北武夷山隧道巖爆判定與施工控制

黃維鋒

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北武夷山隧道巖爆判定與施工控制

黃維鋒

中鐵二十四局集團(tuán)福建鐵路建設(shè)有限公司

通過對(duì)京福高鐵北武夷山隧道巖層應(yīng)力和結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合以往巖爆理論和控制經(jīng)驗(yàn)，對(duì)隧道實(shí)際開挖時(shí)巖爆發(fā)生情況，制定隧道巖爆的預(yù)防和施工措施，在開挖過程中逐步修正，保證了隧道開挖時(shí)巖爆的預(yù)防和安全控制，滿足了隧道開挖支護(hù)的安全性和有效性。

隧道 巖爆判定 措施方案 控制

1 工程概況

北武夷山隧道位于福建省武夷山市北側(cè)約29km處，進(jìn)口位于江西省上饒縣，穿越福建與江西交界分水嶺——武夷山脈，出口位于福建省武夷山市，是京福高鐵的控制性工程之一。隧道進(jìn)出口里程分別為：DK520+283.91、DK534+913，全長(zhǎng)14629.09m，最大埋深1100m，開挖最大斷面為寬14.1m、高10.6m，斷面開挖面積為125.47m2，為雙向列車隧道。

2 北武夷山隧道發(fā)生巖爆的地質(zhì)特征

發(fā)生巖爆的位置主要在正洞DK525+810～DK529+580段，屬極高應(yīng)力區(qū)，按巖石的堅(jiān)固性分級(jí)為Ⅱ級(jí)圍巖，開挖過程中發(fā)生大小不等巖爆。其地質(zhì)特征：J3n流紋質(zhì)晶屑凝灰熔巖及花崗巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體完整，凝灰熔巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc=74.86MPa，γ=28kN/m3，花崗巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc=70.9MPa，γ=28kN/m3。

2.1 巖爆發(fā)生特征

在隧道開挖爆破后，發(fā)生巖爆沒有明顯的預(yù)兆，通過找頂作業(yè)后沒有巖裂響聲。在認(rèn)為不會(huì)發(fā)生巖石掉塊時(shí)，一些部位突然巖石爆裂，石塊有時(shí)應(yīng)聲而下或松動(dòng)掛在洞壁上，巖爆崩石彈力較大，在沒有支護(hù)的情況下，對(duì)施工安全威脅極大。

巖爆發(fā)生地段圍巖較硬，洞內(nèi)非常干燥、無(wú)水，圍巖較多為片層狀和大塊狀錘擊聲脆。巖爆時(shí)，一般石塊由母巖彈出，呈現(xiàn)中間厚、周邊薄、不規(guī)則的片狀。

巖爆發(fā)生的地點(diǎn)：一般在掌子面附近，由于開挖時(shí)，洞內(nèi)溫度較高、干燥，沒來得及支護(hù)，發(fā)生巖爆，主要是松動(dòng)、剝離。也有個(gè)別發(fā)生在距開挖工作面較遠(yuǎn)處，一般發(fā)生在爆破后2～3h內(nèi)；有的部位還可產(chǎn)生二次巖爆，一般在爆破后10～12h內(nèi)。

依據(jù)巖爆發(fā)生的時(shí)間，隧道巖爆可分為瞬時(shí)巖爆和滯時(shí)巖爆。隧道爆破開挖后3～20h的時(shí)間內(nèi)最為活躍，滯時(shí)巖爆可能推進(jìn)到數(shù)天或數(shù)月后發(fā)生，支護(hù)的部位可能再次剝落。

2.2 巖爆剝落的位置

針對(duì)北武夷山隧道高應(yīng)力巖爆發(fā)生情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（按500m試驗(yàn)段），巖爆發(fā)生剝落彈射的部位大致分布如下幾個(gè)：

北武夷山隧道巖爆掉塊最多的是拱頂線左右4m圓弧范圍，圍巖以片層狀，掉塊，沒明顯癥狀（見圖1）。

在邊墻與拱頂圓弧交接線左右容易發(fā)生石塊彈射，發(fā)生時(shí)洞壁輕微石裂響聲，彈射力較大，給施工作業(yè)帶來較大安全隱患（見圖2）。

在滑層或大塊石斷層等地段容易發(fā)生巖爆，以掉塊以主，往往滑層位置有大塊石下墜或慢慢下滑（見圖3）。

圖1 拱頂巖爆

圖3 滑層巖爆掉塊

3 北武夷山隧道巖爆的分析和等級(jí)劃分

3.1 巖爆的強(qiáng)度分析

對(duì)武夷山深埋隧道巖爆發(fā)生時(shí)間情況分為瞬時(shí)巖爆（最大應(yīng)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖體強(qiáng)度）、滯后巖爆（最大應(yīng)力水平接近于巖體強(qiáng)度），兩者都要經(jīng)歷巖爆應(yīng)力和板裂結(jié)構(gòu)演化過程。演化圖如圖4、圖5所示。

圖4 巖爆應(yīng)力演化過程圖

圖5 巖爆板裂結(jié)構(gòu)演化過程圖

由于隧道開挖后，對(duì)原狀態(tài)的圍巖造成破化，應(yīng)力發(fā)生變化，整個(gè)空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，特別是高應(yīng)力區(qū)的圍巖，隧道內(nèi)開挖往往發(fā)生等級(jí)不同的巖爆。根據(jù)北武夷山隧道高應(yīng)力的地質(zhì)情況，圍巖為Ⅱ級(jí)圍巖花崗巖，利用圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比Rb/óm值、隧道臨界埋深《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范（50287-2006）》判定為依據(jù)，匯總列于表1。

表1 不同等級(jí)的巖爆判別表

表2 幾種巖石的泊松比值表

其中：臨界埋深Hcr根據(jù)下式計(jì)算：

Hcr=0.318 Rb(1-μ)/(3-4μ)γ

式中：Hcr為臨界埋深、Rb 為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度、μ為巖石泊松比、γ為巖石重力密度（kN/m3）。北武夷山隧道圍巖中，Rb=70.9MPa、γ=28 kN/m3，故Hcr計(jì)算所知，在北武夷山隧道埋深遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過臨界埋深300m。

3.2 確定巖爆的等級(jí)

按巖爆等級(jí)表及隧道內(nèi)發(fā)生巖爆的特點(diǎn)對(duì)照，北武夷山隧道巖爆主要以輕微巖爆(Ⅰ級(jí))為主，部分發(fā)生中等巖爆(Ⅱ級(jí))，預(yù)防強(qiáng)烈?guī)r爆（Ⅲ級(jí)）。

4 制定北武夷山隧道巖爆的預(yù)防和施工措施

隧道巖爆是施工過程中的控制難點(diǎn)，直接影響到施工的安全和工期，處理巖爆的基本原則：以防為主、防治結(jié)合，先防后治。根據(jù)影響巖爆的因素：地應(yīng)力條件（重力、構(gòu)造應(yīng)力、工程擾動(dòng)應(yīng)力等），巖體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)，工程斷面尺寸效應(yīng)和形狀效應(yīng)，開挖方式與開挖速度，支護(hù)類型與施工質(zhì)量，確定防治巖爆發(fā)生的主要措施為弱化圍巖和強(qiáng)化圍巖。

4.1 巖爆弱化圍巖措施

采用全斷面爆破開挖，以“短進(jìn)尺、弱爆破”的施工方式，切實(shí)提高光爆效果，保證洞室輪廓規(guī)則圓順，同時(shí)嚴(yán)格控制爆破的炸藥用量，盡可能減少對(duì)圍巖的影響，避免應(yīng)力集中。

爆破開挖后，采用高壓水槍立即對(duì)開挖面周圍高壓沖水，降低洞室的溫度，軟化巖面，減弱巖爆的強(qiáng)度。同時(shí)對(duì)開挖面的找頂作業(yè)，清除危石。

對(duì)巖爆集中區(qū)或中等強(qiáng)度的可以采用錨桿和鉆孔壓力注水，及時(shí)用水脹式錨桿加固巖體，改善圍巖應(yīng)力。也可以采用超前鉆孔，用高壓水槍向孔內(nèi)注水，緩解應(yīng)力集中。

采用應(yīng)力釋放法，在施工中可采用松動(dòng)爆破法、超前鉆孔預(yù)爆、超前小導(dǎo)坑掘進(jìn)法、打應(yīng)力釋放孔等方法，將巖石原始應(yīng)力提前釋放。

4.2 巖爆強(qiáng)化圍巖措施

巖爆強(qiáng)化圍巖的措施主要是對(duì)不同等級(jí)的巖爆采用不同巖面加固措施。一般是在開挖后找頂作業(yè)完實(shí)施，主要用噴射混凝土或噴鋼纖維混凝土、打錨桿或錨桿網(wǎng)與鋼筋網(wǎng)聯(lián)合噴漿支護(hù)、加設(shè)鋼拱架（嚴(yán)重時(shí)采用）等措施對(duì)圍巖面進(jìn)行封閉，使圍巖的應(yīng)力改變，延緩或抑制巖爆的發(fā)生。

4.3 北武夷山隧道巖爆的防治措施

根據(jù)對(duì)巖爆的強(qiáng)、弱化圍巖措施，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖巖爆防治試驗(yàn)，制定了北武夷山隧道巖爆的防治措施：

4.3.1 輕微巖爆（Ⅰ級(jí)）、中等巖爆（Ⅱ級(jí)）防治措施

（1）采用全斷面光面爆破開挖，將深孔改為淺孔爆破，嚴(yán)格斷面炮眼的距離，控制一次性爆破炸藥量，拉大不同部位炮眼的雷管段位間隔，延長(zhǎng)爆破時(shí)間，以減輕爆破對(duì)圍巖應(yīng)力的影響。

（2）控制開挖進(jìn)尺距離，一般為2～3m，盡可能一次性全斷面成形，以減少圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)的破壞。

（3）爆破開挖后采用高壓水槍及時(shí)在作業(yè)面噴水，盡量使巖面濕潤(rùn)，同時(shí)采用機(jī)械找頂，清理危石。

（4）對(duì)輕微巖爆（Ⅰ級(jí)）部位采用初噴5cm厚的CF30鋼纖維混凝土，防止洞內(nèi)圍巖表面的剝離，對(duì)巖爆掉塊較大、滑層或斷層位置采用錨桿加鋼筋網(wǎng)噴CF30鋼纖維混凝土封閉，對(duì)存在二次巖爆的部位，二次噴射混凝土厚8cm。

（5）中等巖爆（Ⅱ級(jí)）集中段，可采用超前鉆孔應(yīng)力解除法釋放部分應(yīng)力，在靠掌子面5m范圍的拱頂和拱腰部位打徑向應(yīng)力釋放孔。應(yīng)力釋放孔為不裝錨桿?42mm空孔，孔深2m，間距2～3m，數(shù)量根據(jù)實(shí)際需求布置。對(duì)一些巖爆連續(xù)發(fā)生段，在施工后可以進(jìn)行待避，等高峰期過后再進(jìn)行作業(yè)（見圖6）。

圖6 巖爆處理示意圖

（6）中等巖爆（Ⅱ級(jí)）的巖面，邊拱頂采用錨噴支護(hù)法：噴厚7cm的CF30鋼纖維混凝土(或納米混凝土)+掛網(wǎng)?6.5@15×15cm，錨桿采用?25、L=3.5m長(zhǎng)漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿或水脹式錨桿，間距按1.5m×1.5m布置。后期邊拱頂范圍，二次噴混凝土C25厚8cm。

4.3.2 強(qiáng)烈?guī)r爆（Ⅲ級(jí)）預(yù)防措施

對(duì)強(qiáng)烈?guī)r爆（Ⅲ級(jí)）也必須制定防治措施，避免在開挖施工中出現(xiàn)強(qiáng)烈?guī)r爆無(wú)措施可行，造成不必要的損失。

（1）開挖采用光面爆破為主，在巖爆烈度大、連續(xù)距離長(zhǎng)的地段采用預(yù)裂爆破，局部采用應(yīng)力解除，多循環(huán)作業(yè)。在打鉆的同時(shí)對(duì)巖爆多發(fā)的起拱線部位，在掌子面相鄰兩周邊眼中間沿隧道縱向打應(yīng)力釋放孔，孔深4.5～5m，（間距40～50cm，外插角25°～35°），炮眼間隔裝藥（見圖7）。

圖7 應(yīng)力解除法

（2）開挖進(jìn)尺控制在2m以下，采用打超前鉆孔，提前釋放應(yīng)力，降低圍巖面的能量。作業(yè)臺(tái)車及裝渣機(jī)械、運(yùn)輸車輛頂部加裝防護(hù)鋼板，避免巖爆時(shí)危石彈射砸壞機(jī)械和砸傷作業(yè)人員。

（3）爆破作業(yè)后，及時(shí)用高壓水槍對(duì)掌子面和洞壁均勻噴水，以降低巖體的強(qiáng)度，也可以鉆超前注水孔，超前注水孔布置在邊墻及拱部開挖斷面輪廓線外10～15cm范圍內(nèi)，并向孔內(nèi)灌注高壓水，軟化圍巖，加快圍巖內(nèi)的應(yīng)力釋放。

（4）采用邊拱頂網(wǎng)錨噴支護(hù)法，噴厚7cm的CF30鋼纖維混凝土(或納米混凝土) +掛網(wǎng)?8@15×15cm，錨桿采用?32、L=4.5m長(zhǎng)漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿或水脹式錨桿，間距按1.0m×1.0m布置。視巖爆強(qiáng)度隨機(jī)增設(shè)鋼筋拱肋。后期邊拱頂范圍，二次噴混凝土C25厚8cm。

5 北武夷山隧道巖爆防治措施現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

根據(jù)隧道開挖方法及發(fā)生巖爆的可能性分析，本隧道圍巖為Ⅱ級(jí)，采用全斷面光面爆破，全斷面共布置了31把風(fēng)鉆，斷面爆破設(shè)計(jì)256個(gè)炮眼，炮眼間距在40～50cm之間，平均每平方米2.04個(gè)炮眼。每循環(huán)開挖進(jìn)尺為3.0m左右，爆破方量約375m3，裝藥量為473.5kg，平均單耗藥量1.26kg/m3（見圖8）。

圖8 炮眼布置圖

對(duì)開挖臺(tái)車、噴漿臺(tái)車及作業(yè)車輛頂部加裝防護(hù)鋼板，在發(fā)生巖爆時(shí)避免危石彈射或掉落的破壞。

每一個(gè)作業(yè)循環(huán)必須做到：爆破后立即向工作面及工作面后方20m范圍內(nèi)的巖面，用高壓水槍噴水以降低巖石的脆性，減弱巖爆的強(qiáng)度，灑水工作不間斷，保持洞室內(nèi)的濕度。

認(rèn)真做好開挖的圍巖觀察，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巖爆監(jiān)測(cè)、警戒。爆破1h后等圍巖穩(wěn)定，再進(jìn)行掌子面的找頂作業(yè)，必須用機(jī)械臂來回找頂，保證危石清理徹底，才能進(jìn)行下一工序作業(yè)。找頂時(shí)，圍巖內(nèi)部如有悶響，必須停止作業(yè)及時(shí)撤離到安全地點(diǎn)內(nèi)，查明情況后再?zèng)Q定是否繼續(xù)進(jìn)作業(yè)。

對(duì)掌子面周圍進(jìn)行噴鋼纖維混凝土作業(yè)，厚5cm進(jìn)行巖面封閉，對(duì)巖爆后拱頂彈射的坑槽、滑層、斷層的交界巖面打錨桿+鋼筋網(wǎng)固定，噴射鋼纖維混凝土封閉。

現(xiàn)場(chǎng)如發(fā)生中等巖爆，邊拱頂采用錨噴支護(hù)法：噴厚7cm的CF30鋼纖維混凝土+掛網(wǎng)?6.5@15×15cm，錨桿采用?25、L=3.5m長(zhǎng)漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿，間距按1.5m×1.5m布置。后期邊拱頂范圍，二次噴混凝土C25厚8cm。

作業(yè)工藝流程圖如圖9所示。

圖9 作業(yè)工藝流程圖

6 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)對(duì)北武夷山隧道巖爆的分析和等級(jí)判定，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，確定了巖爆的防治方案，在發(fā)生輕微巖爆（Ⅰ級(jí)）和中等巖爆（Ⅱ級(jí)）時(shí)，采用強(qiáng)化圍巖和弱化圍巖的措施，能夠有效維持圍巖的完整性和穩(wěn)定性，防止或延緩巖爆的發(fā)生，保證了隧道施工的安全和質(zhì)量要求，對(duì)隧道爆破巖爆防治類似工程有一定借鑒意義。

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