开挖补偿法防控深部地下岩爆灾害——引汉济渭工程秦岭输水隧洞案例分析

胡杰 ,  何满潮 ,  李红儒 ,  陶志刚 ,  刘冬桥 ,  程泰 ,  彭迪

工程（英文） ›› 2024, Vol. 34 ›› Issue (3) : 161 -170.

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工程（英文） ›› 2024, Vol. 34 ›› Issue (3) : 161 -170. DOI: 10.1016/j.eng.2023.11.013
研究论文

开挖补偿法防控深部地下岩爆灾害——引汉济渭工程秦岭输水隧洞案例分析

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Rockburst Hazard Control Using the Excavation Compensation Method (ECM): A Case Study in the Qinling Water Conveyance Tunnel

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摘要

深部地下工程开挖过程中岩爆灾害频发，现有的岩爆防控理念和方法难以满足深部高地应力条件下的施工安全要求，岩爆的有效支护仍然是一个巨大的工程挑战。本文简述了地下开挖诱发岩爆的机理，提出了基于开挖补偿法的岩爆支护策略，依托引汉济渭工程秦岭输水隧洞开展了岩爆支护的现场试验。研究表明：隧道开挖导致围岩的工程应力状态发生变化，并产生多余能量ΔE，这是岩爆发生的根本原因；开挖补偿法是一种高预应力补偿的主动支护策略，旨在抵消深部开挖效应，达到降低岩爆灾害风险的目的；自主研发的新型负泊松比（NPR）锚杆具有高强度、高韧性和抗冲击的超常力学特性，可作为开挖补偿法的核心材料；现场试验结果表明开挖补偿法和NPR锚杆可有效控制岩爆灾害。研究结果有望为川藏铁路等深部地下工程的岩爆支护提供指导。

Abstract

Rockburst disasters occur frequently during deep underground excavation, yet traditional concepts and methods can hardly meet the requirements for support under high geo-stress conditions. Consequently, rockburst control remains challenging in the engineering field. In this study, the mechanism of excavation-induced rockburst was briefly described, and it was proposed to apply the excavation compensation method (ECM) to rockburst control. Moreover, a field test was carried out on the Qinling Water Conveyance Tunnel. The following beneficial findings were obtained: Excavation leads to changes in the engineering stress state of surrounding rock and results in the generation of excess energy ΔE, which is the fundamental cause of rockburst. The ECM, which aims to offset the deep excavation effect and lower the risk of rockburst, is an active support strategy based on high pre-stress compensation. The new negative Poisson’s ratio (NPR) bolt developed has the mechanical characteristics of high strength, high toughness, and impact resistance, serving as the material basis for the ECM. The field test results reveal that the ECM and the NPR bolt succeed in controlling rockburst disasters effectively. The research results are expected to provide guidance for rockburst support in deep underground projects such as Sichuan-Xizang Railway.

关键词

岩爆 / 开挖补偿法 / 预应力支护 / 负泊松比锚杆 / 全断面隧道掘进机

Key words

Rockburst / Excavation compensation method / Pre-stressed support / Negative Poisson’s ratio bolt / Tunnel boring machine

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胡杰,何满潮,李红儒,陶志刚,刘冬桥,程泰,彭迪. 开挖补偿法防控深部地下岩爆灾害——引汉济渭工程秦岭输水隧洞案例分析[J]. 工程（英文）, 2024, 34(3): 161-170 DOI:10.1016/j.eng.2023.11.013

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1 引言

随着我国地下工程的开发逐渐进入地层深部，在工程扰动和高地应力的共同作用下，深部地下开挖过程中岩爆灾害频发，易造成人员伤亡、机械设备损毁，严重影响施工安全[1]。目前，越来越多的交通、水力水电隧道工程的埋深超过了1000 m，面临着严重的岩爆风险。例如，2009年11月28日，最大埋深超过2500 m的中国锦屏二级水电站的一次极强岩爆造成了7死1伤以及一台全断面隧道掘进机（TBM）被毁[2]。正在建设的川藏铁路中雅安‒林芝段隧道的最大埋深达到2080 m，最大地应力为53.06 MPa，27条隧道可能发生岩爆[3]。

近几十年来，大量有关岩爆的研究成果被报道，包括岩爆的定义、分类、破坏机理、风险评估和预警等。普遍认为岩爆是一种由应变能剧烈释放引起的围岩非常规、动态破坏，并伴有岩块抛射和巨大声响等现象[1,4‒8]。它与围岩物理力学性质、岩体结构特征、工程地质条件和开挖方式等密切相关[9‒12]。根据产生机制的不同，岩爆大致可分为两类[13]：一类是开挖过程中径向应力卸载和切向应力集中诱发的应变型岩爆；另一类是开挖后围岩在静应力作用下受到动力扰动（断层滑移、地震、爆破等）诱发的冲击型岩爆。考虑到前者在实际工程中更为常见，本文将其作为主要研究对象。目前已开展大量的室内实验以期揭示岩爆灾害的发生机理，包括但不限于静态单轴（或双轴）压缩实验[14‒16]以及基于霍普金森压杆的动力学实验[17‒18]。He等[19]提出了真三轴加载和单面卸载的实验新方法，并研制了配套的真三轴应变型岩爆实验系统，在实验室成功再现了开挖诱发的应变型岩爆现象。此外，He等[13]还研制了动-静载荷叠加诱发冲击型岩爆的真三轴岩爆实验系统。在岩爆风险评价中，考虑岩性、应力状态和地质条件等因素的综合指标评价方法被认为具有更可观的应用前景[20‒21]。同时，微震（声发射）[22‒25]、电磁辐射[26]、红外辐射[27]和震波速度层析成像[28]等地球物理方法也为岩爆灾害预警提供了可参考的信息。此外，与人工智能相结合的岩爆灾害预测方法也日益受到广泛的关注 [20,29‒30]。

在岩爆灾害防控方面，优化开挖方案[22]、爆破卸压[31]、钻孔卸压[32]、水力压裂[33]等主动预处理方法被广泛采用。其目的均是避免局部的应力集中和能量积聚。锚杆（索）支护体系是围岩稳定性控制的常用手段之一。然而，传统的锚杆（索）在高地应力条件下往往会因为无法适应围岩变形发生破断失效，无法提供有效的支护力。随着工程经验的积累，岩爆支护策略从高强支护发展为吸能支护[34‒35]。吸能支护要求锚杆不仅要有较高的强度，还要具有较大变形能力。其优势在于依靠支护构件吸收岩体动态破坏过程中产生的能量，从而减低岩爆烈度。目前已有一些吸能型锚杆被成功开发并取得了较好的工程应用成效，如Roofex 锚杆[36]、Garford锚杆[37]、D型螺栓[38]和Yield-Lok锚杆[39]等。尽管大量的研究及工程实践已经开展，但现有的岩爆防控理念与方法仍难以满足深部地下工程的需求，岩爆的支护仍然是巨大的工程挑战。

本文首先依托自主开发的真三轴应变型岩爆实验系统，简述了开挖诱发岩爆的现象和机理，而后总结了适用于深部地下高地应力条件的围岩控制方法——开挖补偿法，该法有别于中、浅地层的围岩稳定性控制理念。还介绍了研发的负泊松比（NPR）锚杆（一种新型钢材料锚杆）作为开挖补偿法实现的材料基础，并测试了其动态和静态力学性能。在此基础上，提出将开挖补偿法应用于岩爆控制，并在引汉济渭工程中的秦岭输水隧洞进行了工程现场试验，根据岩爆爆坑深度、支护结构受力、围岩变形和微震等监测结果评价了岩爆控制效果。研究成果有望为川藏铁路等重大深部地下工程的岩爆控制提供指导。

2 开挖补偿法防控岩爆的原理

2.1 岩爆机理及实验验证

深部地下工程岩体开挖后，自由面附近围岩的径向应力立即卸载并降为零，而切向应力逐渐集中。如图1（a）所示，围岩由三维应力状态转化为近似的二维应力状态。在初始地应力较高的情况下，卸载后若岩石的最大主应力σ 1远远超过无侧向约束的岩石强度 σ c，从而导致瞬时型岩爆，图1（b）中的蓝线为其简化的应力路径。在初始地应力较低的情况下，瞬时卸载不会导致岩石破坏，但在应力集中的过程中可能发生岩爆，这对应着工程实际中的滞后型岩爆，图1（b）中的黄线为其简化的应力路径。如图1（c）所示，三维应力状态下岩体储存的能量大于单轴（或双轴）应力状态下静态破坏所需的能量，这部分多余能量 ΔE 将转化为岩爆动能。因此，He等[13]提出了将ΔE > 0 作为岩爆发生的判据，该判据将岩爆灾害视为一种工程破坏，强调围岩开挖引起的工程应力状态变化，认为岩爆发生时的动能释放不同于常规静态单轴（或双轴）加载条件下的脆性破坏。因此，岩爆灾害控制的关键是避免围岩产生多余能量ΔE。

自主开发的真三轴应变型岩爆实验系统可实现岩石试样的单面瞬时卸载并形成自由面，从而达到模拟工程实际中的围岩开挖的目的，有关该实验系统的详细信息，请参阅He等[19]的文献。本文依托该实验系统开展了两种加载路径下的应变型岩爆室内实验，实验试样为花岗岩，其密度为2.63 g∙cm-3，尺寸为150 mm × 60 mm × 30 mm。实验过程中，首先以较低的加载速率将试样加载到初始三维地应力状态，并保持该受力状态1000 s。随后，将最小主应力 σ 3突然卸载，随后开始分级加载最大主应力σ 1，以模拟卸载后应力逐渐集中的过程。图2为典型花岗岩试样的瞬时型应变岩爆过程，当试样加载到初始地应力状态（σ 1 = 90 MPa，σ 2 = 60 MPa，σ 3 = 20 MPa）后，最小主应力σ 3卸载瞬间大量岩石碎块喷射，表现出明显的动态破坏特征。图3为典型花岗岩试样的滞后型应变岩爆过程，当试样加载到初始地应力状态（σ 1 = 80 MPa，σ 2 = 60 MPa，σ 3 = 20 MPa），在卸载最小主应力后的应力集中阶段，试样发生了渐进式破坏。从实验开始后的第4029.245 s开始出现岩石碎片剥落，经过一段平静期后试样发生了剧烈的岩片弹射现象，意味着滞后型岩爆的产生。工程中，时滞过程可能与岩石的黏性有关。

最近，深部岩土力学与地下工程国家重点实验室自主研发了一台新型5000 kN真三轴岩爆实验系统[40]。该实验系统是在第一代真三轴应变型岩爆实验系统和冲击型岩爆实验系统的基础上开发的，可实现多面快速卸载和不同方向的动态扰动加载，具有可模拟各种类型、不同位置的应变型岩爆和冲击型岩爆的优势，为进一步探究岩爆机理提供了有力条件。

2.2 开挖补偿法原理

多年来，普氏压力拱理论[41]和新奥法[42]一直指导着隧道工程的建设。普氏压力拱理论认为岩石和土壤可以自稳定。具体来说，隧道开挖后的上部会形成压力拱（自然平衡拱），支护结构只需承受压力拱下岩土的重力。这是一种无应力补偿的支护方案，只适用于控制浅层的松散岩土体。新奥法则强调充分利用围岩的自承载能力和开挖面的空间约束，以锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，在开挖后适时地施作支护系统，从而抑制围岩的松弛和变形。此外，需对围岩和支护结构进行持续监测，进一步指导隧道的支护设计和施工。新奥法允许围岩产生一定的变形，形成了“先让后抗”的支护理念。这是一种低应力补偿支护方案，适用于中部地层的开挖。

然而，在深部隧道工程开挖过程中，传统开挖支护方法难以适应深部高地应力条件，无法有效地防控围岩变形和破坏导致的大变形和岩爆等工程地质灾害[1]。针对这一难题，笔者团队[43‒44]提出了一种适用于深部高应力条件下的高预应力补偿的主动支护方法，称为开挖补偿法。接下来用Mohr应力圆来描述其支护原理，图4展示了三种方法的比较，包括普氏压力拱理论、新奥法和开挖补偿法。绿色Mohr应力圆代表初始地应力状态。开挖引起的径向应力卸载和切向应力集中分别称为开挖效应Ⅰ和开挖效应Ⅱ，在图4中分别用蓝色虚线和红色虚线表示，黑色曲线为破坏准则的包络线。受开挖效应影响，Mohr应力圆可能会超过包络线，导致围岩失稳，甚至发生岩爆破坏。通过对围岩进行高预应力支护来补偿开挖效应，使围岩尽可能恢复到初始的三维应力状态并尽可能发挥其三轴强度而不是单轴（或双轴）强度，最终有效控制围岩的稳定性（图4中紫色的Mohr应力圆）。高预应力的主动支护避免了产生多余能量ΔE，从而降低岩爆灾害的风险。开挖补偿法的关键在于：足够大的预应力以补偿开挖效应，及时快速支护以避免围岩劣化。因此，它的支护理念可归结为“先抗后让，应力补偿”。

2.3 开挖补偿法的核心材料——新型NPR锚杆

传统锚杆的承载能力或变形能力不能完全适应高应力条件下的支护要求，为了克服这一难题，实现开挖补偿法，笔者团队[43]开发了一种新型NPR钢材制成的锚杆，称为NPR锚杆。这种新型钢基锚杆是在初代恒阻大变形锚杆的设计理念基础上开发的[45]。初代恒阻大变形锚杆通过特殊的结构设计实现了高恒阻力和大变形，具有NPR的宏观结构效应。新型NPR锚杆则是在材料层面实现了重大创新。通过微量元素配比、冶炼工艺升级和共格面积调控，新型NPR钢材具有高强、高韧、抗冲击和无缩颈等优异的力学性能。为了验证其优异的静力和动力学机械性能，对新型NPR钢材进行了静态拉伸和落锤冲击实验，并将结果与普通 Q235钢材进行了比较。

图5展示了静态拉伸下的荷载-位移曲线。实验中使用的钢筋试样长度为800 mm，直径为18 mm，NPR钢的屈服载荷为197.27 kN，是Q235钢的2.21倍。NPR钢的极限伸长率达到33.5%，是Q235钢的1.48倍。其能量吸收能力（曲线下面积）是Q235钢的2.67倍。对比两者的荷载-位移曲线可知，NPR 钢的曲线特征接近于理想的弹塑性材料。因此，在围岩稳定支护设计中，Q235锚杆只能利用其抗拉强度的40%~60%，而NPR锚杆可利用到90% [43]。

落锤冲击实验中落锤的重量为1000 kg，最大下落高度为1500 mm。试样为长度2.8 m、直径18 mm的NPR和Q235钢筋。试样两端夹紧总长度为0.3 m，有效长度为2.5 m。在实验中，落锤被提升到预设高度，然后自由下落并冲击试样。为了研究试样在不同冲击载荷下的响应，在前17次冲击中，落锤的高度依次增加（10~1200 mm）。此后，保持1200 mm的落锤高度不变，直到试样破断。图6（a）详细显示了夹持端放置的压力传感器记录的NPR钢和Q235钢在第10次冲击（下落高度为500 mm）时的冲击力-时间曲线。由于落锤的反弹，两种钢材的冲击力在反复波动中衰减。然而，NPR钢承受的冲击力更大，振动时间更长。将第一个波形作为主要能量吸收过程进行详细分析。NPR钢在第10次冲击中的最大冲击力为 253.1 kN，第一个波形持续时间为31.9 ms。Q235钢的最大冲击力为190.8 kN，第一个波形持续时间为38.8 ms。这表明NPR钢具有更高的动态能量吸收效率。图6（b）显示了试样在整个实验过程中每次冲击的最大冲击力和不可逆伸长量。NPR钢的冲击力始终高于Q235 钢，其塑性变形也更轻微，反映了其优越的动态弹性能量吸收能力。Q235钢在第21次冲击时破断，而NPR钢可承受40次落锤冲击。图7显示了NPR钢和Q235钢的典型断口。无论是静态还是动态实验，NPR钢在伸长过程中会均匀变细、全长等比例变形。与传统材料不同，NPR钢不会出现局部的颈缩现象。

NPR锚杆超常的力学性能使得基于开挖补偿法的岩爆防控成为可能。NPR锚杆高强度和高韧性的特性是施加高预应力的基础，其优异的抗冲击性使其能够在围岩受到岩爆和外部动力扰动等动载荷时也能提供有效的支护力，从而确保工程安全。

3 开挖补偿法的工程应用

3.1 项目概况与地质条件

引汉济渭工程是陕西省内重要的南水北调工程，旨在解决关中渭河流域城市的缺水问题。该引水工程主要由黄金峡水利枢纽、三河口水利枢纽和秦岭输水隧洞组成，其中秦岭输水隧洞是引水的关键通道。其进水口位于三河口水利枢纽控制闸，出水口为周至县黄池河。在本研究中，开挖补偿法岩爆防控的试验段位于秦岭输水隧洞北段。北段采用TBM（直径8.02 m）的开挖长度超过15 km，隧洞最大埋深超过2000 m。试验段具体标段为桩号K43 + 865～ K43 + 815，长50 m，最大埋深为1837 m。试验段区域围岩较完整，岩性为闪长岩。图8为其具体位置及邻近区域地质剖面示意图。现场高埋深区域的地应力水平极高，以水平构造应力为主，最大水平主应力预计超过100 MPa。瞬时型应变岩爆灾害在开挖后的几个小时内频繁发生，大量滞后型应变岩爆事件在开挖后2~3天内持续发生。图9（a）显示了2020年1月6日至2022年1月18日期间隧洞发生的979次岩爆事件的位置和爆坑深度。岩爆多发生在拱顶120°角范围内，尤其是0点和1点钟方向。爆坑的深度集中在> 0.5~1.5 m的范围内。图9（b）显示了隧洞拱顶岩爆造成的典型“V”形爆坑，其最大深度为1.1 m。

3.2 NPR锚杆支护方案

为了验证开挖补偿法在岩爆灾害控制中的适用性，在秦岭输水隧洞北段的预定试验段进行了NPR锚杆高预应力主动支护的现场实践。在原支护方案中[如图10（a）所示]，拱顶90°范围内仅施作了6根普通水泥砂浆锚杆（Φ25 mm × 3500 mm）。锚杆的排间距为1.2 m。拱顶围岩存在30°左右的支护盲区，而这正是岩爆的高发区。此外，现场还采用了H150钢拱架和纵向钢筋排进行支护。钢拱架间距为0.9 m，钢拱架之间浇筑C20混凝土。图10（b）所示为采用NPR锚杆的改进后的支护方案，在岩爆的高发区（拱顶120°范围）一共布置了9根NPR锚杆（Φ22 mm × 3500 mm），锚杆的排间距为1 m。为了加强拱顶30°范围内的支护，在该区域设置了三根NPR锚杆，三根NPR锚杆存在5°的偏角以防止交叉。此外，还设计并在现场安装了由NPR锚杆、“W”形钢带和高强-高韧柔性网组成的三维NPR主动支护体系。其中，NPR锚杆提供支护力；“W”型钢带起到固定、连接锚杆的作用；柔性网通过防止岩石碎块飞出而起到防护作用。图10（c）和（d）分别显示了现场使用的三维NPR主动支护体系的示意图和NPR锚杆的实物图。在施工过程中，由于TBM锚杆的施作存在盲点，拱顶三根NPR锚杆需要人工钻孔和安装。NPR锚杆安装后，在30 min内迅速施加200 kN的预应力。整个施工过程需要及时支护和快速预紧，以实现高预应力补偿。

传统的TBM多采用被动支护措施，且支护的盲区较大，难以满足开挖补偿法的主动支护要求。因此，深部岩土力学与地下工程国家重点实验室设计了一套新的全断面隧道掘进装备，称为岩爆-NPR TBM。相比之下，岩爆-NPR TBM是基于开挖补偿法的主动支护理念设计的，可实现开挖过程中280°范围内三维NPR主动支护体系的快速施作。此外，还配备了扩挖刀盘、梯级护盾系统（包括一级护盾和二级径向伸缩护盾）、3区9套的钻孔系统、柔性网自动铺设系统、7个点位的超前处理（超前探测、超前注浆、超前加固）系统和混凝土初喷系统，图11为其设计示意图。岩爆-NPR TBM将为未来深部地下开挖中的岩爆控制提供强有力的装备支撑。

3.3 岩爆控制效果

试验段按照改进的支护方案施工后，岩爆灾害得到了有效控制。图12统计了2021年10月26日至2022年1月27日施工期间相应掘进位置的岩爆最大爆坑深度和个别位置的具体破坏情况。在试验段之前的区段，爆坑平均深度达到0.95 m。在试验段的掘进过程中（2021年11月28日至2021年12月26日），爆坑的平均深度为0.42 m。这充分表明，开挖补偿法的实施显著降低了现场的岩爆破坏程度。在试验段之后的区段，岩爆又恢复到了较严重的程度，爆坑的平均深度为0.99 m。其次，为了进一步评估岩爆控制效果，对支护结构的受力状态和围岩变形进行了监测，图13（a）展示了试验段6个典型断面拱顶位置的NPR锚杆和钢拱架的受力状态。红线和绿线分别表示NPR锚杆和钢拱架的受力。正值表示处于受拉状态，负值表示处于受压状态。此外，为了进行对比，还展示了试验段前后未采用NPR锚杆支护的两个典型监测断面（桩号K43 + 875和K43 + 805）。图13（b）显示了围岩变形情况。图中负值表示未超过预留变形（200 mm），正值则表示相反。在NPR锚杆的高预应力主动支护下，围岩变形得到有效控制，钢拱架受力显著降低。例如，K43 + 875和K43 + 805处钢拱架拱顶的压力分别平均约为49 MPa和44.4 MPa，而试验段的所受压力通常低于该应力水平。试验段围岩变形范围为-100～0 mm，基本不超过预留变形量，围岩不存在侵限问题。

微震是一种远程、三维、连续的岩体破裂监测技术，可以捕捉岩爆过程中释放的弹性波[46]。可通过波形分析获得岩爆的时间、位置、强度甚至破裂机制，微震技术已被广泛用于岩爆的监测和预警。本项目采用由加拿大Engineering Seismology Group公司制造的高分辨率微震监测系统进行岩爆监测，相关具体信息请参阅Wang等[47]的研究。自2021年10月13日至2022年2月10日对秦岭输水隧洞施工期间的微震事件进行了持续监测，结果如图14所示。在NPR锚杆高预应力支护试验段掘进期间（2021年11月28日至2021年12月26日），微震信号的频率和能量值显著下降，频率普遍低于65次·d-1，能量普遍低于500 kJ。此外，微震三维定位图也显示出试验段区域微震事件的密度及震级均较低，微震监测结果很好地说明了开挖补偿法可显著降低岩爆的频次和烈度。

4 结论

本研究针对深部地下开挖过程中岩爆灾害防控的难题。首先，简要总结了岩爆机理和适用于高地应力条件的开挖补偿法支护原理，提出了利用开挖补偿法控制岩爆灾害。而后，在引汉济渭工程中的秦岭输水隧洞进行了现场支护试验。具体来说，开挖会导致围岩径向应力卸载和切向应力集中，工程应力状态变化产生的多余能量ΔE是岩爆的根本原因，实验室进行的真三轴加载-单面卸载的应变型岩爆实验验证了这一点。开挖补偿法是一种主动支护策略，通过高预应力补偿来抵消开挖效应，降低岩爆风险。新研发的NPR锚杆是开挖补偿法实现的材料基础。静态和动态力学试验结果表明，NPR锚杆具有高强度、高韧性、抗冲击、无缩颈的超常力学特性，可以实现较高的预应力的施加，并抵抗岩爆（和动态扰动）的冲击。工程现场试验表明，三维NPR主动支护体系能够有效地控制岩爆灾害，并通过现场岩爆爆坑深度、支护结构受力、围岩变形和微震的一系列监测结果进行了充分证实。因此，研究充分说明了开挖补偿法控制岩爆的科学性和有效性。

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