岩爆是处于较高地应力地区的岩体，由于工程开挖等活动导致其内部储存的应变能突然释放，或原来处于极限平衡状态下的岩体由于外界扰动的作用，开挖临空面围岩块体以猛烈的方式突然弹射出来或脱离母岩的一种动态力学现象 ^[1]。发生岩爆的能量来自于岩体本身存储的应变能，开挖后使围岩处于高应力状态，当静应力超过岩石强度时，岩爆灾害迅速发生。

　　 随着我国“一带一路”的实施，深埋长大隧道工程越来越多，面临的岩爆灾害问题也越来越突出 ^[2,3,4]。国内外众多学者对岩爆灾害的特征、预测、防护等内容开展了研究，取得了较好的成果。岩爆灾害特征方面，赵周能 ^[5]利用微震监测手段分析了岩爆灾害的微震时空分布特征;蒋剑青、梅诗明等 ^[6,7]利用室内真三轴实验，揭示了不同应力条件下岩爆的发生过程及灾害特征。在岩爆预测方面，主要有强度理论、能量理论、突变理论等 ^[8,9]岩石力学理论预测方法和支持向量机模型 ^[10]、粒子群算法模型 ^[11]等综合预测方法两大类。岩爆防护方面，李春林 ^[12]通过建立岩爆孕育过程的球崖模型，建立了“刚柔相济”的岩爆防护体系;Cai等 ^[13]基于岩爆发生的条件构建岩爆治理思路，建立了基于岩爆支护的岩爆破坏控制方法;冯夏庭等 ^[2]基于岩爆孕育过程提出了岩爆防控的“三步走”策略，通过分步执行优化工程布置和开挖参数，应力预释放、转移，支护系统吸收岩体释放的能量等措施，实现了对岩爆的有效防控。

　　 但针对地质构造复杂，氧气稀薄的高原地区深埋隧道，有必要对其施工特点和岩爆特征进行研究，以便建立针对性的施工支护方法。鉴于此，本文依托西藏地区的巴玉隧道工程开展相关研究，以期为类似条件下的深埋隧道的安全、高效建设提供借鉴与参考。

　　 巴玉隧道位于藏南谷地桑加段(桑日至加查)下游段，进口位于西藏自治区山南地区桑日县平登，出口位于西藏自治区山南地区加查县藏木。隧址区地面标高3 260.000～5 500.000m，高差近2 300m，为典型的高山峡谷地貌。巴玉隧道起讫里程为DK190+388—DK203+461，为全线重难点控制性工期工程。隧道全长13 073m，其中单线隧道12 482m，车站隧道591m。受地形条件限制，进、出口仅各设置1座平导，无其建设他辅助坑道的条件。进口平导设计长度4 058m，出口平导设计长度4 073m。进、出口正洞各独头掘进6.5km，通风、排烟困难，运输距离长，施工难度大。

　　 隧道地层以花岗岩、闪长岩等坚硬岩石为主，且地质构造复杂，最大埋深2 080m，在开挖过程中存在岩爆、地热、放射性、危岩落石及冻害等不良地质。

　　 巴玉隧道施工过程中显著特点为:岩爆灾害频发，设计阶段预测的岩爆段落达全隧的94%，岩性为坚硬花岗岩，施工安全风险极大，为Ⅰ级高风险管理隧道。

　　 巴玉隧道正洞预测岩爆段落共计12 242m，占其长度的94%，其中轻微岩爆4 106m，中等岩爆5 922m，强烈岩爆2 214m;巴玉隧道进口平导预测的岩爆段落共计3 804.827m，占其长度的94%，其中轻微岩爆2 846.827m，中等岩爆1 158m;巴玉隧道出口平导预测的岩爆段落共计3 355m，占其长度的82%，其中轻微岩爆1 460m，中等岩爆1 895m。隧道开挖过程中发生的不同等级典型岩爆灾害如图1所示。

　　 频发的岩爆灾害和几乎全隧的高岩爆风险，导致对隧道施工产生了不良影响。

　　 1)对施工人员人身安全产生严重威胁，造成严重的心理负担，施工队伍更换频繁。

　　 2)对凿岩台车、湿喷机、挖掘机、装载机等施工机械设备安全产生威胁，极大增加了维修和更换的频率。

　　 3)岩爆的发生及后续处理增加了支护成本，迟滞了施工进度，耽误施工工期。

　　 鉴于该隧道高原缺氧、岩爆风险巨大的工程特点，对其安全、高效施工产生巨大挑战。因此，隧道开挖过程中需结合该隧道的岩爆灾害特征，建立针对性的施工方法和支护措施。

　　 由文献[2]可知，依据岩爆发生时间与开挖活动的时空关系，岩爆灾害主要被划分为即时型和时滞型。在开挖活动结束后短时间内随即发生的岩爆为即时型岩爆;在开挖活动结束后一定时间以上，受外界扰动作用在时间或空间上滞后掌子面开挖的时间和空间的岩爆灾害，被称为时滞型岩爆。

　　 巴玉隧道开挖过程中岩爆灾害频发，发的的岩爆灾害类型主要有即时型和时滞型。即时型岩爆的发生频次相对较高。时滞型岩爆在开挖后数天后才发生，并且发生位置距离工作面可以达到几十甚至上百米。图2所示为巴玉隧道一次时滞型岩爆灾害。此次时滞型岩爆发生时，该部位在时间上已经开挖后5d，在空间上已经滞后掌子面超过50m。

　　 由巴玉隧道发生的岩爆灾害类型可知，在隧道开挖过程中不仅要防止掌子面附近的岩爆发生，而且要密切关注掌子面后方区域的围岩情况，谨防时滞型岩爆对人员和设备安全产生威胁。

　　 岩爆在未发生前并无明显的预兆，在一般认为不会掉落石块的地方，也会突然发生岩石爆裂声响，石块有时应声而下，有时暂不坠落，这与塌顶和侧壁坍塌现象有明显的区别。岩爆时，岩块自洞壁围岩母体弹射出来，一般呈中厚边薄的不规则片状，块度大小多呈几厘米至十几厘米长宽的薄片，个别达几十厘米。岩爆等级较高时，也会有规模较大的块状和板状剥落、弹射和飞出。严重时，上吨重的岩石从拱部弹落，造成岩爆诱发的规模性塌方。

　　 通过对该隧道岩爆发生时间与爆破时间的间隔进行统计发现，该隧道岩爆发生时间主要集中在爆破后2～6h内。在出渣、喷锚，甚至喷锚支护后的下循环凿岩过程中都可能发生岩爆。但在出渣快结束至喷锚支护这一时间段内发生岩爆的次数更多。部分低等级岩爆持续时间相对较短，短时等待后便可恢复施工，对爆坑进行处理。但部分等级较高的岩爆一般持续时间较长，可能持续数十小时甚至数天。

　　 由巴玉岩爆发生的时间特征可知，该隧道开挖过程中各工序都有可能产生岩爆，且爆破后2～6h内是岩爆的高发时间。因此，为安全、高效施工，需在各个工序中均密切关注围岩开裂、声响等情况，特别在爆破后2～6h内要更加关注掌子面附近的围岩情况。

　　 巴玉隧道开挖过程中，即时型岩爆在隧道轴向方向，主要发生在掌子面后方30m范围内，并且大多数岩爆基本发生在掌子面后方5m范围内。时滞型岩爆发生较少，但距离掌子面的一般较远，超过了50m。

　　 此外，在隧道断面方向，岩爆灾害分布于隧道整个断面，但隧道两侧拱肩和拱顶发生岩爆较多，特别是左侧拱肩发生的岩爆灾害更多，如图3所示。左侧拱肩发生的岩爆较多，可能是受地应力分布特征影响，导致该部位应力集中程度更好，更易发生岩爆灾害。

　　 针对巴玉隧道高原缺氧的施工特点，除了增加通风效果外，还需提高施工效率。为此开展机械化配套施工，在遵循“多电少油，多机少人”的总体原则，综合考虑隧道的地质条件、施工长度、断面大小、辅助坑道设置、工期要求和施工装备对特殊高原施工环境的适应性等因素，综合进行机械化配置。

　　 针对高原地区地质条件复杂、气候环境恶劣、施工风险大的特点，巴玉隧道推行机械化配套施工作业。开挖生产线采用三臂全计算机凿岩台车进行钻孔作业;出渣生产线采用装载机挖掘机扒渣装渣，北方奔驰大容量自卸运输车运输出渣;初支生产线采用普次迈斯湿喷机械手进行喷射混凝土作业。

　　 隧道机械化配套施工不但加快了施工进度，提高了施工效率，而且减轻了劳动强度，减少了人员投入，确保了隧道施工的安全性。岩爆段施工采用机械化配套施工，最大限度减少掌子面施工作业人员数量和人员在洞内的作业时间，有效保证施工人员的身心健康和人身安全。

　　 为安全、高效地对隧道进行开挖，本文结合岩爆特征和地质综合分析，构建针对性的隧道施工方法，施工流程如图4所示。

　　 首先，通过地质综合分析的方法确定待开挖区域的围岩地质情况;然后，结合地应力特征、岩性特征等，利用强度应力比的方法确定潜在的岩爆风险等级;最后，结合相应等级的岩爆时空特征，采取不同的施工支护措施，确保岩爆段施工安全。

　　 地质综合分析法采用地质调查、超前钻孔、地震波探测相结合的方式对待开挖区域围岩的地质情况进行分析。具体步骤如下:首先，利用地质调查法，对掌子面及附近围岩进行地质素描，确立揭露出的结构面、地下水等条件;其次，利用加深炮孔的方式，分析掌子面前方3m左右未开挖区域的地质变化情况;然后，利用地震波反射法(TSP)分析掌子面前方区域是否有大型构造、空洞、地下水等情况;最后，综合确定该区域内的围岩地质情况。

　　 1)地质调查法

　　 通过地质素描的方式，对掌子面及两侧边墙的露头所揭露的地质信息进行调查。分析开挖区域的岩性、风化程度、地下水条件及毛开挖面的稳定性情况。利用窗口法或者测线法对露头区域的结构面产状进行调查。综合判断掌子面及两侧围岩的质量等级。

　　 2)加深炮孔法

　　 加深炮孔探测是利用风钻或凿岩台车等机械设备，在隧道开挖工作面钻小孔径浅孔获取地质信息的一种超前地质探测方法。一般在掌子面布设与炮孔孔径相同的加深孔，获取掌子面前方6m左右待开挖区域的地质信息，如图5所示。加深炮孔深度应超过每循环进尺3m以上。通过加深炮孔的方式，从凿岩的时间、速度、压力，冲洗液颜色、成分，卡钻、地下水等情况分析地质资料，大致确定掌子面前方的不良地质体及其规模。

　　 3)地震波反射法

　　 地震波反射法(TSP)，通过在距离掌子面约55m位置处的隧道左右边墙各布置1个接收孔，在位于隧道右边墙(面对掌子面)布置24个发射孔，通过接收到的反射地震波对掌子面前方一定区域的不良地质情况进行超前探测。第1个信号发射炮孔离同侧接收器孔20m，炮孔之间的距离为1.5m。接收孔和发射孔的具体布置方式如图6所示。

　　 开展TSP探测时，需在没有施作衬砌的隧道区域内进行，至少保留有55m无障碍的施工空间。为采集数据，需瞬发电雷管30支，防水乳化炸药4kg(φ32药卷)。为便于开展工作，监测孔身要直，孔内岩屑(渣)和泥浆要用水冲出孔外，以便于套管和炸药包放置到位。采集数据时应切断影响数据质量的干扰源。

　　 基于地质综合分析结果，结合岩石单轴抗压强度、最大主应力、洞壁最大切向应力等参数，利用表1所示的强度应力比的方法评估隧道开挖过程中潜在的岩爆风险等级。岩爆可划分为4个等级:轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆和极强岩爆。

　　 由巴玉隧道岩爆灾害类型及时空特征分析可知，该隧道具有高温缺氧的工程特征，此外岩爆灾害在各工序开展过程中频发(特别是轻微岩爆)等特点。因此，为保证施工的安全性和高效性，建立了针对性的施工法则。

　　 1)加强现场岩爆监测、警戒及巡回找顶，必要时及时躲避。设置专职安全人员全天侯巡视警戒及监测。不仅要关注掌子面附近30m区域内，也要关注掌子面后方一定区域内的围岩情况。特别是爆破后2～6h内，要加强巡视。听到围岩内部有闷雷似的声响时，应尽快撤离人员及设备，每次岩爆发生时，作业人员及设备均应及时躲避一段时间，待岩爆平静为止。

　　 2)强化作业人员安全、纪律教育以及岩爆时空特征学习，严格执行有关技术和安全操作规程。

　　 3)加强机械化配套施工，减少作业人员，提高施工效率，减小洞内作业时间，降低安全施工风险。

　　 4)掌子面开挖台架安装钢板或防护网，或是设置移动防护棚架，防止岩块掉落飞出，有效保护人员及设备安全。

　　 5)加强超前地质预报和地应力测试工作，现场配备专业地质工程师，准确判释掌子面前方围岩特性，力争提前预判岩爆等级，提前采取针对性措施。

　　 6)加强钻爆管理，精确布置周边眼，提高光面爆破效果，严格控制循环进尺，尽可能采用全断面法开挖，严格控制周边眼的线位，保证开挖面的圆顺和平整度，减少临空表面积，降低岩爆发生的机率。

　　 7)强化照明，在掌子面后方30m范围内的高危险地段增设照明并设置醒目警示标志，以便清晰判断危险方位。

　　 8)在每个工作面安装监控摄像装置，特别对掌子面附近区域进行重点监控，清晰记录岩爆发生的现象，为岩爆发生机理研究判断危险积累经验和素材。

　　 9)依据岩爆时空特征，在施工前全面做好应急演练，施工现场做好应急物资材料储备工作。

　　 基于巴玉隧道的岩爆特征分析结果，针对岩爆的强烈程度、持续时间、空间位置等特点，参考文献[2]制定不等级岩爆的施工支护措施，如表2所示。通过针对性的施工支护措施，降低岩爆发生可能性或降低岩爆发生的烈度。

　　 利用本文建立的基于岩爆特征与地质综合分析的隧道施工方法，在巴玉隧道出口正洞DK198+462—DK198+432段进行应用。

　　 1)地质调查法

　　 在里程为DK198+462的掌子面及其附近围岩处开展地质调查，绘制地质素描图，如图7所示。

　　 由图7所示的掌子面及其附近围岩的地质调查结果可知，掌子面及围岩岩性为花岗岩，灰白色，整体状，掌子面平整。掌子面及围岩发育1组明显节理，产状10°∠60°，间距约0.1m，节理微张，有充填，微风化，分布于掌子面南侧，延伸到底板及南侧围岩。该段围岩及顶拱干燥，掌子面有多处渗水，节理不发育，岩体较完整，建议分为Ⅱ类围岩。

　　 2)加深炮孔法

　　 在桩号DK198+462的掌子面处进行加深炮孔作业，调查掌子面前方6m左右待开挖区域的地质情况。本次共施作加深炮孔3个，钻孔深均约6m(爆破孔深3m)。利用加深炮孔过程中的时间、速度、压力，冲洗液颜色、成分等信息可以推断，掌子面前方6m范围内的待开挖区域岩性为花岗岩，岩质坚硬，微风化。在加深炮孔范围内无大型的地下水发育，仅有局部出水。此外，前方区域内无大型构造和大型结构面，无溶洞。

　　 3)地震波反射法

　　 为预报里程DK198+462—DK198+432段的地质情况时，在DK198+520的右边墙和左边墙位置分别布置1个地震波信息接收孔，孔径为50mm，孔深分别为1.80,1.63m，孔高分别为1.33,1.41m。然后在DK198+500—DK198+465段的右边墙，按约1.40m的平均间距布置22个激发孔分别激发地震波，孔径约40mm，孔深均约1.46m。每个激发孔向下倾斜约10°，第1～22号激发孔装填的药量约65g。探测结果如表3所示。

　　 综合巴玉隧道DK198+462—DK198+432段的地质调查法、加深钻孔探测法和TSP超前地质预报法的成果，可以推断:掌子面前方DK198+462—DK198+432段待开挖区域内的岩性主要为微风化的花岗岩，围岩整体完整，强度高，整体结构面不发育，仅局部有较发育的节理，围岩局部湿润，围岩级别为Ⅱ级。

　　 参考文献对巴玉隧道地应力的反演 ^[14]分析可知，隧道出口正洞DK198+462—DK198+432段的地应力约为40MPa，岩石的单轴抗压强度为150MPa，因此，利用表1中的预判别标准2计算可知应力强度比为0.27，该区域内潜在的岩爆风险为中等岩爆。此外，由于该区域内的围岩结构面整体不发育，且围岩局部湿润，地下水不发育，没有大型构造和交界面，因此不用对应力强度比结果进行修正。综合以上信息可推断，该区域开挖过程中可能潜在中等岩爆的风险。

　　 由于该区域围岩完整、干燥，稳定性较好，且潜在中等岩爆风险，因此施工中应采取短进尺、早支护、提高光面爆破效果、打设应力释放孔，并喷洒高压水。此外由于该区域局部节理较发育，除了需要做好爆防治措施外还需做好掉块等工程问题的防治措施，确保施工安全。参照建立的不同等级岩爆施工支护措施，采取了以下方式:(1)掌子面初喷10cm的CF25钢纤维混凝土封闭，进尺控制在2.5m以内，尽可能全断面开挖，一次成型，减小对围岩的扰动。(2)及时在掌子面和洞壁喷洒高压水，洒水方量为1.0～1.5m³/m，降低围岩应力，并采用超前钻孔应力解除法来释放部分围岩应力。(3)爆破后开挖面及时初喷5cm厚CF25钢纤维混凝土，钢纤维混凝土方量为1.0m³/m，采用6钢筋网，网格间距25cm×25cm,17.8kg/m;打设3m长25涨壳式中空注浆锚杆，锚杆间距1.0m×1.0m,60m/m，梅花形布置，安装时，锚杆垫板要将钢筋网压住再喷射混凝土;复喷C25混凝土5cm，混凝土方量为1.0m³/m。

　　 通过采取上述针对性的施工支护方法，有效控制并降低了岩爆发生频次和等级，促进了隧道的安全、高效施工。

　　 1)依托巴玉隧道，分析了高风险管理隧道的岩爆灾害类型及时空特征，构建了结合地质调查法、加深钻孔探测和TSP超前预报的综合地质综合分析方法，建立了基于岩爆特征与地质综合分析的隧道施工方法。

　　 2)高原隧道施工具有显著的高温、缺氧特点，为安全施工必须加强机械化配套，提供施工效率，减小人员单次进洞工作时长。

　　 3)巴玉隧道的岩爆类型有即时型和时滞型，岩爆灾害分布于整个隧道断面，但受主应力分布影响，北侧拱肩更易发生。即时型岩爆一般容易在爆破后2～6h内的掌子面后5m范围内发生。

　　 4)针对岩爆的时空特征，隧道开挖过程中需采取短进尺、早支护、提高光面爆破效果、打设应力释放孔和喷洒高压水等方式，确保岩爆段施工安全。