石伟龙，李浩南，张文新，向义雄

（1.中铁隧道集团机电工程有限公司，河南 洛阳 471009；2.中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458）

随着我国地下工程日益增多，岩爆现象日渐显露，岩爆事故时有发生。国内外隧道与地下工程科研人员主要侧重施工中遇到的软弱围岩和地质构造破碎带等地质灾害引起的工程地质问题研究。文献[1]对新疆某引水隧洞施工中经常出现的轻微岩爆～中等岩爆进行分析，分析了不同岩爆特征，提出了不同岩爆支护措施，成功解决了该段岩爆段施工难题。文献[2]～[3]总结了锦屏二级水电站2#引水隧洞典型洞段的岩爆在时间、空间、烈度及形态方面的特征，提出了岩爆条件下支护设计的整体指导思想，给出了不同等级岩爆的支护参数，保证了后期开挖和支护的施工安全和施工进度。文献[4]结合引汉济渭秦岭隧洞TBM 施工对岩爆处理措施的总结，希望能为类似工程施工提供参考；文献[5]引汉济渭深埋超长引水隧洞应注意的关键技术问题。文献[6]对引汉济渭秦岭隧洞越岭段岭南TBM 施工段（K27+643.006K46+360.000）18.717km 地段围岩岩爆机理进行分析、研究，提出TBM 法施工通过岩爆地段的施工预防措施。

综合以上，TBM 法在我国应用中，对深埋隧洞工程的岩爆成灾与隧洞施工关系的研究很少，本文依托秦岭输水隧道岭南TBM 标段开展深埋隧洞工程的岩爆成灾与隧洞施工关系的研究。

1 工程概况

秦岭输水隧道岭南TBM 标段位于陕西省宁陕县四亩地镇境内，全长15.516km（里程K28+085～K43+601）。为解决TBM 长距离出渣和通风问题，标段中间设一座4 号支洞。3 号支洞口位于四亩地镇五根树村，蒲河流域右岸山根，4号支洞口位于四亩地镇麻房子村，蒲河支流麻河右岸。

施工所用敞开式TBM（MB266-395）为美国ROBBINS 设计制造，开挖直径为∅8 050mm（新刀）／∅8 020mm（刀具磨损到极限），TBM整机长度317m，整机重量约为1 400t。

工程位于秦岭岭脊高中山区及岭南中低山区，地形起伏。高程范围1 050～2 420m，洞室最大埋深2 012m。工程主要将穿越石英岩、花岗岩及闪长岩，石英岩呈灰白色，主要矿物质为石英、长石等，细粒变晶结构。岩石石英含量高（石英岩最高达97%、花岗岩最高达30%、闪长岩最高达18%），岩石强度高（花岗岩最高达242MPa），对施工进度影响大。其主要工程地质特征见表1。

表1 秦岭隧洞岭南TBM施工段主要岩性特征表

通过地质勘探水压致裂测试及印模定向测试，最大水平主应力值为16.1～23.7MPa，最小水平主应力值为10.1～15.4MPa，最大水平主应力方向为N30°～46°W（与隧洞轴线夹角为65°～81°），优势作用方向为北西向。

2 隧洞岩爆类型分析

TBM 施工中，影响施工生产和制约掘进进度的岩爆段共计1 030 段，累计6 644m，导致的TBM 停机检修、处理危害1 520 次。岩爆形成塌腔环向最大16.5m，纵向最大25.0m，深度最大10.6m，爆落岩石多为层状、块状、大块状。除掌子面、护盾区域无法统计外，拱部滞后性强烈、极强岩爆共计发生60 次，隧洞底板滞后性岩爆16 次，造成全圆型钢拱架支护体系变形严重。从掘进段岩爆发生情况来看，岩爆发生主要出现在干燥无水地段。主要类型如下。

2.1 表面崩落型岩爆

表面崩落型岩爆主要发生在围岩强度高、完整性较好、节理较发育～不发育、干燥无水段。其发生时间具有不确定性，个别时候在露出护盾之前就已经发生，来不及支护，也可能是出露护盾时较为完整，滞后一段时间后才开始显现，影响施工安全，其影响深度一般在20cm 左右，且伴有爆裂声响。

2.2 应变型岩爆

应变型岩爆多发生在岩体节理较发育、岩体较完整～完整段，节理面平直光滑延伸性差，大多呈闭合状，无充填，岩面呈干燥无水。表现为无任何征兆发生爆竹声或轰雷声，沿着断面节理薄弱点（一般为节理面）开始岩爆，岩块应声掉落，随后伴随声响以片状、块状剥落为主，一次性岩爆掉块体积较大，持续时间较长，最后形成较大塌腔；隧洞底部由于应力挤压造成底部隆起等现象。

3 隧洞岩爆与设备损坏分析与优化改进

3.1 主机系统损坏与优化改进

3.1.1 主机系统损坏情况

高频强岩爆特殊地质下敞开式TBM 施工，易造成主机系统出现岩爆大石块砸坏拱架安装器、砸坏锚杆钻机、砸坏液压油管、砸坏电气元件等情况，经统计，TBM 第一掘进段砸坏拱架安装器进行修复处理63 次，用时6.8d；砸坏锚杆钻机进行修复处理144 次，用时10.6d；砸坏液压油管进行修复处理152 次，用时8.5d；砸坏电气元件进行修复处理248 次，用时10.0d；合计处理35.9d。高频高强岩爆造成的额外工序时间，降低了TBM 设备利用率，制约了施工生产进度。

3.1.2 主机系统优化及改进

1）拱架安装器优化改进措施 ①整体结构件的防护与加固：在易损坏的设备区域添加防护罩，减少落石对设备的冲击损伤；增强整体结构强度，对安装环液压驱动装置安装座加固；6 组顶撑装置导向柱，导向套外部使用钢板包裹，减轻本体的磨损；②液压管路、电气线路改进防护：对设备裸漏的液压管路，采用分段连接，减少长距离更换破损管路，并使用螺旋保护套缠绕油管，对于电气控制线路尽量走线至主梁下部，减少线路的磨损及外物损伤；③液压驱动马达及油缸增添保护装置：为降低液压马达及油缸长时间超负荷运转，导致元器件的损坏率，在各部位液压系统增添安全溢流阀，以保证元器件内部稳定的工作压力，降低液压设备的故障率。

2）钻机改进措施 ①钻机操作台及油箱整体防护：对操作台上部焊接防护棚作业，且对钻机油箱进行焊接防护棚作业；②钻机底部行走机构的改进：拆除底部弧形齿道，将原有的轮箱式行走机构改进为内外单独行走，两侧独立支护，发生岩爆的一侧可以单独前后行走停放至未发生岩爆部位，保证设备安全性；③钻机爬行小车防偏装置：在原易偏心的位置增添多组防偏轮对，使锚杆钻机爬行齿轮于弧形轨道的齿道处于紧啮合状态，减少齿轮及齿道的磨损；④钻机系统各参数调整：根据实际地质的变化情况，及时调整钻机系统的冲击、旋转、进给压力保持钻机不超负荷运转；⑤钻机小车驱动装置添加防护措施：在原固定方式的基础上，在刹车下部添加支撑架，即便连接螺栓断裂也能起到制动作用，避免钻机小车的整体滑落，此外在整套驱动的上部焊接防护罩，减少岩爆落石的直接砸损，降低设备的故障及损坏率；⑥钻机弧形齿道的改进：用高性能耐磨钢材制作弧形齿道，提高其强度；将磨损严重和跳齿严重段的齿道割除，将其打磨至与弧形面平整，两侧各打出焊接坡口；将新制作的齿道定位焊接，保证新旧齿道接触点过渡顺畅。

3.2 皮带系统损坏与优化改进

3.2.1 皮带损坏

受高频强岩爆影响，TBM 掘进段被迫停机对划穿的TBM 皮带、砸坏输送连续带进行修复共计411 次，用 时120.3d；停机清理堵塞渣斗的大石块4919 次，用时52.7d。输送带划破、堵渣清理等工序的增加，降低TBM 设备利用率，制约施工进度。

3.2.2 皮带系统优化及改进

1）选取适宜掘进参数 TBM 在岩爆洞段掘进时，为有效破碎掌子面的岩石，减少进入皮带机的大石块数量，掘进时必须合理选择掘进参数。确定强烈及以上岩爆洞段宜采用低转速（2～3r／min）、低推力（100～180bar）、低贯入度、高扭矩（1 200～2 000kNm）的掘进参数。

2）改进修补工艺 为达到强度不降低且快速修补输送带，经过多次新材料、新设备的试用，最终选用点式修补机对受损的输送带进行热硫化修复。该修复方式修补周期短，占用空间小，且修补后强度与原输送带相差不大。

3）优化改造结构设计 连续皮带：在下渣斗后部焊接安装储渣盒和在下渣斗内焊接张贴小块Trimay 耐磨板，减小转渣冲击力，提高下渣斗钢板耐磨性。输送带：TBM 皮带机输送带采用强力高、耐冲击、成槽性好、层间粘合力大、屈挠性优异的尼龙输送带。缓冲装置：主机皮带机缓冲床使用材料为NM600 的耐磨钢板进行修复，同时将原设计的单根长托辊改为三组五连托辊，以加大承载力。其他方面：在桥架、转载皮带机下渣斗尾端均下降20cm，以降低转载点的落差；在转载皮带机上方安装金属收集器，及时清除皮带机上铁器；将桥架皮带机驱动改为变频控制，以利于保养人员检查输送带状况；桩号K33+030 处增设辅驱，保证主洞连续皮带驱动满足使用。

4 强化岩爆支护施工

为降低岩爆段施工风险，确保人员、设备安全，在岩爆规模大、频次高的常态下，应采用钢拱架+格栅拱架+钢筋网片等联合支护形式，辅以超前应力钻孔和应急喷浆等技术手段进行防治。岩爆加强支护工艺流程如图1 所示。

图1 岩爆工况下TBM施工工艺流程图

1）超前应力释放 TBM 施工中，通过施作应力释放孔，有效地减轻围岩的应力集中程度并使应力集中向围岩深部进行转移，同时使围岩积聚的弹性应变能提前得以耗散；或在超前应力释放孔中灌注高压水，在围岩内部形成一个低弹区，使开挖隧洞临空面的切向应力达到均匀分布的形状，减少岩爆发生的可能性。TBM 第一掘进段施作超前应力释放孔638m，径向应力释放孔1 852m。

2）应急喷浆 为了实现围岩出露护盾后的快速封闭，有效抑制岩爆规模不断扩大，加快围岩出露护盾后的快速封闭，利用应急喷混系统可以实现拱部塌腔70cm 范围内的喷护，达到全机械手对围岩的及时喷护，实现岩爆支护由刚性向柔性的转变，较大程度上降低人员及设备安全风险，降低刚性支护材料用量。

3）清理爆渣 岭南TBM 施工过程中，由于滞后性强岩爆多发生于拱部120°范围，且大部分发生在护盾上方，隧洞作业空间狭窄，大型清渣设备无法使用，采取人工清理。

4）立设拱架 钢拱架、格栅拱架、钢筋网片等刚性支护手段对岩块的弹射和塌落具有缓冲消能作用，起到第一道安全防护的作用，在一定程度上保证人员和设备的安全。同时改变应力作用点，减小岩爆发生的概率。

5 岩爆施工安全防护

为尽可能减少岩爆对人员、设备、工程的危害，全面加强隧洞内施工作业的安全保护和安全管理条件，促进隧洞施工中人员与设备健康安全，使应急救援、避险工作及时、高效、有序开展，最大限度减少岩爆灾害造成的损失，秦岭输水隧洞TBM 施工岩爆洞段采分别采取以下措施进行防范。

作业人员采取L1 区初期支护人员、刀盘作业人员和底部清渣人员分区避险；人员施行基本防护、严格执行安全手册和岩爆等待确保安全；掘进机设备采取了防止设备砸伤和设备安全脱困措施。

6 结论与讨论

1）高频强岩爆TBM 施工中，爆落石块块体造成TBM 皮带损伤、连续皮带损伤、渣斗堵塞等皮带系统损坏，岩爆大石块砸坏拱架安装器、钻机系统、液压系统、电气元件等造成主机系统损坏，对TBM 施工影响极大。

2）制定、实施一系列技术改进及管理措施后，明显降低了高频强岩爆对皮带系统、主机系统造成损坏的频率，但损坏情况不可避免。

3）岩爆频发洞段，通过安装储渣盒、焊接Trimay 耐磨板等措施可最大限度保护皮带系统，降低损伤频率。

4）面对岩爆规模大、频次高的不利工况，“掘进不支护、支护不掘进”应成为岩爆洞段安全施工的准则。

5）TBM 施工的掘进参数的选择与岩爆的对应关系在今后的施工还需进一步深入研究。