高速公路特長(zhǎng)隧道施工巖爆的防治技術(shù)

岳云霄

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京　100176 )

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高速公路特長(zhǎng)隧道施工巖爆的防治技術(shù)

岳云霄

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京100176 )

摘要:重慶至長(zhǎng)沙高速公路白云隧道工程深埋段施工面臨巖爆問(wèn)題。為降低該隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)，本文總結(jié)了巖爆發(fā)生的規(guī)律、分類(lèi)和預(yù)測(cè)方法，并從施工組織、加快圍巖中高地應(yīng)力的釋放、避讓巖爆危險(xiǎn)、控制開(kāi)挖進(jìn)尺與控制爆破、加強(qiáng)初期支護(hù)等五個(gè)方面闡述了施工過(guò)程中所采用的巖爆防治技術(shù)。

關(guān)鍵詞:隧道施工巖爆高地應(yīng)力防治技術(shù)

多數(shù)特長(zhǎng)隧道的中段，由于洞身埋置深度大，圍巖的整體性好，施工中往往會(huì)有巖爆發(fā)生。這是因?yàn)樗淼赖膰鷰r被深埋在地下，聚集了很高的地應(yīng)力，一旦在圍巖中開(kāi)挖隧道，開(kāi)挖面四周的巖層突然卸載，圍巖內(nèi)聚集的高地應(yīng)力瞬間被釋放，因而巖層會(huì)發(fā)生片狀、塊狀突然爆裂而被拋射出去，這就是所說(shuō)的巖爆［1］。巖爆的發(fā)生具有突發(fā)性，拋射的方向、遠(yuǎn)近、巖塊的形狀、大小均難以預(yù)測(cè)，拋射出來(lái)的巖塊對(duì)施工人員的安全構(gòu)成極大的威脅，還可能砸壞施工機(jī)械和設(shè)備，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

1　巖爆發(fā)生的規(guī)律

綜合施工中的經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家們的著述，發(fā)現(xiàn)巖爆的發(fā)生有以下規(guī)律［1］:

1)巖爆一般發(fā)生在隧道埋深較大(例如＞800 m)的圍巖之中。圍巖埋置很深，具有很高的地應(yīng)力，隨著隧道的開(kāi)挖，圍巖內(nèi)聚集的高地應(yīng)力得到瞬間釋放，才會(huì)發(fā)生巖爆。說(shuō)明圍巖的埋置深度越大，巖爆發(fā)生的可能性就越大。

2)巖爆一般發(fā)生在整體性好、級(jí)別高、比較硬脆的圍巖之中，如花崗巖、石灰?guī)r、石英巖等圍巖中發(fā)生巖爆的幾率高。說(shuō)明巖爆的發(fā)生與圍巖的巖性有直接關(guān)系。

3)斷層破碎帶和裂隙、節(jié)理比較發(fā)育的圍巖之中巖爆一般不會(huì)發(fā)生。說(shuō)明巖爆的發(fā)生與圍巖的構(gòu)造有直接關(guān)系。

4)相同條件下(埋置深度、巖性、構(gòu)造等)，比較干燥的圍巖發(fā)生巖爆的幾率高，而地下水豐富的地段幾乎不會(huì)發(fā)生巖爆。這說(shuō)明巖爆的發(fā)生與圍巖的干燥程度有直接關(guān)系。

5)隧道開(kāi)挖面比較圓順，光面爆破效果比較好的地段，發(fā)生巖爆的烈度明顯比超、欠挖較大的地段要低。說(shuō)明巖爆的發(fā)生與隧道開(kāi)挖面的圓順程度有較大的關(guān)系。

6)巖爆發(fā)生概率高的地段大致在距掌子面3倍開(kāi)挖寬度的范圍內(nèi)。距掌子面越近，巖爆越易發(fā)生，距掌子面越遠(yuǎn)，隧道開(kāi)挖的時(shí)間越長(zhǎng)，高地應(yīng)力經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的釋放，巖爆發(fā)生的概率就越低。

7)在開(kāi)挖面上，巖爆易發(fā)生的部位主要在拱部和邊墻的上部，距地面越高，發(fā)生巖爆的概率越高。

8)巖爆發(fā)生的時(shí)間規(guī)律為:①?gòu)恼谱用骈_(kāi)挖爆破起3 h以?xún)?nèi)，巖爆頻繁發(fā)生，次數(shù)多，強(qiáng)度大。一直到開(kāi)挖爆破7 d以?xún)?nèi)，巖爆仍然不斷發(fā)生，次數(shù)和強(qiáng)度雖然有些減弱，但其危害仍然存在。從掌子面開(kāi)挖爆破起7 d以?xún)?nèi)一般稱(chēng)為巖爆嚴(yán)重期。②從開(kāi)挖爆破7 d 到2個(gè)月之內(nèi)，雖然巖爆的次數(shù)和強(qiáng)度都減小了，但巖爆仍然會(huì)時(shí)有發(fā)生。這段時(shí)間一般稱(chēng)為巖爆的延續(xù)期。③從掌子面開(kāi)挖爆破起2個(gè)月以后，圍巖高地應(yīng)力基本得到釋放，巖爆發(fā)生的概率很低。2個(gè)月以后一般稱(chēng)為巖爆的穩(wěn)定期。④隨時(shí)間的發(fā)展，巖爆由拱部、邊墻的表層逐漸向巖層深處發(fā)展，表現(xiàn)為巖層內(nèi)部的崩裂(巖層內(nèi)部的悶響)。

9)巖爆發(fā)生時(shí)，巖層內(nèi)部會(huì)發(fā)出爆裂的聲響。當(dāng)發(fā)出清脆的撕裂聲時(shí)，巖層內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生因壓致拉的爆裂類(lèi)型。此時(shí)巖爆僅發(fā)生在圍巖的表層，爆裂縫平行于巖壁，爆裂出來(lái)的巖塊呈片狀。當(dāng)發(fā)出沉悶的爆裂聲時(shí)，巖層內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生因壓致剪切拉裂的爆裂類(lèi)型。此時(shí)爆裂出來(lái)的巖塊呈塊狀，爆裂后巖面上能看到楔形、弧形的裂口，裂口處有明顯的擦痕。一般前一種爆裂持續(xù)時(shí)間短，破壞性小些，后一種爆裂持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

2　巖爆的分類(lèi)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖爆的類(lèi)型劃分和烈度劃分意見(jiàn)尚不一致。通過(guò)總結(jié)白云隧道巖爆發(fā)生段施工經(jīng)驗(yàn)，本文把巖爆的烈度劃分為三種:①較弱型巖爆，掌子面爆破后圍巖內(nèi)部的爆烈聲響不大，爆裂出來(lái)的巖塊塊徑不大、數(shù)量不多，多以掉落的形式出現(xiàn)。②中強(qiáng)型巖爆，掌子面爆破后圍巖內(nèi)部有放鞭炮似的清脆爆烈聲響，爆裂后形成的巖坑直徑可以大到1～2 m，爆裂出來(lái)的巖塊數(shù)量較多，多以彈射的形式出現(xiàn)。③較強(qiáng)型巖爆，掌子面爆破后圍巖內(nèi)部有巨大的爆裂聲響，爆裂后形成的巖坑直徑很大，甚至大到2 m以上，爆坑連續(xù)，爆裂出來(lái)的巖塊數(shù)量很多，多以高速?gòu)椛涞男问匠霈F(xiàn)，石塊多有銳利的尖角。

3　巖爆的預(yù)測(cè)

巖爆的預(yù)測(cè)方法較多［2-3］，典型的如RUSSENS的應(yīng)力強(qiáng)度比法、KIDYBINSKI的彈性應(yīng)變能指數(shù)法、陶振宇的強(qiáng)度應(yīng)力比法、張志強(qiáng)和關(guān)寶樹(shù)的應(yīng)力強(qiáng)度比法等。通過(guò)施工實(shí)踐，筆者認(rèn)為張志強(qiáng)和關(guān)寶樹(shù)的應(yīng)力強(qiáng)度比法應(yīng)用起來(lái)較為簡(jiǎn)單、方便。該法是用洞壁最大切向應(yīng)力(σθmax)和巖石單軸抗壓強(qiáng)度(σc)之比來(lái)確定巖爆發(fā)生的烈度。當(dāng)σθmax/σc＜0. 15時(shí)一般會(huì)發(fā)生較弱型巖爆或不發(fā)生巖爆，當(dāng)其在0. 15～0. 25時(shí)一般會(huì)發(fā)生中強(qiáng)型巖爆，當(dāng)其＞0. 25時(shí)一般會(huì)發(fā)生較強(qiáng)型巖爆。

4　白云隧道巖爆防治技術(shù)

重慶至長(zhǎng)沙高速公路白云隧道工程，設(shè)計(jì)為上下行分離雙洞四車(chē)道高速公路隧道，左線(xiàn)隧道長(zhǎng)7 097. 897 m，右線(xiàn)隧道長(zhǎng)7 120 m。隧道最大埋深1 286 m，埋深超過(guò)800 m的段落長(zhǎng)度約有860 m。

白云隧道中段的圍巖以厚層石灰?guī)r、灰?guī)r為主，巖層產(chǎn)狀呈厚層狀構(gòu)造，巖體呈大塊砌體結(jié)構(gòu)，巖石完整性較好，孔隙度較低，裂隙率較小，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，風(fēng)化程度低，自穩(wěn)性較好，基本上無(wú)地下水。

該隧道巖爆發(fā)生段施工過(guò)程中發(fā)生中強(qiáng)型巖爆的地段較長(zhǎng)，約占巖爆發(fā)生段總長(zhǎng)度的63% ;較弱型巖爆地段較少，約占總長(zhǎng)度的30% ;較強(qiáng)型巖爆地段最少，約占總長(zhǎng)度的7%。巖爆烈度的段落分布與隧道的埋置深度有直接關(guān)系。巖爆段的兩端多發(fā)生較弱型巖爆，隧道的埋置深度一般在800～950 m，中強(qiáng)型巖爆一般發(fā)生在埋置深度950～1 200 m段，較強(qiáng)型巖爆地段集中在巖爆段的中部，隧道的埋置深度一般＞1 200 m。

施工過(guò)程中使用了文獻(xiàn)［4］介紹的ESG型微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和實(shí)施方法對(duì)巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)。

文獻(xiàn)［5］規(guī)定，巖爆發(fā)生段隧道施工過(guò)程中必須遵循“以防為主、防治結(jié)合”的原則。根據(jù)對(duì)巖爆發(fā)生規(guī)律的分析，施工過(guò)程中采取了以下巖爆防治措施。

1)加強(qiáng)施工組織

巖爆發(fā)生段施工過(guò)程中，全天必須有項(xiàng)目部負(fù)責(zé)人在掌子面值班;組建安全監(jiān)控組;對(duì)所有參建人員進(jìn)行巖爆防治的安全教育;落實(shí)防治工作所需要的材料、設(shè)備等。

2)加快圍巖中高地應(yīng)力的釋放

①用潛孔鉆機(jī)在掌子面上鉆5～8個(gè)、長(zhǎng)10～30 m、直徑70～90 mm的超前鉆孔，使圍巖中的高地應(yīng)力提前得到釋放。

②在進(jìn)入較強(qiáng)型巖爆段后，改變開(kāi)挖方法，將原來(lái)采用的全斷面開(kāi)挖法改為先在斷面的下部開(kāi)挖一個(gè)5 m(寬)×4 m(高)的下導(dǎo)坑，下導(dǎo)坑完成以后再返回來(lái)擴(kuò)大斷面。下導(dǎo)坑的開(kāi)挖不但能使圍巖中的高地應(yīng)力提前得到釋放，還因?yàn)閷?dǎo)坑的斷面小，可以減輕巖爆飛石造成的危害，處理危石也比大斷面方便。這樣處理后，施工中基本上沒(méi)有發(fā)生較強(qiáng)的巖爆，只發(fā)生一些輕微的巖爆。施工中下導(dǎo)坑的實(shí)際開(kāi)挖長(zhǎng)度為70 m。下導(dǎo)坑開(kāi)挖過(guò)程中，為避開(kāi)巖爆的強(qiáng)烈爆發(fā)，可以采取先護(hù)頂、再出砟的施工方法。具體做法是:開(kāi)挖爆破→在有薄鋼板防護(hù)的情況下，先從遠(yuǎn)處向暴露出來(lái)的拱、墻和掌子面噴射冷水→用噴射機(jī)械手對(duì)拱、墻、掌子面噴射一層厚70 mm左右、C25鋼纖維混凝土→打拱部和邊墻上部的安全防護(hù)錨桿，掛細(xì)目鋼絲網(wǎng)→出砟→補(bǔ)做邊墻下部的安全防護(hù)錨桿，掛細(xì)目鋼絲網(wǎng)。

③在較弱型和中強(qiáng)型巖爆地段，在掌子面上向前和向拱、墻四周鉆長(zhǎng)10 m，φ70 mm的孔，向鉆孔中高壓注水，同時(shí)向掌子面和拱、墻四周?chē)鷰r表面噴灑冷水。這些措施能夠軟化圍巖，加快圍巖的應(yīng)力釋放，減輕巖爆發(fā)生的烈度。

④采用松動(dòng)爆破或震動(dòng)爆破的方法，在圍巖內(nèi)部造成裂縫，也能使圍巖中的高地應(yīng)力提前得到釋放。

3)避讓巖爆的措施

①由于從掌子面爆破起3 h以?xún)?nèi)巖爆發(fā)生最為頻繁，因此，在此時(shí)段內(nèi)停工以避免傷人事故。

②在巖爆發(fā)生段施工時(shí)，掌子面處配置專(zhuān)職的安全防護(hù)員，負(fù)責(zé)觀(guān)察、記錄巖爆發(fā)生情況，監(jiān)聽(tīng)圍巖內(nèi)部的爆烈聲響，觀(guān)察拱、墻表面圍巖的變化，結(jié)合ESG型微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)巖爆進(jìn)行判斷，遇有險(xiǎn)情立即鳴哨警戒，并組織掌子面上的施工人員迅速撤離。

③在較弱型和中強(qiáng)型巖爆地段施工時(shí)，采取一些防護(hù)措施，如在鉆孔臺(tái)車(chē)、運(yùn)輸車(chē)輛、裝砟機(jī)上安裝防飛石的薄鋼板、在拱部和邊墻上部打臨時(shí)錨桿并掛細(xì)目鋼絲網(wǎng)、使用噴射機(jī)械手對(duì)易發(fā)巖爆的拱腰和拱腳等處噴一層厚6～8 cm，C25的鋼纖維混凝土等。

④在較強(qiáng)型巖爆發(fā)生段的下導(dǎo)坑中，打@ 1. 0 m× 1. 0 m、長(zhǎng)2. 5 m、φ50 mm的楔管式錨桿，帶墊板，掛細(xì)目鋼絲網(wǎng)，防止飛石傷人。必要時(shí)可以采取超前支護(hù)、掌子面噴護(hù)、增加鋼架支撐等防護(hù)措施。

4)控制開(kāi)挖進(jìn)尺和控制爆破措施

巖爆發(fā)生段施工過(guò)程中必須控制開(kāi)挖進(jìn)尺。全斷面開(kāi)挖時(shí)每循環(huán)進(jìn)尺不超過(guò)2 m。爆破作業(yè)采用光面爆破和預(yù)裂爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制裝藥量，減少超欠挖，盡量使開(kāi)挖面圓順，避免巖面出現(xiàn)突起和尖銳棱角，加強(qiáng)找頂和清理危石，減少巖爆發(fā)生的條件。

5)加強(qiáng)初期支護(hù)

加強(qiáng)初期支護(hù)，用系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)、噴射混凝土封閉巖面，是防止巖爆發(fā)生的根本辦法。

不同巖爆類(lèi)型加強(qiáng)初期支護(hù)的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1不同巖爆類(lèi)型加強(qiáng)初期支護(hù)參數(shù)

5　結(jié)語(yǔ)

白云特長(zhǎng)公路隧道中段施工中，在長(zhǎng)約860 m的段落發(fā)生了巖爆。施工過(guò)程中通過(guò)總結(jié)已有的巖爆發(fā)生規(guī)律研究成果，并吸取其它施工單位的成功經(jīng)驗(yàn)，提出了一套巖爆防治技術(shù)，有效降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，順利地完成了施工任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

［1］邊鵬飛，趙宗志．蒼嶺隧道施工巖爆預(yù)防與防治［J］．公路交通技術(shù)，2009( 2) : 137-139．

［2］張韶華．隧道施工中巖爆形成機(jī)理及防治措施［J］．甘肅科技，2009( 10) : 114-115．

［3］張志強(qiáng)，關(guān)寶樹(shù)，翁漢民．巖爆發(fā)生條件的基本分析［J］．鐵道學(xué)報(bào)，1998，20( 4) : 82-85．

［4］李方利．強(qiáng)巖爆隧道施工技術(shù)［J］．國(guó)防交通工程與技術(shù)，2012( 2) : 55-58．

［5］鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院．TZ 204—2008鐵路隧道工程施工技術(shù)指南［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2008．

(責(zé)任審編李付軍)

Prevention-and-treatment technologies against rockburst in super-long tunnel on expressway

YUE Yunxiao

( China Railway 19th Bureau Group Corporation，Beijing 100176，China)

Abstract:T unnel deeply buried section construction of Chongqing-changsha baiyun tunnel engineering faced the problem of rockburst．T o reduce the safety risk of construction，rockburst rules，classification and prediction methods were summarized in this paper．Prevention-and-treatment technologies against rockburst in baiyun tunnel engineering were introduced from 5 aspects including construction plan，accelerating the release of high ground stress in surrounding rocks，avoiding rockburst hazard，excavation footage control and blasting control，and strengthening primary support．

Key words:T unnel construction; Rockburst; High ground stress; Prevention-and-treatment technologies

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 02-0066-03

作者簡(jiǎn)介:岳云霄( 1968—)，男，高級(jí)工程師。

收稿日期:2015-08-11;修回日期: 2015-11-20

中圖分類(lèi)號(hào):U455．4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．16