李吉艳

( 新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 昌吉 831100)

1 概述

深部工程施工过程中常出现各类型地质灾害，如岩爆、塌方等，造成工期延误、设备损失、人员伤亡[1- 3]，2008年12月大岗山水电站地下厂房顶拱发生3000m3的塌方，后续处理使工期严重滞后[4]。2009年11月28日，锦屏2级水电站引水隧洞极强岩爆，造成了7人死亡，1人受伤，价值上亿元的TBM彻底损毁，接近30m的隧道完全被埋，隧道停工长达半年以上[5]。开展地质灾害特征与应对措施研究，对于保障深埋隧道安全有序施工有重要意义。

学者们对以岩爆与塌方为代表的地质灾害进行了大量研究。冯夏庭等[6]系统总结了岩爆类型、特征及基于微震监测的岩爆预警与区分岩爆类型的动态防控技术。杨春宝等[7]总结了岩爆分级、发生范围、发生时间、表现形式等基本特点，提出了理论预判法、现场监测预报、综合预判和经验判别等的岩爆风险识别和预警的常用方法。汪成兵等[8]通过对收集和整理隧道塌方资料进行统计分析，得出影响塌方的因素为地质条件、隧道埋深、隧道断面形式及大小、地下(表)水、爆破扰动、施工措施不当，其中由地质因素导致的塌方占50%左右。李生杰等[9]研究了高速公路乌鞘岭隧道穿越F4断层破碎带的塌方机制，认为此次塌方是由断层破碎带引发泥砾石突涌。周宗青等[10]分析隧址区地质特征及塌方灾害风险诱因，建立浅埋隧道塌方风险模糊层次评价模型，进行隧道施工过程中的动态风险评估，通过对施工方案的审核和优化，达到逐渐降低隧道施工风险、规避地质灾害的目的。李术才等[11]选取围岩级别、隧道埋深、偏压角度、岩体完整情况、地下水影响和施工因素6个主要因素作为评价指标，结合超前地质预报方法对指标进行定量描述，建立了隧道塌方风险分级的属性识别模型。

本文依托某TBM引水隧洞，以已开挖揭露的1km洞段地质灾害(岩爆、塌方)为例，分析不同类型地质灾害对施工的影响，及围岩等级、地下水等因素与地质灾害的关系。介绍了岩爆及塌方的应对措施及其措施应用效果，以期为类似工程提供依据。

2 工程概况

新疆某大型引水工程沿线长500多km，埋深在300～790m，埋深较深段采用TBM掘进。Ⅷ标段隧洞总长41.0km，埋深为680～790m(TBM9施工段长21.0km，204+153—225+153段，TBM10施工段长20.0km，225+153—K245+153)，其中Ⅱ类围岩总长20.726km，占该标段的50.55%；Ⅲ类围岩总长15.667km，占该标段的38.21%(其中Ⅲa长9.4km，Ⅲb长6.267km)；Ⅳ类围岩总长4.438km，占该标段的10.82%；Ⅴ类围岩总长0.169km，占该标段的0.41%[12]。隧道直径7m。

工程区位于阿勒泰山南坡剥蚀丘陵区，地势总体北高南低，海拔高程1180～1350m，地形起伏较小，山顶多呈浑圆状，山体坡度较缓，一般高差10～30m，基岩大多裸露，主要为荒漠地貌。

地层岩性主要为古生代志留系(S)片理化凝灰岩、泥盆系(D)钙质砂岩、凝灰质砂岩及华力西期花岗岩夹黑云母花岗岩侵入岩。该标段内无区域性大断裂通过，但发育f67—f71、f71—1共6条较大的次级断层，产状70°SE∠70°或290°～330°SW(NE)∠60°～75°，断层走向与洞线方向夹角20°～60°，破碎带宽度10～30m，带内以糜棱岩、碎裂岩及断层角砾岩为主。据钻孔揭露，本标段还发育少量小断层，宽度一般2～10m，带内以糜棱岩及碎裂岩为主。

按地下水赋存状态的不同，本标段隧洞地下水主要类型为基岩裂隙水，根据隧洞沿线钻孔反映，洞底以上普遍存在裂隙潜水，裂隙水水量较小，没有连续的地下统一水面。地下水主要贮存于断层破碎带、裂隙密集带，隧洞穿过这些地段时大多以渗水、滴水为主，局部出现线状流水。

3 工程地质灾害特征

3.1 工程地质灾害情况

以该TBM引水隧洞已开挖的1km洞段地质灾害发生情况及围岩等级进行统计，见表1。需要说明的是，岩爆等级划分是依据GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》[13]确定。

由表1可知，该1km洞段持续发生岩爆与塌方，其中轻微岩爆段37m，中等岩爆段累积275m，塌方洞段累积550m，无破坏及表层结构面松脱仅138m。即发生地质灾害的洞段占比达86.2%，由此表明该隧道地质灾害严重，需开展针对该隧道地质灾害特征的研究。

如图1所示，分别为TBM通过不同地质灾害段的掘进速率。由图1可知，当开挖后无破坏时，平均日进尺19.3m，结构面松脱与轻微岩爆段平均日进尺较接近，约为16.3m，相比无破坏段，日进尺降低了15.5%。中等岩爆段平均日进尺为12.6m，相比无破坏段，日进尺降低了34.7%。塌方段平均日进尺最低，日进尺仅为7.01m，降低了63.7%。表明中等岩爆及塌方对隧道掘进速率影响较大。

表1 K231+000—K232+000地质灾害与围岩等级

图1 不同地质灾害类型平均日进尺

如图2所示，分别为该隧道开挖时无破坏、轻微岩爆、中等岩爆、塌方洞段的围岩地质情况及破坏发生情况。

(1)如图2(a)所示，为桩号231+104—231+150段，岩性为华力西期黑云母花岗岩，灰白色，坚硬岩，块状结构，主要有2组节理：①33°～88°NW∠41°～77°，与洞轴线夹角44°～81°，节理多闭合、局部微张1～2mm，填充钙膜，节理面平直粗糙，延伸长3～7m，发育间距0.5～1.5m；②271°～281°NE∠63～68°，与洞轴线夹角78°～68°，节理多闭合、局部微张1～2mm，节理面平直粗糙，延伸长3～8m，发育间距1.0～2.0m。洞室干燥，围岩较完整，综合评定为Ⅱ类围岩。

(2)如图2(b)所示，为TBM开挖通过K231+067—231+104时的地质灾害情况，岩性为灰白色夹砖红色黑云母花岗岩，坚硬岩，岩体较完整，主要2组节理：①59°SE∠69°，与洞轴线夹角70°，微张1～3mm，充填灰白色钙膜、节理面平直粗糙，延伸长度3～5m，发育间距0.6～1.5m；②41°～79°NW∠33°～78°，与洞轴线夹角52～90°，闭合局部微张，节理面平直粗糙，延伸长度3～8m，发育间距0.5～1.0m。岩壁潮湿、局部滴水，洞室10点30分至13点30分范围沿结构面松弛脱落，局部开裂，节理面粗糙锈染，局部发生轻微岩爆，爆坑深0.1～0.3m。

(3)如图2(c)所示，为TBM开挖通过231+742—231+812段的地质灾害情况，岩性为黑云母花岗岩，坚硬岩，块状构造，岩体完整性差局部较破碎，主要有2组节理：①31°～78°SE∠41°～78°，与洞轴线夹角42°～89°，节理闭合局部微张1～3mm，充填灰白色钙膜，节理面平直粗糙，延伸长3～7m，发育间距0.5～1.0m；②41°～81°NW∠41°～71°，与洞轴线夹角52°～88°，节理微张，1～2mm，充填灰白色钙膜，节理面平直粗糙，延伸长3～8m，发育间距0.5～2.0m。该段围岩潮湿，以渗水为主，少量滴水，洞室10点钟至14点钟范围发生构造型中等岩爆，爆坑一般深度0.2～0.4m，最深0.5m，围岩完整性差，局部较破碎，沿结构面存在潜在不稳定体。

(4)如图2(d)所示，桩号231+234—231+237段10点钟至11点钟空腔内情况，该段10点钟至11点30分范围受节理组合切割发生塌方，塌腔呈向左倾倒的楔形，最深5.0m，塌腔内可见10°～20°NW∠40°～50°组节理光面，塌腔内沿结构面局部有滴渗水。区域主要位于f255断层影响带内，围岩较破碎，不稳定，为Ⅳ类围岩。断层f255产状1°～10°NW∠40°～50°，与洞轴线夹角12°～21°，从桩号231+230附近洞室左侧斜穿至桩号231+262附近洞室右侧，断层宽2～3cm，在桩号231+250顶中附近宽0.1～0.2m，断层带内为含灰白色钙质的灰色、砖红色断层泥，上盘影响带宽3～6m，下盘影响带未揭穿，目前出露最大宽度8m。断层影响带内岩石蚀变强烈，强度坚硬-中硬，岩体较破碎，包含4组节理。

图2 开挖地质灾害

3.2 地质灾害与围岩等级的关系

根据表1，分析了该1km洞段地质灾害与围岩等级的关系，如图3所示。由图3可知，Ⅱ类围岩中，72.6%的洞段无破坏，27.4%的Ⅱ类围岩发生轻微岩爆；Ⅲa类围岩多发生中等岩爆，占比达83.5%，16.5%的Ⅲa类围岩发生结构面松脱；Ⅲb类围岩多发生塌方，占比约80.6%，19.4%的Ⅲb类围岩发生中等岩爆；Ⅳ类、Ⅴ类围岩均发生了塌方。

图3 地质灾害与围岩等级的关系

由上述分析可知，地质灾害与围岩等级有显著关系，即岩爆多发生于Ⅱ类及Ⅲa类围岩，且Ⅱ类围岩多为轻微岩爆，Ⅲa类围岩多为中等岩爆。塌方多发生于Ⅲb类、Ⅳ类及Ⅴ类围岩。Ⅲb类围岩还有可能发生中等岩爆，而Ⅳ类及Ⅴ类围岩发生塌方的可能性极大。

3.3 地质灾害与地下水的关系

如图4为该1km洞段地质灾害与平均地下水含量的关系。

图4 地质灾害与出水量的关系

由图4可知，当出水量为0时，隧道围岩开挖后无破坏或发生中等岩爆；当有一定出水量时，岩爆风险降低，发生轻微岩爆。随着出水量上升，围岩发生结构面松脱。出水量较大达到6.3L/min，围岩发生塌方。由此可知，出水量小时，围岩无破坏或易发生脆性破坏；出水量大时，易发生结构破坏。

4 地质灾害应对措施

4.1 超前地质预报预测塌方

依托山东大学开展的超前地质预报进行塌方的预测。超前地质预报是利用地震波超前探测技术，了解隧洞掌子面前方地质体的性质(软弱带、破碎带、断层等)、位置及规模[14]。地震波探测技术的基本原理在于地震波遇到波阻抗差异界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射入前方介质，如图5所示。波阻抗差异界面通常为地质岩层界面或岩体不连续界面，由此可通过反射波确定波阻抗差异界面的在掌子面前方的分布情况。软弱破碎带或断层等是塌方的主要发生区域，明确了地质体的性质及分布情况及确定了塌方风险区。

图5 超前地质预报原理图

以K231+267—231+367共100m超前地质预报结果为例，掌子面桩号为K231+267。结合探测区域的地震波反射成像图和地质分析，推断解释如下：

(1)K231+267—K231+312段落。在反射图像上出现强烈的正负反射，推断该段落围岩与掌子面基本一致，围岩较破碎，节理裂隙发育，易发生掉块，局部易出现塌腔。

(2)K231+312—K231+367段落。在反射图像上出现明显的正负反射，推断该段落围岩与上段相比有变好的趋势，围岩完整性差，节理裂隙发育，易发生掉块，局部可能发生塌腔。

由前述可知，K231+267—231+367段围岩等级可以分为6段，即：K231+267—K231+279为Ⅳ类围岩，K231+279—K231+292为Ⅴ类围岩，K231+292—K231+309为Ⅳ类围岩，K231+309—K231+340为Ⅲb类围岩，K231+340—K231+358为Ⅲa类围岩，K231+358—K231+367为Ⅲb类围岩。

地震波成像结果显示，Ⅳ类围岩与Ⅴ类围岩的正负反射较强烈，结合3.2节的认识，可以很清楚进行识别并判定其有塌方，局部易出现塌腔，实际发生也证明了该推断结果。即应用超前地质预报可以对Ⅳ类与Ⅴ类围岩的塌方进行准确预测。

对于K231+309—K231+367段，推断结果显示该段落围岩与上段相比有变好的趋势，实际该段为Ⅲ类围岩，围岩质量变好。但无法判断其Ⅲ类围岩究竟为Ⅲa类还是Ⅲb类围岩，结合3.2节的认识，该类型围岩有中等岩爆、结构面掉块及塌方的风险。即应用超前地质预报无法判断出Ⅲ类围岩可能发生的地质灾害。

4.2 微震监测预警岩爆

依托东北大学开展的岩爆微震监测预警技术进行岩爆预警。微震监测技术利用微震传感器，捕捉隧道开挖过程中的岩体破裂信号，分析岩体破裂的位置、震级等信息，如图6所示[15]。由于岩爆的孕育过程是岩体破裂、积聚、贯通至弹射的过程，所以分析岩体破裂的积聚位置、程度即可开展基于微震监测技术的岩爆等级、位置预警[16]。

图6 岩爆微震监测原理[6]

以K231+165—231+200段岩爆预警报告为例，如图7所示。从8月13日9:00—8月14日9:00，发生于预警区域的岩石破裂事件数为79个，累计微震释放能为193717.8J。从8月13日23:00—8月14日9:00，发生于预警区域的岩石破裂事件数为55个，累计微震释放能为177971.3J。预警区域内微震事件数及释放能较高，岩爆预警等级为中等岩爆。实际K231+194—195.5段12点钟到14点钟方向发生中等岩爆，深度0.5m，与预警结果一致。

图7 8月13日23时至8月14日23时微震事件时空分布特征

统计该1km岩爆预警结果，如图8所示，共发布预警报告136期，其中，预警中等岩爆38期、轻微岩爆8期、无岩爆90期，实际发生中等岩爆33期、轻微岩爆6期、无岩爆90期，预警与实际完全一致的共129期，预警准确率为94.85%。预警与实际不一致的共7期，其中岩爆预警结果高于实际发生等级的6期，低于实际发生等级只有1期。即岩爆预警结果不准确时，多为高于实际发生等级，保证了工程施工安全。

图8 岩爆微震监测预警准确率分析

5 结语

针对某TBM隧道，依托已开挖的1km隧道(K231+000—K232+000)围岩地质灾害现状，研究了工程地质灾害发生情况及其与围岩等级及出水量的关系，分析了地质灾害监测技术的适用性及应用情况，得到以下结论：

(1)该1km洞段发生地质灾害的洞段占比达86.2%，中等岩爆及塌方对隧道掘进速率影响较大，分别导致平均日进尺降低了34.7%和63.7%，对该2类型地质灾害的研究很有必要。

(2)地质灾害与围岩等级、出水量有显著关系，岩爆多发生于Ⅱ类及Ⅲa类围岩，且Ⅱ类围岩多为轻微岩爆，Ⅲa类围岩多为中等岩爆。塌方多发生于Ⅲb类、Ⅳ类及Ⅴ类围岩。Ⅲb类围岩还有可能发生中等岩爆，而Ⅳ类及Ⅴ类围岩发生塌方的可能性极大。出水量小时，围岩无破坏或易发生脆性破坏。出水量大时，易发生结构破坏。

(3)基于超前地质预报，可以获取掌子面前方的围岩等级信息，由此准确预测易发生塌方的Ⅳ类与Ⅴ类围岩段。进一步，对Ⅱ类及Ⅲ类围岩，开展岩爆监测预警，岩爆预警准确率为94.85%。岩爆预警结果不准确时，多为高于实际发生等级，保证了工程施工安全。

本文分析结果可为类似隧道工程地质灾害应对措施提供依据，后续还需结合更多案例及监测预警结果进行分析。