官田隧道巖爆及鄰近區(qū)段突水處理方案

■陳大琪

（龍巖漳永高速公路有限責(zé)任公司，龍巖 364000）

1 工程概況

官田隧道位于福建省漳永高速公路龍巖段境內(nèi)，起訖樁號(hào)：左線ZK50+552～ZK56+691,長(zhǎng)6139 m；右線K50+544～K56+695,長(zhǎng)6151m，屬特長(zhǎng)分離式隧道。該隧道區(qū)屬低山地貌，地形起伏較大，最大埋深695m。隧址區(qū)上覆粉質(zhì)黏土、含粒粉質(zhì)黏土、碎石等，下伏基巖為三疊系上統(tǒng)文賓山組（T3w）砂巖、粉砂巖、三疊系下統(tǒng)溪口組（T1x）砂巖及侏羅系上統(tǒng)南園組（J3n）凝灰熔巖、燕山期（γ52（3）c）花崗巖等。隧址區(qū)地表水主要為沖溝地段中的水，受季節(jié)控制明顯；地下水主要為基巖中的裂隙水，下伏基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，多呈閉合狀，連通性較差，多充填泥質(zhì)。由于隧道較長(zhǎng)，山體較高，匯水面積大，地下水水量較豐富。

官田隧道于2013 年2 月正式開(kāi)工。2014 年3 月15日左洞開(kāi)挖施工至ZK52+257 時(shí)，發(fā)生中等-強(qiáng)烈程度巖爆（見(jiàn)圖1）。而不久后的3 月25 日，右洞開(kāi)挖施工至K52+265 時(shí)，掌子面發(fā)生突水（見(jiàn)圖2），水壓力及水流量較大，水流自裂隙噴出瞬間最大距離達(dá)20m。值得一提的是，發(fā)生巖爆、突水現(xiàn)象的兩個(gè)隧道間距僅24.4m，兩個(gè)區(qū)段直線距離甚至不超過(guò)30m，兩個(gè)近距離隧道可謂“水火相容”。

圖1 左洞ZK52＋257 巖爆現(xiàn)象

圖2 右洞K52+265 突水現(xiàn)象

2 巖爆、突水現(xiàn)象分析

根據(jù)設(shè)計(jì)勘察資料，結(jié)合兩個(gè)區(qū)段相對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)條件，施工過(guò)程加強(qiáng)重視這兩個(gè)區(qū)段的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。具體地質(zhì)情況如下：

2.1 設(shè)計(jì)勘察總體情況

（1）地應(yīng)力條件：據(jù)測(cè)試結(jié)果，周邊鉆孔巖石容重取為26.5kN/m3。在435～495m 測(cè)深范圍內(nèi)最大水平主應(yīng)力σH 為9.2 ～12.8MPa，最 小 水 平 主 應(yīng) 力σh 為6.4 ～9.1MPa，鉛直應(yīng)力σz 為11.5～13.1MPa?？傮w上，應(yīng)力特征表現(xiàn)為σz>σH>σh。該隧道圍巖以硬質(zhì)砂巖為主，巖體應(yīng)力量級(jí)為中等應(yīng)力水平。最大水平主應(yīng)力方向的側(cè)壓系數(shù)（σH/σz）為0.77～1.01。除個(gè)別測(cè)點(diǎn)側(cè)壓系數(shù)大于1 外，其他側(cè)壓系數(shù)均小于1，說(shuō)明該測(cè)試區(qū)域巖體應(yīng)力場(chǎng)以自重應(yīng)力場(chǎng)為主導(dǎo)。主應(yīng)力方向?yàn)镹70oE～N76oE 之間。

（2）涌水量預(yù)測(cè)：從安全考慮，設(shè)計(jì)最大涌水量采用古德曼經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算值，其中左線隧道最大涌水量Q0L=17575(m3/d)，右線隧道最大涌水量Q0R=18796(m3/d)。隧址區(qū)受斷裂構(gòu)造、不整合接觸帶、且?guī)r層傾向接觸帶影響，地下水發(fā)育，可能出現(xiàn)突水、突泥。

2.2 左洞ZK52＋257 巖爆區(qū)段

（1）地質(zhì)預(yù)報(bào)：根據(jù)掌子面開(kāi)挖到ZK52+140 時(shí)，采用地震波TGP206 探測(cè)法并結(jié)合地質(zhì)分析法綜合預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)范圍為ZK52+140～ZK52+300，其中ZK52+236-ZK52+300 段,通過(guò)分析縱橫波對(duì)比速度及反射符號(hào)分布曲線圖，縱波速度、橫波波速均起伏變化，整體上升，泊松比變化不大，縱波速度約為5150m/s,縱波主要反射界面水平夾角和垂直傾角分別為52°和35°。橫波主要反射界面水平夾角和垂直傾角分別為47°與40°。預(yù)報(bào)里程段圍巖主要為微風(fēng)化砂巖，單塊巖石強(qiáng)度高，屬于較堅(jiān)硬巖，圍巖節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整，呈塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性較好，拱頂易發(fā)生掉塊，地下水不發(fā)育，呈點(diǎn)滴狀出水，建議圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)。

（2）實(shí)際情況：開(kāi)挖至ZK52+257 時(shí)，隧道埋深約360m，圍巖主要為微風(fēng)化砂巖，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體較完整，拱墻干燥無(wú)水。3 月15 日開(kāi)挖工班進(jìn)行鉆眼作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)掌子面后方ZK52+252～ZK52+257 段拱部有“啪、啪”的異響聲，并伴隨有少量片狀石塊剝落，遂暫停鉆眼作業(yè)，進(jìn)行二次找頂排險(xiǎn)，經(jīng)觀察無(wú)異?，F(xiàn)象后方繼續(xù)鉆眼作業(yè)，于13∶50 放炮，隨后出碴。出碴過(guò)程中發(fā)現(xiàn)拱部有巖石爆裂聲響，并伴隨有片狀石塊剝落，15∶25 響聲加大，伴隨巖石劈裂的聲響，不斷有邊緣薄中間厚的層片狀石塊從拱頂剝落，人員、機(jī)械撤離現(xiàn)場(chǎng)，暫停掌子面施工，持續(xù)觀察，時(shí)有聲響并伴隨掉塊，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)48h，直到17 日晚仍有響聲及零星掉塊。于ZK52+255～ZK52+260 段拱部形成縱向長(zhǎng)度約5m，環(huán)向?qū)挾燃s3.5m，徑向最大深度達(dá)1.3m的三角狀坑，經(jīng)分析判斷為巖爆現(xiàn)象。

2.3 右洞K52+265 突水區(qū)段

（1）地質(zhì)預(yù)報(bào)：根據(jù)右洞掌子面開(kāi)挖到K52+260，采用地震波TGP206 探測(cè)法并結(jié)合地質(zhì)分析法綜合預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)范圍為K52+260～K52+420，通過(guò)分析縱橫波對(duì)比速度及反射符號(hào)分布曲線圖，縱波速度、橫波速度均起伏變化，整體上上升，泊松比變化不大，縱波速度約為4000m/s,縱波主要反射界面水平夾角和垂直傾角分別為72°和40°。橫波主要反射界面水平夾角和垂直傾角分別為65°和48°。預(yù)報(bào)里程段圍巖主要為中風(fēng)化砂巖，單塊巖石強(qiáng)度一般，圍巖屬較堅(jiān)硬巖；圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較完整～較破碎，呈塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性較差，預(yù)報(bào)里程段地下水發(fā)育，主要呈淋雨?duì)?線狀出水，局部呈股流-涌流狀出水；施工過(guò)程中拱頂易出現(xiàn)坍塌、掉塊等現(xiàn)象，建議圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)偏差。

（2）紅外探水：鑒于該區(qū)段的地震波TGP206 探測(cè)預(yù)報(bào)，發(fā)生巖爆的鄰近區(qū)段較為異常，此段專門增做了紅外線超前探水預(yù)報(bào)。其基本原理：當(dāng)開(kāi)挖掌子面前方20m 范圍內(nèi)存在含水構(gòu)造或溶洞時(shí)，災(zāi)害源產(chǎn)生的紅外異常場(chǎng)，必然會(huì)涉及到臨近異常場(chǎng)的隧道已經(jīng)開(kāi)挖的部分，因而在隧道開(kāi)挖部分的邊墻上能提前發(fā)現(xiàn)災(zāi)害源產(chǎn)生的紅外異常場(chǎng)（也稱災(zāi)害場(chǎng)）。本次探測(cè)采用兩種方法進(jìn)行超前探水預(yù)報(bào)。

第一種方法為掌子面布點(diǎn)探測(cè)法，共在掌子面上布設(shè)4 行6 列24 個(gè)點(diǎn)。探測(cè)數(shù)據(jù)填入表1，并要計(jì)算出每一行任意兩數(shù)值間的最大差值，還要計(jì)算出每一列任意兩數(shù)值間的最大差值，同樣填入表1。第二種方法為開(kāi)挖區(qū)段布點(diǎn)探測(cè)法，即由掌子面向已開(kāi)挖部分YK52+205～YK52+260，以5m 點(diǎn)距，布12 個(gè)探測(cè)點(diǎn)（即60m 范圍內(nèi)布設(shè)12 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面），分別對(duì)左墻角、左拱角、拱頂、右拱角、右墻角及底中進(jìn)行布點(diǎn)，布設(shè)6 條測(cè)線。探測(cè)數(shù)據(jù)填入表2。由于紅外探測(cè)是以正常場(chǎng)作為對(duì)比基準(zhǔn)，所以對(duì)一條探測(cè)成果的曲線圖的基本要求是：曲線的前段（即前30m）應(yīng)能給出紅外正常場(chǎng)，而曲線后段和尾部特別是尾部，或者正常、或者下降、或者升高?，F(xiàn)場(chǎng)具體布置圖詳見(jiàn)下圖3、圖4 及圖5。

圖3 掌子面測(cè)點(diǎn)示意圖

圖4 激光定點(diǎn)紅外探測(cè)示意圖

圖5 縱向探點(diǎn)示意圖

表1 掌子面紅外探測(cè)數(shù)據(jù)表

表2 沿隧道走向布點(diǎn)探測(cè)數(shù)據(jù)表

圖6 開(kāi)挖區(qū)段紅外探測(cè)法成果圖

從掌子面紅外探測(cè)數(shù)據(jù)表可以明顯看出，場(chǎng)強(qiáng)橫向最大差值、縱向最大差值、整個(gè)掌子面最大差值均在3～9 之間，數(shù)值跳躍性變化不大。由此推斷掌子面前方圍巖含水量豐富，且分布相對(duì)較均勻（見(jiàn)表1）；從探測(cè)區(qū)段YK52+205～YK52+260 紅外探測(cè)成果圖可以看出，整體里程段段曲線呈明顯下降趨勢(shì)，紅外場(chǎng)強(qiáng)明顯下降，由此推斷掌子面前方20m 范圍內(nèi)，圍巖含水量將維持現(xiàn)狀掌子面賦水程度（見(jiàn)表2 和圖6）。以上兩種探測(cè)方法探測(cè)結(jié)果一致,探測(cè)里程段掌子面前方20m內(nèi)圍巖賦水極為豐富，呈股流-涌流狀出水。

（3）實(shí)際情況：洞身開(kāi)挖至里程K52+265，圍巖主要為中風(fēng)化砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較完整-較破碎，掌子面發(fā)生突水，經(jīng)相關(guān)資質(zhì)部門測(cè)量日涌水量達(dá)25900m3。

2.4 綜合分析

從上述的地質(zhì)勘察、地質(zhì)預(yù)報(bào)及施工實(shí)際狀況可以看出：該隧道相鄰區(qū)段發(fā)生巖爆、突水現(xiàn)象有著其共通性及其特殊性。

（1）兩種現(xiàn)象的特性。①巖爆：通常認(rèn)為巖爆發(fā)生的主要條件是地應(yīng)力和圍巖力學(xué)特性，其他影響因素主要有圍巖細(xì)微觀結(jié)構(gòu)特征及其次生變化、地下水情況、地溫高低、隧道洞壁形態(tài)和施工工藝等。通常來(lái)講，發(fā)生巖爆的巖體是非常干燥的，含水量極少。②突水：在基巖地下水富集的諸多因素中，地層巖性是地下水賦存的基礎(chǔ)；地質(zhì)構(gòu)造是控制地下水埋藏、分布和運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)因素；地貌、水文、氣候等則是影響地下水補(bǔ)給、徑流、排泄的重要條件。

（2）兩種現(xiàn)象的相互影響。該區(qū)段巖爆現(xiàn)象除受地應(yīng)力及巖性特征外，地下水及施工工藝的擾動(dòng)影響不可忽視。而同樣的非可溶巖巖性特征及地質(zhì)構(gòu)造又形成了區(qū)段內(nèi)施工時(shí)發(fā)生的突水現(xiàn)象?？梢?jiàn)在中高應(yīng)力區(qū)段發(fā)生交替的巖爆、突水現(xiàn)象不可忽視。特別在巖爆發(fā)生后的突水現(xiàn)象更應(yīng)重視防患：尤其在巖體應(yīng)力釋放后產(chǎn)的的節(jié)理裂隙在水壓作用下可能進(jìn)一步發(fā)展垮塌、崩塌破壞。

3 處理方案措施

針對(duì)預(yù)報(bào)顯示的上述兩種病害，隧道施工制定了相應(yīng)的處理方案：

3.1 巖爆區(qū)段

（1）做好開(kāi)挖方案選擇及開(kāi)挖質(zhì)量的控制。在隧道開(kāi)挖前，加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，必要時(shí)進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探，查明隧道內(nèi)地應(yīng)力情況，并制定必要結(jié)構(gòu)加固方案及合理的施工方案。并且根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求結(jié)合掌子面地質(zhì)情況，對(duì)圍巖進(jìn)行應(yīng)證和糾正；并不斷提高預(yù)測(cè)水平。隧道開(kāi)挖進(jìn)尺控制在2m，采用全斷面開(kāi)挖方案，巖爆強(qiáng)度較大時(shí)為加快進(jìn)度可采用臺(tái)階法施工。

（2）調(diào)整鉆爆設(shè)計(jì)，采用“短進(jìn)尺，弱爆破”。采用光面爆破技術(shù)，巖爆區(qū)周邊眼間距控制在25cm 以內(nèi)，采用隔眼裝藥，堵塞炮泥，增加光爆效果，以達(dá)到開(kāi)挖輪廓線圓順。盡量避免凹凸不平造成應(yīng)力集中，以達(dá)到減弱巖爆的發(fā)生。采用淺孔爆破，縮短循環(huán)進(jìn)尺，減少一次用藥量。拱部采用小藥卷光面爆破措施，拉大不同部分炮眼的雷管段位間隔，從而延長(zhǎng)爆破時(shí)間，減少對(duì)圍巖的爆破擾動(dòng)，減少爆破動(dòng)應(yīng)力的疊加，控制爆發(fā)裂隙的生成，避免由于爆破誘發(fā)巖爆，從而降低巖爆頻率和強(qiáng)度。同時(shí)預(yù)先在工作面有可能發(fā)生巖爆的部位有規(guī)則地打一些空眼，不設(shè)錨桿而注水，以便釋放應(yīng)力，阻止圍巖達(dá)到極限應(yīng)力而產(chǎn)生巖爆。

（3）巖爆預(yù)防的具體措施：隧道開(kāi)挖、出渣后，直接在開(kāi)挖外露面噴灑高壓水以軟化巖面，促使巖層原始應(yīng)力釋放調(diào)整，同時(shí)可以降低因巖爆導(dǎo)致空間中粉塵含量；及時(shí)采用5cm 噴射混凝土對(duì)圍巖掌子面進(jìn)行封閉，以對(duì)開(kāi)挖形成巖面進(jìn)行找平，改善圍巖受力情況、避免應(yīng)力集中；對(duì)巖面上的不穩(wěn)定巖石及時(shí)清除，對(duì)于體積較大及清除后可能影響洞壁穩(wěn)定的巖石，應(yīng)采用錨桿進(jìn)行加固，確保施工安全。

（4）對(duì)于不同巖爆區(qū)域，應(yīng)采取不同的初期支護(hù)加強(qiáng)。

①輕微巖爆區(qū)：實(shí)施全斷面光面爆破開(kāi)挖，循環(huán)進(jìn)尺不得超過(guò)4m，爆破、通風(fēng)、找頂后洞壁、掌子面撒水三遍，每遍相隔5～10min，使開(kāi)挖面充份濕潤(rùn)，撒水噴頭水柱不小于10m。打設(shè)洞壁環(huán)向應(yīng)力釋放孔：孔徑Φ50mm，深3m，間距1.5×1.5m，掛網(wǎng)噴砼初期支護(hù)，打設(shè)Φ25×5mm 漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿(長(zhǎng)2m)，預(yù)應(yīng)力50kN，錨桿間距1.2×1.2m，錨桿強(qiáng)度180kN。安裝時(shí)，錨桿墊板要將鋼筋網(wǎng)壓住在噴射砼上。

②中等巖爆區(qū)：實(shí)施全斷面光面爆破開(kāi)挖，循環(huán)進(jìn)尺不超過(guò)4m。必要時(shí)作超前30～50m 導(dǎo)洞，導(dǎo)洞直徑不大于5m，可作為巖爆超前預(yù)報(bào)和釋放地應(yīng)力；爆破、通風(fēng)、找頂后洞壁、掌子面撒水三遍，每遍相隔5～10min，使開(kāi)挖面充份濕潤(rùn)，撒水噴頭水柱不小于10m。打設(shè)洞壁環(huán)向應(yīng)力釋放孔：孔徑Φ50mm，深3m，間距1.5×1.5m。掛網(wǎng)噴砼初期支護(hù)，打設(shè)Φ25×5mm 漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿(長(zhǎng)2m)，預(yù)應(yīng)力50kN，錨桿間距1.2×1.2m，錨桿強(qiáng)度180kN。安裝時(shí)，錨桿墊板要將鋼筋網(wǎng)壓住在噴射砼上。

③對(duì)于中等以上的巖爆洞段，在鉆爆施工時(shí)，可在拱角、邊墻及頂部加深鉆打周邊眼，然后向眼孔內(nèi)噴灌高壓水，對(duì)圍巖進(jìn)行軟化，從而人為提前加快圍巖的應(yīng)力釋放。眼孔超前深度可取2m。

（5）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)措施，保障施工安全。

①給施工人員配發(fā)鋼盔、防彈背心；對(duì)主要施工設(shè)備安裝防護(hù)棚架；掌子面架設(shè)移動(dòng)防護(hù)架，防止巖塊飛出傷人，有效地保護(hù)人員及設(shè)備安全。

②加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巖爆監(jiān)測(cè)、警戒及巡回找頂，必要時(shí)及時(shí)躲避。組織專門人員全天候巡視警戒及監(jiān)測(cè)。巖爆一般在爆破后2 h 左右比較激烈，以后則趨于緩和，多數(shù)發(fā)生在0～50 m 范圍和掌子面處。從地質(zhì)方面來(lái)看，巖爆發(fā)生的地段有其相似的地層條件和共性條件，使短距離的預(yù)報(bào)成為可能。聽(tīng)到圍巖內(nèi)部有沉悶的響聲時(shí)，應(yīng)盡快撤離人員及設(shè)備。特別是強(qiáng)烈?guī)r爆地段，每次爆破循環(huán)后，作業(yè)人員及設(shè)備均應(yīng)及時(shí)躲避一段時(shí)間，待巖爆基本平靜后，立即灑水噴混凝土封閉巖面，以保證后序作業(yè)。巡視、警戒人員要對(duì)巖爆段，特別是強(qiáng)烈?guī)r爆段巖石的變化仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)通知，撤離施工人員及設(shè)備，以保證安全。

③加強(qiáng)對(duì)施工人員巖爆知識(shí)教育。強(qiáng)化作業(yè)人員安全紀(jì)律教育以及巖爆常識(shí)、防護(hù)知識(shí)的學(xué)習(xí)；嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)技術(shù)和安全操作規(guī)程；危險(xiǎn)地段增設(shè)照明并設(shè)醒目標(biāo)志。

3.2 涌水、突水區(qū)段

根據(jù)勘踏及分析研究結(jié)果，對(duì)官田隧道進(jìn)口右洞K52+265～K52+300 段加強(qiáng)支護(hù)，并采取防、排結(jié)合的輔助施工措施，具體如下：

（1）防、排水措施：采用超前水平鉆孔排水，于掌子面開(kāi)挖輪廓線內(nèi)打設(shè)，孔徑φ130mm，鉆孔深度50m，共布設(shè)5 孔；加密環(huán)向及橫向排水管，環(huán)向φ50HDPE 排水管、橫向φ100HDPE 排水管布設(shè)間距由原設(shè)計(jì)10m 調(diào)整為5m；布設(shè)雙層防水層，嚴(yán)防富水地段二襯滲漏水。

（2）支護(hù)措施：采用I18 型鋼鋼架，縱向間距100cm/榀；φ6.5 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距15cm×15cm；φ25中空注漿錨桿，3.5m/根，按環(huán)向間距1.0m×縱向間距1.0m 布設(shè)；C25 噴射混凝土厚度24cm；拱墻C25 鋼筋混凝土襯砌厚45cm，不設(shè)仰拱，僅施做找平層。

（3）輔助施工措施：沿拱部打設(shè)Φ50×5 超前鋼管，外插角10～15°，4.5m/根，環(huán)向間距40cm，縱向間距3m/環(huán)，33 根/環(huán)。

（4）初期支護(hù)完成后，根據(jù)出水情況，視需要進(jìn)行徑向注漿堵水。先采用低標(biāo)號(hào)混凝土設(shè)止?jié){墻，在裂隙、孔口約3m 范圍內(nèi)，設(shè)徑向小導(dǎo)管注漿封堵。導(dǎo)管采用Φ50×5mm 鋼管，長(zhǎng)5m，梅花型布設(shè)，間距100cm。漿液采用水泥-水玻璃，配比及注漿壓力根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道高應(yīng)力區(qū)段發(fā)生巖爆、突水現(xiàn)象均有嚴(yán)重危害性，而其突發(fā)性、交替性往往更讓人意想不到。官田隧道施工過(guò)程中重視地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，借鑒多種預(yù)報(bào)方法，采取有效預(yù)防措施，嚴(yán)格控制施工方案，保證了人員、設(shè)備的安全，工程進(jìn)度順利推進(jìn)。

[1]徐林生，王蘭生，等.二郎山公路隧道巖爆特征與防治措施研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2003，16（1）：74-76.

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