董鵬 劉福生

摘 要：巖爆已成為巖石地下工程和巖石力學(xué)領(lǐng)域的難題，對(duì)圍巖進(jìn)行超前處理，能夠改善圍巖內(nèi)部應(yīng)力，降低巖爆發(fā)生的頻率和等級(jí)。通過對(duì)引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞巖爆段進(jìn)行超前應(yīng)力釋放爆破研究，采用掌子面周邊布孔與中部布孔兩種爆破方式，通過微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)定能量釋放量，對(duì)比兩種爆破方式對(duì)圍巖內(nèi)部應(yīng)力的降低程度。結(jié)果表明：采用超前應(yīng)力釋放爆破對(duì)圍巖內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行釋放是行之有效的，能夠降低巖爆帶來的安全風(fēng)險(xiǎn);爆破孔位布置、孔深、孔徑、炸藥選擇、裝藥方式、裝藥量等應(yīng)根據(jù)圍巖情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，采用掌子面周邊位置布孔實(shí)施超前應(yīng)力釋放爆破效果優(yōu)于在掌子面中部布孔實(shí)施超前應(yīng)力釋放爆破。

關(guān)鍵詞：深埋隧洞;巖爆;超前應(yīng)力釋放;爆破施工;布孔方式;能量釋放比;秦嶺隧洞;引漢濟(jì)渭工程

中圖分類號(hào)：TV672.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.021

引用格式：董鵬，劉福生.深埋隧洞超前應(yīng)力釋放爆破方式優(yōu)化研究[J].人民黃河，2021，43（4）：117-121.

Abstracts： Rockburst is the worldwide problem in the field of rock underground engineering and rock mechanics. The advanced treatment of surrounding rock can improve the internal stress of surrounding rock and reduce the frequency and grade of rock burst. The study of advanced stress relief blasting was carried out in rock burst section of Qinling tunnel of Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project. Two kinds of blasting methods were adopted， namely the hole arrangement around the tunnel face and the hole arrangement in the center of the tunnel face. The energy release was measured by microseismic monitoring system. The degree of stress reduction in surrounding rock by two blasting methods was compared. The results show that it is effective to release the internal stress of surrounding rock by advanced stress release blasting and can reduce the safety risk of rock burst. The selection of blasting parameters （hole layout， hole depth， hole diameter， explosive selection， filling mode， filling quantity， etc） should be adjusted in real time according to the surrounding rock. The effect of advanced stress release blasting with holes around the tunnel face is better than that with holes in the center of the tunnel face. And that can provide reference for the construction of similar rock burst tunnel section.

Key words： deep-buried tunnel; rock burst; advanced stress release; blasting; holes layout; energy release ratio; Qinling tunnel; Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project

強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈?guī)r爆對(duì)深埋隧洞施工人員及設(shè)備安全將造成極大威脅，甚至造成災(zāi)難性后果。錦屏二級(jí)水電站施工排水洞發(fā)生的極強(qiáng)巖爆，爆坑深度達(dá)9 m，爆方總量近千方，導(dǎo)致正作業(yè)的TBM設(shè)備被埋，7名工人遇難，嚴(yán)重影響了工程進(jìn)度[1]。巖爆產(chǎn)生的機(jī)理復(fù)雜，預(yù)測(cè)預(yù)警十分困難，目前仍被認(rèn)為是巖石地下工程和巖石力學(xué)領(lǐng)域的世界性難題。學(xué)者普遍認(rèn)為，巖爆是深埋地下工程在施工過程中常見的一種動(dòng)力破壞現(xiàn)象，當(dāng)巖體中聚積的高彈性應(yīng)變能大于巖石破壞所消耗的能量時(shí)，破壞了巖體結(jié)構(gòu)的平衡，多余的能量導(dǎo)致巖石爆裂，使巖石碎片從巖體中剝離、崩出[2-4]。從控制巖爆的理念來看，提高釋放能量水平和圍巖抗沖擊能力是降低巖爆發(fā)生規(guī)模與頻率的兩種重要途徑[5-6]。應(yīng)力釋放爆破在巖爆高風(fēng)險(xiǎn)洞段，通過向掌子面前方鉆孔，放入爆破材料實(shí)施爆破，使未開挖洞段巖石松動(dòng)，主動(dòng)調(diào)整其內(nèi)部應(yīng)力，降低圍巖破壞時(shí)的能量水平，進(jìn)而降低巖爆的發(fā)生規(guī)模與頻率[7-8]。

1957年應(yīng)力釋放爆破研究的相關(guān)報(bào)道和應(yīng)用成果顯示其具有良好的效果，應(yīng)力釋放爆破可以在數(shù)量和激烈程度方面有效地控制巖爆。1972年Wilson Blake將應(yīng)力釋放爆破技術(shù)應(yīng)用于北美的一些深埋地下工程實(shí)踐中。1983年Fairhurst發(fā)表了有關(guān)應(yīng)力解除爆破的有關(guān)研究和應(yīng)用成果，肯定了應(yīng)力釋放爆破在控制巖爆方面的顯著作用。1984年Hill和Ortlepp等先后肯定了應(yīng)力釋放爆破的作用。2015年張春生等提出了錦屏二級(jí)工程構(gòu)造型巖爆的防治和控制方案，明確了洞內(nèi)應(yīng)力釋放爆破作業(yè)流程，取得了明顯的防控效果[9]，認(rèn)為應(yīng)力釋放爆破的具體作用機(jī)理目前尚不清楚，與開挖過程的爆破損傷具有原理上的一致性[10]。

陜西省引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞埋深大、圍巖強(qiáng)度高、地應(yīng)力高，現(xiàn)場(chǎng)巖爆頻發(fā)。筆者針對(duì)超前應(yīng)力釋放爆破的方式開展深入研究，通過微震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段對(duì)在掌子面中部布孔和在掌子面周邊布孔這兩種方式爆破后的圍巖應(yīng)力釋放效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)[11]，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、對(duì)比分析，以進(jìn)一步優(yōu)化布孔方式。

1 工程概況

陜西省引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞是將漢江流域調(diào)出水量自流送入渭河流域關(guān)中地區(qū)而修建的長(zhǎng)距離、大埋深、明流無壓隧洞。隧洞全長(zhǎng)81.779 km，設(shè)計(jì)流量70 m3/s，平均坡降1/2 500，采用鉆爆法和TBM法施工，鉆爆法洞段斷面為馬蹄形，凈寬6.76 m，凈高6.76 m，見圖1（a）;TBM法施工則采用圓形斷面，斷面直徑為8.02 m，見圖1（b）。

嶺南TBM施工段為引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞TBM法施工標(biāo)段中的反坡施工標(biāo)段，由3#支洞進(jìn)入主洞下游1 942 m開始，標(biāo)段全長(zhǎng)18 275 m，由TBM輔助洞室（長(zhǎng)765 m）和TBM掘進(jìn)施工段（長(zhǎng)17 510 m）組成。其中TBM掘進(jìn)段分為第一掘進(jìn)段9 880 m和第二掘進(jìn)段7 630 m，兩掘進(jìn)段中設(shè)置TBM檢修洞便于中間檢修，由4#支洞進(jìn)入主洞開挖形成。具體段落劃分如圖2所示。

工程位于秦嶺嶺脊高中山區(qū)及嶺南中低山區(qū)，地形起伏大，高程范圍1 050～2 420 m，洞室最大埋深為2 012 m。工程范圍內(nèi)主要涉及地層為下元古界長(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[12]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，秦嶺隧洞發(fā)生的強(qiáng)烈?guī)r爆占比約10%，中等巖爆占比約32%，輕微巖爆占比約58%。破裂性質(zhì)以張性、張剪性破壞為主，少量剪切破壞，巖爆坑深度為0.4～0.8 m，最大巖爆坑深度為3.4 m。

2 超前應(yīng)力釋放爆破方案研究

超前應(yīng)力釋放爆破是人為釋放圍巖應(yīng)力、降低巖爆發(fā)生規(guī)模和頻率的方法。在可能發(fā)生巖爆的洞段內(nèi)，通過掌子面的多個(gè)鉆孔預(yù)裂爆破，在掌子面內(nèi)前方一定深度的地方形成一個(gè)破碎帶，提前釋放圍巖應(yīng)力，從而降低可能發(fā)生的巖爆強(qiáng)度和影響范圍，即使在具有足夠大的高應(yīng)力區(qū)內(nèi)產(chǎn)生突發(fā)性的較大巖爆，也會(huì)因破碎帶的緩沖效應(yīng)而使其危害程度大為降低，從而保證施工人員的安全。這種人工釋放應(yīng)力的方法還可能產(chǎn)生增大掌子面破碎帶寬度的效應(yīng)，以及把高應(yīng)力峰值從掌子面移動(dòng)到實(shí)體巖石的效應(yīng)。

本文采用掌子面周邊布孔與中部布孔兩種爆破方式，通過微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)定能量釋放量，對(duì)比兩種爆破方式下圍巖內(nèi)部能量的釋放量，進(jìn)而優(yōu)選適宜的爆破方式。

2.1 掌子面周邊布孔爆破

根據(jù)不同的巖爆等級(jí)，采用不同的布孔、裝藥、爆破等方式進(jìn)行有針對(duì)性的處理。

（1）輕微巖爆。輕微巖爆段理論上不需要實(shí)施應(yīng)力提前釋放，若有應(yīng)力集中位置，在相應(yīng)部位實(shí)施應(yīng)力釋放爆破。采用多臂鉆鉆孔，孔數(shù)隨機(jī)/循環(huán)，孔間距根據(jù)應(yīng)力集中范圍調(diào)整，孔徑89 mm，孔深5.0 m，孔位與周邊孔保持一致，仰角15°。應(yīng)力釋放爆破孔前3 m按Ⅱ類圍巖開挖施工技術(shù)交底周邊眼裝藥參數(shù)進(jìn)行施工，后2 m使用直徑32 mm乳化炸藥間隔裝藥（總裝藥量控制在600～800 g）?？卓诓捎灭ね痢⑸白?、水按適當(dāng)比例調(diào)配而成的炮泥封堵，封堵長(zhǎng)度不小于50 cm，封堵密實(shí)。

應(yīng)力釋放爆破孔安裝毫秒雷管MS11，應(yīng)力釋放爆破與周邊眼同時(shí)起爆，爆破孔布設(shè)參數(shù)如圖3（a）所示，裝藥示意見圖4（a）。

（2）中等巖爆。中等巖爆段實(shí)施應(yīng)力提前釋放，按照應(yīng)力釋放爆破參數(shù)要求放樣出相應(yīng)孔位，采用多臂鉆臺(tái)車鉆孔，拱部120°范圍內(nèi)布設(shè)不少于9個(gè)孔/循環(huán)，孔距90 cm，孔徑89 mm，孔深5.0 m，孔位與周邊孔保持一致，仰角20°。隧洞中心線上的應(yīng)力釋放孔孔距1.0 m，孔徑89 mm，孔深5.0 m，孔向俯角3°～5°，孔內(nèi)使用鑿巖臺(tái)車鉆桿注水不裝藥。應(yīng)力釋放孔前3 m按Ⅱ類圍巖開挖施工技術(shù)交底周邊眼裝藥參數(shù)進(jìn)行施工，后2 m使用直徑32 mm乳化炸藥間隔裝藥（總裝藥量控制在0.8～1.0 kg）?？卓诓捎灭ね痢⑸白?、水按適當(dāng)比例調(diào)配而成的炮泥封堵，封堵長(zhǎng)度不小于50 cm，封堵密實(shí)。

應(yīng)力釋放爆破孔安裝毫秒雷管MS11，應(yīng)力釋放爆破與周邊眼同時(shí)起爆，爆破孔布設(shè)參數(shù)見圖3（b），裝藥示意見圖4（b）。

（3）強(qiáng)烈?guī)r爆。強(qiáng)烈?guī)r爆段實(shí)施應(yīng)力提前釋放，按照應(yīng)力釋放爆破參數(shù)要求放樣出相應(yīng)孔位，采用多臂鉆臺(tái)車鉆孔，拱部180°范圍內(nèi)布設(shè)不少于13個(gè)孔/循環(huán)，孔距90 cm，孔徑89 mm，孔深8.0 m，孔位與周邊孔保持一致，仰角30°。隧洞中心線上的應(yīng)力釋放孔孔距1.0 m，孔徑89 mm，孔深8.0 m，孔向俯角3°～5°，孔內(nèi)使用鑿巖臺(tái)車鉆桿注水不裝藥。釋放爆破孔前3 m按Ⅱ類圍巖開挖施工技術(shù)交底周邊眼裝藥參數(shù)進(jìn)行施工，后2 m使用直徑32 mm乳化炸藥間隔裝藥（總裝藥量控制在1.2～1.4 kg）?？卓诓捎灭ね?、砂子、水按適當(dāng)比例調(diào)配而成的炮泥封堵，封堵長(zhǎng)度不小于50 cm，封堵密實(shí)。

強(qiáng)烈?guī)r爆段應(yīng)力釋放爆破為單獨(dú)一個(gè)工序，單孔采用毫秒雷管MS11進(jìn)行起爆，爆破完成后，經(jīng)檢查確認(rèn)無誤后進(jìn)行下一道工序施工。具體應(yīng)力釋放爆破孔布設(shè)參數(shù)見圖3（c），裝藥示意見圖4（c）。

2.2 掌子面中部布孔爆破

為了提高準(zhǔn)確性，在孔徑和孔深等參數(shù)與掌子面周邊布孔作業(yè)參數(shù)不變的前提下，采用控制變量法進(jìn)行多方案試驗(yàn)研究，控制變量法試驗(yàn)參數(shù)見表1，爆破孔布設(shè)參數(shù)見圖5。以方案1為基準(zhǔn)，可以看出：方案2與方案1采用不同孔數(shù)，方案3與方案1采用不同藥量，方案4與方案1采用不同起爆方式，方案5與方案1采用不同藥卷直徑，方案6與方案1采用不同孔數(shù)、不同藥量。

3 超前應(yīng)力釋放爆破效果分析

巖體受爆破擾動(dòng)后，應(yīng)力重新分配和調(diào)整，巖體內(nèi)積蓄的彈性能會(huì)在應(yīng)力集中位置以微震的形式予以釋放，由于巖體內(nèi)的應(yīng)力值無法通過微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)直接獲得，因此選擇爆破后某個(gè)時(shí)間段內(nèi)微震釋放的累積能量來間接反映，作為應(yīng)力釋放爆破效果的參考指標(biāo)。

3.1 掌子面周邊布孔爆破

選取秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程某巖爆段實(shí)施應(yīng)力釋放爆破，拱部180°范圍內(nèi)鉆出13個(gè)應(yīng)力釋放爆破孔，孔徑89 mm，孔深5.0 m，孔間距90 cm，仰角15°，單孔裝藥量800 g。

通過分析爆破前后微震監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，應(yīng)力釋放爆破到開挖爆破之間，共采集到38個(gè)有效微震事件，其中包含若干次巖爆，共釋放能量為74 423 J;開挖爆破后13.5 h，共采集到65個(gè)有效微震事件，其中包括多次巖爆，共釋放能量為452 574 J;應(yīng)力釋放爆破所釋放能量與開挖爆破釋放能量比為1∶6.08。

3.2 掌子面中部布孔爆破

應(yīng)力釋放爆破與施鉆爆破分開進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，應(yīng)力釋放爆破后1 h左右開始施鉆，考慮到施鉆過程會(huì)對(duì)巖體產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，施鉆過程的能量釋放難以界定是否為應(yīng)力釋放爆破的結(jié)果，因此將統(tǒng)計(jì)時(shí)間確定為1 h，即以每次應(yīng)力釋放爆破后1 h內(nèi)的能量釋放量判定應(yīng)力釋放爆破的效果，為便于對(duì)比分析，施鉆爆破后的能量釋放量統(tǒng)計(jì)時(shí)間也為1 h，見表2。

能量釋放比ζ是評(píng)價(jià)應(yīng)力釋放爆破效果的重要指標(biāo)，定義為應(yīng)力爆破釋放能量E1與施鉆爆破釋放能量E2之比。

通過分析鉆爆接應(yīng)洞上游試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出：在7次應(yīng)力釋放爆破中，有3次釋放能量為0 J，對(duì)應(yīng)的施鉆爆破釋放能量為7萬～13萬J;1次應(yīng)力釋放爆破釋放能量為1 J，對(duì)應(yīng)的施鉆爆破釋放180 J，能量釋放比為1∶180;1次應(yīng)力釋放爆破與施鉆爆破釋放能量相當(dāng)，均為350 J左右，能量釋放比約1∶1;1次應(yīng)力釋放爆破釋放能量為65.7萬J，對(duì)應(yīng)的施鉆爆破釋放能量為95.1萬J，能量釋放比約1∶1.5;1次應(yīng)力釋放爆破釋放能量為15.3萬J，對(duì)應(yīng)的施鉆爆破釋放能量為3.98萬J，能量釋放比約1∶0.26。

下游掌子面同樣使用控制變量法進(jìn)行應(yīng)力釋放爆破試驗(yàn)，微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表3。

通過分析下游鉆爆接應(yīng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出：在5次應(yīng)力釋放爆破中，有2次應(yīng)力釋放能量為0，對(duì)應(yīng)施鉆爆破釋放能量為13.9萬J和3.2萬J;1次應(yīng)力釋放爆破釋放能量為53 J，對(duì)應(yīng)施鉆爆破釋放能量為5.36萬J，能量釋放比為1∶1 011;1次應(yīng)力釋放爆破釋放能量為98 J，對(duì)應(yīng)施鉆爆破釋放能量為1 030 J，能量釋放比為1∶10.5;1次應(yīng)力釋放爆破釋放能量為593 J，對(duì)應(yīng)施鉆爆破釋放能量為1.46萬J，能量釋放比約1∶24.6。

3.3 效果分析評(píng)價(jià)

通過分析對(duì)比可知，采用在掌子面中部布孔，在上游工作面進(jìn)行超前應(yīng)力釋放爆破，受巖體結(jié)構(gòu)影響，釋放能量的離散度比較大，其中58%的工作面效果不明顯，42%的工作面有一定效果;在下游工作面進(jìn)行超前應(yīng)力釋放爆破，60%的工作面釋放能量效果不明顯，40%的工作面有一定效果，但能量釋放比偏低。而采用在掌子面周邊布孔的方式，其應(yīng)力釋放爆破釋放能量與開挖響炮后釋放能量之比為1∶6.08，且效果較為穩(wěn)定。

同時(shí)，隧洞巖爆發(fā)生部位主要集中在拱部180°范圍內(nèi)，從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)合微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合來看，周邊位置實(shí)施應(yīng)力釋放爆破效果優(yōu)于掌子面中部應(yīng)力釋放爆破效果。

4 結(jié) 語

由陜西省引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞嶺南TBM施工巖爆段超前應(yīng)力釋放爆破方式的實(shí)際實(shí)施情況、能量釋放比數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)的情況可知，只要爆破方式選擇得當(dāng)，在巖爆條件下，采用超前應(yīng)力釋放爆破的方式對(duì)圍巖內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行釋放是行之有效的。在巖爆條件下，采用掌子面周邊位置布孔實(shí)施超前應(yīng)力釋放爆破效果優(yōu)于在掌子面中部布孔實(shí)施超前應(yīng)力釋放爆破。同時(shí)，通過此次對(duì)超前應(yīng)力釋放爆破方式的對(duì)比研究可以看出：

（1）巖體本身的非均勻性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致爆破前后所釋放的能量相差較大，具有一定的隨機(jī)性。即使同為巖爆風(fēng)險(xiǎn)較小的洞段，相同爆破參數(shù)的條件下，所釋放的能量也可能相差數(shù)十倍甚至數(shù)百倍。

（2）從該工程實(shí)施結(jié)果來看，爆破參數(shù)如孔位、孔深、孔徑、炸藥、裝藥方式、裝藥量等的選取總體是合理的，但對(duì)于爆破參數(shù)的選取，要根據(jù)圍巖情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

（3）超前應(yīng)力釋放爆破孔一般應(yīng)與常規(guī)鉆爆法施工爆破孔共同施工，最好一孔兩用，注意將超前應(yīng)力釋放爆破孔加深至需要的深度，這樣有利于控制開挖效果。

在超前應(yīng)力釋放爆破方式的研究過程中仍存在一些問題：一是作業(yè)效率問題，此次研究的孔深不大，可以對(duì)孔深加大后的應(yīng)力釋放效果進(jìn)行更深入的研究;二是現(xiàn)場(chǎng)影響因素眾多，采用微震監(jiān)測(cè)對(duì)釋放能量進(jìn)行采集，存在一定的偏差和人為辨識(shí)錯(cuò)誤，需要進(jìn)一步研究更為有效的方式。

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【責(zé)任編輯 張華巖】