深埋隧洞超前應力釋放爆破方式優化研究

董鵬 劉福生

摘 要：巖爆已成為巖石地下工程和巖石力學領域的難題，對圍巖進行超前處理，能夠改善圍巖內部應力，降低巖爆發生的頻率和等級。通過對引漢濟渭工程秦嶺隧洞巖爆段進行超前應力釋放爆破研究，采用掌子面周邊布孔與中部布孔兩種爆破方式，通過微震監測系統測定能量釋放量，對比兩種爆破方式對圍巖內部應力的降低程度。結果表明：采用超前應力釋放爆破對圍巖內部應力進行釋放是行之有效的，能夠降低巖爆帶來的安全風險;爆破孔位布置、孔深、孔徑、炸藥選擇、裝藥方式、裝藥量等應根據圍巖情況進行實時調整，采用掌子面周邊位置布孔實施超前應力釋放爆破效果優于在掌子面中部布孔實施超前應力釋放爆破。

關鍵詞：深埋隧洞;巖爆;超前應力釋放;爆破施工;布孔方式;能量釋放比;秦嶺隧洞;引漢濟渭工程

中圖分類號：TV672.1 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.021

引用格式：董鵬，劉福生.深埋隧洞超前應力釋放爆破方式優化研究[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

強烈、極強烈巖爆對深埋隧洞施工人員及設備安全將造成極大威脅，甚至造成災難性后果。錦屏二級水電站施工排水洞發生的極強巖爆，爆坑深度達9 m，爆方總量近千方，導致正作業的TBM設備被埋，7名工人遇難，嚴重影響了工程進度[1]。巖爆產生的機理復雜，預測預警十分困難，目前仍被認為是巖石地下工程和巖石力學領域的世界性難題。學者普遍認為，巖爆是深埋地下工程在施工過程中常見的一種動力破壞現象，當巖體中聚積的高彈性應變能大于巖石破壞所消耗的能量時，破壞了巖體結構的平衡，多余的能量導致巖石爆裂，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生規模與頻率的兩種重要途徑[5-6]。應力釋放爆破在巖爆高風險洞段，通過向掌子面前方鉆孔，放入爆破材料實施爆破，使未開挖洞段巖石松動，主動調整其內部應力，降低圍巖破壞時的能量水平，進而降低巖爆的發生規模與頻率[7-8]。

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

陜西省引漢濟渭工程秦嶺隧洞埋深大、圍巖強度高、地應力高，現場巖爆頻發。筆者針對超前應力釋放爆破的方式開展深入研究，通過微震實時監測手段對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力釋放效果進行監測[11]，對采集到的數據進行整理、對比分析，以進一步優化布孔方式。

1 工程概況

陜西省引漢濟渭工程秦嶺隧洞是將漢江流域調出水量自流送入渭河流域關中地區而修建的長距離、大埋深、明流無壓隧洞。隧洞全長81.779 km，設計流量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施工段為引漢濟渭工程秦嶺隧洞TBM法施工標段中的反坡施工標段，由3#支洞進入主洞下游1 942 m開始，標段全長18 275 m，由TBM輔助洞室（長765 m）和TBM掘進施工段（長17 510 m）組成。其中TBM掘進段分為第一掘進段9 880 m和第二掘進段7 630 m，兩掘進段中設置TBM檢修洞便于中間檢修，由4#支洞進入主洞開挖形成。具體段落劃分如圖2所示。

工程位于秦嶺嶺脊高中山區及嶺南中低山區，地形起伏大，高程范圍1 050～2 420 m，洞室最大埋深為2 012 m。工程范圍內主要涉及地層為下元古界長角壩巖群黑龍潭巖組石英巖、印支期花崗巖、華力西期閃長巖以及斷層碎裂巖、糜棱巖[12]。

據統計，秦嶺隧洞發生的強烈巖爆占比約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 超前應力釋放爆破方案研究

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

本文采用掌子面周邊布孔與中部布孔兩種爆破方式，通過微震監測系統測定能量釋放量，對比兩種爆破方式下圍巖內部能量的釋放量，進而優選適宜的爆破方式。

2.1 掌子面周邊布孔爆破

根據不同的巖爆等級，采用不同的布孔、裝藥、爆破等方式進行有針對性的處理。

（1）輕微巖爆。輕微巖爆段理論上不需要實施應力提前釋放，若有應力集中位置，在相應部位實施應力釋放爆破。采用多臂鉆鉆孔，孔數隨機/循環，孔間距根據應力集中范圍調整，孔徑89 mm，孔深5.0 m，孔位與周邊孔保持一致，仰角15°。應力釋放爆破孔前3 m按Ⅱ類圍巖開挖施工技術交底周邊眼裝藥參數進行施工，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?、砂子、水按適當比例調配而成的炮泥封堵，封堵長度不小于50 cm，封堵密實。

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

（2）中等巖爆。中等巖爆段實施應力提前釋放，按照應力釋放爆破參數要求放樣出相應孔位，采用多臂鉆臺車鉆孔，拱部120°范圍內布設不少于9個孔/循環，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°，孔內使用鑿巖臺車鉆桿注水不裝藥。應力釋放孔前3 m按Ⅱ類圍巖開挖施工技術交底周邊眼裝藥參數進行施工，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?、砂子、水按適當比例調配而成的炮泥封堵，封堵長度不小于50 cm，封堵密實。

應力釋放爆破孔安裝毫秒雷管MS11，應力釋放爆破與周邊眼同時起爆，爆破孔布設參數見圖3（b），裝藥示意見圖4（b）。

（3）強烈巖爆。強烈巖爆段實施應力提前釋放，按照應力釋放爆破參數要求放樣出相應孔位，采用多臂鉆臺車鉆孔，拱部180°范圍內布設不少于13個孔/循環，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°，孔內使用鑿巖臺車鉆桿注水不裝藥。釋放爆破孔前3 m按Ⅱ類圍巖開挖施工技術交底周邊眼裝藥參數進行施工，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、水按適當比例調配而成的炮泥封堵，封堵長度不小于50 cm，封堵密實。

強烈巖爆段應力釋放爆破為單獨一個工序，單孔采用毫秒雷管MS11進行起爆，爆破完成后，經檢查確認無誤后進行下一道工序施工。具體應力釋放爆破孔布設參數見圖3（c），裝藥示意見圖4（c）。

2.2 掌子面中部布孔爆破

為了提高準確性，在孔徑和孔深等參數與掌子面周邊布孔作業參數不變的前提下，采用控制變量法進行多方案試驗研究，控制變量法試驗參數見表1，爆破孔布設參數見圖5。以方案1為基準，可以看出：方案2與方案1采用不同孔數，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、不同藥量。

3 超前應力釋放爆破效果分析

巖體受爆破擾動后，應力重新分配和調整，巖體內積蓄的彈性能會在應力集中位置以微震的形式予以釋放，由于巖體內的應力值無法通過微震監測系統直接獲得，因此選擇爆破后某個時間段內微震釋放的累積能量來間接反映，作為應力釋放爆破效果的參考指標。

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施應力釋放爆破，拱部180°范圍內鉆出13個應力釋放爆破孔，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測結果可知，應力釋放爆破到開挖爆破之間，共采集到38個有效微震事件，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個有效微震事件，其中包括多次巖爆，共釋放能量為452 574 J;應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

應力釋放爆破與施鉆爆破分開進行，根據現場反饋，應力釋放爆破后1 h左右開始施鉆，考慮到施鉆過程會對巖體產生一定的擾動，施鉆過程的能量釋放難以界定是否為應力釋放爆破的結果，因此將統計時間確定為1 h，即以每次應力釋放爆破后1 h內的能量釋放量判定應力釋放爆破的效果，為便于對比分析，施鉆爆破后的能量釋放量統計時間也為1 h，見表2。

能量釋放比ζ是評價應力釋放爆破效果的重要指標，定義為應力爆破釋放能量E1與施鉆爆破釋放能量E2之比。

通過分析鉆爆接應洞上游試驗數據，可以看出：在7次應力釋放爆破中，有3次釋放能量為0 J，對應的施鉆爆破釋放能量為7萬～13萬J;1次應力釋放爆破釋放能量為1 J，對應的施鉆爆破釋放180 J，能量釋放比為1∶180;1次應力釋放爆破與施鉆爆破釋放能量相當，均為350 J左右，能量釋放比約1∶1;1次應力釋放爆破釋放能量為65.7萬J，對應的施鉆爆破釋放能量為95.1萬J，能量釋放比約1∶1.5;1次應力釋放爆破釋放能量為15.3萬J，對應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行應力釋放爆破試驗，微震監測數據統計見表3。

通過分析下游鉆爆接應洞試驗數據，可以看出：在5次應力釋放爆破中，有2次應力釋放能量為0，對應施鉆爆破釋放能量為13.9萬J和3.2萬J;1次應力釋放爆破釋放能量為53 J，對應施鉆爆破釋放能量為5.36萬J，能量釋放比為1∶1 011;1次應力釋放爆破釋放能量為98 J，對應施鉆爆破釋放能量為1 030 J，能量釋放比為1∶10.5;1次應力釋放爆破釋放能量為593 J，對應施鉆爆破釋放能量為1.46萬J，能量釋放比約1∶24.6。

3.3 效果分析評價

通過分析對比可知，采用在掌子面中部布孔，在上游工作面進行超前應力釋放爆破，受巖體結構影響，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;在下游工作面進行超前應力釋放爆破，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，且效果較為穩定。

同時，隧洞巖爆發生部位主要集中在拱部180°范圍內，從現場觀測結合微震監測數據綜合來看，周邊位置實施應力釋放爆破效果優于掌子面中部應力釋放爆破效果。

4 結 語

由陜西省引漢濟渭工程秦嶺隧洞嶺南TBM施工巖爆段超前應力釋放爆破方式的實際實施情況、能量釋放比數據以及現場目測的情況可知，只要爆破方式選擇得當，在巖爆條件下，采用超前應力釋放爆破的方式對圍巖內部應力進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施超前應力釋放爆破效果優于在掌子面中部布孔實施超前應力釋放爆破。同時，通過此次對超前應力釋放爆破方式的對比研究可以看出：

（1）巖體本身的非均勻性和結構的復雜性導致爆破前后所釋放的能量相差較大，具有一定的隨機性。即使同為巖爆風險較小的洞段，相同爆破參數的條件下，所釋放的能量也可能相差數十倍甚至數百倍。

（2）從該工程實施結果來看，爆破參數如孔位、孔深、孔徑、炸藥、裝藥方式、裝藥量等的選取總體是合理的，但對于爆破參數的選取，要根據圍巖情況進行實時調整。

（3）超前應力釋放爆破孔一般應與常規鉆爆法施工爆破孔共同施工，最好一孔兩用，注意將超前應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。

在超前應力釋放爆破方式的研究過程中仍存在一些問題：一是作業效率問題，此次研究的孔深不大，可以對孔深加大后的應力釋放效果進行更深入的研究;二是現場影響因素眾多，采用微震監測對釋放能量進行采集，存在一定的偏差和人為辨識錯誤，需要進一步研究更為有效的方式。

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【責任編輯 張華巖】