引漢濟(jì)渭輸水隧洞巖爆處置研究

王 新，李彥雄

（1.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安710100；2.陜西裕力騰建設(shè)工程有限公司，陜西 榆林719000）

引漢濟(jì)渭輸水隧洞巖爆處置研究

王 新1，李彥雄2

（1.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安710100；2.陜西裕力騰建設(shè)工程有限公司，陜西 榆林719000）

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞地應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，巖爆成為了阻礙隧洞順利施工以及威脅施工安全的一大障礙。以嶺南4號支洞的開挖段為試驗(yàn)段，采集開挖過程中發(fā)生巖爆的信息，對發(fā)生巖爆的規(guī)模進(jìn)行劃分，提出輕微、中等以及強(qiáng)烈?guī)r爆下的支護(hù)參數(shù)以及應(yīng)力解除爆破參數(shù)。研究表明：微震監(jiān)測技術(shù)在本隧洞的預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)64%。柔性鋼絲網(wǎng)、漲殼式預(yù)應(yīng)力注漿錨桿以及仿纖維噴射混凝土對巖爆的控制具有良好的效果。

輸水隧洞；巖爆；施工方法；支護(hù)參數(shù)

Abstract:The stress of Qinling tunnel is complicated and the rockburst is a major obstacle to the smooth construction of the tunnel and the safety of the construction.The excavation section of Lingnan No.4 is the experimental section,and the information of rockburst during excavation is collected.The scale of rockburst is divided,and the supporting parameters and stress relief under mild,medium and strong rockburst are proposed.Blasting parameters.The results showthat the accuracy of microseismic monitoring technology in the tunnel is 64%.Flexible steel wire mesh,shell-type prestressed grouting anchor and imitation fiber shotcrete have good effect on rockburst control.

Keywords:Water supplytunnel,rock burst,the construction method and the support parameters

0 引言

秦嶺輸水隧洞是引漢濟(jì)渭工程的唯一輸水工程。秦嶺隧洞總長98 km，越嶺段約40 km為TBM施工，其余支洞、主洞均為傳統(tǒng)的鉆爆法施工。隧洞最大埋深2012 m,地應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜。王慶武[1]、吳德興[2]、呂慶[3]、徐則民[4]等學(xué)者均指出巖爆成為了阻礙深埋隧洞順利施工以及威脅施工安全的一大障礙。

巖爆下的隧洞的施工方法引起了大量學(xué)者的關(guān)注。張然[5]針對米糧倉公路隧道的施工情況，提出了其隧道的巖爆預(yù)測方法與預(yù)防建議。劉學(xué)增[6]對隧道巖爆等級的量化進(jìn)行了研究。岳英武[7]，陳紅江[8]針對不同類型的巖爆提出了防治措施。邱道宏[9]，黃成俊[10]針對秦嶺終南山隧道的巖爆進(jìn)行了分類與防治研究。

本文以引漢濟(jì)渭的秦嶺輸水隧洞為工程依托，在隧洞主洞大埋深段施工前，以嶺南工程4號支洞做為試驗(yàn)段，總結(jié)巖爆的規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)。

1 工程背景

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程4號支洞位于秦嶺嶺南高中山區(qū)，山高坡陡，工點(diǎn)范圍內(nèi)地形起伏不平，最大高差約760 m。支洞洞身埋深250～1430 m，最大埋深位于樁號斜47+20位置。圍巖以Ⅱ類花崗巖為主，巖體單軸抗壓強(qiáng)度較高，地下水不發(fā)育。

支洞自樁號斜40+00后，巖爆規(guī)模及頻率有明顯提高，巖爆對施工造成較大影響，經(jīng)參建四方討論確定巖爆試驗(yàn)段長度為200 m，選定樁號為斜

43+05～斜45+05段（垂直埋深 1200～1296 m）。該段巖性為印支期花崗巖，巖石弱風(fēng)化，長大節(jié)理發(fā)育，巖體干燥，巖爆等級強(qiáng)烈且頻發(fā)。4號支洞其余段地質(zhì)狀況和試驗(yàn)段相類似。

2 巖爆規(guī)律與等級劃分

試驗(yàn)段施工中，緊跟掌子面開挖和后方100m左右范圍內(nèi)巖爆產(chǎn)生的悶爆聲一直存在，或大或小，強(qiáng)烈的悶爆聲猶如放炮，較輕微的悶爆聲猶如電雷管被激發(fā)。以下列舉幾處具有代表性的巖爆段施工情況進(jìn)行說明。

斜43+60～斜43+67段發(fā)生輕微-中等程度巖爆，巖爆發(fā)生在左側(cè)墻底板至拱腰位置，伴有掉塊、剝落現(xiàn)象，掉塊和剝落后形成塌腔，塌腔尺寸=7.00 m×3.40 m×0.27 m（長×寬×高），塌腔體積約6.42 m3。并造成正在施鉆的多臂鑿巖臺車受損，恢復(fù)臺車用時(shí)2 d。為確?，F(xiàn)場施工安全，對該段采取錨網(wǎng)噴加強(qiáng)支護(hù)措施進(jìn)行施工。

斜43+77～斜43+83段發(fā)生滯后性較為強(qiáng)烈?guī)r爆，間歇性悶爆聲較大，拱部180°范圍及右側(cè)邊墻上部整體垮塌，垮塌后間歇性掉塊及悶爆聲仍持續(xù)不斷，直至次日2時(shí)才基本穩(wěn)定。坍塌、掉塊形成大的塌腔：長×寬×高=10.68 m×6.0 m×3.3 m，塌腔體積約211.5 m3。并導(dǎo)致樁號斜43+74～斜43+77段拱部120°范圍內(nèi)巖石剝落、掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重。將試驗(yàn)段發(fā)生的巖爆情況統(tǒng)計(jì)并分級如表1所示。

表1 試驗(yàn)段巖爆統(tǒng)計(jì)分級表

3 巖爆段施工方法

3.1 微震監(jiān)測巖爆預(yù)測

該技術(shù)通過對檢測到的微震數(shù)量、等級以及能量大小進(jìn)行分析。能夠準(zhǔn)確確定掘進(jìn)前方地應(yīng)力集中位置。根據(jù)試驗(yàn)段微震監(jiān)測實(shí)施效果來看，總共發(fā)送17份微震監(jiān)測預(yù)報(bào)報(bào)告，預(yù)測準(zhǔn)確率約64%。

3.2 應(yīng)力解除爆破

巖爆段的應(yīng)力集中，從產(chǎn)生位置以及匯聚的能量大小來看具有不統(tǒng)一性，現(xiàn)場根據(jù)不同程度的巖爆按照相應(yīng)的施工參數(shù)對未開挖區(qū)域?qū)嵤?yīng)力解除爆破將集中應(yīng)力提前釋放。

3.3 噴水軟化消除應(yīng)力釋放

在隧洞出渣完成后，開挖前向掌子面噴射純凈水。其可以降低巖石單軸抗壓強(qiáng)度,降低巖爆發(fā)生的幾率和等級。此外及時(shí)噴灑冷水,可以降低周邊圍巖的地溫場，控制巖石在開挖后的過度膨脹，保障了掌子面在開挖過程的安全。

3.4 超前支護(hù)

試驗(yàn)段使用3.5 m的砂漿錨桿做超前支護(hù)，對下循環(huán)開挖斷面的拱部范圍內(nèi)做預(yù)加固，仰角控制在15°左右，與隧洞軸線夾角約27°。其降低了地質(zhì)構(gòu)造弱面的擾動(dòng)，保證開挖成型，避免了石塊墜落。

3.5 開挖成型控制

現(xiàn)場通過每循環(huán)動(dòng)態(tài)優(yōu)化光面爆破的施工參數(shù)，遵循弱爆破、短進(jìn)尺、勤支護(hù)、勤量測的隧洞施工原則，良好的控制了開挖成型，降低隧洞超欠挖，成型效果較之前相比有一定的改觀，巖爆頻次以及規(guī)模也有所減弱。

3.6 加強(qiáng)支護(hù)

對于巖爆段開挖前除了采取必要的應(yīng)力釋放孔、超前應(yīng)力解除爆破、超前支護(hù)外，圍巖開挖揭示后，施加不同的加強(qiáng)支護(hù)。環(huán)節(jié)最為重要，通過與參見各方商討和施工現(xiàn)場摸索巖爆段與非巖爆的支護(hù)參數(shù)見表2。

表2 設(shè)計(jì)與實(shí)際支護(hù)參數(shù)對照表

4 施工中新工藝、新材料的應(yīng)用

4.1 柔性鋼絲網(wǎng)

200 m巖爆試驗(yàn)段采用了對隧洞拱部180°范圍內(nèi)掛設(shè)柔性鋼絲網(wǎng)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，它是由多張鋼絲繩網(wǎng)組成一張巨型大網(wǎng)將整個(gè)隧洞出露巖面包裹，通過現(xiàn)場觀察得出：輕微、中等巖爆產(chǎn)生落石、剝落也只能在柔性鋼絲網(wǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，均勻地傳遞并受力以充分發(fā)揮整個(gè)系統(tǒng)的防護(hù)能力，即局部受載，整體作用，從而使系統(tǒng)能承受較大的荷載并降低單根錨桿的錨固力要求。

4.2 漲殼式預(yù)應(yīng)力注漿錨桿

試驗(yàn)段的應(yīng)用中，漲殼式預(yù)應(yīng)力注漿錨桿與砂漿錨桿相比，有它特有的優(yōu)勢，大幅度縮短錨桿支護(hù)時(shí)間，現(xiàn)場作業(yè)人員短時(shí)間內(nèi)即可完成錨桿支護(hù)環(huán)節(jié)，在巖爆發(fā)生之前施加預(yù)應(yīng)力，可有效的較少因巖爆造成的掉塊、剝落現(xiàn)象，同時(shí)也遏制了巖爆程度向不良的趨勢發(fā)展，在輕微-中等巖爆中能夠發(fā)揮很好的作用。

4.3 仿纖維噴射混凝土

試驗(yàn)段采用跨越型-2000仿纖維噴射混凝土，其仿纖維噴射混凝土回彈率減少至15%（原噴射混凝土回彈率為20%），可以短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)噴射混凝土厚度大幅增加，輕微巖爆破壞噴層掉塊、剝落的現(xiàn)象也大大減少，噴射混凝土與周圍巖石的粘結(jié)強(qiáng)度大大提高，綜合回彈率為8%左右，噴射混凝土支護(hù)可在2分鐘內(nèi)終凝，20分鐘內(nèi)產(chǎn)生其強(qiáng)度，1天強(qiáng)度達(dá)到16 MPa，一次噴射厚度可達(dá)35 cm以上。

5 巖爆支護(hù)參數(shù)建議

5.1 輕微巖爆

（1）開挖外輪廓線外擴(kuò)5 cm。

（2）應(yīng)力解除爆破：孔徑89 mm，孔深5.0 m，拱部120°范圍內(nèi)布設(shè)，孔間距1.2 m，7個(gè)/循環(huán)；孔位與周邊眼相同，孔向：仰角15°；單孔藥量800 g。

（3）節(jié)理發(fā)育時(shí)施做超前錨桿，直徑22 mm，長度3.5 m。

（4）初噴納米仿纖維噴射混凝土5 cm，復(fù)噴至10 cm。

（5）使用直徑22 mm的砂漿錨桿，長度2.5 m，間距1.5 m×1.5 m（環(huán)×縱）；錨桿墊板15 cm×15 cm，厚度 8 mm。

（6）孔徑42 mm的徑向應(yīng)力釋放孔，孔深2.0 m。

5.2 中等巖爆

（1）開挖外輪廓線外擴(kuò)10 cm。

（2）應(yīng)力解除爆破：孔徑89 mm，孔深5.0 m，拱部120°范圍內(nèi)布設(shè)，孔間距0.9 m，9個(gè)/循環(huán)；孔位與周邊眼相同，孔向：仰角 20°；單孔藥量 1000 g。

（3）施做超前錨桿，拱部120°范圍內(nèi)布設(shè)，長度3.5 m，單循環(huán)7根，間距1.2 m。

（4）初噴納米仿纖維噴射混凝土8 cm，復(fù)噴至15 cm。

（5）拱部使用直徑φ25漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿，長度3 m，間距 1.2 m×1.2 m（環(huán)×縱）；錨桿墊板 20 cm×20 cm，厚度10 mm；側(cè)墻22 mm砂漿錨桿，L=2.0 m。

（6）拱部180°鋪設(shè)直徑4mm的柔性鋼絲網(wǎng)，網(wǎng)格間距15 cm×15 cm。

（7）孔徑42 mm的徑向應(yīng)力釋放孔，孔深2.0 m，間距：拱部 180°范圍內(nèi)，間距 1.2 m×1.2 m。

5.3 強(qiáng)烈?guī)r爆

（1）開挖外輪廓線外擴(kuò)25 cm。

（2）應(yīng)力解除爆破：孔徑89 mm，孔深5.5 m，拱部180°范圍內(nèi)布設(shè)，孔間距0.94 m，13個(gè)/循環(huán)；孔位與周邊眼相同，孔向：仰角30°；單孔裝藥 1.2 kg。

（3）施做超前錨桿，拱部150°范圍內(nèi)布設(shè)，長度3.5 m，單循環(huán)10根，間距1.05 m。

（4）初噴納米仿纖維噴射混凝土10 cm，復(fù)噴至25 cm。

（5）安設(shè)I16型鋼拱架，拱架間距1.0 m/榀；22 mm連接筋環(huán)向間距100 cm；拱墻鋪設(shè)8 mm圓鋼網(wǎng)片，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm；單榀拱架鎖腳錨桿8根，L=2.5 m，22 mm螺紋鋼砂漿錨桿。

6 結(jié)論

（1）試驗(yàn)段與主洞地質(zhì)狀況相似，根據(jù)試驗(yàn)段情況可將本工程巖爆分為：輕微、中等和強(qiáng)烈三類。

（2）微震監(jiān)測技術(shù)在本隧洞的預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)64%，可以較為有效的進(jìn)行巖爆的準(zhǔn)確預(yù)測。

（3）新材料對巖爆防治能起到關(guān)鍵性作用：仿纖維噴射混凝土在對裸露圍巖進(jìn)行及時(shí)封閉，防止巖體進(jìn)一步剝落、掉塊起到了很大的遏制效果；柔性鋼絲網(wǎng)能夠在很大程度上有效攔截由于二次巖爆剝落的石塊、石渣等；φ25漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿在中等巖爆中能夠快速、高效地進(jìn)行支護(hù)，為盡早封閉圍巖贏得了充足的時(shí)間。

[1]王慶武，巨能攀，杜玲麗，黃健，胡勇.深埋長大隧洞巖爆預(yù)測與工程防治研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2016，(06)：88-94+100.

[2]吳德興，楊健.蒼嶺特長公路隧洞巖爆預(yù)測和工程對策[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005,(21):167-173.

[3]呂慶，孫紅月，尚岳全，陳侃福，徐國鋒.深埋特長公路隧洞巖爆預(yù)測綜合研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，（16）:2982-2988.

[4]徐則民，黃潤秋，范柱國，吳培關(guān).長大隧洞巖爆災(zāi)害研究進(jìn)展[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2004，(02):16-24.

[5]張然，王金安，馬海濤.米倉山深埋公路隧洞巖爆預(yù)測與防治對策研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013，（06）:1406-1411.

[6]劉學(xué)增，蘇云帆.隧洞施工巖爆安全評價(jià)量化指標(biāo)體系研究[J].公路交通科技，2010，(11):88-93.

[7]岳英武.隧洞巖爆分類及防治對策[J].西部探礦工程，2009，(02):143-144.

[8]陳紅江，李夕兵，張毅.基于集對分析法的巖爆烈度分級預(yù)測研究[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，（04）:10-14.

[9]邱道宏，陳劍平，張秉鶴，肖云華.深埋長大公路隧洞巖爆預(yù)測及防治研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，（06）:950-955+961.

[10]黃成俊.秦嶺終南山特長公路隧洞鉆爆法快速施工技術(shù)探討[D].西南交通大學(xué),2003.

Study on Rock Burst Disposal of Water Conveyance Tunnel of Hanjiang River

Wang Xin,Li Yanxiong

（Shaanxi Province,cited the Yangtze River EngineeringConstruction Co.,Ltd Xi’an 710100,Shaanxi Shaanxi Yu Li TengConstruction EngineeringCo.,Ltd Yulin 719000,Shaanxi）

U458.1

A

1673-9000（2017）05-0115-03

2017-06-21

王新(1980-)，男，陜西富平人，工程師，主要從事水利水電工程建設(shè)管理工作。