大埋深長大隧洞應力解除爆破技術(shù)

馬天昌

(中鐵十三局集團有限公司，天津 300308)

錦屏二級水電站引水隧洞群穿越錦屏山主峰山體且沿線上覆巖體埋深達1 500～2 525 m。受高地應力和地質(zhì)條件等因素影響，巖爆發(fā)生頻繁，預測沿線最大主應力將達70 MPa左右，已施工的長探洞及輔助洞、施工排水洞、引水隧洞均出現(xiàn)中等～強烈不同程度的巖爆。從目前看，巖爆已經(jīng)對隧洞結(jié)構(gòu)、圍巖穩(wěn)定、支護、設(shè)備以及施工人員心理造成重大傷害和嚴重影響，必須對其進行預測預防，以保證施工安全和進度。

為此，結(jié)合錦屏隧洞實際情況，對應力解除爆破技術(shù)進行研究。具體方法為:當通過地質(zhì)超前預報或微震監(jiān)測技術(shù)預測出隧洞掘進前方巖爆烈度以及規(guī)模后，為最大限度預防或降低巖爆災害，采取控制爆破技術(shù)對其應力進行解除和釋放，然后再進行合理開挖和支護。本文主要針對錦屏隧洞工程中常見的中等巖爆以及較高級別巖爆的應力解除技術(shù)方案及其參數(shù)進行研究，并對其解除效果作進一步分析。

1 應力解除爆破原理

按隧洞工程理論［1-2］，人為地解除應力的方法是一種主動破碎隧洞圍巖巖體，從而合理釋放圍巖應力的方法。該方法是在預計可能發(fā)生巖爆的洞段內(nèi)，通過鉆機進行垂直于掌子面的鉆孔施爆工作，造成掌子面內(nèi)相當深度的地方成為一個破碎帶，以減輕掌子面上的壓力，從而使巖爆的烈度和影響范圍得以降低。即使在具足夠大的高應力區(qū)內(nèi)產(chǎn)生突發(fā)性的較大巖爆，也會因破碎帶的緩沖效應，使其危害程度大為減小，從而保證施工人員的安全。這種人工解除應力的方法還可以產(chǎn)生增大掌子面破裂帶寬度的效應，以及把高應力峰值從掌子面移動到實體巖石的效應。實施該方法的問題主要是應力解除孔的鉆進深度、時間間隔以及裝藥量等，均需視實際情況而定，一般應確保在掌子面前方至少有幾米厚的破碎巖石緩沖帶存在。

在正常爆破起爆過程中先行起爆應力解除孔，以提前預裂掌子面前方巖體，使掌子面的前方形成一個預先爆破松弛區(qū)而改善掌子面前方的圍巖應力狀態(tài)，避免或減緩強烈的能量集中。使每一循環(huán)開挖能在先期解除過高應力的低應力巖體條件中進行，降低了開挖導致的應力變化程度，消除高應力可能造成的嚴重影響。

2 巖爆洞段應力解除爆破方案與參數(shù)

參考爆破技術(shù)［3-5］，對巖爆洞段應力解除爆破方案與參數(shù)進行分析。

2.1 中、弱巖爆段應力解除爆破

布置中、弱巖爆段應力解除爆破孔時，孔與隧洞輪廓線距離為1.0 m，拱部外傾角為15°仰角，周邊應力解除爆破孔以10°外插。底排距底板高度2 m，中間孔與洞軸平行布置。

應力解除爆破孔深4 m，采用多臂鉆鉆孔。底部1.4 m長度裝φ32 mm藥卷，用乳化防水炸藥，孔口采用炮泥機制作的炮泥封堵，確保封堵密實。應力解除爆破孔達到爆破掘進進尺2倍以上，以超過2.5倍時安全性高，故爆破開挖進尺確定為1.8 m，預留應力解除緩沖區(qū)域，確保施工安全。

炮孔參數(shù)在施工過程中根據(jù)應力解除效果可適當調(diào)整，中、弱巖爆段應力解除爆破孔布置見圖1。

圖1 中、弱巖爆段應力解除爆破孔布置(單位:m)

2.2 中等以上的強巖爆地段應力解除爆破

中等以上的強巖爆地段采用長距離垂直超前孔方案。在掌子面距開挖輪廓線1.2～1.5 m圓周上，用地質(zhì)鉆機鉆鑿與洞軸線平行的超前應力釋放爆破孔，孔深15 m，孔徑65 mm，布置7個孔，見圖2至圖3。

2.3 應力釋放孔裝藥結(jié)構(gòu)

超前應力釋放孔裝藥結(jié)構(gòu)見圖4，采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。將φ32 mm×200 mm乳化炸藥卷放在PVC塑料管內(nèi)，管內(nèi)炸藥用導爆索聯(lián)接，將長2～4 m的塑料管依次推入孔內(nèi)。2～3孔為一段，用 MS1，MS3，MS5雷管進行起爆。

圖2 超前應力釋放孔及聲波測試孔布置橫剖面(單位:cm)

圖3 超前應力釋放孔及聲波測試孔平面布置(單位:cm)

圖4 超前應力釋放孔裝藥結(jié)構(gòu)(單位:cm)

3 隧洞圍巖應力爆破解除效果聲波測試

3.1 聲波孔布置

為測試超前應力解除孔爆破后圍巖應力釋放的效果，垂直掌子面左部布置2個聲波測試孔(編號為1#，2#)，用地質(zhì)鉆機鉆鑿，孔徑65 mm，孔深18 m(超前應力釋放孔深加3 m)，下傾5°，兩孔相互平行，孔距2.0 m，參見圖2。1#聲波孔盡量靠近南側(cè)邊墻。

為測試超前應力解除孔、掌子面掘進對圍巖的影響，在掌子面后方1.50，6.24 m處的南側(cè)洞壁上布置1對聲波測試孔(編號為3#，4#)，用地質(zhì)鉆機鉆鑿，孔徑65 mm，與洞軸線成18°水平夾角，并下傾5°，兩孔間相互平行，3#，4#聲波孔的孔深分別為17.5，22.5 m。聲波測試孔的布置參見圖2和圖3。

3.2 聲波測試方法

采用雙孔對穿法進行爆破前后的聲波測試。在超前孔爆破前，分別進行1#，2#以及3#，4#兩對聲波孔的測試，得到爆破前洞軸向、圍巖內(nèi)的聲波。超前孔爆破后，對1#，2#聲波孔進行測試，得到超前孔爆破的成縫、致裂、破碎效果;對3#，4#聲波孔進行聲波測試，得到超前孔爆破對圍巖的影響。

隨著每一循環(huán)爆破的進行，反復對3#，4#聲波孔進行聲波測試，得到松弛層厚度以及隨開挖斷面推進的變化規(guī)律。

如條件允許，對1#，2#聲波孔進行每一循環(huán)爆破后的聲波測試，以了解上一循環(huán)爆破對下一循環(huán)掌子面松弛層厚度的影響。

實踐表明，采取爆破應力解除以及合理支護等防治技術(shù)，可以有效地防止巖爆或在巖爆發(fā)生后保證施工操作人員及設(shè)備不被巖爆掉塊或石塊飛濺傷害，并能夠保證隧洞圍巖穩(wěn)定和地下結(jié)構(gòu)安全，同時可以獲得顯著經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

1)受高地應力和地質(zhì)條件等因素影響，錦屏二級水電站引水隧洞群施工過程極易受到巖爆傷害，必須結(jié)合錦屏隧洞實際情況，對巖爆相應對策進行研究以最大限度預防或降低巖爆危害，確保隧洞圍巖、地下結(jié)構(gòu)以及施工人員的安全。

2)提出的應力解除施工方案及其參數(shù)能夠克服以往強巖爆隧洞圍巖應力釋放過程中的盲目鉆孔爆破和應力釋放效果差的不足，可以最大程度避免或大幅降低巖爆的發(fā)生幾率、烈度與規(guī)模。具備對應力集中部位預測準確、應力解除到位、解除效果可靠的優(yōu)點，以及巖爆防治針對性強、簡單實用、可操作性強和效果好等特點?？蛇_到在強巖爆地下工程施工中，既能保證施工安全又能提高勞動效率的目標。

3)不同巖爆條件下的應力解除方案及參數(shù)與地質(zhì)及斷面條件也有較大關(guān)系，今后應做更深入的研究。

［1］關(guān)寶樹．隧道工程的理論與實踐［M］．成都:西南交通大學出版社，1990．

［2］陳豪雄，殷杰．隧道工程［M］．北京:人民交通出版社，1995．

［3］齊景嶽，劉正雄，張儒林，等．隧道爆破現(xiàn)代技術(shù)［M］．北京:中國鐵道出版社，1995．

［4］陳士海．現(xiàn)代鉆爆理論與技術(shù)［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，1998．

［5］陳鐵騎．錦屏二級水電站特大洞室控制爆破施工技術(shù)研究［J］．鐵道建筑，2009(2):34-37．