TBM隧道施工的岩爆灾害及其预防

TBM隧道施工的岩爆灾害及其预防

张磊

关键词：TBM隧道施工；岩爆灾害；成因分析；预防措施

随着我国市场经济以及国内生产总值的不断上升，人们对施工中的各项安全管理措施以及施工质量的要求也越来越高。尤其是高危险施工作业，更是人们关注的焦点。虽说我国TBM隧道施工中岩爆控制工作随我国施工技术的不断上升，其安全性工作也取得了飞速的发展，但仍有众多问题亟待专业人士去解决的，且这些问题的存在不仅使隧道的质量难以得到保障，还威胁到了施工人员的身心健康。因此，如何正确合理的在隧道施工中开展岩爆的控制工作，已成为TBM隧道施工中的重点项目之一。

一、TBM隧道施工及岩爆概述

TBM隧道掘进机，是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。相对于传统的隧道开挖方法，尤其是在长达隧道方面，TBM隧道施工有无可比拟的优势，它集钻入、掘进、支护于一体，通过采用先进的电子信息、遥测遥控等先进技术对整个施工作业全过程进行制导和监控，使隧道施工过程始终处于可控状态，在国际上现已广泛应用于水利水电、铁路公路、市政交通等隧道工程中。施工企业，特别是国有大中型施工企业要在隧道施工市场立于不败之地，获取市场竞争中的技术优势、品牌优势和成本优势，那么科学运用TBM隧道掘进机加强质量控制势在必行。

岩爆是在高地应力硬脆性岩体中隧道开挖诱发的一种工程地质问题，严重威胁洞内施工人员和设备的安全，影响隧道正常施工。TBM施工对围岩扰动较小，且开挖断面多为圆形，在一定程度上减弱了围岩应力局部集中现象，降低了岩爆发生的可能性。尽管如此，在国内外一些隧道TBM施工过程中，仍然有岩爆发生，如我国的秦岭隧道和天生桥二级水电站引水隧洞，在TBM施工中均发生了不同程度的岩爆。

二、TBM隧道施工中岩爆成因机理探析

要想彻底的解决TBM隧道施工岩爆问题，除了对其特点进行分析之外，还要对岩爆的形成机制进行系统性的研究与分析，才能在本质上彻底的解决TBM隧道施工中的岩爆问题。

2.1静力学形成机制的探讨

在隧道的施工过程中，一定要充分考虑到岩石的高地适应力以及其自身的压力强度，以免出现负荷过大而导致的坍塌现象发生，我们一定要最大程度的满足隧道岩石的强度理论，让隧道的岩爆的发生率降到最低。另外，我们还要在能量学观点上与断裂以及损伤理论上对岩石进行分析。对于前所而言，专家学者认为隧道发生岩爆现象是由于周围岩石的积聚弹性应变能释放能量的过程，弹性应变能数值越高，说明岩石进入不稳定破裂之前发生的损伤较小，其释放的能量就越高，形成的爆裂情况就越发严重，反之亦然；而对于断裂以及损伤理论来讲，其主要是由于掩体材料本身的内部就存在一定的损伤以及裂缝或缺陷，这种不良的影响会大大降低岩石体积的负荷能力，使得隧道容易发生坍塌以及工程裂缝的情况。

2.2隧道岩爆的动力学理论机制探析

在现今的隧道岩爆发生数据调查显示看来，隧道岩爆的发生并不是自然地质灾害，而是与隧道的施工技术的息息相关的。一个合理有效的隧道施工技术能够最大程度的减少隧道施工发生岩爆现象。另外，施工技术人员的综合素质水平以及其自身采取的施工方法与方式也是造成隧道岩爆发生的重要影响因素之一。例如：施工技术人员如若在隧道的两面都采用钻爆法来进行隧道的施工开挖工作，这在一定的程度上使得各炮层在开展隧道施工的过程中，势必会使得周围的岩石发生一定质量性的裂伤与缝隙，这些后天导致的裂缝，使得整个周围岩石的岩质发生了变化，不仅仅降低了周围岩体的质量性，还增加了岩爆的发生率。再加上，岩体的局部变化积累也会使得其整体结构发生变化，更加使得隧道容易发生岩爆以及坍塌的现象。所谓的量变势必会引起质变在这里显得尤为充分。

三、TBM隧道施工过程中岩爆灾害预防措施

3.1改善围岩物理力学特性

在施工中，若判定围岩特性是诱发岩爆的主要因素，其防治措施主要有：爆破前加强底部装药，适度炸裂掌子面前方围岩，在未开挖洞段围岩内产生裂缝，提前诱发围岩应力的调整和释放；爆破后立即向掌子面及附近洞壁喷洒高压水，以降低周边围岩的地温场，从而控制岩石在开挖后的过度膨胀。

3.2应力解除

对于以高地应力为主要诱因的岩爆，重点应放在超前围岩地应力调整上，目前，常用的方法主要有超前地应力驱除爆破和钻设应力释放孔两种，在极强岩爆条件下的应力接触爆破施工方案。超前地应力驱除爆破是通过超前预爆破，致使掌子面前方待开挖洞段及对应的隧道周边一定范围内岩体产生裂隙，从而使很高的原始地应力提前进行分异和调整。应力释放孔包括超前应力释放孔和周边围岩应力释放孔，改善已开挖或待开挖洞段的坑道受力状况，有效地降低岩爆产生。

3.3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。TBM开挖后，及时采取适宜的支护形式加强支护，尽量减少围岩暴露时间。支护形式随TBM护盾形式的不同而变：对于双护盾TBM，应在TBM开挖后及时安装管片衬砌；对于敞开式或单护盾TBM，则可根据岩爆烈度不同分别采用喷射混凝土、锚喷网或格栅钢拱架等方式进行支护。此外，为避免岩爆石块坍落伤人或砸毁机械设备，最好在TBM后配套设备上安装防石棚。

3.4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。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。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。

四、结语

目前TBM掘进技术对于不良地质条件适应性较差，在应用过程中经常遇到的主要工程地质问题。为了能够克服、解决这些问题，需要在工程可行性研究和设计阶段就给予足够的认识和重视，加强以重大工程地质预测为中心的超前地质预报工作，并在施工过程中充分利用各种地质资料和超前地质预报成果，建立工程地质模型，对遇到的问题作出接近实际的评估。

参考文献：

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[3]陈卫忠，马池帅，田洪铭，等.TBM隧道施工期岩爆预测方法探讨[J].岩土力学，2017（s2）.