薛景沛

(中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著地下工程施工技術(shù)的飛速發(fā)展，TBM被越來(lái)越多地應(yīng)用于長(zhǎng)大隧道施工中。大埋深、高地應(yīng)力地質(zhì)條件下，巖爆的預(yù)防與治理顯得尤為重要。

文獻(xiàn)[1-3]對(duì)國(guó)內(nèi)外巖爆研究現(xiàn)狀和巖爆特征、預(yù)測(cè)等進(jìn)行了深入的研究。張斌等[4]提出了鉆屑法或巖芯餅化率法、地震波預(yù)測(cè)法、聲發(fā)射(A-E)法等巖爆預(yù)測(cè)方法和相關(guān)防治措施。張秉鶴[5]對(duì)淺埋洞段巖爆發(fā)生的機(jī)制進(jìn)行了闡述并提出防治措施。馮建軍[6]描述了隧道巖爆特征： 巖爆聲響既發(fā)生在掌子面也發(fā)生在巖體內(nèi)部，輕微巖爆的聲響較為清脆，可聽(tīng)到“啪、啪”“嘎、嘎”的聲響； 強(qiáng)烈?guī)r爆的聲響較為沉悶，類似于“嘭、嘭”并夾有“啪、啪”的聲響。何滿潮等[7]利用自行設(shè)計(jì)的深部巖爆過(guò)程試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)大埋深、高地應(yīng)力作用下的花崗巖巖爆過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將花崗巖巖爆分為滯后巖爆、標(biāo)準(zhǔn)巖爆和瞬時(shí)巖爆。羅志虎等[8]結(jié)合錦屏二級(jí)水電站，針對(duì)TBM施工中的巖爆問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出較好的治理措施。

綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在巖爆防治、施工處理等方面提出了一些較好的建議，但關(guān)于強(qiáng)巖爆地層處理措施的研究卻稍顯不足，尤其是針對(duì)敞開(kāi)式TBM的強(qiáng)巖爆治理。由于TBM設(shè)備自身的局限性，主動(dòng)防護(hù)措施實(shí)施難度較大，加上目前巖爆超前預(yù)測(cè)技術(shù)還處于探索時(shí)期，在發(fā)生強(qiáng)烈或極強(qiáng)巖爆的情況下，會(huì)由于預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率不足或未能及時(shí)實(shí)施超前預(yù)處理，導(dǎo)致支護(hù)強(qiáng)度不足和支護(hù)不及時(shí)的問(wèn)題，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度與成本。本文以引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞嶺南TBM施工段為依托，對(duì)敞開(kāi)式TBM在強(qiáng)巖爆地層的施工技術(shù)進(jìn)行研究，探索合適的技術(shù)手段，以期解決TBM安全、快速通過(guò)強(qiáng)巖爆洞段的問(wèn)題。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程是針對(duì)關(guān)中地區(qū)缺水問(wèn)題提出的陜西省內(nèi)南水北調(diào)工程的骨干調(diào)水線路工程，是促進(jìn)“關(guān)中—天水經(jīng)濟(jì)區(qū)”發(fā)展的大型水利工程。引漢濟(jì)渭工程嶺南TBM標(biāo)段位于陜西省寧陜縣四畝地鎮(zhèn)境內(nèi)，全長(zhǎng)18.275 km，設(shè)計(jì)流量70 m3/s，多年平均輸水量15億m3； 隧洞平均坡降為1/2 500，采用敞開(kāi)式TBM掘進(jìn)施工，橫斷面為圓形，直徑8.02 m。

工程位于秦嶺嶺脊高中山區(qū)，地形起伏，高程范圍為1 050～2 420 m，洞室最大埋深約2 012 m。工程范圍內(nèi)主要涉及到的地層為下元古界長(zhǎng)角壩巖群黑龍?zhí)稁r組石英巖、印支期花崗巖、華力西期閃長(zhǎng)巖以及斷層碎裂巖、糜棱巖。掘進(jìn)段穿越石英巖、花崗巖及閃長(zhǎng)巖約占圍巖總量的75%以上。最大水平主應(yīng)力SH為16.11～23.7 MPa，最小水平主應(yīng)力Sh為10.11～15.41 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹30°～46°W(與隧洞軸線夾角為65°～81°)，優(yōu)勢(shì)作用方向?yàn)楸蔽飨騕9]。深鉆孔地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果表明，三向主應(yīng)力的關(guān)系為SH>Sh>Sv(垂直主應(yīng)力)，具有較為明顯的水平構(gòu)造應(yīng)力作用，地應(yīng)力值較大。在大埋深條件下，由于隧洞的開(kāi)挖，洞室附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，具備發(fā)生巖爆的應(yīng)力條件。

2 工程區(qū)域巖爆情況

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞嶺南TBM施工段由于隧洞埋深大、地應(yīng)力高、巖石完整性好，在TBM第1掘進(jìn)段共計(jì)8 521 m的洞段施工過(guò)程中，發(fā)生不同規(guī)模巖爆304次，巖爆段長(zhǎng)度合計(jì)3 549 m，占掘進(jìn)總長(zhǎng)的41.6%。其中，大部分巖爆為輕微至中等程度，強(qiáng)烈與極強(qiáng)巖爆(以下簡(jiǎn)稱強(qiáng)巖爆)共發(fā)生9次?？傮w巖爆分布情況見(jiàn)表1。

表1 嶺南TBM施工段強(qiáng)巖爆發(fā)生段統(tǒng)計(jì)表

2.1 強(qiáng)巖爆特征與規(guī)律

1)巖爆部位。強(qiáng)烈?guī)r爆多發(fā)生在距離掌子面2倍洞徑范圍內(nèi)，巖爆聲較沉悶，如轟雷聲，主要集中在拱部120°范圍內(nèi)； 巖爆掉塊后塌坑深度為0.7～3 m，邊墻出現(xiàn)概率約為20%，底板偶有出現(xiàn)；極強(qiáng)烈?guī)r爆會(huì)導(dǎo)致整個(gè)拱部及邊墻巖體破壞，距離掌子面5倍洞徑內(nèi)的巖體均會(huì)受到影響，巖體塌腔深度超過(guò)3 m。此外，當(dāng)巖爆地段存在長(zhǎng)大節(jié)理發(fā)育情況時(shí)，巖爆規(guī)模與等級(jí)較大，圍巖坍塌嚴(yán)重，滯后性巖爆發(fā)生的概率也隨之增大。

2)巖爆時(shí)間。強(qiáng)烈?guī)r爆一般在開(kāi)挖揭示后48 h左右應(yīng)力釋放才完成，其中24 h內(nèi)居多； 部分強(qiáng)烈?guī)r爆滯后時(shí)間難以確定，短則三四天，長(zhǎng)則上月。

3)地質(zhì)條件。當(dāng)圍巖抗壓強(qiáng)度在100～200 MPa時(shí)，發(fā)生巖爆的概率較大。其中，巖體強(qiáng)度在130～170 MPa(隧洞垂直埋深1 200 m左右)時(shí)，巖爆發(fā)生頻率與等級(jí)較高；低于100 MPa時(shí)，巖爆較少，多以輕微巖爆為主； 超過(guò)200 MPa時(shí)，巖爆概率降低，以輕微巖爆為主。在長(zhǎng)大節(jié)理較發(fā)育時(shí)巖爆較多；整體完整性較好時(shí)，爆落塊石以扁平狀為主； 長(zhǎng)大節(jié)理輕微發(fā)育時(shí)，爆落塊石以節(jié)理切割塊狀為主； 巖體出現(xiàn)基巖裂隙水、涌水時(shí)，基本無(wú)巖爆發(fā)生；巖體脆性較大時(shí)，巖爆規(guī)模相對(duì)較大。

4)其他特征。隧洞開(kāi)挖、支護(hù)、仰拱等施工擾動(dòng)可能導(dǎo)致圍巖應(yīng)力的重新分布；高壓水沖洗巖體有利于應(yīng)力的快速調(diào)整與釋放。

2.2 巖爆對(duì)施工造成的影響

1)對(duì)施工人員安全的影響。巖爆多發(fā)生在拱部120°范圍內(nèi)，平臺(tái)上部作業(yè)人員較多，發(fā)生巖爆會(huì)對(duì)作業(yè)人員造成很嚴(yán)重的傷害。

2)對(duì)設(shè)備的影響。雖然TBM相關(guān)設(shè)備已經(jīng)進(jìn)行了防護(hù)，但若巖爆規(guī)模較大，一般的防護(hù)措施不能起到很好的防護(hù)效果，機(jī)械設(shè)備也將面臨砸壞的風(fēng)險(xiǎn)，需要維修或重新購(gòu)買配件更換，進(jìn)而影響工期?，F(xiàn)場(chǎng)照片如圖1所示。

3)巖爆對(duì)初期支護(hù)體系的影響。部分滯后時(shí)間較長(zhǎng)的巖爆在初期支護(hù)已經(jīng)完成后發(fā)生，對(duì)已完成支護(hù)造成破壞，需要對(duì)其重新進(jìn)行施工，增加了工程量和施工成本?，F(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示。

3 強(qiáng)巖爆治理技術(shù)流程

從巖爆定義可以看出，巖爆是結(jié)果，圍巖破壞和微震是原因。因此，采取以下措施對(duì)巖爆進(jìn)行治理： 1)采取部分超前措施降低能量釋放的強(qiáng)度； 2)為降低安全風(fēng)險(xiǎn)通過(guò)加強(qiáng)初期支護(hù)進(jìn)行防治[10]。在強(qiáng)巖爆地層，應(yīng)堅(jiān)持先預(yù)測(cè)后施工的原則，通過(guò)預(yù)測(cè)分析確定巖爆等級(jí)，據(jù)此確定掘進(jìn)參數(shù)、超前支護(hù)與后續(xù)初期支護(hù)措施。

首先，在強(qiáng)巖爆段嚴(yán)格控制TBM推進(jìn)速率，以最大限度地減緩與降低應(yīng)力重分布帶來(lái)的應(yīng)力聚集； 其次，進(jìn)行巖體地應(yīng)力能量的預(yù)釋放，根據(jù)地質(zhì)分析及地應(yīng)力檢測(cè)數(shù)值分析等，確定應(yīng)力集中和能量集中較大的部位，確定超前應(yīng)力釋放孔的位置及其優(yōu)化布置參數(shù)，實(shí)施超前應(yīng)力釋放； 最后，開(kāi)挖后圍巖出露護(hù)盾后應(yīng)制定針對(duì)性支護(hù)方式，優(yōu)化支護(hù)措施，避免或降低巖爆的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。如采用納米仿纖維混凝土、柔性鋼絲網(wǎng)、預(yù)應(yīng)力錨桿、消能錨桿、消能鋼拱架等新材料，盡可能地吸收巖爆破壞時(shí)釋放的能量，進(jìn)而有效控制巖爆[11]。

(a) 巖爆砸壞錨桿鉆機(jī)

(b) 巖爆砸損L1區(qū)主機(jī)平臺(tái)

(a) 巖爆造成網(wǎng)片脫落

(b) 巖爆造成拱架下沉

3.1 巖爆預(yù)測(cè)

巖爆多發(fā)生在硬質(zhì)巖中，發(fā)生部位主要以拱部、左右側(cè)墻居多。巖爆的預(yù)測(cè)在現(xiàn)階段仍在繼續(xù)研究中，通過(guò)錦屏二級(jí)電站及引漢濟(jì)渭工程的實(shí)踐情況來(lái)看，目前較好的巖爆預(yù)測(cè)手段是微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[12-13]： 在不同隧道(洞)工程中，通過(guò)在滯后掌子面一定距離位置處打孔安設(shè)傳感器，然后通過(guò)光纖傳輸數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)處理中心，利用電腦結(jié)合人工分析收集到的微震事件。利用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)巖體內(nèi)部的微破裂，運(yùn)算分析巖體蓄能情況，實(shí)現(xiàn)未開(kāi)挖巖體巖爆應(yīng)力集中范圍、巖爆強(qiáng)度的預(yù)測(cè)(目前對(duì)巖爆發(fā)生準(zhǔn)確時(shí)間還難以預(yù)測(cè))，并將所預(yù)測(cè)的巖爆可能性按輕微巖爆、中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆、極強(qiáng)巖爆4個(gè)等級(jí)進(jìn)行劃分，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2巖爆等級(jí)超前評(píng)判與劃分標(biāo)準(zhǔn)

Table 2 Advance evaluation and classification standard for rockburst level

巖爆等級(jí)頻次矩震級(jí)能量/(×104J)超標(biāo)準(zhǔn)事件分布范圍/m超標(biāo)準(zhǔn)事件數(shù)量輕微 <10 <1.0 <3 >300～3中等10～301.0～2.53～1020～30>3強(qiáng)烈30～602.5～3.510～8010～20>8極強(qiáng) >60 >3.5 >80 <10>15

注： 1)8 m左右洞徑的花崗巖地段大致可參照上表對(duì)巖爆規(guī)模進(jìn)行初步判別，但還需結(jié)合巖體的傾向性指標(biāo)及水文地質(zhì)、節(jié)理發(fā)育情況來(lái)綜合考慮與校正； 2)對(duì)于不同的工程，由于各項(xiàng)邊界條件的不同，微震監(jiān)測(cè)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)也存在一定差異，需要在實(shí)際過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷修正，找到最合適的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)； 3)上述指標(biāo)中，如分析評(píng)估出現(xiàn)沖突，其巖爆等級(jí)的評(píng)估優(yōu)先級(jí)為能量>矩震級(jí)>頻次>超標(biāo)準(zhǔn)事件數(shù)量>超標(biāo)準(zhǔn)事件分布范圍。

3.2 超前預(yù)處理措施

強(qiáng)巖爆對(duì)施工人員及施工設(shè)備的威脅最大，通常需要等待巖爆應(yīng)力釋放后再進(jìn)行支護(hù)。在隧洞開(kāi)挖之前，應(yīng)根據(jù)微震監(jiān)測(cè)或應(yīng)力測(cè)試等所預(yù)測(cè)出的巖爆規(guī)模、等級(jí)及應(yīng)力集中部位，針對(duì)性地采取超前應(yīng)力釋放措施。由于TBM施工超前應(yīng)力釋放措施實(shí)施難度較大、用時(shí)長(zhǎng)，一般巖爆等級(jí)較小時(shí)不宜采用； 在強(qiáng)烈?guī)r爆地段，可利用超前鉆機(jī)通過(guò)緊貼護(hù)盾實(shí)施鉆孔(10～25 m)，或在刀盤正前方手持風(fēng)鉆打孔(3～5 m)，必要時(shí)可在鉆孔內(nèi)實(shí)施爆破。具體操作方案如下。

1)方案1。利用TBM設(shè)備上自帶的超前鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，鉆孔范圍為拱部120°，外插角15°，從護(hù)盾位置向掘進(jìn)斷面外圈擴(kuò)散，鉆孔深度為15～25 m，孔徑為89 mm； 鉆孔內(nèi)裝藥進(jìn)行爆破，從而在刀盤前方未開(kāi)挖巖體中形成破碎區(qū)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的提前釋放。方案1示意圖如圖3所示。

(a)

(b)

2)方案2。在刀盤正前方人工手風(fēng)鉆鉆孔，操作平臺(tái)為刀盤與主軸承之間的隔艙，隔艙寬度為80 cm。手風(fēng)鉆架設(shè)后通過(guò)刀孔、人孔向掌子面正前方施鉆，施鉆時(shí)需要臨時(shí)拆除部分滾刀。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，從刀盤圓心位置開(kāi)始直徑2.5 m范圍內(nèi)具備操作空間，在不拆除中心刀的情況下，9—24號(hào)滾刀刀孔與4個(gè)人孔可以進(jìn)行鉆孔，鉆孔數(shù)量約20個(gè)，孔徑50 mm，孔深正常為5 m，扣除刀盤厚度1 m,有效孔深為4 m，必要時(shí)可通過(guò)加接鉆桿的方式增加孔深； 超前應(yīng)力孔按照每m 2節(jié)藥卷的方式間隔裝藥。方案2示意圖如圖4所示。

以上2種超前應(yīng)力釋放方式對(duì)比分析見(jiàn)表3。需要說(shuō)明的是，如巖爆規(guī)模較大，刀盤內(nèi)短距離超前應(yīng)力釋放不能滿足要求時(shí)，可以利用TBM設(shè)備自帶的超前鉆機(jī)進(jìn)行超前深孔應(yīng)力解除工作。但由于超前深孔應(yīng)力釋放效率極低，同時(shí)應(yīng)力解除爆破后不利于斷面自身的穩(wěn)定，一般情況下不推薦使用。

3.3 針對(duì)性治理措施研究

超前應(yīng)力釋放完成后，可開(kāi)展TBM慢速掘進(jìn)工作，掘進(jìn)過(guò)程中需要及時(shí)實(shí)施護(hù)盾后相應(yīng)的巖爆治理措施。

3.3.1 強(qiáng)烈?guī)r爆治理

強(qiáng)烈?guī)r爆可按照圍巖出露護(hù)盾前巖爆與出露護(hù)盾后巖爆2種情況進(jìn)行考慮，防治流程如圖5所示。

(a)

(b)

Table 3 Comparative analysis of advance drilling stress release modes

鉆孔應(yīng)力釋放方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 超前鉆機(jī)鉆孔應(yīng)力釋放 1)一次性鉆孔深度能夠保障;2)孔徑大,應(yīng)力釋放效果較好 1)單工序作業(yè)(占用整個(gè)L1區(qū)施工平臺(tái),初期支護(hù)工作停止);2)單循環(huán)工期長(zhǎng):在圍巖強(qiáng)度180MPa左右的情況下,拱部120°范圍內(nèi)鉆孔12個(gè)(孔深25m),加上錨桿鉆機(jī)及超前鉆機(jī)拆裝時(shí)間,每循環(huán)共計(jì)25m(有效支護(hù)長(zhǎng)度19m)的超前應(yīng)力爆破施工時(shí)間為12d;3)掘進(jìn)斷面周圈爆破后成為了結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn),可能加劇拱部圍巖掉塊,拱部初期支護(hù)強(qiáng)度需要加強(qiáng) 人工刀盤內(nèi)鉆孔應(yīng)力釋放 1)效率高:隔艙內(nèi)可同時(shí)架設(shè)2把手風(fēng)鉆,如孔深4m,孔徑50mm,1d之內(nèi)完成鉆孔;2)對(duì)TBM自身設(shè)備影響小,無(wú)須拆裝錨桿鉆機(jī)等支護(hù)設(shè)備,鉆孔應(yīng)力釋放期間初期支護(hù)可同步開(kāi)展 1)一次性鉆孔深度不能保證;2)超前孔孔徑小,應(yīng)力釋放效果不佳

圖5 強(qiáng)烈?guī)r爆防治工藝流程圖[14]

3.3.2 極強(qiáng)巖爆段的處置

極強(qiáng)巖爆風(fēng)險(xiǎn)極大，目前在應(yīng)對(duì)極強(qiáng)巖爆方面經(jīng)驗(yàn)較少，稍有不慎將導(dǎo)致災(zāi)難性后果。在極強(qiáng)巖爆地段，應(yīng)遵循“前方地質(zhì)不探明不開(kāi)挖、施工方案未充分論證不開(kāi)挖、后部支護(hù)體系不穩(wěn)固不施工”的原則進(jìn)行防治，其工藝流程如圖6所示。

圖6 極強(qiáng)巖爆防治工藝流程圖

3.4 掘進(jìn)控制措施

強(qiáng)烈?guī)r爆段掘進(jìn)宜選擇低轉(zhuǎn)速、中推力、高轉(zhuǎn)矩掘進(jìn)參數(shù)； 極強(qiáng)巖爆地段一般需要停機(jī)進(jìn)行支護(hù)。

強(qiáng)烈?guī)r爆掘進(jìn)參數(shù)建議值為推力8 500～11 000 kN,轉(zhuǎn)速3～3.5 r/min，轉(zhuǎn)矩1 550～1 850 kN·m，速度1.2～1.6 m/h。在強(qiáng)巖爆洞段，由于圍巖強(qiáng)度大、地應(yīng)力高，TBM 掘進(jìn)的擾動(dòng)會(huì)誘發(fā)巖爆，為降低對(duì)圍巖的擾動(dòng)，TBM掘進(jìn)參數(shù)應(yīng)較非巖爆洞段小。

4 強(qiáng)巖爆治理技術(shù)分析

4.1 當(dāng)前較為合適的巖爆治理工藝與材料

1)噴水。噴水軟化圍巖是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)、有效的應(yīng)力釋放施工工藝，它是在隧洞掘進(jìn)圍巖出露護(hù)盾后，利用TBM設(shè)備噴水系統(tǒng)向掌子面以及拱部180°范圍內(nèi)噴射一定量的高壓水。一方面,噴水軟化周邊圍巖,降低巖石單軸抗壓強(qiáng)度,從而有效地降低巖爆發(fā)生的幾率和等級(jí); 另一方面,在具備巖爆的高埋深條件下,隧洞地溫一般較高,同時(shí)TBM設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)將導(dǎo)致隧洞溫度的進(jìn)一步升高,圍巖一般具有熱脹冷縮的特性,及時(shí)噴灑冷水可以降低周邊圍巖的地溫場(chǎng),從而控制巖石在開(kāi)挖后的過(guò)度膨脹,以達(dá)到降低巖爆發(fā)生幾率和等級(jí)的目的。噴水工序在圍巖出露后立即實(shí)施，連續(xù)噴水時(shí)間根據(jù)巖爆等級(jí)進(jìn)行選擇，輕微巖爆一般為2 h，中等巖爆一般為4 h以上。

2)預(yù)應(yīng)力錨桿。漲殼式預(yù)應(yīng)力注漿錨桿與砂漿錨桿相比，能大幅度縮短支護(hù)時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員短時(shí)間內(nèi)即可完成錨桿支護(hù)環(huán)節(jié)，在巖爆發(fā)生之前施加預(yù)應(yīng)力，可有效減少因巖爆造成的掉塊、剝落現(xiàn)象，同時(shí)也遏制了巖爆程度向不良的趨勢(shì)發(fā)展，在巖爆地段施工中能夠發(fā)揮很好的作用。在巖爆穩(wěn)定后，利用錨桿鉆機(jī)實(shí)施鉆孔，然后安裝漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿(見(jiàn)圖7)，錨桿長(zhǎng)度根據(jù)巖爆等級(jí)不同采用2.5～4.5 m，本工程采用的錨桿直徑為25 mm。

3)柔性鋼絲網(wǎng)。柔性鋼絲網(wǎng)(見(jiàn)圖8)為全斷面整張鋪設(shè)，其采用錨桿鎖固并被噴射混凝土覆蓋后增加了錨網(wǎng)噴結(jié)構(gòu)的整體性，從受力角度分析，效果較好。

圖7 漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿

圖8 柔性鋼絲網(wǎng)

4)納米仿纖維噴射混凝土。開(kāi)挖揭示后裸露圍巖應(yīng)及時(shí)噴射高強(qiáng)度混凝土進(jìn)行封閉，傳統(tǒng)的噴射混凝土存在一次噴射厚度較薄，回彈率較大，凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度不高，抗壓、抗折強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，難以滿足巖爆段支護(hù)要求。采用納米仿纖維噴射混凝土(見(jiàn)圖9)，其回彈率減少至12%(普通噴射混凝土回彈率一般接近20%)，并且可以短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)噴射混凝土厚度大幅度增加，輕微巖爆破壞噴層發(fā)生掉塊、剝落的現(xiàn)象也大大減少。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可知，噴射混凝土與周圍巖石的黏結(jié)強(qiáng)度大大提高，綜合回彈率為8%左右； 噴射混凝土支護(hù)快，可在2 min內(nèi)終凝，20 min內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)度，2 h內(nèi)強(qiáng)度達(dá)到3 MPa以上，1 d強(qiáng)度達(dá)到16 MPa(普通C20噴射混凝土28 d強(qiáng)度達(dá)到20 MPa以上)； 一次噴射混凝土厚度顯著增加，可達(dá)35 cm以上。

(a) 仿纖維

(b) 噴射效果圖

5)消能錨桿、拱架。在強(qiáng)巖爆地段，可能出現(xiàn)巖爆發(fā)生規(guī)模超過(guò)預(yù)期的情況。當(dāng)支護(hù)體系全部完成后，如產(chǎn)生滯后性強(qiáng)巖爆，有可能破壞現(xiàn)有支護(hù)體系，因此，有必要在強(qiáng)巖爆地段安裝部分消能錨桿(見(jiàn)圖10)或消能鋼拱架，以抵抗與緩沖巖爆一次性較大能量。消能錨桿與鋼拱架中部需要單獨(dú)設(shè)計(jì)成彈性連接，其連接方式要根據(jù)消能大小進(jìn)行計(jì)算。

(a) 消能錨桿構(gòu)造簡(jiǎn)圖

(b) 消能錨桿實(shí)物圖

6)徑向應(yīng)力釋放孔。徑向應(yīng)力釋放孔需要在巖體露出后采用錨桿鉆機(jī)實(shí)施，其對(duì)于輕微至中等巖爆具有較好的抑制作用； 在強(qiáng)巖爆地段，徑向應(yīng)力釋放孔目前的作用還不夠明顯，需要繼續(xù)研究論證。一般強(qiáng)巖爆地段釋放孔深度需達(dá)到2 m以上，布置在拱部120°范圍內(nèi)，采用梅花形布置，應(yīng)力集中部位適當(dāng)加密布置。

4.2 超前治理技術(shù)分析

對(duì)TBM施工而言，強(qiáng)巖爆地段應(yīng)采取一定的超前治理，增加主動(dòng)防治的占比。加大刀盤噴水、放慢掘進(jìn)速度、調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)、超前應(yīng)力解除爆破、超前錨桿等都是主動(dòng)防護(hù)措施，且都起到了很好的效果。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于強(qiáng)巖爆的超前治理技術(shù)還處于摸索之中，如何盡可能對(duì)巖爆實(shí)現(xiàn)超前處理是一項(xiàng)難題?，F(xiàn)階段結(jié)合微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)巖爆等級(jí)進(jìn)行了超前評(píng)判，但根據(jù)該系統(tǒng)在錦屏二級(jí)電站及引漢濟(jì)渭工程的實(shí)際運(yùn)用來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)多期預(yù)測(cè)比對(duì)驗(yàn)證后統(tǒng)計(jì)其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率約為75%，還不能準(zhǔn)確、詳細(xì)評(píng)估各項(xiàng)超前應(yīng)力解除方法實(shí)施后能量、應(yīng)力調(diào)整及對(duì)比關(guān)系，因此,現(xiàn)階段只能通過(guò)不斷驗(yàn)證和總結(jié)規(guī)律來(lái)提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)超前應(yīng)力解除效果的分析和評(píng)估； 此外，現(xiàn)場(chǎng)可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)觀察法對(duì)超前應(yīng)力解除效果進(jìn)行直觀評(píng)價(jià)。超前應(yīng)力解除作為超前治理技術(shù)的核心，其形式較為多樣，如利用手風(fēng)鉆、超前鉆機(jī)施作應(yīng)力釋放孔，或者直接采用小導(dǎo)洞進(jìn)行超前應(yīng)力解除，均具有一定的合理性，如何選取需根據(jù)實(shí)際巖爆蓄能情況和施工組織綜合考慮和分析。

5 結(jié)論與討論

本文通過(guò)對(duì)引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞嶺南TBM施工段強(qiáng)巖爆地段施工措施的研究和分析，認(rèn)為在強(qiáng)巖爆洞段應(yīng)按照“超前探、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的施工原則，遵循“前方地質(zhì)不探明不開(kāi)挖、施工方案未充分論證不開(kāi)挖、后部支護(hù)體系不穩(wěn)固不施工”的原則進(jìn)行防治。主要分析和研究結(jié)論如下。

1)巖爆預(yù)測(cè)。目前較為有效的巖爆超前預(yù)測(cè)手段為微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)巖體內(nèi)部破裂情況，并對(duì)巖體蓄能情況進(jìn)行運(yùn)算分析，將所預(yù)測(cè)的巖爆可能性按輕微巖爆、中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆、極強(qiáng)巖爆4個(gè)等級(jí)進(jìn)行劃分，基本可作為制定巖爆防治措施的依據(jù)。

2)巖爆超前預(yù)處理措施。根據(jù)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所預(yù)測(cè)的巖爆規(guī)模、等級(jí)及應(yīng)力集中部位，可通過(guò)刀盤隔艙內(nèi)人工手持風(fēng)鉆對(duì)掌子面打孔(3～5 m)或利用超前鉆機(jī)通過(guò)緊貼護(hù)盾對(duì)開(kāi)挖外輪廓實(shí)施鉆孔(10～25 m)，提前對(duì)掌子面前方圍巖進(jìn)行應(yīng)力釋放，降低巖爆等級(jí)與規(guī)模。另外，可通過(guò)合理調(diào)整TBM各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)抑制巖爆發(fā)生的速率，減小巖爆對(duì)設(shè)備的損傷。

3)巖爆治理。在圍巖出露護(hù)盾后，根據(jù)巖爆規(guī)模及塌腔深度及時(shí)采用φ22 mm鋼筋排、預(yù)應(yīng)力錨桿、消能錨桿、柔性鋼絲網(wǎng)及型鋼拱架對(duì)巖爆段進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，配合L1區(qū)應(yīng)急噴混系統(tǒng)，采用納米仿纖維噴射混凝土對(duì)巖面與支護(hù)體系快速封閉，降低滯后性巖爆破壞支護(hù)體系的風(fēng)險(xiǎn)。

借助上述施工方法，在一定程度上可以滿足TBM安全快速通過(guò)巖爆洞段的需求。但在極強(qiáng)巖爆研究方面，因其破壞性極強(qiáng)，加之現(xiàn)階段施工案例較少，應(yīng)對(duì)經(jīng)驗(yàn)還較為缺乏，應(yīng)作為后續(xù)研究的方向。