隧道施工巖爆預(yù)測防治

李建臣

摘 要：本文根據(jù)北山隧道內(nèi)發(fā)生巖爆的實際情況，對隧道巖爆地質(zhì)段的巖性及工程地質(zhì)條件進行分析，參考相關(guān)資料對巖爆進行預(yù)測，并采取有力措施進行防治，提高巖爆地質(zhì)隧道施工的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：巖爆；預(yù)測與防治；施工；隧道開挖

1 概 述

青榮城際鐵路設(shè)計時速為250km。本標段施工的北山隧道位于牟平區(qū)境內(nèi)，屬低山丘陵區(qū)，地形起伏大，基巖大部分裸露，山體植被不發(fā)育，最大埋深161.2m。進出口位于緩坡處。隧道范圍內(nèi)地層巖性單一，主要為片麻狀黑云二長花崗巖。地下水類型主要為基巖裂隙水，溝谷發(fā)育處雨季地下水較豐富，地下水受降水影響較大。水文地質(zhì)條件簡單。

開挖過程中，洞室邊墻、頂拱部位發(fā)生一定程度的低巖爆活動，給現(xiàn)場施工人員、設(shè)備安全造成威脅。目前已采用開挖面噴水濕潤、錨噴支護、邊頂拱掛柔性防護網(wǎng)，派有經(jīng)驗的人監(jiān)護、理論分析等方法，結(jié)合施工過程中實際問題，采取了一系列行之有效的措施，順利的完成了施工任務(wù)。

2 巖爆預(yù)測

2.1 巖爆的概念

巖爆是巖石工程中圍巖體的突然破壞，并伴隨著巖體中應(yīng)變能的突然釋放，是一種巖石破裂過程失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.2 巖爆形成的條件

以下幾種情況可能發(fā)生巖爆：①近代構(gòu)造活動山體內(nèi)地應(yīng)力較高，巖體內(nèi)儲存著很大的應(yīng)變能，當該部分能量超過了硬巖石自身的強度時；②圍巖堅硬新鮮完整，裂隙極少或僅有隱裂隙，且具有較高的脆性和彈性，能夠儲存能量，而其變形特性屬于脆性破壞類型，當應(yīng)力解除后，回彈變形很??；③埋深較大（一般埋藏深度多大于200m）且遠離溝谷切割的卸荷裂隙帶；④地下水較少，巖體干燥；⑤開挖斷面形狀不規(guī)則，大型洞室群岔洞較多的地下工程，或斷面變化造成局部應(yīng)力集中的地帶。

3 巖爆防治

3.1 國內(nèi)主要防治方法

目前我國隧道、地下洞室在施工過程巖爆防治措施主要有以下幾方面：

（1）改善圍巖物理力學(xué)性能。在掌子面（開挖面）和洞壁經(jīng)常噴撒冷水，可在一定程度上降低表層圍巖強度。根據(jù)研究表明，對于非堅硬巖體，采用超前鉆孔高壓均勻注水，可以通過三方面作用來防治巖爆：①可以釋放應(yīng)變能，并將最大切向應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移；②高壓注水的楔劈作用可以軟化、降低巖體強度；③高壓注水產(chǎn)生了新的張裂隙，并使原有裂隙繼續(xù)擴展，從而降低了巖體儲存應(yīng)變能的能力。對于具有高地應(yīng)力的堅硬巖體來說，巖體內(nèi)裂隙由于受到注水的潤滑作用又能觸發(fā)引起“地震”，結(jié)果往往起不到應(yīng)有的軟化圍巖作用。鉆孔注水的有效性在堅硬巖體中的高地應(yīng)區(qū)是值得討論的。在此高地應(yīng)力區(qū)，注水后其封閉應(yīng)力可能以巖爆的方式釋放。

（2）改善圍巖應(yīng)力條件。根據(jù)國內(nèi)外工程實踐經(jīng)驗，巖爆洞段盡量采用鉆爆法施工，短進尺掘進；減小藥量，控制光面爆破效果，以減小圍巖表層應(yīng)力集中現(xiàn)象。輕微、中等巖爆段盡可能采用全斷面一次開挖成型的施工方法，以減少對圍巖的擾動。強烈以上的烈度巖爆地段，必要時也可采用分部開挖的方法，以降低巖爆的破壞程度，但在施工中應(yīng)盡量減少爆破振動觸發(fā)巖爆的可能性；采取超前鉆孔應(yīng)力解除、松動爆破或振動爆破等方法，使巖體應(yīng)力降低，能量在開挖前釋放。目前，不少學(xué)者推薦用分部開挖的方式減少巖爆的發(fā)生，但增加開挖的次數(shù)并不有利，多一次開挖就多一次遇到巖爆的機會，甚至?xí)l(fā)生剪切破壞巖爆。

（3）加固圍巖。對不同烈度的巖爆采用不同的加固處理措施。對于低巖爆，可實施全斷面光面爆破開挖；爆破、通風(fēng)、找頂后，洞壁、掌子面撒水3遍，每遍相隔5～10min，使開挖巖面充分濕潤，撒水噴頭水柱不小于10m；打洞壁環(huán)向應(yīng)力釋放孔；設(shè)置掛網(wǎng)噴射混凝土初期支護。對于中等巖爆，除實施全斷面光面爆破開挖外，必要時可作30～50m超前導(dǎo)洞，導(dǎo)洞直徑可不大于5m，作為巖爆超前預(yù)報和釋放地應(yīng)力；同樣在爆破、通風(fēng)、找頂后，洞壁、掌子面撒水3遍和打洞壁環(huán)向應(yīng)力釋放孔；掛網(wǎng)噴射混凝土初期支護；設(shè)置徑向系統(tǒng)錨桿。對于強烈以上烈度巖爆段，多采取加深加密系統(tǒng)錨桿，并加墊板；掛整體網(wǎng)；進行3次三循環(huán)噴混凝土；格柵鋼架支撐等措施。

3.2 針對本隧道的防治措施

主要采用加固圍巖、改善圍巖應(yīng)力條件、改變圍巖物理力學(xué)性質(zhì)和加強施工人員及設(shè)備的安全防護等措施。

（1）加固圍巖措施

①噴射鋼纖維混凝土。噴混凝土作用主要是將未清除干凈的小石塊黏結(jié)在一起。鋼纖維混凝土比普通混凝土有大得多的柔性，能承受較大變形。若巖爆繼續(xù)發(fā)展，可從噴層的開裂和剝落上觀察出來，及時進行進一步加固。

②施作系統(tǒng)錨桿。主要作用是防止洞室周邊巖體壁裂、剝落、巖體塌落。施工鉆孔還可解除巖石中部分應(yīng)力。當掌子面發(fā)生巖爆時，向掘進前方打超前錨桿加固。錨桿長度一般采用兩倍的爆破進尺長度，且采用膨脹錨桿，可以將巖爆對隧道掘進的干擾降低到最低程度。

③采用鋼筋網(wǎng)，并加連接筋，配合錨噴支護，對圍巖進行加固，這主要用于中等巖爆。

④采用鋼筋網(wǎng)或鋼支撐配合錨噴支護，對圍巖進行加固，這主要用于劇烈?guī)r爆。

⑤掛柔性防護網(wǎng)，及時掛柔性防護網(wǎng)，懸掛部位在已發(fā)生巖爆較頻繁的中頂拱部位，在錨筋上固定掛柔性防護網(wǎng)，并與巖面密貼。

⑥及時封閉圍巖，對圍巖暴露進行保護加固，同時二次襯砌及時跟進，減少由于應(yīng)力過度釋放造成的圍巖松軟。

（2）改善圍巖應(yīng)力條件措施

①合理的開挖程序和方法。采用打超前小導(dǎo)洞，預(yù)釋能量，并且作超前膨脹錨桿。二次擴挖到設(shè)計規(guī)格線，可大大改善巖爆區(qū)圍巖的應(yīng)力狀況，減弱巖爆的發(fā)生。超前小導(dǎo)洞一般采用斷面為5m×5m（寬×高）或5m×6m，以便裝載機出碴，超前小導(dǎo)洞超前擴挖面10～15m；如果巖爆發(fā)生在剛放完炮后，則推遲出碴，待巖爆后再出碴。

②控制爆破。施工中采用淺孔多循環(huán)，嚴格控制最大單響藥量，以減輕對圍巖的擾動；嚴格控制光爆孔造孔質(zhì)量，減少局部地段發(fā)生突變，從而改善圍巖的應(yīng)力條件，以防止破壞性巖爆的發(fā)生。

③加強光面爆破效果，減小應(yīng)力集中。

（3）改善圍巖物理力學(xué)性質(zhì)

主要在掌子面（工作面）和洞壁經(jīng)常噴撒冷水，降低表層圍巖強度。對已開挖成形的邊頂拱、噴護的混凝土和開挖成形掌子面及時進行噴水，降低脆性，以增強抵抗地應(yīng)力變形的能力，從而減少巖爆發(fā)生。

（4）作業(yè)人員防護。加強作業(yè)人員防護：危險期作業(yè)人員穿防砸背心，穿防砸鞋可有效預(yù)防巖爆產(chǎn)生的飛石擊傷。作業(yè)時派有經(jīng)驗的人員進行監(jiān)護，發(fā)生異常時及時撤離作業(yè)人員。

4 結(jié) 論

本標段的北山隧道開挖，施工條件較復(fù)雜，巖爆的發(fā)生具有不可預(yù)見性和突然性。在北山隧道施工中得到以下幾點啟示：

（1）對可能發(fā)生巖爆的區(qū)域，采用理論分析、宏觀調(diào)查、地質(zhì)雷達、紅外線監(jiān)測及微震觀測等方法探索巖爆的預(yù)報。

（2）多觀察、多記錄、多分析，及時有效發(fā)現(xiàn)問題，杜絕不安全因素，積極采取預(yù)防措施。

（3）必須加強安全巡視及安全監(jiān)督。對可能發(fā)生巖爆的區(qū)域加強對巖爆時間、部位及地質(zhì)情況的統(tǒng)計分析和資料收集。對已發(fā)生的巖爆進行詳細記錄：如圍巖類別、最大單響、埋深、時間、地點、傷害情況等等，以便進行數(shù)理分析，制定防范措施。