淺談地質(zhì)巖爆現(xiàn)象的防治與處理措施

張宏　楊超　齊晶

摘要：文章以一隧洞開挖工程項(xiàng)目所遇到巖爆地質(zhì)現(xiàn)象的出現(xiàn)、發(fā)展與消除全過程進(jìn)行描述分析，為減少巖爆對(duì)工程進(jìn)度的影響，對(duì)施工過程采取的相關(guān)技術(shù)措施及效果進(jìn)行闡述，以便同行探討該工程巖爆處理過程所得的經(jīng)驗(yàn)，利于類同工程地質(zhì)巖爆的防治與處理。

關(guān)鍵詞：隧洞開挖工程；地質(zhì)巖爆現(xiàn)象；高地應(yīng)力區(qū)；洞室圍巖剪切破壞；施工隧洞 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TD23 文章編號(hào)：1009-2374（2015）34-0150-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.34.077

1 巖爆現(xiàn)象的出現(xiàn)、發(fā)展與消除

巖爆是高地應(yīng)力區(qū)洞室圍巖剪切破壞作用的產(chǎn)物。本文所述工程位于昆侖山山脈，施工隧洞處于500m以上埋深，整個(gè)隧洞位于元古界第一巖性段的角閃黑云二長片麻巖及華力西期的片麻狀黑云斜長花崗巖中，圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主，因?yàn)樵撌┕に淼谰哂新裆钶^厚、巖石堅(jiān)硬的特點(diǎn)，易造成應(yīng)力集中不能釋放，所以在隧道開挖后應(yīng)力釋放造成巖爆。

本工程隧洞（斷面為圓形，洞徑5.2m，采用全斷面鋼筋砼襯砌）。開挖至樁號(hào)2+545m時(shí)，洞內(nèi)巖爆頻繁（中等巖爆發(fā)生），根據(jù)提供地質(zhì)資料該部位處于900～1100m的埋深，圍巖為Ⅱ類的片麻狀黑云斜長花崗巖。

現(xiàn)場(chǎng)巖爆特點(diǎn)：主要表現(xiàn)為厚片狀剝落，在巖爆未發(fā)生前，并無明顯的征兆，并無空響聲，一般認(rèn)為不會(huì)掉落石塊的地方，也會(huì)突然發(fā)生巖石爆裂聲響，石塊有時(shí)應(yīng)聲而下，有時(shí)暫不墜下。巖爆發(fā)生的地點(diǎn)多在新開挖的工作面附近，個(gè)別的也有距新開挖工作面較遠(yuǎn)，巖爆發(fā)生的部位主要為洞身右壁拱部及左壁底角；巖爆在開挖后陸續(xù)出現(xiàn)，多在爆破后2～3小時(shí)，24小時(shí)內(nèi)最為明顯。剝落最大塊體達(dá)3m×1.8m×0.45m，并伴有彈射現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)施工人員有因巖爆造成不同程度的傷害。

繼續(xù)爆破開挖至樁號(hào)2+566m時(shí)，因巖爆影響使掌子面崩塌近2～2+568m，當(dāng)時(shí)巖體沿片理鼓起開裂向洞內(nèi)崩落，巖爆聲音很大，類似放炮聲，爆裂處巖體厚度1～2m，巖爆還引起頂拱局部沿不利的裂隙產(chǎn)生小塌方，后間斷有小的掉塊，這期間巖爆對(duì)施工人員安全造成很大的危害。但三天后，在2+560～2+568m頂拱又繼發(fā)巖爆，使頂拱形成大的凹坑，初期塌方最大高度2m左右，塌方周邊巖體較完整，塌方量初估約百方。由于巖爆發(fā)生突然，使現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備（鉆爆臺(tái)車1臺(tái)、風(fēng)鉆15把、鉆桿近30根、電焊機(jī)、抽水機(jī)等）被埋壓、受損嚴(yán)重，萬幸現(xiàn)場(chǎng)值班安全員及時(shí)通知施工人員撤離，沒有造成人被淹埋。

2 塌方段工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

隧道樁號(hào)2+545～2+575m段，洞室埋深1050m，隧洞方向91°，巖性為角閃黑云二長片麻巖，片麻理產(chǎn)狀195°∠67°，走向與洞向近平行，片理裂隙在左側(cè)洞壁較發(fā)育，一般間距0.2～0.5m。其中夾有一條角閃巖脈，寬0.5～1.0m，沿左壁附近延伸較長，巖脈強(qiáng)度比片麻巖較弱，屬中硬巖，對(duì)巖爆引起的大塌方有一定促進(jìn)作用，到目前仍沒有消失或湮滅。另發(fā)育一組裂隙產(chǎn)狀70°∠39°，近于垂直洞向，與片理組合切割巖體。本段巖石以堅(jiān)硬巖為主，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度大于60MPa，完整性較好，呈層狀結(jié)構(gòu)。塌方段拱頂有少量滴水，總流量小于每分鐘0.1L。

根據(jù)前期勘察資料顯示隧道在埋深大于550m時(shí)可能發(fā)生中等巖爆，局部可能發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆。目前隧道已開挖至樁號(hào)2+575m段，埋深1050m，最大主應(yīng)力以鉛直向應(yīng)力為主，且應(yīng)力量值較前變大，強(qiáng)度應(yīng)力比值相對(duì)比前洞段變小。目前巖爆的發(fā)生部位也從以前在右側(cè)拱腳部位變?yōu)樵陧敼凹白髠?cè)壁出現(xiàn)。另外本段的片麻理走向與洞向接近平行，對(duì)洞室穩(wěn)定不利，同時(shí)根據(jù)前期勘察資料顯示設(shè)計(jì)樁號(hào)2+538部位發(fā)育一規(guī)模較大的斷層（F106），根據(jù)構(gòu)造理論特點(diǎn)，斷層附近完整巖體積聚有較多的彈性能量，當(dāng)洞室開挖后形成較大臨空面，尤其在側(cè)壁易形成局部應(yīng)力集中，成為巖爆的高發(fā)部位。同時(shí)由于片理走向與洞向近平行，加上另外一組與洞線夾角69°的裂隙相互切割，造成洞室塌方不斷。目前隧道所發(fā)生的巖爆已嚴(yán)重影響到施工安全與進(jìn)度。

3 巖爆防治處理方案

為縮短巖爆對(duì)工程進(jìn)度的影響，工程施工單位對(duì)巖爆出現(xiàn)后采取了以下五種防治措施，達(dá)到了一定效果：

3.1 噴射高壓水

爆破后采用高壓水槍立即向工作面及附近洞壁噴射高壓水，以降低巖體的強(qiáng)度，增強(qiáng)塑性，減弱巖體的脆性，降低巖爆的劇烈程度，加快了應(yīng)力釋放過程，同時(shí)起到降溫除塵的作用，縮短了通風(fēng)時(shí)間。

3.2 加密巖爆部位周邊光爆眼

加密巖爆部位周邊光爆眼（現(xiàn)場(chǎng)周邊眼間距不大于30cm），改變周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)，由間隔裝藥變?yōu)檫B續(xù)裝藥，爆破后周邊巖體產(chǎn)生細(xì)微裂縫，加速應(yīng)力釋放。該措施增加了炸藥單耗，提高了工程開挖造價(jià)，但對(duì)巖爆的防治效果比較明顯，在后期巖爆處理措施上多

采用。

3.3 增設(shè)超前應(yīng)力釋放孔

在開挖過程中增設(shè)超前應(yīng)力釋放孔，減弱巖爆縮短巖爆釋放時(shí)間。超前應(yīng)力釋放孔鉆孔深度4.5m，右側(cè)拱角處超前應(yīng)力釋放孔外插角度為35°，隔孔裝藥；掌子面超前應(yīng)力孔垂直基巖面造孔，均進(jìn)行裝藥，每孔裝乳化炸藥1.05kg，詳見圖1：

圖1 巖爆部位網(wǎng)絡(luò)圖

3.4 掌子面增設(shè)安全防護(hù)網(wǎng)

巖爆發(fā)生區(qū)域已有擴(kuò)大的趨勢(shì)，右壁掌子面已有巖爆現(xiàn)象。彈射現(xiàn)象較為嚴(yán)重，最大彈射距離達(dá)10m以上，嚴(yán)重威脅作業(yè)人員安全，使施工等待時(shí)間大大加長。為減弱巖爆，縮短巖爆釋放時(shí)間，盡快進(jìn)行作業(yè)，施工中除進(jìn)行超前應(yīng)力釋放孔施工以外，在掌子面布設(shè)柔性防護(hù)網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為10cm×10cm方格網(wǎng)。網(wǎng)片拼結(jié)成掌子面形式，通過開挖臺(tái)車固定于掌子面上，防止掌子面巖爆及巖石彈射造成施工人員傷害。

洞身開挖過程中雖然采取以上措施對(duì)巖爆起到了一定的減弱，使巖爆釋放時(shí)間及程度有了一定的縮短及改善，但巖爆釋放時(shí)間仍然較長（8～10小時(shí)），造成施工循環(huán)時(shí)間過長。

施工單位在洞側(cè)壁巖爆區(qū)采用隨機(jī)錨桿及超前錨桿掛網(wǎng)支護(hù)（錨桿長3.5m，入巖3.4m；掛網(wǎng)Φ8@200*200mm）。

3.5 巖爆嚴(yán)重塌方區(qū)處理

樁號(hào)2+545m～2+550m段塌方最大高度為0.5～3.8m；樁號(hào)2+550～2+568m段塌方最大高度為4.5～11m；樁號(hào)2+568m以后至目前掌子面樁號(hào)2+575m段由于支護(hù)得力，開挖方案較得當(dāng)，巖爆破壞勢(shì)頭基本得到控制。起初對(duì)大塌方的處理方式先采用洞段封堵后回填混凝土充填塌方空間，然后重新進(jìn)行洞室開挖，采用“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)”開挖方式為保證安全，開挖后及時(shí)采用鋼拱架支護(hù)，支撐16#工字鋼鋼拱架，拱架間距視實(shí)際情況采用0.3～1.0m不等，根據(jù)洞內(nèi)圍巖情況，鋼拱架間距略加放寬0.5～0.7m一榀，打鎖腳錨桿φ25mm（長3m入巖2.9m，間距1m）與在每榀拱架拱角部位打8根φ28（長4.5m入巖4.0m）加固錨桿，錨桿與鋼拱架電焊加固；鋼拱架之間用φ25連接鋼筋，電焊連接（長1.2m搭接0.2m，間距1m）；掛φ8鋼筋網(wǎng)（0.2*0.2m）。及時(shí)噴護(hù)C20砼。對(duì)洞室兩拱腳各布設(shè)了4排φ25系統(tǒng)錨桿，長3m，間距1.5m；拱架兩側(cè)各布4排φ25鎖腳錨桿，長3.5m，間距0.5m。

4 結(jié)語

本工程隧道出現(xiàn)巖爆段約1400m，占全長的1/3。巖爆的產(chǎn)生對(duì)工程進(jìn)度、安全、工程造價(jià)影響較大，因此要通過已完工程的成功經(jīng)驗(yàn)用于后期類同工程，促使工程建設(shè)項(xiàng)目節(jié)約控制成本，減少安全事故隱患。

（責(zé)任編輯：蔣建華）