收稿日期：２０１８－０６－０１　 基金项目：国家重点研发计划项目（２０１６ＹＦＣ０４０１８０５）；２０１３ 年陕西省科技统筹创新工程计划项目（２０１３ＫＴＺＢ－０３－０１－０１）　 作者简介：唐贵强（１９８５—），男，四川宜宾人，工程师，技术总工，主要从事水工隧洞技术及工程项目管理工作　 Ｅ⁃ｍａｉｌ：７１８５２６５１７＠ ｑｑ．ｃｏｍ

【专题研究】

秦岭隧洞岩爆应力解除爆破及支护参数优化

唐贵强

（中铁五局集团路桥工程有限责任公司，广东 广州 ５１１４５８）

摘　 要：针对引汉济渭工程秦岭隧洞具有超长、大埋深、地质条件复杂、高地温、高地应力、施工通风及运输距离长等特点，开挖施工

过程中岩爆的预防和处理是难点，在施工过程中，运用理论分析及现场试验等方法，通过对开挖前岩爆产生地段的预报解除和开挖

后支护参数优化，减小岩爆对工程安全和进度的影响。 以引水隧洞 ４ 号支洞的开挖段为试验段，采集开挖过程中发生岩爆的信息，通过微震监测预报数据，对应力解除爆破前、后监测数据进行对比分析，进行岩爆段开挖前应力解除爆破和开挖后支护参数优化，提出轻微、中度、强烈岩爆的有效防治措施。 结果表明：应力解除施工方案可以避免或大幅降低岩爆的发生概率、烈度与规模，具备

对应力集中部位预测准确、应力解除到位、解除效果可靠的优点，同时在开挖后对轻微、中度、强烈岩爆段采取不同支护参数，能够

有效地减小岩爆造成的破坏，保证隧洞围岩稳定和地下结构安全。关键词：开挖；岩爆；微震监测；支护参数；引汉济渭；秦岭隧洞

中图分类号：ＴＶ８５１　 　 　 文献标志码：Ａ　 　 　 ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０１９．０２．０２８　

Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｒｏｃｋ Ｂｕｒｓｔ Ｓｔｒｅｓｓ Ｒｅｌｉｅｖｉｎｇ Ｂｌａｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｑｉｎｌｉｎｇ ＴｕｎｎｅｌＴＡＮＧ Ｇｕｉｑｉａｎｇ

（Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｎｏ．５ Ｇｒｏｕｐ Ｒｏａｄ ａｎｄ Ｂｒｉｄｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１１４５８， Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｆｏｒ Ｈａｎｊｉａｎｇ⁃ｔｏ⁃Ｗｅｉｈｅ Ｒｉｖｅｒ Ｗａｔｅｒ Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｎ Ｑｉｎｌｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒ ｌｏｎｇ ｔｕｎｎｅｌ， ｌａｒｇｅ ｂｕｒｉｅｄｄｅｐｔｈ， ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｈｉｇｈ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｅｓｓ， ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｎｇ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ， ｔｈｅ ｅｘ⁃ｃａｖａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｉｎ⁃ｓｉｔｕ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｇｇｅｓｔ ｐｒｏｂｌｅｍｓ． Ｉｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｃｏｎ⁃ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｉｔ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ， ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｂｅｆｏｒｅ ｐｒｏｄｕｃｅ ｌｏｔｓ ｏｆ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｆｔｅｒ ｌｉｆｔｉｎｇ ａｎｄ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ， ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｆｏｒ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ． Ｏｎ ｔｈｅｄｉｖｅｒｓｉｏｎ ｔｕｎｎｅｌ ｏｆ ｂｒａｎｃｈ ｃａｖｉｔｉｅｓ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｓｅｃｔｉｏｎ ４ ａｓ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｓｅｃｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｌｌｅｃｔｅｄ， ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ ｓｅｉｓｍｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｄａｔａ， ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ｄａｔａ ｆｏｒ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌｉｅｆ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ， ｆｏｒｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ ａｆｔｅｒ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌｉｅｆ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｂｌａｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ ｍｉｌｄ， ｍｏｄｅｒａｔｅ ａｎｄ ｓｅｖｅｒｅ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌｉｅｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｃａｎ ａｖｏｉｄｔｏ ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｓｔ ｅｘｔｅｎｔ ｏｒ ｇｒｅａｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｒｉｓｋ ｏｆ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ， ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｓｃａｌｅ， ｗｉｔｈ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｐａｒｔｓ ｆｏｒｅｃａｓｔ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌｉｅｆ ｉｎ ｐｌａｃｅ， ｒｅｍｏｖｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ， Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｌｄ， ｍｏｄｅｒａｔｅ ｏｒ ｓｔｒｏｎｇ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ ｐｅｒｉｏｄ ｔａｋｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｕｐｐｏｒｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ， ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ， ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ； ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ； ｍｉｃｒｏ⁃ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ； ｓｕｐｐｏｒｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ； Ｈａｎｊｉａｎｇ⁃ｔｏ⁃Ｗｅｉｈｅ Ｒｉｖｅｒ Ｗａｔｅｒ Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ；Ｑｉｎｌｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ

　 　 引汉济渭工程秦岭隧洞具有超长、大埋深、地质条

件复杂、高地温、高地应力、施工通风及运输距离长等

特点，深埋、高应力、强岩爆条件下如何安全、快速完成

隧道掘进施工，目前是热点、难点问题。深埋隧洞 ＴＢＭ（隧道掘进机）全断面掘进时，在局

部超高应力集中的完整硬脆性岩体洞段将直面极强岩

爆的风险，设备和人员的安全将遭受极大的威胁［１－７］。已掘进贯通的锦屏二级水电站 ３＃引水隧洞极强岩爆

段实施了“先半导洞＋ＴＢＭ 联合掘进”试验，结合微震

实时监测对 ＴＢＭ 半导洞掘进的岩爆风险开展了研究。监测结果表明：①ＴＢＭ 半导洞掘进期间，日平均微震

事件数、日平均辐射微震能、微震大事件数及实际岩爆

发生次数和强度均远远低于 ＴＢＭ 全断面掘进；②能量

指数对数值和累积视体积的时域演化表明，ＴＢＭ 半导

洞掘进强烈岩爆发生的风险远低于 ＴＢＭ 全断面掘进，现场实际开挖也证明了这一点；③半导洞洞段微震事

件的空间集结程度、总数、震级与能量辐射均远小于全

·９３１·

第 ４１ 卷第 ２ 期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 人　 民　 黄　 河　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｖｏｌ ． ４ １ ，Ｎｏ ． ２　 　 ２０１９ 年 ２ 月　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ＹＥＬＬＯＷ　 ＲＩＶＥＲ　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｆｅｂ．，２０１９　 　

断面洞段。 因此，ＴＢＭ 半导洞掘进的岩爆风险远远低

于 ＴＢＭ 全断面掘进，在施工条件允许的情况下采用先

半导洞预处理，然后 ＴＢＭ 半断面掘进极强岩爆段，以控制岩爆风险的方案是可行的。

由于秦岭隧洞施加预应力设备沉重、施加预应力

时间过久、操作时安全风险较高等，因此截至目前还未

找到适合秦岭隧洞的较理想的测试技术。微震监测技术可为提前做好岩爆段的施工技术改

进及人员调配赢得时间，从而大大降低岩爆段的施工

难度及风险。 因此，引汉济渭工程秦岭隧洞 ＴＢＭ 施工

段岭南工程 ４ 号支洞采用微震监测技术，笔者对其应

力解决爆破及支护参数优化进行了分析和研究。

１　 工程概况

引汉济渭工程秦岭隧洞 ＴＢＭ 施工段岭南工程 ４号支洞位于秦岭岭南山区，该区山高坡陡，工点范围内

地形起伏不平，最大高差 ７６０ ｍ。 ４ 号支洞洞身埋深

２５０～１ ４３０ ｍ，最大埋深位于桩号斜 ４７＋２０ 位置；洞口

位于宁陕县四亩地镇鸡冠寨和麻房子之间麻河右岸公

路边斜坡上，洞口处有简易公路通过，交通较为便利。该支洞起讫里程为斜 ００＋００—斜 ５７＋８４，平距 ５ ７８４ｍ，斜长 ５ ８２０．２１ ｍ，为综合坡比－１０．７９％的反坡隧洞，洞身斜 ３１＋７３．２５５—斜 ５１＋８０．３７５ 段位于半径为 ３ ３００ｍ 的曲线上，其余段均位于直线上。 其设计断面为城

门洞形，开挖尺寸为 ６．８０ ｍ×７．０４ ｍ（宽×高），围岩以

Ⅱ类花岗岩为主，岩体单轴抗压强度较高，地下水不

发育。

２　 岩爆试验段施工

２．１　 施工情况

将斜 ５０＋３５—斜 ５４＋７５ 段（长度 ４１１．３ ｍ）作为岩

爆试验段。 该试验段施工于 ２０１７ 年 ３ 月 ２７ 日正式开

始，到 ７ 月 １６ 日结束，历时 １１１ ｄ，其间发生轻微岩爆

１ 次，中等岩爆 ２ 次，中等－强烈、强烈岩爆共 １１ 次（发生岩爆后造成塌腔）。２．２　 水文地质情况

２．２．１　 设计地质情况

岩爆试验段洞身埋深 １ ２５０～１ ３１８ ｍ，主要涉及地

层为印支期花岗岩，岩石强度高、地温高，花岗岩呈灰

白色，主要矿物为斜长石、钾长石、石英和少量黑云母

及角闪石，粒状变晶结构，块状构造，完整基岩，围岩强

度达 ２ ５００ ｋＰａ。 岩性为花岗岩、碎裂岩，岩石强风化、未风化，岩体大部分受地质构造影响轻微－较重，局部

受地质构造影响严重，节理裂隙大部分不发育，局部较

发育－发育，岩体大部分较完整－完整，局部完整性差－较破碎，围岩大部分基本稳定－稳定，局部稳定性差－不稳定。２．２．２　 开挖揭示后地质情况

岩爆试验段开挖揭示后地质情况见表 １。表 １　 岩爆试验段开挖揭示后地质情况

桩号结合 ＴＳＰ２００３ 预测结果

及开挖揭示后的围岩情况主要岩爆等级

斜 ５０＋３５—斜 ５０＋９８岩性为花岗岩，长大节理较发育，岩体较破碎，基岩裂隙水较发育，有轻

微渗滴水现象，围岩稳定性较差

轻微－中等

斜 ５０＋９８—斜 ５１＋７３

岩性为花岗岩，该段围岩平均波速

波动不大，预测该段围岩节理、裂隙

轻微发育，基岩裂隙水弱发育，岩体

较完整，岩体以干燥为主

中等－强烈

斜 ５１＋７３—斜 ５３＋７２该段岩性为花岗岩，围岩长大节理、裂隙较发育，基岩裂隙水弱发育，整体完整性尚好，岩体局部轻微破碎

强烈岩爆

斜 ５３＋７２—斜 ５４＋７５

岩性为印支期花岗岩，岩体受地质

构造影响轻微，节理裂隙不发育，岩石微风化，岩体完整性好，围岩基本

稳定，基岩裂隙水不发育，岩体以干

燥为主

轻微－中等

　 　 由于剩余施工段的埋深均在 １ ２００ ｍ 以上，且地

质状况和试验段类似，因此通过试验段的围岩情况统

计及相应的支护参数可为后续施工提供借鉴，从而降

低岩爆对施工进度造成的影响。２．３　 岩石抗压强度

根据岩爆试验段（斜 ５０＋３５—斜 ５４＋７５）岩爆发生

的规模，结合该段岩石实测抗压强度、隧洞埋深等发

现，岩石整体完整性尚好，岩石抗压强度在 １４０ ＭＰａ以上，埋深 １ ２００ ｍ 以上岩爆发生的概率逐步增大，并且以干燥为主的围岩段岩爆活跃度较高。２．４　 应力解除爆破

２．４．１　 应力解除爆破实施情况

在距离掌子面（斜 ５＋５４６）４ ｍ 之外的斜 ５＋５３７—５＋５４２ 范围拱顶偏右侧发生滞后型岩爆，伴随较大声

响和岩块掉落，滞后时间约 １ ｄ。 由于事先已有微震活

跃征兆，岩爆风险较大，因此工程技术人员进行了有效

应力释放操作，未造成人员伤亡和设备损坏。在掌子面斜 ５＋５４３ 及其后 ５ ｍ 左右范围内采集到

４７ 次微震，其中 ３ 次震级和能量较大，主要分布于掌

子面附近，微震活跃度轻微偏中等，微震活动分布情况

如图 １ 所示。

·０４１·

人 民 黄 河　 ２０１９ 年第 ２ 期

图 １　 斜 ５＋５４３ 微震活动分布

　 　 在掌子面斜 ５＋５４３ 及其后 ５～１５ ｍ 范围内采集到

３２ 个有效微震事件，其中有 ２ 个能量较大，整体来看，响炮后的微震活跃度和岩爆风险较高。

响炮后掌子面桩号为斜 ５＋５４６，响炮前后微震事

件比较集中的位置距离掌子面 ５～１５ ｍ，第二天滞后型

岩爆正好发生在这个范围之内，从监测结果可以看出，右侧更为活跃和集中，与岩爆发生在拱顶右侧相符。２．４．２　 应力解除爆破前后监测数据对比分析

主要利用声学、地震学和地球物理学原理和计算

机的计算功能来实现微震事件的精确定位和级别判

定。 该系统的工作原理是传感器接收原始微震信号以

后将其发送到微震监测系统的信号采集单元，软件可

以将此信号转变为数据信号并传给数据采集计算机，经软件对原始数据信号进行加工处理、分析，并在绘图

仪上或三维空间和时间轴下对微震事件进行实体演

示，实现对岩爆风险的预测。 通过对 ２０１７ 年 ４ 月 １日—６ 月 １５ 日 ４ 号支洞每次响炮前后（响炮前 ５ ｈ 内，响炮后 ３ ｈ 内）产生微震所释放的能量进行数据统计

分析得出以下结论：（１）爆破震动对应力有明显的释放作用。 响炮后

３ ｈ 释放的能量总体大于响炮前 ５ ｈ 释放的能量，总共

统计响炮次数 ６９ 次，其中 ６７ 次响炮后的能量释放大

于响炮前的。（２）能量释放总体随岩爆风险的增大而增大。 岩

爆风险较高的洞段，响炮前后所释放的能量往往达几

万甚至数十万焦耳；反之，岩爆风险较小的洞段，响炮

前 ５ ｈ 释放的能量多为 ０，响炮后释放的能量多在几十

到几千焦耳，但没有一个准确的能量数值来区分岩爆

风险的高低。（３）岩体本身的非均匀性和结构的复杂性导致响

炮前后所释放的能量相差较大，具有一定的随机性。即使同为岩爆风险较小的洞段，相同爆破参数的条件

下所释放的能量也可能相差数十倍甚至数百倍。（４）岩爆试验段共进行 ７５ 次响炮前后微震释放

能量数据统计分析，所监测的结果与现场情况较为吻

合，鉴于岩爆机理的复杂性和影响因素的多样性，发生

岩爆的准确时间还难以做出准确判断和预测。

２．５　 岩爆对施工的影响

在岩爆试验段施工中，不同强度等级的岩爆均有

发生，对施工现场造成了不同程度的危害，严重影响了

施工进度，同时对现场作业人员的身心健康有极大影

响。 经统计，因岩爆而造成的掌子面施工岩爆释放应

力等待、清渣、加密锚杆施做、挂设柔性钢丝网、安设型

钢拱架、塌腔回填等用时达 ４１．５ ｄ，同时突发性、滞后

性岩爆致使凿岩台车、喷浆机械手被砸坏。 据统计，三臂凿岩台车共被严重砸坏 ２ 次，停机修理时间达到 ４．３ｄ；喷浆台车在岩爆段施工中严重受损 １ 次，停机修理

时间达到 １．４ ｄ。 仅 １１１ ｄ 的岩爆试验段施工中有 ４７．２ｄ 受岩爆影响，占试验段施工总时间的 ４２．５％。

３　 岩爆段新材料应用

３．１　 超前锚杆

试验段施工中，使用 ３．５ ｍ 的砂浆锚杆做超前支

护，对下个循环开挖断面的拱部范围做预加固，仰角控

制在 １５°左右，与隧洞轴线夹角约 ２７°。 从实施效果来

看，其在轻微－中等等级的岩爆段起到了良好的效果，对一些地质构造弱面（如长大节理、断层）部位会抵消

部分外力扰动诱发的地应力。 超前支护的杆体与岩石

节理走向大角度穿插，减少了坍塌现象，保证了良好的

开挖成型，同时避免了较大石块坠落对人员设备的威

胁，减小了施工风险，提高了施工效率。３．２　 纳米仿纤维喷射混凝土

开挖揭示后裸露围岩及时喷射高强度混凝土进行

封闭，传统型喷射混凝土存在一次喷射厚度较薄、回弹

率较大、凝结时间长、强度不高、抗压和抗折强度低等

缺点，难以满足岩爆段支护要求。 试验段采用跨越型－２０００ 仿纤维喷射混凝土，其仿纤维喷射混凝土回弹

率减小至 １５％（原喷射混凝土回弹率为 ２０％），并且可

以短时间内实现喷射混凝土厚度大幅度增大，轻微岩

爆破坏喷层发生掉块、剥落的现象大大减少。 通过现

场取样检测及分析，喷射混凝土与周围岩石的黏结强

度较高，综合回弹率为 ８％左右，喷射混凝土支护快，可在 ２ ｍｉｎ 内终凝，１ ｄ 强度达到 １６ ＭＰａ（普通 Ｃ２０ 喷

射混凝土 ２８ ｄ 强度达到 ２０ ＭＰａ），一次喷射混凝土厚

度显著增大，可达 ３５ ｃｍ。３．３　 柔性钢丝网

岩爆试验段采用在隧道拱部 １８０°范围内挂设柔

性钢丝网进行加强支护，即由多张钢丝网组成一张巨

型大网将整个隧道出露岩面包裹严实。 通过现场观察

得出：即使轻微、中等岩爆产生落石、剥落，也只能在柔

性钢丝网内运动，其起到了缓冲作用，能够均匀传递受

力，充分发挥了整个系统的防护能力，即局部受载、整·１４１·

人 民 黄 河　 ２０１９ 年第 ２ 期

体作用，从而使系统能承受较大的荷载并降低单根锚

杆的锚固力，不会导致石块迅速掉落、垮塌，若发生岩

爆，则现场施工作业人员能够及时撤离，机械设备短时

间可以安全转移，进而有效保护施工人员、施工机械、设备等的安全。

４　 超前应力解除爆破

在岩爆段预防以及治理中，经参建单位研究决定，对掌子面前方一定范围内进行应力解除爆破，同时引

进大连理工大学微震检测技术，对施工现场掌子面进

行了开挖爆破前后微震事件采集，最终分析预测该段

不同程度岩爆潜在风险等级。 为了对掌子面前方一定

范围内的高地应力进行解除，现场开挖后对裸露的围

岩进行喷水作业及施做直径 ８９ ｍｍ 的超前应力解除

爆破孔。４．１　 应力解除爆破的必要性

在支护、施钻期间，采集到 １ 个有效微震事件，共释放能量 ４２．１ Ｊ，支护、施钻期间的微震活动分布情况

见图 ２。 开挖响炮后 ８ ｈ 内共采集到 １２ 个有效微震事

件，其中有 １ 次震级和能量较大，共释放能量４ ４５６ Ｊ，微震活动分布情况见图 ３。

图 ２　 支护、施钻期间的微震活动分布

图 ３　 响炮后 ８ ｈ 内的微震活动分布

　 　 开始短进尺掘进后没有实施应力解除爆破，开挖

响炮后释放能量比为１ ∶ １０５．８，通过加强支护，进尺较

少，实施短进尺开挖后，微震活跃性大大降低。 已有数

据显示，目前岩爆风险不高，岩体结构和构造的复杂

性、多变性使得爆破前后释放的能量具有较大的随

机性。４．２　 应力解除爆破参数的优化

参考微震监测的数据综合分析，结合 ４ 号支洞斜

井应力解除爆破施工情况，应力解除爆破参数还需要

局部调整。 鉴于围岩情况的复杂性和多变性，微震监

测还不能为应力解除爆破提供可靠的参考数据。 目

前，主洞钻爆法采用孔径 ８９ ｍｍ 的应力释放孔，建议

在不同等级的原应力解除爆破参数基础上单孔适当增

加装药量 ２００～４００ ｇ。４．３　 应力解除爆破工序优化

在支洞拱部 １８０°范围内打设 １３ 个应力解除爆破

孔，孔径 ８９ ｍｍ，孔深 ５．０ ｍ，孔间距 ９０ ｃｍ，仰角 １５°左右，单孔装药量 ８００ ｇ，应力解除爆破后到开挖响炮之

间，共采集到 ３８ 个有效微震事件，其中有 ４ 次岩爆，共释放能量 ７４ ４２３ Ｊ，施钻到应力解除爆破之前的微震

活动分布见图 ４。 开挖响炮后 １３．５ ｈ 内共采集到 ６５个有效微震事件， 其中有多次岩爆， 共释放能量

４５２ ５７４ Ｊ，应力解除爆破释放能量与开挖响炮后释放

能量比为 １ ∶ ６．０８，应力解除爆破后到开挖响炮之间的

微震活动分布见图 ５。 此次应力解除爆破后能量释放

较多，在相同的钻孔和装药参数下此次释放能量与前

一次应力解除爆破差异巨大（前一次释放能量为 １２．８Ｊ）。 可见，岩体结构和构造的复杂性、多变性使得应力

解除爆破释放的能量具有较大的随机性。

图 ４　 施钻到应力解除爆破之前的微震活动分布

图 ５　 应力解除爆破后到开挖响炮之间的微震活动分布

　 　 综上所述，通过分析微震监测数据得出：超前应力

解除爆破提前释放的能量为 ７４ ４２３ Ｊ，而开挖爆破后

释放的能量为 ４５２ ５７４ Ｊ，能量比为 １ ∶ ６．０８。 超前应

力解除爆破同掌子面开挖同时起爆时，释放的能量比

分别为 １ ∶ ７７、１ ∶ ６７３．８５，均小于 １ ∶ ６．０８，因此超前应

力解除爆破同掌子面开挖同时起爆时释放能量远大于

超前应力解除爆破提前释放的能量。４．４　 岩爆段的支护措施及参数

在岩爆试验段逐步采取了一系列有效措施，并引

进了大量的新材料、新工艺等加强岩爆段施工岩爆治

理，如施做超前应力解除爆破孔、施做 Φ２２ ｍｍ 超前砂

浆锚杆、喷射高压水软化围岩、喷射纳米仿纤维喷射混

凝土、挂设直径 ４．０ ～ ６．５ ｍｍ 的柔性钢丝网、安设 Ｉ１６·２４１·

人 民 黄 河　 ２０１９ 年第 ２ 期

型钢拱架等，其中一种或几种措施结合使用取得良好

的加强支护效果。４．４．１　 轻微岩爆段支护

应力解除爆破孔孔径 ８９ ｍｍ，孔深 ５．０ ｍ，在拱部

１２０°范围内布设（根据微震监测确定应力集中位置进

行调整），孔间距 １．１ ｍ，１０ 个 ／循环，孔位与周边眼相

同，孔向仰角 １５°，单孔药量 １ ０００ ｇ（５ 节）。 在节理发

育地段随机施做直径 ２２ ｍｍ 的砂浆（锚固剂）锚杆，长度 ３．５ ｍ，初喷纳米仿纤维喷射混凝土厚 ５ ｃｍ，复喷普

通 Ｃ２０ 混凝土厚度至 １０ ｃｍ，施做孔径 ４２ ｍｍ 的径向

应力释放孔，孔深为 ２．０ ｍ，孔数随机（依据岩爆区域

面积大小而定）。４．４．２　 中等岩爆段支护

应力解除爆破孔孔径 ８９ ｍｍ，孔深 ５． ０ ｍ，拱部

１２０°范围内布设（根据微震监测确定应力集中位置进

行调整），孔间距 ０．９ ｍ，１２ 个 ／循环，孔位与周边眼相

同，孔向仰角 ２０°，单孔药量 １ ４００ ｇ。 在拱部 １２０°范围

内布设超前锚杆，长度 ４． ０ ｍ，单循环 １０ 根，间距

１．１ ｍ；初喷纳米仿纤维喷射混凝土 ５ ｃｍ，复喷普通

Ｃ２０ 混凝土厚度至 １０ ｃｍ。 拱部使用直径 ２５ ｍｍ 涨壳

式预应力中空注浆锚杆，锚杆长度 ４．０ ｍ，间距 １．５ ｍ×１．５ ｍ（环×纵），锚杆垫板 ２０ ｃｍ×２０ ｃｍ，厚度 ８ ｍｍ。侧墙随机使用直径 ２２ ｍｍ 砂浆锚杆，长 ２．５ ｍ。 拱部

１８０°铺设直径 ６．５ ｍｍ 的柔性钢丝网，网格尺寸 １．５ ｃｍ×１．５ ｃｍ；施做孔径 ４２ ｍｍ 的径向应力释放孔，孔深 ２．０ｍ。 拱部 １８０°范围内，间距 １．２ ｍ×１．２ ｍ，采用 Ｃ２０ 纳

米仿钢纤维混凝土封闭掌子面，厚度 ５ ｃｍ。４．４．３　 强烈岩爆段支护

开挖外轮廓线外扩 １７ ｃｍ，应力解除爆破孔孔径

８９ ｍｍ，孔深 ５．５ ｍ，拱部 １８０°范围内布设（根据微震监

测确定应力集中位置进行调整），孔间距 ０．９１ ｍ，１８个 ／循环，孔位与周边眼相同，孔向仰角 ３０°，单孔装药

１．８ ｋｇ。 初喷纳米仿纤维喷射混凝土厚 ７ ｃｍ，复喷普

通 Ｃ２０ 混凝土厚度至 ２７ ｃｍ，安设 Ｉ１６ 型钢拱架，拱架

间距 １．０ ｍ ／榀，直径 ２２ ｍｍ 连接筋环向间距 １００ ｃｍ。拱墙铺设直径 ８ ｍｍ 圆钢网片，网格尺寸 ２０ ｃｍ×２０ｃｍ，以及单榀拱架锁脚锚杆 ８ 根，长 ３．５ ｍ，为直径 ２２ｍｍ 的螺纹钢砂浆锚杆。 采用 Ｃ２０ 纳米仿钢纤维混凝

土封闭掌子面，厚度 ７ ｃｍ。

５　 结　 语

从试验段岩爆发生情况来看，岩石整体完整性较

好，岩石抗压强度在 １４０ ＭＰａ 以上，以干燥为主的围

岩段岩爆活跃度较高。 岩爆试验段共进行 ７５ 次响炮

前后（响炮前 ５ ｈ 内，响炮后 ３ ｈ 内）微震释放能量数

据统计分析，所监测的结果与现场情况较为吻合，不过

鉴于岩爆机理的复杂性和影响因素的多样性，对于岩

爆的准确时间还难以做出准确判断和预测。结合试验段微震监测报告，从应力解除爆破单独

施做和应力解除爆破同掌子面开挖同时起爆时爆破前

后能量释放的统计结果来看，同时起爆的效果要优于

应力解除爆破于开挖爆破前单独施做的效果。 对应力

解除爆破参数和工序进行了优化，在原应力解除爆破

参数基础上适当增加药量 ２００ ～ ４００ ｇ，采用应力解除

爆破与开挖爆破同时起爆（应力解除爆破与周边眼同

时起爆，即应力解除爆破孔安装毫秒雷管 ＭＳ１１）的方

法，可提高应力解除爆破效果。 有针对性地对不同等

级的岩爆段调整支护参数和现场支护过程，取得了较

好的效果，减小了施工难度和施工风险。

参考文献：

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洞块状岩体岩爆区施工防护措施［ Ｊ］．水利水电技术，２０１７，４８（１０）：９３－９７．

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【责任编辑　 张华岩】

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人 民 黄 河　 ２０１９ 年第 ２ 期