．漳水倒虹钢筋混凝土管裂缝原因分 ｌ０４
