公路隧道巖爆預測和防治方法研究

高馮明

【摘 要】在中西部地區(qū)，修建特長隧道是實現(xiàn)陸路交通一體化的重要措施。特長隧道的施工方法主要有鉆爆法和隧道掘進機法。目前的研究對特長隧道的施工方法中的鉆爆法研究比較少，但是應用又比較多，本文以某特長公路隧道為研究對象對公路隧道巖爆預測和防治方法進行研究。

【關鍵詞】特長隧道，公路隧道，巖爆分析

1.公路隧道巖爆預測

某特長公路隧道具有如埋深大、地應力高等特點。其巖性堅硬并且較脆，這就決定了其巖爆的可能性大大增加。在現(xiàn)場勘測的基礎上，結合對該特長隧道特點的分析，可以得出巖爆的兩個決定性因素包括地應用及巖性。巖性條件指的是儲能性能優(yōu)良的彈脆性巖體，隧道初始應力條件最好是地應力較高。在該項目中，混合片麻巖屬極硬巖，各項指標滿足上述分析的巖爆條件，因此發(fā)生巖爆的可能性較大。

根據(jù)施工經(jīng)驗以及本區(qū)域其它工程相關研究成果，在本試驗段，最大主應力角度近90度，最大主應力的值，地應力較高。最大水平主應力為N34W左右，應力值約12.0MPa～28.0MPa，這一結果和隧道軸線大致相同，這充分說明隧道所受的力主要來自重應力，水平側壓力影響不大。

根據(jù)相關的研究成果以及具體的實踐經(jīng)驗，可以將該特長公路隧道巖爆發(fā)生的臨界條件用下式表示：

式中：Rc-巖石的單軸抗壓強度，MPa；Rt一巖石的單軸抗拉強度，MPa：Wet磷廠巖石的彈性能量指數(shù)，MPa；σt隧道洞壁最大切向應力，MPa，σt=3（σ1～σ3）；kv一巖體的完整性系數(shù)。

根據(jù)巖體及巖塊縱波速計算結果，同時結合有關測試結果，可以得出公路隧道可能發(fā)生的巖爆等級在輕微至中等之間。

如果圍巖內(nèi)部發(fā)生的爆裂聲響較為清脆，巖爆力學機制表現(xiàn)為壓致拉裂型破壞類型，多平行洞壁發(fā)生且僅涉及表層巖體，巖爆巖塊以薄片狀、透鏡狀、板狀等形狀爆裂剝離下來；如果圍巖內(nèi)部發(fā)生的爆裂聲響較為沉悶并且渾濁，則巖爆力學機制主要表現(xiàn)為剪切拉裂型破壞，具有新鮮的楔形、弧形斷口，它持續(xù)時間較長且具有累進性發(fā)育特征，破壞性較大。

2.有限元分析

利用數(shù)值計算的方法可以對巖爆進行較為精確的預測，可以為實踐提供良好的理論指導。在該隧道中，巖性以混合花崗巖、混合片麻巖為主。在隧道開挖中，由于隧道上相關部位的受力更加復雜，同時由于鐵路隧道的施工，巖爆發(fā)生的可能性大大增加。

為了施工安全，提早作好預防措施。率先施工試驗段，從開辟橫通道，此處洞身最大埋深1275.0m，VI類混合片麻巖，彈性模量E為5.4～9.9×104Mpa，干容重Y為2.63～2.75t/m3，內(nèi)摩擦角Ψ為33.9°～38.7°，內(nèi)聚力C為18.9～25.0MPa。根據(jù)彈性力學的理論，選取模型范圍為：橫通道取35m。采用ANSYS6.1計算軟件對隧道正洞和橫通道建立模型并進行有限元分析。采用地層與結構模式進行加載計算。試驗段20通處為Ⅵ類混合片麻巖，其物理力學性質如表2所示。

（1）計算結果

從上述的計算中，可以看出：

①橫通道施工的過程中，在施工至中間時，周圍圍巖應力變化較小，但隨著施工的進行，圍巖應力逐漸增加，特別是在橫通道拱角向上部位。

②對主洞擴展挖掘時，在橫通道邊墻與主洞初襯外側交叉部位的應力較為集中。

③在施工過程中，往西安方向的主洞邊墻附近的應力較為集中。

④在施工過程中，往安康方向的拱頂與墻趾附近的應力較為集中。

⑤在開挖工作結束后，Y方向的變形不顯著，這一現(xiàn)象的出象和20通W類混合片麻巖的脆硬性質存在一定的聯(lián)系。另外橫通道的水平應力較大，豎直應力也較大，主洞邊墻圍巖也存在類似的現(xiàn)象。出現(xiàn)這一結果的原因主要是應力重分布導致的。

（2）預測

①在橫通道施工時，不會出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。但施工至與主洞交叉部位時，在拱角處可能會產(chǎn)生巖爆。

②在主洞進行擴展挖掘過程中，在交叉位置相近處，橫通道邊墻與主洞兩側掌子面均可能產(chǎn)生巖爆。

③在施工過程中，分別在邊墻及拱頂與強制墻趾處可能產(chǎn)生巖爆。

④在整體開挖工作結束后，橫通道產(chǎn)生巖爆的可能性較大。

3.公路隧道巖爆防治方法

根據(jù)我國公路隧道的巖爆特征和地下工程巖爆防治的經(jīng)驗，在終南山公路隧道施工實踐中提出了與表2中巖爆烈度分級相對應的各級巖爆防治措施。

在表1中，在易發(fā)生巖爆部分開挖之后，需要根據(jù)實際情況掛網(wǎng)噴錨支護，從而大幅減少巖爆的可能性；同時，換個角度看，如果進行了掛網(wǎng)噴錨支護，如果發(fā)生巖爆，實際上該作業(yè)即可構成第一道屏障，從而保護了施工人員及施工設備。筆者認為，在初期支護加固圍巖和開挖掘進施工時，采取的措施主要包括：

1、可以根據(jù)實際情況采取分步循環(huán)作業(yè)的方式噴C20混凝土。通常，在進行鉆爆及排煙作業(yè)之后，首先應當進行找頂及找到危石并排除，拱頂先進行一次噴注（混凝土的厚度為5cm）。在初噴完成后，即可進行出碴作業(yè)，這一過程構成了完整的循環(huán)。二次開挖過程中，首先進行砂漿錨桿作業(yè)，再掛鋼筋網(wǎng)，隨后進行二次噴注（混凝土的厚度依然為5cm），再進行鉆爆-排煙-出碴，同時根據(jù)情況進行側邊墻的加固作業(yè)。如果再次開挖，則根據(jù)巖爆的實際情況選擇是否進行補噴，補噴時，混凝土的厚度控制在4至5cm；如果巖爆較為嚴重，則應當對破壞了的鋼筋網(wǎng)進行修補或加掛，從而保障施工時的人員及設備安全。

2、在臺架安裝完畢后，通常即可進行系統(tǒng)錨桿作業(yè)。多年的施工經(jīng)驗表明，對于巖爆易發(fā)部位，錨桿應當短一點，通常在2至3.5m之間，按梅花型進行布置，相對于普通錨桿密度較大，根據(jù)巖爆烈度實際情況確定錨桿的長度及間距。錨桿密度較大的主要原因包括：第一，方便未來掛網(wǎng)施工；第二，能夠有效避免巖爆巖石松脫、剝離等情況的出現(xiàn)；第三，與噴網(wǎng)構成有機整體，有效加固圍巖。

3、在系統(tǒng)錨桿施工完畢后應當立刻進行鋼筋網(wǎng)安裝工作。多年的施工經(jīng)驗表明，在實際施工時，可以不采取原設計時的分片狀掛網(wǎng)方式，而采取掛"整體網(wǎng)"：也就是利用多個長鋼筋與錨桿焊接一起形成骨架，與此同時再將片狀掛網(wǎng)焊接在一起從而構成整體，布置時貼近周壁巖石。這一方法的優(yōu)點包括：由于鋼筋網(wǎng)形成了整體，可以有效避免巖爆時發(fā)生失效的現(xiàn)象；形成的整體網(wǎng)由于連接更加牢固，對于噴、錨、網(wǎng)均有良好的作用。

4、為了增強光面爆破效果，可以采取導洞超前全斷面跟進的方法來進行施工。在選擇炸藥時，應當選擇與硬巖相似的、猛度較高、威力較強的水膠炸藥。對于巖爆發(fā)生可能性非常低的部位，可以增加周邊眼的密度，周邊眼采用20小藥卷不耦合裝藥，以便降低爆破產(chǎn)生的影響。另外增強光面爆破技術管理，從而保障開挖輪廓線圓順，同時降低應力集中的現(xiàn)象。

5、采取一定的方式將部分能量釋放。例如，如果巖爆較為輕微，可以用高壓水對巖石進行沖洗，從而潤濕巖石，釋放部分能量。

6、采取短進尺，多循環(huán)，弱爆破、強支護的措施，以方便找頂，對危石進行有效處理，如果巖爆較為猛烈，應當進行回避，同時施工過程中需要采取適當措施保障施工設備的安全。

7、在開挖面施工后應當立即進行初期支護施工，具體措施是在爆破后，緊接著即將混凝土噴射至拱部及側壁，隨后需要加錨桿及鋼筋網(wǎng)進行初期支護。控制巖層暴露的時間，保障人員及施工設備安全。

參考文獻：

[1]徐則民，黃潤秋.深埋特長隧道及其施工地質災害.西南交通大學出版社，2000.5