摘要：隨著我國鐵路隧道的大規模建設，大量超深埋隧道在高地應場條件下的巖爆效應將成為鐵路建設中的關鍵技術難題。為了判別、預防巖爆的發生，提出不同等級巖爆防控措施，通過調研國內相關專家的研究成果及國內外典型巖爆隧道建設的相關研究成果，結合實際工程經驗，分析巖爆發生條件、高應力狀態下巖爆發生機理、巖爆的預測、巖爆防治措施及作用機理，總結隧道發生巖爆的特征規律，提出高應力狀態下不同等級巖爆的防控措施。分析結果表明，施工過程中巖爆的防治，應采取以微震監測為主的綜合超前地質預報方法，隧道支護應采用主動支護和被動防護相結合方式，主動支護主要有預應力錨桿、超前應力釋放、拱部超前支護、優化施工工法等措施，被動防護主要有高強鋼纖維噴射混凝土、鋼拱架、消能防護網等措施，巖爆的防治技術的關鍵在于快速恢復圍巖原始三軸應力狀態程立，同時采用少人化、無人化的大型機械化施工，相關研究成果已納入川藏鐵路巖爆隧道設計原則。

　　關鍵詞：鐵路隧道;巖爆隧道;高地應力場;主動支護;預應力錨桿;大型機械化施工

　　引言

　　隨著川藏、滇藏等鐵路的大規模建設，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，另外川藏鐵路走行在印度板塊和歐亞板塊強烈碰撞縫合帶，經過岡底斯—喜馬拉雅造山系、班公湖—怒江對接帶羌塘—三江造山系、揚子臺地等一級構造帶，區域地應力高、環境復雜，隧道建設過程中不可避免地會出現高強度的巖爆。巖爆發生具有突然性、高危性特點和動力失穩特征，在高地應力隧道及地下工程開挖過程中發生頻率極高[1]。巖爆的發生給隧道施工人員和設備帶來極大的安全隱患，同時給隧道建設帶來極大影響。目前，國內外學者圍巖的巖爆效應也做了大量研究，研究結果豐碩。馮夏庭等[2]系統地研究了巖爆機制和巖爆孕育過程。

　　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，將溫度應力場疊加到重力及構造應力場中得到了與高地溫相符的巖體初始地應力場。陳衛忠等[5]基于脆性巖石卸荷圍壓實驗的研究，發現巖爆是能量積聚釋放的過程，經歷了應力集中、能量聚集、微裂紋形成與擴展、裂紋貫通、巖爆發生等階段;同時由于裂隙的傳播和應力的轉移不充分，卸荷速率越快，巖爆時破壞的能量越大。王青海等[6]研究認為巖爆是壓致拉裂、壓致剪切拉裂和彎曲鼓折的結果，提出巖石的噴水軟化系數越小，噴水降低巖體儲存能力越好的結論。若斷層破碎帶巖體破碎不具備儲存大能量的條件時，斷層破碎帶和節理十分發育的部位不會出現巖爆;若斷層附近完整巖體由于構造應力集中效應，存儲較大的彈性應變能，容易發生巖爆。

　　許東俊等[7]研究表明地下洞室周邊圍巖中存在著產生巖爆的極限深度，極限深度的大小與水平應力與垂直應力比值有關，洞壁巖體從雙軸壓縮應力狀態逐漸過渡到真三軸應力狀態。康勇等[8]利用巖石聲發射Kaiser效應特性及有限元數值分析的方法對隧道地應力特征和巖爆進行了預測的研究，發現隧道開挖后最大切向應力通常是最大地應力值的倍。何滿潮[9]通過真三軸主機巖爆模擬實驗，得出了90MPa的花崗巖巖爆破壞臨界應力值介于100~120MPa的結論;同時認為巖爆試驗中花崗巖聲發射頻譜經歷了由低頻單峰向高頻單峰轉變，最后又恢復低頻單峰，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，發現TBM在開挖時掌子面前方約10m范圍內的圍巖已受到不同程度的損傷與擾動，TBM掘進后圍巖損傷破裂主要集中在掌子面后7m范圍內，其中掌子面后3m范圍內最為明顯;沿洞徑方向，圍巖3m范圍內為松動區，3~9m范圍為損傷區，9~22m為擾動區。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力環境是巖爆發生的必要條件，洞室開挖導致應力集中是巖爆發生的觸發條件的結論。

　　以上研究分別從巖爆與能量的關系、巖爆與巖體受力關系、巖爆的發生與巖體應力分布的關系、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，系統而全面的研究隧道施工、支護措施與巖爆的關系并不多見。本文在總結已有巖爆特征規律的基礎上，系統的分析了巖爆的預測、控制預防措施及適用范圍。

　　1國內外典型巖爆隧道特征分析

　　1.1國內典型巖爆隧道

　　(1)拉林鐵路巴玉隧道[12]全長12.5km，單線、設計時速為160km，隧道通過地層主要為粗粒結構的花崗巖，單軸飽和抗壓強度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，實測最大地應力為49.3MPa，推測最大埋深處最大主應力為50MPa，最大主應力與洞軸近似垂直。 隧道建設過程中約4500m長度范圍內發生了不同強度的巖爆，其中中等及強烈巖爆段落達2953m。巖爆持續時間～168h，發生巖爆的時段為開挖后～6h，巖爆發生的位置在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，實測最大地應力為44MPa，推測最大埋深處最大主應力為120MPa。隧道建設過程中單個隧洞約3900m長度范圍內發生了不同強度的巖爆，其中中等及強烈巖爆段落1070m。即時性巖爆在開挖過程中、開挖后2~5個小時或1~3內發生，間歇性持續時間數天至10余天;時滯性巖爆一般發生在開挖后6~30內。另外根據TBM施工和鉆爆施工對比分析認為深埋隧洞TBM施工引發巖爆的風險高于鉆爆法施工。巖爆發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巖爆的破壞機理分析

　　2.1巖爆的定義及分類

　　AI等[1認為，突然、劇烈發生的，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。巖爆是高地應力環境下堅硬、脆性巖體因地下洞室開挖導致巖體內積聚的彈性應變能突發性的急劇釋放，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巖體的整體塌落。

　　TB10003—2016《鐵路隧道設計規范》依據巖石強度應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、強烈和極強四類。國內外眾多科研機構對巖爆機理進行了深入研究，提出了諸多形成巖爆的力學機理，不盡相同，但總的來說依據巖體的力學表現形式分為剪切破壞型、劈裂破壞型、彎折內鼓型及復合型巖爆[18]。另外根據巖爆發生時機的不同，分為即時型巖爆[19](開挖后2h內或3d內發生)和時滯型巖爆[20](開挖以后發生)。

　　2.2巖爆破壞機理

　　影響巖爆發生的因素較多，其中硬質巖體和高地應力環境是引發巖爆的前提條件，開挖擾動及卸荷效應是誘發巖爆發生的直接原因。

　　(1)硬質巖條件下巖爆的發生機理硬質巖的彈性模量、剪切模量、抗壓強度和抗剪強度高，其應力應變主要為彈性變形，破壞前塑性變形很小，在構造運動中具備存儲很大應變能，隧道開挖后洞壁圍巖從三向應力狀態調整為雙向應力狀態，洞壁周邊巖體能量進一步積聚，隨著臨空面的產生，洞周一定范圍內巖體彈性應變能量的急劇釋放引發巖爆。硬質巖中巖性的彈性能量指數和脆性指數是反映巖體儲存能量的能力及巖體的脆性指標，也是衡量巖體發生巖爆可能性的重要參考指標。代表性巖性有花崗巖、大理巖、灰巖、白云巖、石英砂巖等。

　　(2)高地應力環境下巖爆的發生機理巖爆的發生受圍巖強度、初始地應力狀態、巖體構造環境、施工方法等多因素影響，其中初始地應力決定了巖體中彈性應變能的大小，也是判定高地應力環境的主要指標。GB/T50218—2014《工程巖體分級標準》將初始巖石強度應力比/σmax<為極高地應力區，易發生強烈、極強等級的巖爆;4≤/σmax<為高地應力區，易發生輕微、中等強度的巖爆。引起初始高地應力環境的主要原因有地質構造、斷層錯動及大埋深。

　　(3)開挖卸荷效應下巖爆的破壞機理隧道開挖之前，圍巖處于三向應力平衡狀態下，處于“彈性壓縮”狀態下，隧道開挖后洞壁巖體徑向應力解除，巖體向隧道內變形，如圖所示，由于初始應力場的重新分布，造成切向應力集中，最大值可達到(σσ)(約為最大主應力的倍)[2]，切向應力的陡增引起洞周圍巖體應變能的陡增，當應力超過巖石抗壓強度時，周邊巖體在應力集中作用下微裂紋不斷產生、擴展、貫通，當外部巖體釋放的能量大于裂紋產生所需要的能量，剩余的彈性應變能將轉化為動能，使破裂的巖塊以剝落、彈射，甚至是大范圍的內部巖體垮塌脫離。

　　3巖爆隧道的預測及分析

　　隧道施工過程中是否會發生巖爆，巖爆發生的強弱，其預測、預報分為勘察設計與施工兩個階段。在勘察設計階段的預測主要有強度應力比法(/σmax，鐵路隧道設計規范)，在施工階段主要有Russenes判據法、基于Kaiser聲發射效應的微震監測、鉆屑法及水分法等。在此基礎上結合區域地質構造、地下水發育狀況、巖石的脆性指數、節理裂隙發育情況、物探成果等進行綜合判斷分析。

　　4巖爆隧道的處置措施及適用范圍

　　巖爆發生的過程大致經歷能量釋放、積聚、再釋放三個過程。第一階段能量釋放，隧道開挖損傷區以外擾動區巖體彈性應變能釋放;第二階段能量積聚，松動區及損傷區圍巖應力集中，巖石內部裂隙閉合→彈性變形→開始產生裂隙，過程中伴隨著明顯的聲發射現象;第三階段能量釋放，松動區內部巖體裂隙穩定擴展→裂隙貫通→脫離巖塊的脫落、彈射。根據巖爆預測等級發生時機及持續時間的長短，巖爆的處置可分為主動支護和被動防護措施。主動支護措施主要有超前應力釋放(鉆孔泄壓、高壓噴水、超前施工小導洞)、超前支護、預應力錨桿、調整開挖進度、優化開挖工法以及調整開挖洞型等;被動防護措施主要有噴射混凝土(鋼纖維混凝土)、鋼筋網(高強鋼絲網)、型鋼(格柵)鋼架、以及人員和機械的安全防護、巖爆待避等。

　　5川藏鐵路巖爆設計主要原則

　　川藏鐵路雅安至林芝段預測隧道通過巖爆段長度約161km，其中強烈巖爆地段約19km，中等巖爆地段約72km。巖爆地段中實測最大水平地應力為47.7MPa，分析預測最大水平地應力達75MPa。為了降低巖爆對工程的影響，結合相關課題研究川藏鐵路巖爆設計的主要原則如下。

　　(1)采用以“微震監測超前長距離鉆孔”為主的綜合超前地質預報，有效預測掌子面前方巖爆發生的地段及強度。(2)中等及以上巖爆地段采用大型機械化施工，盡可能減小掌子面附近人員暴露作業。(3)巖爆地段錨桿均采用預應力錨桿。(4)巖爆地段噴射混凝土采用C30高強纖維混凝土，中等及以上巖爆地段設置消能防護網。(5)強烈、極強巖爆地段設置鋼拱架防護。(6)TBM施工通過巖爆地段，結合巖爆強度等級，采取調整掘進速度、拱部設置鋼筋排、邊墻設置消能防護網、設置鋼拱架、架設鋼管片等綜合防護措施。

　　科技論文投稿刊物：《隧道建設》雜志是隧道及地下工程領域實踐性很強的技術類科技期刊，北大核心期刊。主要刊載內容為國內外隧道及地下工程領域的新理論、新方法、新技術、新工藝、新設備、新材料、新經驗和工程實錄，相關領域的國內外科技信息、行業動態等。選稿突出創新性、實用性、系統性和導向性。

　　6結論與建議

　　通過對典型巖爆特征規律系統的分析總結，發現高應力作用下隧道巖爆具有特定的特征規律，在系統分析巖爆產生和防護的機理的基礎上，結合國內外典型巖爆工程的案例經驗，系統歸納總結了巖爆的控制方法，并對巖爆控制的關鍵因素提出建議。

　　(1)注重巖爆的預測預報，采取多種方式綜合預測，并結合施工期間的微震監測進行綜合判定，且目前強烈以上巖爆采用微震監測，預測的準確率可達80%以上，文章中結合已有工程的經驗分析，給出了發生巖爆地段的工程地質特點。

　　(2)巖爆的防治技術手段重點是如何快速恢復原始三軸地應力狀態，同時考慮提前釋放圍巖內部的彈性應變能，降低巖體的彈性、脆性。本文首次提出了巖爆隧道的支護措施應采用主動支護與被動防護相結合的綜合防治措施，較為全面的論述了相關防護措施的作用機理，并給出了不同防護措施的適用范圍。

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

　　(4)本文研究成果目前已成功納入川藏鐵路設計原則，并應用于巖爆隧道的設計與施工。

　　(5)TBM施工巖爆隧道，由于施工進度較快，開挖過程中的能量釋放有限，同時TBM掘進過程中對微震監測干擾較大，施工過程可能誘發較大規模的巖爆，需進一步研究TBM搭載式綜合超前地質預報措施，提高巖爆的預測精度，并加強防護措施。

　　(6)時滯型巖爆發生時破壞極大,且發生時機難以掌握，目前尚難以準確預測，需要積極開展相關研究，以指導施工。

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　　作者：鞏江峰1，田四明1，楊治剛2