锦屏二级水电站是利用150 km长大河弯的310 m天然落差，截弯取直、引水发电，总装机容量4 800 MW，是中国“西电东送”战略的关键性工程，也是中国“三大河弯”中率先开发水能资源的工程，工程布置7条总长约120 km的隧洞群，其中4条引水隧洞单洞长约16.7 km，洞径12.4～14.6 m，一般埋深1 500～2 000 m，最大埋深2 525 m，是目前世界上规模最大、综合难度最高的水工隧洞工程^[1–2]。

引水隧洞2^#和4^#洞在开挖初期进行了爆破试验，获得了合理的爆破参数，在试验段获得了良好的爆破效果，然而随着隧洞埋深增加，地应力增大，出现了以下问题：隧洞爆破开挖后洞型较好，周边孔残留率在80%左右，出渣排险后周边孔被破坏，炮孔残留率降低；岩爆段在爆破后3～4 h出现层状剥落，每层厚度10至20 cm，同时伴有岩爆响声，响声过后就有岩层剥落^[3]。

爆破开挖后，由于岩石爆破破碎过程的影响，在保留岩体表层不可避免地会产生爆破损伤。此外，在爆破振动的重复作用下，岩体结构面的强度也会降低^[4]。此外，在高地应力区，洞室掘进使得地应力快速释放，势必也会对洞壁产生一定影响，出现片帮、掉块等现象，在开挖爆破的冲击振动影响与围岩高应力释放、调整的共同作用下，局部处于临界受力状态的岩体有可能发生坍塌和失稳。因此，有必要对基于爆破卸压地应力快速释放方法的强岩爆防治效果进行研究，为深埋隧洞爆破开挖设计和施工提供理论依据。

近年来一些学者针对具体工程开展了大量关于岩爆防治的研究工作。姜云等^[5]从现场岩爆特征提出二郎山和华蓥山隧道的防治措施。吕庆等^[6]从隧道围岩的岩体特征和初始应力场两方面着手对苍岭隧道岩爆发生进行了探讨。汪波等^[7]从应力释放方法探讨了隧道岩爆预测的数值分析及初期支护时机。徐则民等^[8]就岩爆的灾害研究做了系统的分析。邱道宏等^[9]运用可拓理论就埋深隧道的岩爆防治措施进行了研究。

从卸压爆破技术的发展历程上来看，20世纪20年代加拿大新斯科舍省春山煤矿发生了安全事故并提出了卸压爆破的概念。1930年加拿大安大略省的科克兰德湖的矿山第一次尝试开展了卸压爆破试验，而真正系统设计并开展卸压爆破试验是在南非金矿矿震与岩爆控制的实践。

卸压爆破的根本目的是通过爆破应力波对岩体产生破坏作用，在开挖区周围岩体中形成一个破碎区，降低围岩弹性应变能的高水平聚积状态，将高应力水平区向围岩深部转移。卸压爆破前后相比，卸压爆破后形成的破碎区边界较开挖面更远、更加深入围岩，且产生的应力峰值较小、应力峰值位置与开挖面相距更远，应力分布曲线也较为平缓，能够改善围岩应力集中条件，从而降低开挖面附近围岩发生高应力冲击破坏（如岩爆）的可能性。从机制上讲，卸压爆破过程是爆破裂隙和爆破震动两个因子单独或联合作用，它不但改变了岩体的应力状态，也改变了岩体的强度和变形能力。

根据卸压爆破实施的阶段和与工程开挖爆破的结合程度，可划分为两类：主动卸压爆破和预处理卸压爆破。主动卸压爆破是与隧洞开挖爆破同时实施，使隧洞围岩与深部岩体脱离，原有高应力状态岩体被卸载，应力向围岩深部转移。而预处理卸压爆破是针对已探明存在高应力集中区的存在，在新开挖施工开始之前，针对高应力集中区先开展卸压处理，以降低围岩高应力状态和应力释放，确保降低后续隧洞开挖施工高应力诱发灾害的风险。

在长期的隧洞施工实践、过程监测以及研究分析的基础上，隧洞爆破开挖后洞壁上切向应力的大小是产生岩爆的主要因素^[10]，因此文中所使用方法就是通过爆破卸压使得围岩内生成低弾性区的方式减小洞壁上的切向应力，进而实现防止岩爆目的。根据炮孔深度的不同，爆破应力释放法可以分为超深孔、深孔和浅孔爆破应力释放法；根据炮孔的开孔位置和倾角，可以分为掌子面垂直孔、掌子面斜孔、轮廓线斜孔、围岩体斜孔应力释放爆破法以及上述方法的组合。

作者针对锦屏深埋隧洞最大埋深2 500 m洞段开展卸压爆破研究，包括已开挖的隧洞洞壁和掌子面前方的高应力围岩，研究重点强调卸压爆破实施方案应力释放的效果与对岩爆灾害的控制效果，考虑到隧洞施工的实际状况，开展了围岩体内双排倾斜辐射孔方案（方案1）和掌子面垂直超前孔方案（方案2）的数值评估和现场试验论证。

针对锦屏引水隧洞工程特点与实践经验以及强岩爆灾害在隧洞围岩的发育规律，提出了两类卸压爆破方案，即围岩体内双排倾斜辐射孔方案和掌子面垂直超前孔方案。前者针对洞周强岩爆灾害的控制，而后者是针对掌子面强岩爆灾害的控制。同时，两个方案也体现了浅孔卸压和深孔卸压的差异性。

上述两种方案相关设计信息见表1。

表1(Tab. 1)

表1 岩爆防治设计方案表 Tab. 1 Design scheme of rockburst prevention

表1 岩爆防治设计方案表 Tab. 1 Design scheme of rockburst prevention 方案名称 方案布置情况 备注 围岩体内双排倾斜辐射孔方案 在距离掌子面约0～2 m的左侧边墙底部与右侧顶拱，各布置两层爆破孔，其中 中深孔与洞轴线夹角为30°，浅孔与洞轴线垂直，中深孔孔深6 m，浅孔孔深 3 m，孔径均为50 mm，孔距均为40 cm，各炮孔均布置在已开挖洞身壁面。 初步设计的单孔装药量为2.2 kg，根据实际爆破效果，共进行3组不同药量的试验。 掌子面垂直超前孔方案 在掌子面距开挖轮廓线1.2～1.5 m圆周上，均匀布置与掌子面垂直的7个爆破孔，单孔深15 m，孔径65 mm。 初步设计的单孔装药量为15 kg，根据实际爆破效果，共进行3组不同药量的试验。

深部隧洞开挖爆破的模拟主要包括爆炸荷载模拟、边界条件模拟和开挖荷载瞬态卸荷模拟3个重要环节^[11]。

首先确定炸药材料模型及爆炸荷载，在炮孔之间施加等效爆炸荷载，炮孔壁上施加爆炸荷载曲线；其次，依据工程实际情况，基于弹黏性边界、无反射边界、约束边界等对模型人工截断边界，然后再模拟初始地应力，将其作为一个恒荷载施加在截断边界上，并对模型加载面以外的边界实行法向约束，进行有加载瞬态分析的应力初始化；再次，对于开挖荷载的瞬态卸荷，其爆炸荷载变化历程确定起始时刻与持续时间，根据实际工程设计的隧洞断面形状，在开挖轮廓面上施加荷载，模拟被开挖岩体的支撑作用，通过控制该荷载的作用过程，实现对开挖荷载的瞬态卸荷过程模拟。

采用FLAC3D 3维有限差分数值模拟软件，数值仿真模型为边长为40 m的正方体，模型如图1所示。两侧边界施加水平方向的约束条件，铅直方向施加自由边界条件；底部边界施加铅直方向的约束条件，水平方向施加自由边界条件；上表面为自由边界条件，并且根据各个位置的埋深施加相应的围岩自重。炮孔通过在数值模型中建出炮孔模型进行模拟，爆炸荷载通过在炮孔壁上施加爆炸荷载曲线模拟，爆炸荷载曲线型式为三角形，荷载上升时间约2～5 ms，总作用时间8～10 ms，荷载的峰值与炸药爆速、装药和炮孔结构尺寸等参数相关。

图1(Fig. 1)

图1 数值仿真模型 Fig. 1 Numerical simulation model

岩体物理力学参数如表2所示。岩石屈服服从Mohr-Coulomb准则。

表2(Tab. 2)

表2 计算参数 Tab. 2 Calculation parameters

表2 计算参数 Tab. 2 Calculation parameters 材料 密度/ (kg·m3) 弹模/ GPa 泊松比 粘聚力/ MPa 内摩擦角/ (°) 岩石 2 750 20 0.2 1.0 35 爆破卸压后的 岩石区域 2 000 2 0.4 0.1 25

针对表1中两种方案分别进行计算，并对计算成果进行分析如下。

1）应力场分布规律

根据图2所示结果可以了解到，采用此方案以后，分别于左侧边墙爆破孔附近以及拱顶中部附近、右侧拱腰下部和拱肩爆破孔附近形成了应力松弛区，应力集中部位从轮廓线附近转移到距轮廓线约5.0 m的围岩深部，故此方案能有效防止岩爆。

根据图3所示结果可以了解到，采用此方案以后，分别在左侧和右侧边墙爆破孔周围均形成了有效的应力松弛区，并且其深度与不采取爆破应力释放时分别有约3.0～4.5 m和2.5～4.0 m的增加，故也能够说明此方案能有效防止岩爆。

图2(Fig. 2)

图2 双排倾斜辐射孔方案开挖后最大主应力云图 Fig. 2 Nephogram of the maximum main stress after excavation of doublerow tilt radiation hole scheme

图3(Fig. 3)

图3 双排倾斜辐射孔方案开挖后最小主应力云图 Fig. 3 Nephogram of the minimum main stress after excavation of doublerow tilt radiation hole scheme

2）塑性区分布规律

根据图4所示规律可以了解到：边墙、左侧顶拱、底板等部位的剪切屈服区的延伸深度的最大值分别达到6、9、3.5 m；左侧边墙、右侧顶拱、底板等部位的拉伸屈服区的延伸深度的最大值分别达到2、2、2.5 m。

图4(Fig. 4)

图4 双排倾斜辐射孔方案开挖后的塑性区分布图 Fig. 4 Layout of plastic zone after excavation of doublerow tilt radiation hole scheme

1） 应力场分布规律

垂直超前孔方案开挖后的最大和最小主应力云图见图5、6。

根据图5、6结果可以了解到，采用此方案以后，能够通过爆破卸压作用于掌子面前方产生一定延伸范围的松弛区。此方案与方案一相比的特点是，可以帮助释放掌子面处的集中应力，故能够较好地防止掌子面岩爆。

图5(Fig. 5)

图5 垂直超前孔方案开挖后的最大主应力云图 Fig. 5 Nephogram of the maximum main stress after excavation of vertical advance hole scheme

图6(Fig. 6)

图6 垂直超前孔方案开挖后的最小主应力云图 Fig. 6 Nephogram of the minimum main stress after excavation of vertical advance hole scheme

2）塑性区分布规律

垂直超前孔方案开挖后的塑性区分布图见图7。

根据图7所示规律可以了解到：边墙、底板等部位的压剪屈服区的延伸深度的最大值分别达到3.5、4.5 m；底板、拱顶等部位的拉伸屈服区的延伸深度的最大值分别达到2.0、1.0 m。

图7(Fig. 7)

图7 垂直超前孔方案开挖后的塑性区分布图 Fig. 7 Layout of plastic zone after excavation of vertical advance hole scheme

下面采用拉森斯岩爆判别法^[12]将上述两种方案分别与不采取任何措施方案之间进行岩爆防治效果的对比评价。

拉森斯岩爆判别法规定的岩爆判别关系如下^[13]：

式中， ${\sigma _{\text{θ}}}$ 为洞室最大切向应力， ${\sigma _{\rm{c}}}$ 为岩石的单轴抗压强度。

根据图8和9的计算结果能够得出，在不采取任何措施方案的情况下，右侧拱顶及左侧边墙底部等部位都有可能产生强岩爆，拱顶中部及左侧等其它部位有可能产生中等岩爆；在采用围岩体内双排辐射孔方案的情况之下，左侧边墙底部至拱腰、右侧边墙拱腰下部至拱顶、左侧拱肩及右侧边墙底部等部位可能发生岩爆的强烈程度均降低为弱岩爆，无岩爆的拉森斯判别系数进一步延伸到轮廓线深部，证明此方案可以有效降低岩爆产生的可能性。

图8(Fig. 8)

图8 不采取任何措施-拉森斯判别系数分布 Fig. 8 Layout of russenses discriminant coefficient without any measure

图9(Fig. 9)

图9 双排辐射孔方案-拉森斯判别系数分布 Fig. 9 Layout of russenses discriminant coefficient of doublerow tilt radiation holescheme

根据图10和11的显示结果可以了解到，前者开挖状态下，开挖掌子面周围产生中等岩爆的可能性非常大，达到了0.5的拉森斯岩爆判别系数；在采用后者方案的情况之下，掌子面周围的拉森斯判别系数降低幅度明显，基本没有可能产生岩爆，从而证明了此种方案能够防止掌子面前方的岩爆。

图10(Fig. 10)

图10 不采取任何措施-拉森斯判别系数分布 Fig. 10 Layout of russenses discriminant coefficient without any measure

图11(Fig. 11)

图11 垂直超前孔方案-拉森斯判别系数分布 Fig. 11 Layout of russenses discriminant coefficient of vertical advance hole scheme

由上述分析可知，在不采取任何措施方案的情况下，右侧拱顶及左侧边墙底部等部位都有可能产生强岩爆，拱顶中部及左侧等其它部位有可能产生中等岩爆。在采用爆破卸压释放应力后，左侧边墙底部至拱腰、右侧边墙拱腰下部至拱顶、左侧拱肩及右侧边墙底部等部位可能发生岩爆的强烈程度均降低为弱岩爆，对防治岩爆起到很好的作用。综上可知，左右两侧顶拱、左右两侧边墙底部应是用于爆破卸压应力释放的重点部位，这也与锦屏二级水电站的岩爆实际统计结果相符。

为检验上述两种方案的岩爆防治效果，分别在锦屏二级水电站2^#引水隧洞中开展上述两种方案的爆破试验，每次试验均进行了声波测试、爆破振动测试以及现场宏观调查分析。两种方案的爆破效果如表3所示，其中方案1为浅孔，方案2为深孔。

表3(Tab. 3)

表3 试验方案的爆破效果对比 Tab. 3 Blasting effect comparison of the test schemes

表3 试验方案的爆破效果对比 Tab. 3 Blasting effect comparison of the test schemes 方案 线装药密度/(g·m–1) 单孔装药量/kg 爆破效果描述 声波测试情况 爆破类型 方案1 500 500 1.50 2.20 孔口有炸裂现象 波速有显著衰减 常规能量爆破 500 500 1.50 2.40 孔口有炸裂现象 波速有显著衰减 常规能量爆破 500 500 1.50 2.60 孔口有炸裂现象 波速有显著衰减 常规能量爆破 方案2 300 4.50 孔口有炸裂现象 波速有显著衰减 常规能量爆破 250 3.75 孔口有轻微缝 波速有明显衰减 弱能量爆破 200 3.00 孔口有轻微缝 波速有明显衰减 弱能量爆破

试验结果显示，在方案1中，3组试验的应力释放炮孔均成功爆破，形成了爆破破碎圈，破碎圈的范围大约为以原炮孔中心线为轴线，直径60～70 mm的范围；在直径100～150 mm范围内，炮孔周围裂隙明显增多，松动迹象明显，可以确定为爆破松动圈；在半径为150～5 000 mm的范围内，确定为爆破振动圈，爆破松动圈和爆破振动圈内的高地应力均有所释放。3次试验的单孔药量并没有拉开差距，因此破碎圈、松动圈和振动圈的范围差异并不明显。在方案2中，在试验段未发生岩爆，包括掌子面和围岩段，该方法是在掌子面钻直孔，应力释放孔位于待开挖岩体中，对掌子面的应力释放有较为明显的作用，但对围岩体中的应力集中情况改善有限。锦屏二级水电站2^#引水隧洞岩爆防治试验的实践表明，采用例如方案2的深孔爆破法应力释放的范围和效果方面与浅孔相比均有一定优势，然而实际工程施工过程中，炮孔爆破这种炮孔深度较浅的方法是隧洞爆破开挖常用的方法，虽然其应力释放的范围和效果一定程度上不如深孔爆破法，但是经过精心的方案设计和布置，如方案1的浅孔爆破法在防治岩爆方面也能够具有良好的作用。

方案2用来防止下一轮开挖爆破过程中的掌子面处的岩爆能够体现出优势，但是用来防止围岩内的岩爆效果不明显；方案1对围岩体的高地应力有比较好的释放效果。因此实际施工过程中需结合现场实际情况，动态选择和优化的布孔方案，如果是掌子面的岩爆问题较为严重，则应力释放孔倾向于掌子面布置，如果成型洞段的应力集中较为严重，则可以采用围岩内倾斜辐射孔方案的布孔方式。

爆破卸压法防治岩爆属于超前的主动防治方法，但岩爆的情况比较复杂，爆破受到孔深的限制，其覆盖范围毕竟有限，因此还需要结合其他的方法综合使用，效果更佳。根据锦屏二级电站引水隧洞的爆破试验成果及开挖特点，研究提出综合性的岩爆防治措施（流程图如图12所示）。这种综合防治措施从开挖前的地质预报开始，到开挖措施的优化，开挖过程中的应力释放爆破以及开挖成型后的支护等措施，形成综合的岩爆防治技术。在开挖方法上，一般岩爆段采用短进尺、弱爆破开挖，爆破卸压应力释放法开挖应在强烈及以上等级岩爆可能发生的洞段结合使用，应力释放爆破应按照如下设计和实施。

图12(Fig. 12)

图12 岩爆防治综合措施流程图 Fig. 12 Flow chart of integrated control measures for rockburst

钻孔布置：应力释放爆破孔布置在开挖边界1.5～2.0 m范围内，孔距采用0.4～0.6 m，钻孔数量断面尺寸和应力释放部位确定；钻孔长度：孔深不小于开挖进尺的2倍，例如强岩爆条件下开挖进尺控制在2 m以内，则应力释放爆破孔深应不小于4 m；孔向孔斜：钻孔的角度向外呈扇状散开，角度随孔深增大而降低，应力释放孔与主应力的方向尽量垂直或大角度相交；装药量：底端应力释放爆破段的装药量需要视实际效果调整；起爆顺序：应力释放段的爆破次序为周边孔之前，也可为最后次序，通过现场实际情况进行调整。

此外，施工过程中需要注意清理危石，在水源比较方便的地方采用高压水冲洗，完成开挖后应该及时采取快速支护措施。现场组织施工时，根据掌子面揭露的地质情况并结合超前预报成果资料，分别有针对性地采取处理方法。

采用基于爆破卸压理论的应力释放方法，开展了锦屏二级引水隧洞岩爆防治及其效果评价研究，得到以下主要结论：

1）对采用双排倾斜辐射孔和垂直超前孔等两种不同岩爆防治方案开展数值模拟分析，分别基于拉森斯岩爆判别法对上述方案的功效开展了对比研究，结果表明，两种方案对岩爆防治有明显的改善效果，此外也验证了左右两侧顶拱、左右两侧边墙底部是用于爆破卸压的重点部位。

2）现场试验验证表明，掌子面垂直超前孔爆破方案用来防止下一轮开挖爆破过程中的掌子面处的岩爆能够体现出优势，但是用来防止围岩内的岩爆效果不明显，围岩内倾斜辐射孔方案对围岩体的高地应力有比较好的释放效果。

3）结合现场实际应用情况，研究提出了岩爆防治的综合措施并在实际施工中得到采纳，研究结果对于最大埋深洞段的岩爆防治提供了重要的支撑作用。