本文旨在向读者介绍一篇发表于《隧道建设(中英文)》2021年的学术研究论文，题为《深埋隧道TBM施工岩爆特征规律与防控技术》。该研究由石家庄铁道大学的杜立杰、王佳兴、李青蔚、杨亚磊，中铁隧道局集团有限公司的洪开荣、黄俊阁，以及中国水利水电第三工程局有限公司的李伟伟共同完成，于2021年出版。本报告将从研究的学术背景、详细工作流程、主要研究结果、结论与价值以及研究亮点等方面进行系统阐述。

研究的学术背景 本研究属于隧道与地下工程、岩石力学及隧道掘进机（Tunnel Boring Machine, TBM）施工技术交叉领域。研究动机源于我国大规模基础设施，特别是川藏铁路等深埋隧道建设中，高地应力导致的岩爆（Rockburst）灾害对TBM施工安全与效率构成的严峻挑战。工程实践表明，如锦屏二级水电站、引汉济渭工程、巴基斯坦NJ水电工程等，TBM施工中遭遇的岩爆曾导致设备严重损坏、人员伤亡及工期延误，成为一个亟待解决的关键技术难题。当时的岩爆防控研究多集中于发生机制预测或微震监测预警，尚缺乏针对TBM法施工特点（如设备结构、并行工序等）的系统性岩爆防控理论技术体系。因此，本研究旨在填补这一空白，目标是通过分析实际工程数据，揭示TBM施工条件下岩爆的影响规律与时空特征，并结合TBM装备与工法特性，提出一套分级、系统的岩爆防控目标、准则与技术方案，构建“装备—掘进—支护”协同控制的岩爆防控体系，为后续深埋隧道TBM安全高效施工提供理论依据和实践指导。

详细的工作流程 本研究是一项基于现场数据统计分析与工程实践的实证研究，工作流程逻辑严密，可分为以下几个核心步骤：

第一步：确定研究对象与数据收集。 研究选取了两个典型的深埋（埋深超过2000米）TBM施工隧道工程作为主要案例：新疆ABH工程和陕西引汉济渭工程（岭南段）。同时，为了对比验证，也参考了锦屏Ⅱ级水电站工程的既有资料。研究团队系统收集了这两个工程在TBM掘进期间记录的大量现场数据，这些数据构成了后续分析的基础。具体研究对象包括：1) 不同等级岩爆（轻微、中等、强烈）发生的次数、位置和时间；2) TBM在不同岩爆等级及无岩爆条件下的施工参数，如纯掘进速度、纯掘进时间、日进尺；3) 岩爆发生时，岩爆区段距离掌子面的距离（空间位置）和开挖后到发生岩爆的时间间隔（滞后时间）；4) 岩爆的影响范围，包括纵向长度和在隧道断面上的发生部位（顶拱、边墙、底拱）。样本规模方面，新疆ABH工程统计了151次岩爆事件，引汉济渭工程则统计了多达788组相对完整的岩爆数据（涵盖轻微至强烈各等级）。

第二步：岩爆对TBM施工安全与速度影响的定量分析。 研究团队首先对收集的数据进行了分类与统计处理。他们区分了不同围岩类别（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类）和不同岩爆等级下的TBM施工表现。具体处理方法是：将发生岩爆的洞段施工参数与地质条件相似但未发生岩爆的“常规段”施工参数进行对比分析。对于施工安全的影响，主要通过现场观察和案例（如图1所示强烈岩爆损坏拱架和设备）进行定性描述和规律总结。对于施工速度的影响，则进行了详细的定量数据分析。研究不仅计算了不同工况下的平均掘进速度和纯掘进时间，还进一步计算了相对于无岩爆常规段的进尺速度百分比。例如，通过统计图表（如图2-图5及表3-4所示），量化了在不同围岩条件下，轻微、中等、强烈岩爆导致TBM施工速度下降的程度。这一步骤的核心在于揭示岩爆等级与施工效率损失之间的量化关系。

第三步：岩爆时空特征规律的统计分析。 基于引汉济渭工程788组岩爆数据的详尽分析，研究团队系统研究了岩爆的“时空效应”。分析内容包括：1) 时间特征：统计不同等级岩爆在开挖后不同时间段（如<10小时、10-24小时、24-48小时等）内发生的频率。2) **空间特征**：统计不同等级岩爆发生位置距掌子面的距离分布（如<5米、5-15米、>15米等），以及岩爆段纵向长度和发生部位（顶拱、边墙）的比例。数据处理采用了分组统计和百分比计算的方法，其结果以柱状图（如图6-图9）的形式清晰呈现，直观展示了岩爆在时间和空间上的聚集规律。一个重要的创新分析是对比了主动控制日进尺与未控制情况下强烈岩爆空间位置的变化（如图10-13），这为后续防控准则的提出提供了关键数据支持。

第四步：结合TBM特点，构建分级防控理论技术体系。 在数据分析得出规律的基础上，研究进入理论构建与方案设计阶段。首先，研究团队分析了TBM法相较于钻爆法在岩爆防控上的特殊性与可利用性（如大型设备后撤困难、关键部件易损，但同时其护盾结构可作为防护，并行工序可优化协调）。其次，基于影响规律，明确提出了针对“轻微、中等、强烈”三个等级的岩爆防控目标，核心是平衡安全与进度的关系。第三，基于时空特征和TBM工法特点，提炼出四项防控理论准则：“掘速控制”（主动控制日进尺以影响岩爆发生位置）、“风险控制”（根据预测可能性提前采取措施）、“时空控制”（依据岩爆滞后时间和位置协调支护时机）和“分级控制”（不同等级对应不同技术方案）。最后，针对每个等级，设计出具体的“装备—掘进—支护”协同防控技术方案。特别地，对于中等以上岩爆，提出并应用了“含储存仓的护盾设计+钢拱架与钢筋排连续封闭支护”这一创新性技术方案（如图17-18所示），并详细阐述了其工作原理和优势。

第五步：工程应用验证与效果评估。 提出的理论体系和技术方案在新疆ABH工程和引汉济渭工程中进行了现场应用。研究团队跟踪了技术方案的实施效果，包括：支护结构是否有效抵抗了岩爆冲击、是否避免了人员伤亡和设备重大损伤、以及在采取防控措施后的实际施工进尺速度。通过实际工程数据验证了所提方案的可行性和有效性，完成了从数据分析到理论提出，再到实践检验的完整研究闭环。

主要研究结果 本研究的主要结果体现在对规律的揭示、理论的构建和工程验证三个方面，各环节结果逻辑递进，共同支撑了最终结论。

首先，关于岩爆对TBM施工速度影响的量化结果。 数据分析得出了具有工程指导意义的明确结论：1) TBM在岩爆段的施工速度显著低于无岩爆常规段，且岩爆等级越高，影响越大。具体而言，轻微岩爆下的施工速度约为无岩爆的70%~90%，中等岩爆约为50%~70%，强烈岩爆仅为无岩爆的25%~50%。这一结果为评估岩爆风险对工期的影响提供了直接依据。2) 研究还发现，岩爆对施工速度的影响主要体现在占用“纯掘进时间”上，而非“纯掘进速度”。在硬岩条件下（如引汉济渭），纯掘进速度本身已很低，岩爆对其影响不明显；但在相对易掘进的围岩中（如ABH工程），岩爆导致的支护、清渣等工作会大幅挤占掘进时间，从而显著拉低日进尺。这一发现将防控的重点引向了如何优化工序、减少岩爆引发的非掘进时间消耗。

其次，关于岩爆时空特征规律的统计结果。 通过对引汉济渭工程大量数据的分析，揭示了TBM施工中岩爆发生的明确时空模式：1) 时间上：90%以上的岩爆发生在开挖后24小时以内，其中开挖后10-24小时是岩爆发生频率最高的时段。同时，约有9%的强烈岩爆滞后时间在24-48小时。这为确定关键防控期（开挖后24小时内）提供了依据。2) 空间上：岩爆多发生在距掌子面5-15米的范围内（对应TBM主机主梁区域）；超过30%的中等以上岩爆发生在护盾至掌子面区域；90%以上的中等和强烈岩爆发生在掌子面后15米以内。3) 影响范围：单次岩爆段长度多在5米以内；绝大部分岩爆（特别是中等及以上）发生在隧道顶拱120°范围内。一个至关重要的发现是：通过主动控制TBM日进尺（例如控制在3米左右），可以使80%~90%的强烈岩爆被“锁定”在护盾至掌子面区域发生（图10-11对比结果）。这一结果为“掘速控制”和“时空控制”准则提供了直接的数据支持，即将强烈岩爆的破坏范围控制在具有结构防护的护盾区域内，是防控策略的核心逻辑起点。

第三，基于规律提出的防控理论体系与技术方案。 研究构建了“3-4-3-3”分级岩爆防控理论技术体系，即：针对3个岩爆等级，遵循4项防控准则，提出3套防控技术方案。具体结果为：1) 轻微岩爆：采用“常规TBM设计+锚杆网片支护+支护紧跟掘进”方案，无需主动控速。在ABH工程应用中证明有效，实现了防控目标。2) 中等岩爆：创新性地提出“含储存仓的护盾设计+常规间距拱架钢筋排支护+掘进被动控制”方案。该方案利用护盾储存仓实现钢筋排的连续滑出与支撑，与后方钢拱架形成无缝的封闭支护，既能有效抵御冲击，又能最大限度地减少对掘进工序的干扰。在ABH和引汉济渭工程中应用，支护成功抵抗了岩爆，施工速度维持在无岩爆段的50%-70%。3) 强烈岩爆：提出“强健刀盘护盾设计+短进尺强支护（如重型拱架与喷射钢纤维混凝土）+主动控制日进尺”的组合方案。其核心理念是通过主动控制掘进速度，将强烈岩爆诱发在护盾保护范围内，将高能量冲击问题转化为可控的塌方处理问题。在引汉济渭工程穿越2公里连续强岩爆洞段时，应用该理念使平均月进尺达到了110米，证明了其有效性。

结论、价值与亮点 本研究的主要结论是：通过深入分析深埋隧道TBM施工中岩爆的影响与时空特征规律，成功构建了一套以“装备—掘进—支护”协同控制为核心、基于风险分级管控的TBM施工岩爆防控理论技术体系。该体系明确了不同等级岩爆的防控目标，确立了“掘速、风险、时空、分级”四项控制准则，并给出了具体可行的分级技术方案，为TBM安全穿越高地应力岩爆地层提供了系统性的解决方案。

本研究的价值体现在科学价值与应用价值两个方面。科学价值在于，首次系统性地量化了TBM施工条件下不同等级岩爆对施工效率的具体影响比例，并精准揭示了岩爆在TBM隧道中特有的时空分布规律，特别是发现了通过控制掘进速度可以主动影响强烈岩爆的空间位置，这深化了对TBM-围岩相互作用下岩爆机理的认识。应用价值则极为显著，所提出的分级防控理论和技术方案已在新疆ABH工程和陕西引汉济渭工程中得到成功验证。例如，在ABH工程中，一台TBM已安全高效穿越了全部中等岩爆洞段，完成14公里掘进；在引汉济渭工程岭南段，TBM成功穿越10公里岩爆洞段，其中包括2公里连续强岩爆洞段，并保持了可观的施工进度，为解决川藏铁路等未来重大工程面临的类似难题提供了直接、可靠的技术借鉴。

本研究的亮点突出体现在以下几个方面：第一，研究发现具有重要创新性。量化了岩爆对TBM施工速度的影响曲线，特别是揭示了“主动控制日进尺可将强烈岩爆控制在护盾区域”这一关键规律，为主动防控策略奠定了基石。第二，研究方法具有鲜明的工程实证特色。研究完全基于两个国家级重大工程的海量现场数据，结论源于实践并直接反馈于实践，可信度高，指导性强。第三，提出的技术方案具有原创性和实用性。针对中等岩爆设计的“含储存仓护盾+钢筋排连续支护”方案，巧妙利用了TBM结构特点，解决了支护及时性与有效性的矛盾，是极具工程智慧的创新。第四，构建的理论体系系统完整。首次将岩爆防控从零散的经验措施，提升为包含目标、准则、技术的分层级、全过程的系统理论，形成了可复制、可推广的技术体系框架。