浅谈锦屏二级水电站TBM施工岩爆防治

【摘 要】本文结合锦屏工程背景、从岩爆定义、产生条件进行逆向思维，总结岩爆防治思想原则。并对锦屏水电站TBM施工应对岩爆措施具体应用进行了总结。以及结合自己体会提出TBM应对岩爆措施几点建议，希望能为类似工程提供经验参考和借鉴。

【关键词】TBM；岩爆；被动支护；主动防范

1 引言

锦屏二级水电站引水隧洞施工埋深大，洞身长，洞径大，自重应力高的特点，以及复杂地质构造作用，岩爆问题是世界级难题。且同时采用3台TBM同时进行施工。且国内外缺乏可供借鉴的工程先例。尤其TBM在岩爆段施工更是成为锦屏二级水电站遇到最大难题之一。

岩爆是围岩积累的能量或应力突然释放导致岩体破坏现象，其振动波是能量释放的结果。岩爆是一种容易导致人员伤亡，工作面或设备发生损坏的微震，基本特性是突然和剧烈。岩爆主要是由岩体积存应力水平，导致岩体应力过高的条件主要是埋深（地应力）、岩体质量、地质构造（褶皱、断层）等有关。目前对岩爆认识也是基于工程实践中逐渐认识工程。我国在已建水电工程中，如天生桥、太平驿以及福堂引水隧洞开挖过程中均遇到岩爆，但岩爆等级均在中等及以下。

本文正是在此背景下，结合锦屏深埋隧洞TBM 防治施工实践以及国内外岩爆研究成果，通过工程地质及岩爆特征分析，通过岩爆产生原因及结果分析，主要从被动支护以及主动防范两方面出发，总结锦屏在TBM岩爆防治措施上具体应用，为工程技术人员提供参考。

2 工程地质及岩爆特征

2.1 工程地质与岩爆产生条件

岩爆是开挖导致的岩体内能量释放和通过震动波传播时产生的一种围岩破坏现象。因此，从定义可知产生岩爆原因是局部应力或能力水平过高，导致围岩突然破坏。根据目前对岩爆研究，导致围岩局部应力过高条件主要与埋深（几百米至几千米），岩体质量（Ⅰ、Ⅱ类围岩），地质构造（褶皱、断层）有关。

当然，从工程因素开挖尺寸、支护质量和及时性、开挖支护方式等也是影响岩爆发生条件，本文主要从自然因素进行了阐述。

2.2 岩爆分类及特征

到上世纪 80 年代，人们把岩爆按其类型特征大体分成三类，即应变型岩爆、断裂岩爆和岩柱岩爆。锦屏岩爆类型主要是应变型岩爆和断裂性岩爆。其中以应变型岩爆最为普遍，断裂岩爆危害性最大。岩柱型岩爆是相邻洞室开挖造成在岩柱内部形成强烈的应力集中，从而引起应变能突然释放，导致岩柱破裂和相邻洞室围岩破坏。锦屏岩爆类型为应变型和断裂型。

3 岩爆防治思想及原则

从岩爆定义可以看出：岩爆是后果，围岩破坏和微震是原因。因此，从工程角度决定岩爆控制就是努力避免这种破坏的产生。其中的途径有两个，一是降低能量释放的强度，二是加强围岩的抗冲击能力，在震动波的冲击下仍然保持稳定状态。这一基本认识构成所有岩爆控制的基本原则和思路。其中降低能量水平主要埋深较深部位，应对强烈及极强岩爆控制，提高抗震能力主要是浅表围岩，应对中等及以下岩爆。

4 TBM岩爆防治措施

4.1 被动支护

控制岩爆的支护措施不仅要提供足够高的支护力来抵抗潜在的围压破坏压力，同时还需要抵抗这种破坏方式下的冲击变形，即具备吸收能量的能力。因此，刚性支护在冲击荷载作用下因为变形能力弱很容易破坏，如传统观念拱架以及混凝土衬砌即属于此类，只适合在岩爆塌方后的加固。锦屏工程根据自身经验探索实践，具备良好变形能力的柔性支护的方案，很快得以应用。

由于起表面支撑作用的喷层和钢筋网的力学特性非常类似，即都是以吸能和适应变形能力强见长，因此，这些表面喷层与不同性质的锚杆构成不同的支护系统时，支护效果就不一样。

在支护手段上，TBM设备配置较强的锚杆钻机、钢筋存储腔以及喷射混凝土系统，TBM施工与钻爆开挖并无差异，锦屏工程通过现场实践与总结，岩爆防治在支护措施上可以归纳如下：

（1）支护及时性和有效性：要求支护能够较快发挥作用，且具备抵抗岩爆的冲击能力。既具备良好的强度特征（承载力）、同时具备良好适应变形能力的锚杆当然成为岩爆条件下支护设计的理想选择。锚杆根据力学性能一是传统意义上的刚性锚杆，如螺纹钢锚杆和机械胀壳式锚杆等；另一类是屈服锚杆，如水胀式锚杆和摩擦锚杆等。经过现场实践，最终采用水胀锚杆和中空涨壳式预应力锚杆相结合方案。以上两种锚杆都能快速方便给围岩提供支护力，弥补砂浆锚杆强度增加慢的缺点。其中，水涨式锚杆作为临时锚杆，涨壳式锚杆作为永久锚杆，二者很好兼顾强度和变形两方面特点。

（2）喷射混凝土在岩爆洞段掺加钢纤维或有机仿钢纤维能有效能有效增加喷层力学性能。但由于TBM设备上配置喷射混凝土系统管路较长，为有效减少混凝土输送过程中堵管发生，主要采用有机仿钢纤维混凝土。经锦屏现场实践证明，掺加后在抗剪和抗折能力学性能上优于普通素混凝土。

（3）支护系统性和联合承载能力。为保证挂网、锚杆以及喷砼形成完整的结构系统，避免互相独立工作。所有锚杆均带锚垫板，局部洞段垫板之间甚至可使用槽钢进行连接。从而使围岩内部与表层支护系统形成联合承载体系。

4.2 主动防范

TBM岩爆防治的主要目标仍是需要采取主动防范措施，降低岩爆造成的风险。与钻爆法相比，在岩爆预控上，其施工灵活性远不如钻爆法，尤其在发生岩爆塌方对TBM施工进度影响是不容忽视的。且对TBM设备安全影响也较大。根据锦屏工程经验，岩爆发生时间和位置没有固定规律可言，但对于多数岩爆发生在新开挖面，或者说掌子面以及以后的半倍洞径范围内，是岩爆发生高风险区。而此区域正是TBM机头部位，在护盾出露前破坏即发生。且一旦发生大规模岩爆破坏，受设备结构及空间限制，无法有效进行石渣清理和对此区域加强支护等措施。因此，需要采取主动防范措施，考虑降低应力水平，提前进行应力释放。

正是鉴于TBM设备在应对强烈以及极强岩爆的能力不足，锦屏工程采取“半断面”掘进方案。即在岩爆高风险段采用钻爆法提前开挖先导洞，释放露空面可能释放的岩爆应力，然后TBM扩挖剩余断面的掘进措施。

何种形式导洞最有利于降低TBM二次扩挖过程中岩爆风险，通过三种不同断面（上导、中导、半断面）数值计算，以能量释放率指标进行比较，从岩石力学角度三种形式导洞对降低岩爆风险差别不大。至于选择何种形式断面更多是从TBM设备适应性和方案经济性比较。

5 结语

（1）在进入强岩爆段后，如果岩爆到了不可避免的程度，TBM的不灵活性的缺点就会体现出来，给岩爆控制带来困难。这一问题的最佳解决途径是在TBM设计和制造中考虑对岩爆的防护和对爆后岩体的处理，一方面防止岩爆对机器和人员的直接损害，另一方面可以方便地排除卡机事故。

（2）应力释放和锚喷支护的施工方式被广泛证明能有效控制岩爆风险。这是岩爆防治主导思想，但针对具体工程特点，需要采取灵活施工措施，注意做好每个环节的工作。控制岩爆是多个环节共同作用的结果。

（3）深埋隧洞岩爆控制是建立在岩爆预测基础上，现场可采用微震监测和现场观察相结合方式得到一定程度判断。先导洞本身作为超前地质探洞，以及超前地质处理与微震监测工作面。通过进一步微震监测与论证，若判断某些洞段在TBM二次扩挖过程中仍然有造成围岩溃决性岩爆发生，则建议这些洞段直接钻爆开挖到位TBM步进通过。

（4）TBM施工岩爆防治目标实现通过采取主动的防治方案措施，保证TBM开挖过程中尽可能避免发生强烈与极强岩爆破坏，不发生由岩爆引起溃决型围岩塌方，以造成对TBM施工安全和进度重大影响。