高地應(yīng)力隧道巖爆特征及綜合施工控制技術(shù)

■陳彩霞

（龍巖漳永高速公路有限責(zé)任公司，龍巖 364000）

1 概述

巖爆是高地應(yīng)力區(qū)地下洞室開挖過程中巖體突發(fā)性破壞的一種自然災(zāi)害。巖爆發(fā)生時，常常伴有人耳可聞的響聲，巖片剝落，嚴(yán)重片幫，往往給人員、設(shè)備和建筑的安全帶來巨大損失，所以巖爆現(xiàn)象早已引起工程科技人員的重視，并在機(jī)理研究、預(yù)報技術(shù)及巖爆條件下的施工技術(shù)等方面開展大量研究，但是由于產(chǎn)生巖爆的影響因素較復(fù)雜，巖爆的發(fā)生機(jī)制還不完全清楚。高地應(yīng)力隧道是指隧道固巖中原始地應(yīng)力大于某一限值的隧道，通常發(fā)生在隧道埋深較大（大于1000m）的地層中。這一限值在《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D70-2004）中有明確規(guī)定：Rc/δmax=4～7 時為高地應(yīng)力、Rc/δmax≤4 時為極高地應(yīng)力（Rc為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度，δmax為巖體中垂直洞軸線方向的最大主應(yīng)力）。

官田隧道位于福建省海西高速公路網(wǎng)漳州至永安聯(lián)絡(luò)線高速公路龍巖境內(nèi)，全長6151m，為高速公路分離式雙向四車道特長隧道，凈空半徑R=546m，單洞當(dāng)量面積63.70m2。隧址區(qū)屬低山地貌，地形起伏較大，隧道最大埋深達(dá)695m，隧道洞身范圍圍巖主要為全風(fēng)化～微風(fēng)化砂巖、粉砂巖，以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主。隧道中部K52+900～K55+620，埋深370m～695m，洞身圍巖主要為Ⅲ級微風(fēng)化砂巖、粉砂巖，設(shè)計地勘數(shù)據(jù)顯示為高地應(yīng)力-極高地應(yīng)力區(qū)，施工過程中遇到輕微-較強(qiáng)烈程度巖爆，巖爆是此隧道施工主要的地質(zhì)災(zāi)害之一。本文以該項目為工程依托，就巖爆地段采取的施工監(jiān)測、鉆爆設(shè)計、超前支護(hù)及安全防護(hù)等方面開展研究。

2 高地應(yīng)力區(qū)的分布和特點

官田隧道中部K53+450 ～K55+390，埋深430m ～695m，為高地應(yīng)力～極高地應(yīng)力區(qū)，開挖過程中遇到輕微-較強(qiáng)烈程度巖爆，具體分布情況如表1 所示。

表1 官田隧道巖爆段落分布表

在官田隧道中，巖爆的分布有以下幾個特點：

（1）巖爆大多發(fā)生在干燥無水的微風(fēng)化砂巖、粉砂巖，地質(zhì)構(gòu)造為褶皺的圍巖地段，這類地段集聚了高水平的地應(yīng)力，巖質(zhì)較堅硬、干燥、脆性高。脆性硬質(zhì)巖石及高地應(yīng)力是巖爆發(fā)生的主要條件。

（2）巖爆一般發(fā)生在巖體最大主應(yīng)力方向上，本隧道巖體最大主應(yīng)力方向為鉛直方向，巖爆多發(fā)生在隧道斷面拱部120°范圍。

（3）在未發(fā)生前，無明顯的征兆，雖經(jīng)過仔細(xì)尋找，并無空響聲，一般認(rèn)為不會掉落石塊的地方也會突然發(fā)生巖石爆裂聲響，石塊應(yīng)聲而下；有時能聽到巖石被擠壓和折斷的聲音，但并未出現(xiàn)爆裂，暫不墜下，極具危險性。這種現(xiàn)象與理論上巖爆發(fā)生的三個變形破壞階段，即張性劈裂階段、破裂成塊階段和巖塊彈裂階段的結(jié)論是一致的。

（4）巖爆時圍巖破壞多呈層片狀剝離，脫落面多與巖壁平行，經(jīng)多次剝落，逐漸形成三角狀或梯形爆坑。

（5）巖爆多發(fā)生在新開挖的掌子面及距離掌子面1～3 倍洞徑范圍內(nèi)，個別的也有距新開挖工作面較遠(yuǎn)的情況；巖爆在開挖后陸續(xù)出現(xiàn),多在爆破后2～3h，24h內(nèi)最為明顯，延續(xù)時間可持續(xù)1～3 天。圖1 為隧道現(xiàn)場拍攝的巖爆后的圍巖表面，圖2 為巖爆產(chǎn)生的剝落巖石。

圖1 巖爆后的圍巖表面

圖2 巖爆產(chǎn)生的剝落巖石

3 巖爆地段施工技術(shù)

官田隧道施工中所采用的防治巖爆的措施是在施工階段中進(jìn)行的，以減輕或避免巖爆對人員和機(jī)械的傷害及導(dǎo)致圍巖大面積失穩(wěn)為目的，按照"先鉆孔、控爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、噴注水"的施工原則，采取加強(qiáng)初期支護(hù)、優(yōu)化隧道開挖方法、打設(shè)圍巖應(yīng)力釋放孔等一系列技術(shù)措施，在不同階段針對巖爆程度的輕重采取相應(yīng)的施工技術(shù)和安全保障措施，取得了較好的效果。

3.1 施工準(zhǔn)備

調(diào)查實地地質(zhì)情況，并收集已有的勘測資料，總體認(rèn)識隧址區(qū)地形地貌及褶皺等地質(zhì)構(gòu)造特征；注意收集開挖過程中的巖爆地質(zhì)資料，包括巖爆類型、規(guī)模、分布里程與巖爆具體位置，判定巖爆等級，并建立風(fēng)險管理體系，優(yōu)化鉆爆設(shè)計，采取積極主動的預(yù)防措施和強(qiáng)有力的支護(hù)方案。

在洞口設(shè)置危險源警示牌，并對工人進(jìn)行巖爆施工安全知識培訓(xùn)，使施工、技術(shù)、管理人員等充分理解巖爆的特點及其危害的嚴(yán)重性，以促使全體施工人員思想上高度重視，確保巖爆地段的施工安全。

3.2 施工監(jiān)測

施工中根據(jù)有無地下水、地應(yīng)力方向（巖爆多發(fā)生在主應(yīng)力方向上）、巖體穩(wěn)定性、巖石軟硬、巖性及地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行初判，通過對巖石裂縫的發(fā)展、巖體內(nèi)的聲音、暴露時間的長短判別是否會落石傷人。

進(jìn)行圍巖和支護(hù)狀況的現(xiàn)場觀察并結(jié)合施工監(jiān)控量測，通過分析拱頂下沉、周邊收斂以及錨桿測力計、多點位移計等監(jiān)測結(jié)果的變化規(guī)律，可以預(yù)測滯后發(fā)生的深部沖擊型巖爆，以指導(dǎo)開挖和支護(hù)施工。

通過一聽響聲、二看位置、三看方向觀察，如通過敲擊壁面，若發(fā)出"空、空"的聲音，則需及時采取加強(qiáng)支護(hù)措施；如巖層內(nèi)突然發(fā)出沉悶的聲響時，施工人員、設(shè)備要及時撤離，找出巖爆發(fā)生的前兆及位置，逐步積累經(jīng)驗，開展巖爆預(yù)報，最大限度減少巖爆產(chǎn)生的危害。

3.3 超前鉆孔及超前支護(hù)

對于烈度中等以上巖爆地段，可采取打設(shè)超前孔鉆預(yù)先釋放部分掌子面未開挖的高地應(yīng)力。為防止掉塊危及施工人員安全，也可同時配合打設(shè)鋼支撐、超前錨桿，主動防護(hù)。

官田隧道施工中，對于較強(qiáng)烈?guī)r爆地段，進(jìn)行了超前支護(hù)及打設(shè)超前應(yīng)力釋放孔，有效降低巖爆烈度，保證了施工人員、機(jī)械的安全。具體參數(shù)如下：

①超前錨桿：沿拱部打設(shè)φ22 超前錨桿，外插角10～15°，4m/根，環(huán)向間距40cm，縱向間距2m/環(huán)，32根/環(huán)。②應(yīng)力釋放孔：開挖前沿拱部打設(shè)，外插角30～45°，孔徑Φ50mm，孔深4m，環(huán)向間距1m，13 孔/環(huán)，縱向間距2m/環(huán)。

3.4 優(yōu)化鉆爆設(shè)計

為降低爆破震動應(yīng)力場的疊加，防止因爆破震動誘發(fā)已初期支護(hù)段落發(fā)生再次巖爆坍塌；同時為保證洞周圓順以改善洞壁應(yīng)力條件，防止因開挖斷面不規(guī)則而造成局部應(yīng)力集中，加劇巖爆烈度，施工過程中通過計算、結(jié)合經(jīng)驗進(jìn)行充分的鉆爆優(yōu)化設(shè)計，包括對周邊眼間距，藥卷大小，裝藥間距，裝藥量等參數(shù)盡心論證，以提高光爆效果，改善巖爆烈度，降低巖爆產(chǎn)生的危害。

3.5 嚴(yán)進(jìn)尺、快噴錨

對于輕微～中等巖爆段，每循環(huán)開挖進(jìn)尺控制在2.5 m 以內(nèi)；對于中等～強(qiáng)烈?guī)r爆段，每循環(huán)開挖進(jìn)尺控制在2.0m 以內(nèi)。

對于輕微～中等巖爆段其工序為爆破后送風(fēng)、噴水、找頂后即出碴、噴錨作業(yè)；對中等～強(qiáng)烈?guī)r爆段爆破后不馬上出碴，先利用通風(fēng)時間躲避，待巖爆減弱后噴水、找頂、從安全地帶噴混凝土封閉巖面，然后打設(shè)系統(tǒng)錨桿、掛設(shè)鋼筋網(wǎng)等，再復(fù)噴，最后出碴。

3.6 強(qiáng)支護(hù)早襯砌

爆破后應(yīng)盡快清理巖爆部位活動巖石、掛網(wǎng)、打錨桿、噴C25 混凝土30～50mm 進(jìn)行封閉，以盡可能減少新鮮圍巖的暴露時間；必要時還要架設(shè)鋼格柵并輔以超前錨桿支護(hù)；襯砌要緊跟開挖工序進(jìn)行，以盡可能減少巖層暴露的時間，減少巖爆的發(fā)生和確保人身安全。受條件限制，必要時可采取跳打襯砌的方式。

3.7 安全防護(hù)措施

巖爆的發(fā)生往往具有突然性，往往給人員、設(shè)備及結(jié)構(gòu)的安全造成巨大的危害，也帶來不良的社會影響。所以工程實踐中，加強(qiáng)必要的安全防護(hù)措施也顯得非常關(guān)鍵。

（1）給施工人員配發(fā)鋼盔等勞動保護(hù)用品，對鉆眼臺車進(jìn)行加固改造，在臺車上方及側(cè)面設(shè)立鋼筋防護(hù)網(wǎng)，必要時掌子面處也設(shè)立鋼筋防護(hù)網(wǎng)。

（2）在掌子面作業(yè)區(qū)設(shè)專職安全員3 名，24 小時輪班，隨時觀察圍巖及支護(hù)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常，及時匯報以采取措施，必要時立即組織人員、機(jī)械撤離暫時躲避。

（3）巖爆非常劇烈時，為了安全，應(yīng)在安全距離范圍以外，躲避一段時間，直到巖爆平靜為止。

（4）加強(qiáng)巡回找頂，及時清除爆裂的危石，確保施工人員、機(jī)械安全。

（5）準(zhǔn)備好臨時鋼木排架等，必要時對可能發(fā)生巖爆的部位進(jìn)行臨時支護(hù)，然后在臨時支護(hù)的掩護(hù)下進(jìn)行打錨桿、掛網(wǎng)等支護(hù)作業(yè)，可有效避免大的落石傷人事故。

4 結(jié)語

官田隧道施工中不斷遇到巖爆的威脅，巖爆強(qiáng)度從輕微至較強(qiáng)烈程度不等。以該項目為依托工程開展巖爆施工技術(shù)研究，施工中通過不斷總結(jié)經(jīng)驗和教訓(xùn)，以錨、網(wǎng)、噴聯(lián)合支護(hù)手段為主，必要時增設(shè)鋼格柵，結(jié)合超前支護(hù)、打設(shè)應(yīng)力釋放孔、噴水溫潤巖面等多種防治措施，最大限度的減少了巖爆對人員、機(jī)械設(shè)備的損害，安全順利通過高地應(yīng)力巖爆區(qū)，順利完成施工。施工過程中總結(jié)了一些寶貴的經(jīng)驗，可為類似地質(zhì)條件工程提供一定參考。但對于巖爆發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，現(xiàn)有的預(yù)測和防治措施在實施過程中仍存在一定問題，仍需作進(jìn)一步的研究和經(jīng)驗積累，方能制訂更為主動、科學(xué)、實用的采用鉆爆法施工的巖爆災(zāi)害治理技術(shù)。

[1]王夢恕.中國隧道與地下工程修建技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2]TB 10003-2005, 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].鐵道第二勘察設(shè)計院，2005.

[3]JTG D70-2004, 公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].重慶交通科研設(shè)計院，2004.

[4]徐則民，黃潤秋，范柱國，吳培關(guān).長大隧道巖爆災(zāi)害研究進(jìn)展[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2004，13（2）：16-24.

[5]郗慶桃.梧桐山隧道爆破震動控制技術(shù)措施[J].世界隧道，1999，(4):15-18.