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钻爆法与TBM开挖深部洞室诱发围岩应变能释放规律

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第 34 卷 第 X 期 2015 年 X 月岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and EngineeringVol.34 No.X XX.，2015钻爆法与 TBM 开挖深部洞室诱发围岩 应变能释放规律谢良涛 1 2，严，鹏 1 2，范，勇 1 2，卢文波 1 2，陈， ，明 1 2，周创兵 1，，2(1. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；2. 武汉大学 水工岩石力学教育部重点实验室，湖北 武汉 430072)摘要：在深部岩体开挖过程中，围岩应变能的释放是导致岩体破坏的诱因之一，而不同开挖方式下应变能的释放 规律存在较大差异。

通过理论分析，探讨了钻爆法和 TBM 开挖下能量的转化和分配机理，并对锦屏二级水电站 深埋隧洞 TBM 和钻爆开挖导致的围岩振动进行现场监测和对比分析，讨论了不同开挖方式下应变能释放的过程 及特性。

研究表明，高地应力下爆破开挖过程岩体所储存的应变能伴随爆破破岩过程高速释放，且应变能诱发的 振动能与爆炸能诱发的振动能大致相当， 另外， MS1 段释放的岩体应变能约为整个开挖过程应变能释放量的 50%； 而 TBM 开挖条件下，开挖岩体内应变能以准静态的方式缓慢释放，几乎全部转化为岩体势能，不会引起围岩动 力响应。

相同条件下，钻爆开挖所引起围岩释放的应变能的大小和速率均较 TBM 开挖大，导致相同条件下钻爆 开挖的隧洞高等级岩爆发生的频次较多，而 TBM 开挖条件下以片帮、剥落为代表的破坏现象较为显著。

关键词：能量释放；钻爆开挖；能量分配；TBM 开挖；振动；岩爆 中图分类号：TV 522 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2015)00–0000–00THE RELEASING RULES OF STRAIN ENERGY INDUCED BY DRILLING AND BLASTING METHOD AND TBM EXCAVATION IN DEEP TUNNELXIE Liangtao1 2，YAN Peng1 2，FAN Yong1 2，LU Wenbo1 2，CHEN Ming1 2，ZHOU Chuangbing1， ， ， ， ， ，2(1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan，Hubei 430072， China；2. Key Laboratory of Rock Mechanics in Hydraulic Structural Engineering Ministry of Education，Wuhan University， Wuhan，Hubei 430072，China)Abstract： During the excavation of deep rock， the strain energy release of surrounding rock is one of the incentive reasons which will lead to the destruction of rock，while there is a big difference in strain energy release rules under different excavation methods. By theoretical analysis，discussed the mechanism of energy conversion and distribution of drilling and blasting method and TBM excavation，and field monitored and comparison analyzed the Jin-ping II Hydropower Station rock vibrations caused by TBM and drilling and blasting method in tunnel excavation to discuss the strain release process and characteristic. Studies show that，strain energy stored in rock mass released fleetly when drilling and blasting excavate the rock in high in-situ stress，and vibration energy induced by the strain energy is roughly equal to the vibration energy induced by blasting energy， besides， the strain energy releasing of MS1 segment is about 50% of total energy releasing；However， the strain energy of rock mass released slowly by the quasi-static method under the TBM excavation， Almost all turning into the potential energy of the surrounding rock，doesn′t cause the dynamic response. In the same conditions，the range and the rate of收稿日期：2014–09–27；修回日期：2015–03–22 基金项目：国家自然科学基金杰出青年基金项目(51125037)；国家自然科学基金面上项目(51179138；51479147) 作者简介：谢良涛 (1990– )，男，硕士，毕业于武汉大学水利水电学院，主要从事水利水电施工技术及岩石动力学方面的研究工作。

通讯作者： 严 鹏(1981–)，男，博士，毕业于武汉大学水利水电学院，现任副研究员，主要从事岩石动力学方面的研究工作。

E-mail：ltxie@ DOI：10.13722/ki.jrme.2014.1316• 2 •岩石力学与工程学报2015 年strain energy release caused by drilling and blasting excavation is larger than TBM excavation，which led to more high-grade rock burst，but in the condition of TBM excavation，the destruction phenomenon represented by spalling and flaking is more frequent. Key words：energy release；drilling and blasting excavation；energy distribution；TBM excavation；vibration； rock bursting 分以动能的形式诱发围岩振动，其间岩体应变能也1引言会在开挖面通过近区和远区相互做功的形式诱发振 动， 即围岩振动是由爆破能和岩体应变能共同引起， 且此过程中瞬态卸载引起的振动在 MS1 微差段最为 强烈。

而 TBM 开挖时则是一个平稳缓慢的过渡过 程，岩体应变能释放速率和大小都很小，不会引起 围岩动力响应。

由于围岩应变能释放规律与岩体灾 变紧密相关，因此，分析清楚两种开挖方式下深部 围岩应变能的释放特性和分配规律对于研究突发性 动力地质灾害， 岩体损伤和岩爆控制具有重要意义。

深部岩体所处的应力状态和地质环境十分复 杂， 开挖将引起岩体中应变能的转移、 耗散和释放， 最终导致岩体物理力学性质发生劣化，可能导致岩 爆、应力型坍塌、流变等一系列非线性动力破坏现 象 。

这些岩体灾变现象除了与施工场地的地质环 境有关，也和不同开挖方式下的开挖扰动及岩体应 变能释放过程中的动力响应联系紧密。

近年来大量学者对深部岩体在开挖或开采卸 荷过程中的能量调整和释放特征以及由此引发的破 坏问题进行了广泛研究。

ouchterlonyFinn 等通过铜 制圆筒中炸药爆炸膨胀测试法，估算了炮孔内装药 爆炸作用到围岩上的能量传递效率。

郭子庭 等提 出了炸药与岩石全过程匹配思想，建立了能量分配 数学模型，并分析了岩石破碎过程中爆炸能量分配 关系。

华安增 在研究地下洞室的过程中发现围岩 开挖时应力重分布将导致应变能的集聚，当所集聚 能量超过对应点极限储存能时，多余的能量将释放 出来。

谢和平[5-9]等的研究表明岩石变形前期以弹性 应变能的形式储存外界给予的能量，同时通过损伤 演化等方式向外界耗散能量，且变形后期以剧烈的 能量释放为主，而能量释放是导致岩石灾变破坏的 本质原因。

以上这些研究进一步证实开挖过程中能量的 调整和释放特征对工程的影响，为灾变的控制和预 测作出了巨大贡献，却都忽略了开挖方式不同导致 的能量释放效应的差异。

目前岩体开挖方式主要有钻爆法和机械(TBM) 法两种方式，且以钻爆法开挖为主。

而我国锦屏二 级水电站施工洞群正好采用了钻爆法和 TBM 开挖 相结合的方式，本文利用这种有利条件，现场记录 了两种方式开挖过程中引起围岩振动的大量数据， 通过理论分析以及对振动波的组成及其强弱进行深 入分析和研究，发现两种开挖方式本身的不同导致 与之相关的能量释放、耗散及分配等问题存在巨大 差异。

爆破开挖导致围岩应力剧烈调整，诱发动力 响应，此过程中，爆炸能以不同的形式释放，一部[4] [3] [2] [1]2深部岩体开挖过程中的能量分布2.1 爆破开挖时炸药能量的分配 深埋洞室钻爆开挖时，炸药释放的爆炸能将导 致围岩的裂隙扩展，并诱发振动，使围岩产生弹性 和塑性变形等一系列变化，此过程中的能量平衡可 表示为： Ee = E f + Es + Ek + Emn 为振动能， Emm 为耗散的能量。

为了与开挖过程中岩体应变能 ( 由于初始应力 场而集聚)释放的动力效应进行对比， 这里仅针对振 动能 Es 进行深入研究。

振动能以应力波形式在岩石中传播，可通过流 向监测面的能量流计算求得。

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钻爆法接应TBM优化方案

钻爆法接应TBM优化方案

钻爆接应TBM优化施工方案1.工程概述2.钻爆法接应的必要性TBM设备于XXX开始进行工地组装，XX组装结束并开始步进，XXX步进至掌子面并进行洞内调试，XXX首次整机联动调试完成，XXX开始试掘进，截至XXX累计完成X，TBM 运行X最高月进尺X，设备利用率在逐步提高，从目前的施工状况及实际工程施工需要出发，我部对施工进度进行了科学合理的分析：X段总长X，剩余X，按X强度计算，计划工期X，预计X前开挖完成；TBM设备中间检修及转场（1.5个月）后进入X段开挖，X段长X，按X强度计算，计划工期X个月，预计X开挖完成。

TBM净掘进时间需要X，TBM在支洞转场检修X，TBM施工段全段贯通需要X，XTBM掘进作业能够全部完成，距工程通水还有X。

由于TBM施工，主洞掘进、衬砌、灌浆采用顺序作业，TBM开挖结束后才能对X段进行模筑混凝土施工及灌浆施工，1#支洞扩大洞室衬砌前准备及衬砌施工需要5.5个月时间，包括：TBM设备拆除、边顶拱衬砌、底板混凝土、回填灌浆等，因此主洞采用TBM法单独开挖作业无法满足通水条件工期要求。

另外，主洞进口截至X日剩余X，预计X末开挖完成。

后续的衬砌、灌浆工作需1X，预计X底施工结束，但受TBM的制约，进口连接建筑物施工将推迟至X中旬，也无法满足通水工期目标要求。

因此，为满足通水工期目标的实现，采用钻爆法接应TBM施工是必要的。

3.钻爆接应方案为满足通水工期目标的实现，利用主洞进口以及X支洞上下游共X个工作面采用钻爆法接应，以缓解TBM掘进工期的压力，钻爆法接应TBM施工方案如下：（1）主洞进口接应X，即桩号：，TBM掘进月平均进尺，钻爆法接应可节省个月工期，同时增加衬砌工作量，采用边开挖边衬砌施工，提前进行衬砌施工。

另外，进口增加交通洞，连接井施工时保证主洞衬砌施工有运输通道。

（2）支洞下游接应即桩号：上游接应，即桩号：；支洞共接应，TBM掘进月平均进尺，钻爆法接应可节省个月工期，同时增加衬砌工作量。

钻爆法施工方法

钻爆法施工方法

钻爆法施工方法一、隧洞出口钻爆段施工1 洞身开挖主洞39+823~40+823段洞身开挖施工采用“新奥法”进行施工，施工严格遵循“短进尺、少扰动、强支护、勤观测、早衬砌”的原则，Ⅲ、Ⅳ类围岩洞段开挖采取全断面开挖，Ⅴ类围岩段，为保证围岩稳定，洞挖采用上下台阶法施工，Ⅲ类围岩开挖循环进尺3～3.5m，Ⅳ～Ⅴ类围岩开挖循环进尺5m。

开挖采用YT28风动凿岩机钻孔，人工钻爆台架装药爆破，采用扒渣机装渣、自卸汽车运输石渣至永久弃渣场。

2 支护遵循强支护、及时封闭、勤观测的方案进行施工，开挖完成后，及时进行初期支护。

若采用台阶法施工，在上台阶开挖完成后，及时进行初期支护，当上台阶的支护全部完成后才能进行下台阶的开挖施工。

支护采用系统锚杆联合网喷砼支护，支护滞后开挖掌子面20～30m，在上台阶开挖完成后，支护必须全部完成，才进行下台阶施工。

在施工中及时进行围岩量测，并根据量测反馈的围岩变形信息，调整支护参数。

锚杆钻孔采用YT28风动凿岩机钻孔，采用快硬水泥卷锚杆，人工安装锚杆并挂网。

喷射混凝土采用洞外安设完成的拌合楼拌合混凝土，采用湿喷机喷射混凝土，供风采用22m3/min电动空压机。

混凝土喷射完成后及时清理工作面，避免延误下一道施工工序。

二、F7断层带施工2.1 开挖F7断层带开挖方案：TBM掘进至27+642.00后，后退60m，在刀盘左前方开挖高3m、宽3m施工通道。

首先在刀盘左前位置开挖一个高3m、宽3m、长3m的洞室，人工清渣，然后TBM向前推进、至该洞室位于连接桥左下方，将小型扒渣机等施工设备放置于此洞室内；TBM后退，将小型扒渣机等设备转运到刀盘前方，自该洞室开始施工通道开挖；开挖支护完成后，TBM向前推进使通道口分别位于刀盘前方和连接桥区位置，运输轨道从连接桥左侧延伸至刀盘前方，通过该通道进行F7断层开挖、出渣和支护。

F7断层采用台阶法开挖，扒渣机配合有轨运输出渣。

F7断层洞段开挖施工通道如图2-1所示。

钻爆法与TBM盾构机施工技术特点比较

钻爆法与TBM盾构机施工技术特点比较

效 地 控 制 了超 欠 挖 现 象 。光 面爆 破 技 术 的 运 用 使 得 隧 道 开
１钻爆 法施 工
隧 道钻 爆法 （ 即 隧 道 掘 进 钻 爆 法 施 工 ）有 着 经 济 、
挖轮廓 线 的精 度大大提 高 。这样 不但 对隧道 围岩 的稳 定有
一பைடு நூலகம்
定好 处 ，而且 还减小 了超 、欠挖 所造成 的浪费 。
技 术 特 点 进 行 了 总 结 、 介 绍 和 对 比 ，分 析 了 当 前 国 内 隧
１ ． ４ 提高 了隧道 开挖 控制水 平
超 欠 挖 是 一 个 当今 隧 道 开 挖 施 工 中普 遍 存 在 的 现
道 掘进技 术 的现状 和前 景 。
象 ，直接影 响到施工安 全及经 济效益 ，而光 面爆 破技 术有
进步。
。
公 路隧 道 的发 展变 化 也越 来 越 大 ，单 个 隧道 长度 也
变得越 来越 长 ，过去２ ｋ ｍ、３ ｋ ｍ的隧道 就是 比较 长 的隧道
了 ，现 在７ ｋ ｍ、８ ｋ ｍ的超长 隧道 随处可 见 ，有 的隧道 更是 近２ ０ ｋ ｍ。隧道 的结 构形 式也 变得 多种 多样 ，从前 只用 双
１ － ３ 改善 了隧道 爆破 作业 对施工 人 员和环境 的影响
目前 的 爆 破 技 术 有 利 于 围 岩 稳 定 ，极 大 地 降 低 了 爆
破 效应 对 隧 道 围岩 的影 响 。 由于 围岩 失 稳所 造 成 隧道 坍 塌 事 故 的发 生频 率越 来 越 少 。 目前有 一 种新 的 品种 ，即 新 品乳 化 炸 药 ，极 大地 减 少 了在 隧道 爆 破烟 雾 中的有 害 物 质含 量 ，施 工 人 员在 身 体和 心 理上 的伤 害都 有 不 同程
钻爆法与TBM盾构机施工技术特点比较

钻爆法与TBM盾构机施工技术特点比较

钻爆法与TBM盾构机施工技术特点比较关键词：隧道开挖；钻爆；TBM；对比分析0 引言随着我国经济快速发展，公路交通建设方兴未艾，到2013年年底，我国公路总里程达435.62km，居世界第一。

全国高速公路从无到有，再到现在9.6万km的通车里程达，公路桥梁达71.3万座、总长达3663万km。

当然，隧道的发展离不开先进的隧道掘进技术，本文对钻爆和TBM盾构机施工方法的内容和技术特点进行了总结、介绍和对比，分析了当前国内隧道掘进技术的现状和前景。

1 钻爆法施工隧道钻爆法（即隧道掘进钻爆法施工）有着经济、高效，对地质适应能力强的优点，因此在我国隧道施工中，最重要和最常用的方法就是隧道爆破法。

我國建设完成各种各样的隧道、隧洞，其中有九成以上是采用此种方法施工的。

完全可以这么说，隧道建设发展历史就是隧道爆破技术的发展历史。

在最近的几十年，隧道爆破技术为我国基础建设事业立下了不朽的功勋。

1.1 加大了开挖循环进尺尺度，提高了施工进度如今铁路单、双线隧道掘进施工过程，使用手风钻作业月进百米并不罕见，月进200m甚至更多也不在少数。

采用多臂液压凿岩台车作业的，其月进度一般在200～500m，比手风钻效率更高。

1.2 隧道爆破安全状况目前已经有了明显的提高目前，爆破器材的品质有了较大的改进。

而机械在隧道爆破施工中扮演着越来越重要的角色，机械化程度越来越高。

1.3 改善了隧道爆破作业对施工人员和环境的影响目前的爆破技术有利于围岩稳定，极大地降低了爆破效应对隧道围岩的影响。

由于围岩失稳所造成隧道坍塌事故的发生频率越来越少。

1.4 提高了隧道开挖控制水平超欠挖是一个当今隧道开挖施工中普遍存在的现象，直接影响到施工安全及经济效益，而光面爆破技术有效地控制了超欠挖现象。

光面爆破技术的运用使得隧道开挖轮廓线的精度大大提高。

这样不但对隧道围岩的稳定有一定好处，而且还减小了超、欠挖所造成的浪费。

1.5 瓦斯隧道、含煤地层等施工水平也有所提高在隧道爆破施工中有天然气和煤岩层存在是高度危险的，稍有不慎就会导致严重的后果。