深埋隧道巖爆預(yù)測和防治措施

張 波

(福建路橋建設(shè)有限公司 福建福州 350014)

1 花瓶山隧道概況

1.1 工程概況

位于福州市馬尾區(qū)亭江鎮(zhèn)白眉村花瓶山隧道長4376.5m，埋深最大達(dá)410m(圖1)，左右洞隧道出口段V、IV級圍巖為小凈距，其余為分離式。隧道進(jìn)口段位于直線上，洞身位于半徑2560m和2600m的平曲線和直線段上，出口位于半徑2500m和3100m平曲線上。隧道縱坡均為2%，路面橫斷面不設(shè)超高。隧道襯砌內(nèi)輪廓凈空采用曲墻三心圓，隧道建筑界線:行車寬度:3×3.75m;左右側(cè)向?qū)挾葹樽?.5m、右0.75m;檢修道寬度為2×0.75m;隧道凈寬14m，建筑限界凈高為5m，檢修道凈高為2.5m(圖2)。隧道開挖凈寬15.912m，凈9.07m;主要工程數(shù)量:開挖土石方:1050779m3;混凝土:209359m3;鋼筋 5089056kg;防水板258566m2。巖爆的劇烈程度與洞室埋深基本對應(yīng)，花瓶山隧道右洞巖爆較嚴(yán)重地段樁號為YK22+016及YK22+612距洞口距離為1257m、1853m，相對應(yīng)埋深為214m、315m。花瓶山隧道左洞巖爆較嚴(yán)重地段樁號為ZK22+050及ZK22+616m，相對應(yīng)埋深為216m、317m。

圖1 花瓶山隧道縱斷面圖

圖2 花瓶山隧道橫斷面一般布置圖

1.2 地質(zhì)、水文情況

花瓶山隧道區(qū)屬低山丘陵地貌，山體走向大致呈南北向，地表植被發(fā)育，地形起伏變化大，下緩上陡。根據(jù)地址調(diào)繪及鉆探結(jié)果，隧道洞身圍巖主要由燕山晚期侵入花崗巖及其風(fēng)化層，微風(fēng)化花崗巖，屬堅(jiān)硬巖，巖體較完整，洞身整體圍巖的級別以Ⅱ～Ⅲ級，部份為Ⅳ～Ⅴ級，對隧道洞身圍巖的穩(wěn)定較有利。進(jìn)出口端節(jié)理裂隙密集處及構(gòu)造破碎帶圍巖的級別以Ⅳ～Ⅴ級，對圍巖穩(wěn)定不利。隧道最大埋深約410m，深部圍巖為微風(fēng)化花崗巖，為堅(jiān)硬巖，巖體裂隙稍發(fā)育～不發(fā)育，巖體較完整～完整，巖體呈塊狀～大塊狀。

花瓶山隧道位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面之上，山坡坡體較陡，未見大地地表水經(jīng)過，地表水總體較貧乏。隧道K21+000右側(cè)500m～1000m見呈條狀狹長的白眉水庫，本隧道洞底標(biāo)高大于該水庫水面標(biāo)高20m以上，水庫對本隧道無影響。主要地下水為:

(1)基巖風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水:賦存于第四系坡殘層底部及砂土狀-碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖層的網(wǎng)狀裂隙中，受大氣降水的影響，對隧道進(jìn)、出口圍巖及施工有影響。

(2)基巖裂隙水:洞身圍巖主要為微風(fēng)化巖，風(fēng)化節(jié)理不發(fā)育，與洞身水力聯(lián)系小。地下水微具腐蝕性。設(shè)計(jì)該隧道單洞正常涌水量為2798.61m3/d，最大涌水量為5662.17m3/d。

2 巖爆成因及物理特征

2.1 巖爆成因

深埋隧道圍巖較完整、堅(jiān)硬，處在高應(yīng)力區(qū)，當(dāng)隧道掘進(jìn)時(shí)，由于圍巖應(yīng)力會(huì)突然釋放，巖體自選破裂并拋出，即稱之為巖爆現(xiàn)象，對現(xiàn)場施工人員和機(jī)械設(shè)備存在較大的安全威脅，并會(huì)對隧道初期支護(hù)造成破壞?；ㄆ可剿淼郎盥穸螄鷰r為花崗巖，最大埋深H=410m，容重γ=26kN/m3，單軸飽和抗壓強(qiáng)度σc=90MPa。最大豎向主應(yīng)力σmax=γH=10.7MPa。測區(qū)最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)為1.25，最小水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)為1.1，水平最大主應(yīng)力 σh=1.25MPa，σmax=13.4MPa，水平最小主應(yīng)力σh=1.1 MPa，σmax=11.8MPa。為堅(jiān)硬巖，巖體較完整～完整，巖體呈塊狀 ～大塊狀，水平最大主應(yīng)力 σmax=13.4MPa，接近0.15σc=0.15×90=13.5MPa，此外，深埋圍巖各向同性差形成的應(yīng)力多變性、深切溝谷處可能存在應(yīng)力集中，以及本隧道工程的開挖凈空較大等因素，是花瓶山隧道可能發(fā)生巖爆的主要成因。

2.2 巖爆的物理特征

(1)巖爆多發(fā)生在掌子面及1～3倍洞徑范圍，距齊頭20m左右最為強(qiáng)烈，也有滯后200m的;爆裂的石塊需經(jīng)過一段時(shí)間后才從母巖彈射或自由下落，石塊較大，形狀呈中間厚、四周薄的貝殼狀，其長與寬的尺寸相差并不懸殊，周邊厚度則參差不齊。常見于導(dǎo)坑的頂部，也有在兩側(cè)壁發(fā)生的。拱部和兩側(cè)邊墻部位相對居多，其次是拱肩，與巖體應(yīng)力狀況有關(guān)。

(2)斷裂帶兩側(cè)或軟弱結(jié)構(gòu)面附近往往形成局部應(yīng)力集中區(qū)，故兩側(cè)硬巖中巖爆現(xiàn)象較為明顯，而斷層帶部位一般不發(fā)生巖爆。在不同巖性軟硬相間的巖層中，硬質(zhì)巖容易發(fā)生巖爆。巖爆區(qū)段一般較為干燥，有地下水出露的地方不容易發(fā)生巖爆。

3 對隧道巖爆采取的預(yù)防和應(yīng)對措施

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

3.1.1 超前探孔

采用超前鉆探方法，沿掘進(jìn)方向布置扇形超前鉆孔，在隧道掌子面開挖地面以上1.5m位置，左右兩側(cè)各鉆1孔，中間各鉆3孔(圖3)，探孔直徑Ф90mm，孔深度5～6m，每2次循環(huán)交替鉆進(jìn)，通過探明前方圍巖地質(zhì)狀況，對照隧道地質(zhì)勘察報(bào)告的巖石特性，通過觀察(一聽響聲，二看位置，三看方向)找出可能發(fā)生巖爆的前兆，總結(jié)本工程圍巖在鉆探過程中的物理響應(yīng)，形成較準(zhǔn)確的掌子面前方巖爆存在與否的預(yù)測。

圖3 花瓶山隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)鉆眼分布圖

3.1.2 地質(zhì)素描

對已開挖的掌子面和左右邊墻揭示的圍巖產(chǎn)狀、巖性等進(jìn)行觀察、地質(zhì)素描，分析判斷前方10～20m范圍的圍巖情況，以判斷是否可能存在巖爆。每一個(gè)開挖循環(huán)都要作地質(zhì)素描，以確保分析判斷的連續(xù)性。

3.2 應(yīng)力集中解除方法

3.2.1 消除圍巖集中應(yīng)力

在掌子面上利用地質(zhì)鉆機(jī)或液壓鉆孔臺車施打超前鉆孔，鉆孔直徑為45mm，每循環(huán)布置4～8個(gè)孔，深度5～10m。必要時(shí)也可以增設(shè)拱頂徑向應(yīng)力釋放孔，鉆孔方向應(yīng)垂直巖面，間距數(shù)十厘米，深度1～3m不等。若預(yù)測到的地應(yīng)力較高，可在超前探孔中進(jìn)行松動(dòng)爆破或?qū)⑼暾麕r體用小炮震裂，或向孔內(nèi)壓水，以消除擬掘進(jìn)行圍巖范圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.2.2 噴注高壓水

(1)在掌子面或附近洞壁上打孔，利用炮眼和錨桿孔向巖層表面噴水和深部巖體注水，使水滲到巖體的內(nèi)部空隙中，人為改變圍巖的強(qiáng)度和彈性模量，從而提高巖體塑性變形能力，減緩巖爆。

(2)爆破后立即向掌子面及未清除的巖石堆內(nèi)毛洞周邊噴射高壓水，以改變巖石表面物理力學(xué)性質(zhì)，降低巖石脆性、增強(qiáng)塑性，達(dá)到減弱巖爆烈度的目的。另外將圍巖表面沖洗干凈也便于進(jìn)行檢查和降塵，此法一般用于輕微或中等程度巖爆。

(3)對已開挖成形的邊墻和頂拱，噴護(hù)的混凝土和開挖成形掌子面必須及時(shí)噴灑水，以降低其脆性，增強(qiáng)抵抗地應(yīng)力變形的能力，以避免巖爆發(fā)生。

3.3 施工工藝的優(yōu)化

(1)采用光面爆破掘進(jìn)施工中，對地應(yīng)力較高、可能出現(xiàn)巖爆的地段，要遵循"短進(jìn)尺、弱爆破"的原則，盡量降低對圍巖的撓動(dòng)，以確保巖爆地

段的施工安全。加強(qiáng)監(jiān)測，采取增加向掌子面噴水次數(shù)、鉆地應(yīng)力釋放孔、增設(shè)錨桿、掛網(wǎng)、噴射混凝土等措施，盡快穩(wěn)定圍巖。

(2)在巖爆嚴(yán)重地段，將全斷面一次開挖改為分步開挖，可以使應(yīng)力逐步釋放。采用光面爆破技術(shù)，遵循“短進(jìn)尺，弱爆破”。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)到開挖輪廓線圓順。避免凹凸不平造成應(yīng)力集中，以達(dá)到減弱巖爆發(fā)生的強(qiáng)度。嚴(yán)格控制裝藥量，根據(jù)圍巖情況和爆破效果及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，減小炮眼間距和裝藥量，平均單眼裝藥量控制在0.55～0.65 kg/m3，確保爆破效果，降低對圍巖的擾動(dòng)。對光面爆破造孔質(zhì)量，要嚴(yán)格控制，降低局部地段突變發(fā)生的可能，達(dá)到改善圍巖應(yīng)力條件的目的，嚴(yán)防破壞性巖爆的發(fā)生。

(3)加強(qiáng)初期支護(hù):

a)輕微巖爆區(qū)實(shí)施全斷面光面爆破開挖，循環(huán)進(jìn)尺不得超過3m，爆破、通風(fēng)、找頂后洞壁、掌子面應(yīng)灑水三遍，每遍相隔5～10分鐘，使開挖面充份濕潤，灑水噴頭水柱不小于10m。打洞壁環(huán)向應(yīng)力釋放孔:孔徑Φ45mm，深3m，間距1.5×1.5m，掛網(wǎng)噴射混凝土初期支護(hù)，打Φ25×5mm漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿長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)壓住在噴射混凝土上。

b)中等巖爆區(qū)實(shí)施全斷面光面爆破開挖，循環(huán)進(jìn)尺不超過3m。必要時(shí)作超前30～50m導(dǎo)洞，導(dǎo)洞直徑不大于5m，可起到巖爆超前預(yù)報(bào)和釋放地應(yīng)力的作用。初期支護(hù)與輕微巖爆區(qū)實(shí)施全斷面光面爆破開挖相同。

c)對于中等以上的巖爆洞段，在鉆爆時(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，對圍巖進(jìn)行軟化，從而人為提前加快圍巖的應(yīng)力釋放。

(4)監(jiān)控量測:通過對圍巖和初期支護(hù)的監(jiān)控量測，分析拱頂下沉、凈空收斂、錨桿測力計(jì)以及多點(diǎn)位移計(jì)讀數(shù)的變化，可以量化預(yù)測滯后發(fā)生的深層巖爆，用于指導(dǎo)開挖和支護(hù)的施工，并提前做出安全預(yù)警。

4 施工安全措施

4.1 防護(hù)措施

(1)巖爆一般在爆破后1h左右比較激烈，以后則逐漸趨于緩和，多數(shù)發(fā)生在1～3倍洞室直徑范圍以內(nèi)，所以躲避也是一種行之有效的方法;對無法移動(dòng)的設(shè)備，則應(yīng)進(jìn)行必要的遮擋防護(hù)。如:臺車和其他設(shè)備上安裝防護(hù)網(wǎng)、防護(hù)棚架，在開挖工作面及附近的巖爆部分加掛鐵絲網(wǎng)，防止巖爆出現(xiàn)時(shí)發(fā)生彈射和巖石塊墜落傷人和損壞機(jī)具設(shè)備事件。

(2)在巖爆易發(fā)地段，爆破后一段時(shí)間，要停機(jī)回避。觀察掌子面的巖爆位置、強(qiáng)度、類型、數(shù)量及聲響等，要在專職安全員確認(rèn)安全后，人員和設(shè)備方可進(jìn)入作業(yè)。作業(yè)過程中若聽到有異響或看到巖屑掉落等，要馬上將人員和設(shè)備撤離到安全地帶待避。

(3)巖爆頻發(fā)地段應(yīng)采用帶蓬簡易臺架作業(yè)，掘進(jìn)作業(yè)要機(jī)動(dòng)靈活，要事先規(guī)劃好緊急情況下人員、設(shè)備的撤離路線，所有作業(yè)、檢查人員必須全部配備勞保用品。

4.2 安全培訓(xùn)及預(yù)案

(1)安全總監(jiān)要督促工程技術(shù)人員，對巖爆段施工做出專項(xiàng)安全技術(shù)交底，對全體施工人員進(jìn)行巖爆段施工安全知識培訓(xùn)，嚴(yán)格按安全技術(shù)交底的要求組織施工。專職安全員要在施工現(xiàn)場監(jiān)督作業(yè)人員嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)技術(shù)和安全操作規(guī)程。

(2)制定巖爆段施工安全應(yīng)急預(yù)案，備足搶險(xiǎn)物資，危險(xiǎn)地段增設(shè)照明并設(shè)醒目標(biāo)志，標(biāo)明逃生路線，并定期組織演練。

(3)加強(qiáng)現(xiàn)場安全巡檢，組織巖爆預(yù)防、搶險(xiǎn)小組，派有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)工人跟班監(jiān)察掌子面前后50 m范圍內(nèi)巖爆險(xiǎn)情，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)發(fā)出警報(bào)，有序撤離作業(yè)人員和機(jī)械設(shè)備。

5 結(jié)束語

本人在參與花瓶山隧道全過程施工技術(shù)管理中，在施工開挖過程中產(chǎn)生不同程度強(qiáng)度等級的巖爆，施工安全、工程質(zhì)量、工期和環(huán)境有重大影響，對巖爆的預(yù)測、防治和安全措施是本工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對穿越深埋隧道巖爆段取得了較全面的施工經(jīng)驗(yàn)，特別對巖爆的超前地質(zhì)預(yù)報(bào);消解圍巖內(nèi)的應(yīng)力集中;隧道施工工藝的優(yōu)化和安全防護(hù)措施等方面，積累了一些施工經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)歸納總結(jié)成文，供各位同仁在參與類似工程建設(shè)中參考。

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