白馬鐵礦1600主平硐深埋段巖爆特征與施工對(duì)策

向 世 東

(攀鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，四川 攀枝花　617000)

白馬鐵礦主平硐位于四川省攀枝花市米易縣彎丘鄉(xiāng)境內(nèi),隧洞全長(zhǎng)4 738 m,隧洞開(kāi)挖斷面為44.166 m2～63.119 m2。這里山勢(shì)雄偉,地質(zhì)條件復(fù)雜。經(jīng)地質(zhì)勘察，隧洞分別穿過(guò)黃龍斷層，萬(wàn)年溝斷層，并在隧洞深埋段存在巖爆的可能。1600主平硐2003年12月19日開(kāi)工，于2005年5月14日開(kāi)挖至ZK2+385 m段發(fā)生巖爆。

1　1600主平硐巖爆現(xiàn)象及特征

1.1　巖爆現(xiàn)象

2005年5月14日，1604主平硐開(kāi)挖至ZK2+385 m段時(shí)發(fā)生巖爆現(xiàn)象，拱部出現(xiàn)劈劈啪啪的爆裂聲，隨即片狀巖塊崩出，并沿巖層層面大面積脫落，側(cè)幫也隨后出現(xiàn)片落現(xiàn)象，巖爆片呈舌頭狀、不規(guī)則的片狀物，中間厚，周邊薄，脫落多與巖壁平行，隧道拱頂脫落后的巖面呈筍狀或河流狀，巖石稠密，周邊鋒利。

1.2　巖爆特征

1600主平硐最大埋深約600 m，在發(fā)生巖爆地段，隧道穿越以強(qiáng)度高、巖石較完整的硬質(zhì)巖為主，巖爆從主平硐ZK2+385 m開(kāi)始，至ZK2+398 m本段巖爆結(jié)束，巖爆較為連續(xù)，后又在隧洞掘進(jìn)過(guò)程中，又陸續(xù)出現(xiàn)多段巖爆，強(qiáng)弱不同，總體來(lái)說(shuō)，1600主平硐的巖爆現(xiàn)象主要有以下特征：

1)巖爆均發(fā)生在角閃正長(zhǎng)巖體內(nèi)，圍巖類(lèi)別為Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)，巖石強(qiáng)度高，完整性較好。地表埋深400 m～600 m，屬深埋隧洞段。

2)巖爆在未發(fā)生前無(wú)明顯征兆，也無(wú)空響聲。一般巖爆發(fā)生在掌子面5 m～8 m范圍內(nèi)，是在該位置掘進(jìn)開(kāi)挖后的一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生，距齊頭8 m最為強(qiáng)烈，一般是在3 h～12 h內(nèi)，也有滯后1 d～2 d的，隨著地應(yīng)力值的增加而增強(qiáng)，延續(xù)數(shù)天時(shí)間。

3)巖爆在平硐掌子面與側(cè)壁均有發(fā)生，在1600主平硐中，巖爆開(kāi)始和結(jié)束地段以輕微巖爆為主，發(fā)出較為清脆“啪、啪”的聲響，中間段巖爆較為強(qiáng)烈，發(fā)出的聲響較為沉悶，伴隨著“嘭、嘭”的聲響并夾有其他聲響。

4)巖爆呈劈裂破壞及剪切破壞兩種，總體有爆裂和彈射兩種現(xiàn)象，在1600主平硐中，以彈射這種現(xiàn)象居多，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，其拱部和兩側(cè)邊墻部多有巖爆破壞，拱肩部位也時(shí)有發(fā)生。

5)巖爆區(qū)段一般發(fā)生在隧洞深埋地段，巖石作業(yè)面干燥，巖質(zhì)較硬，可能有巖爆現(xiàn)象發(fā)生，如裂隙發(fā)育、斷層帶、地下水出露的地方，無(wú)巖爆發(fā)生。

2　巖爆原因分析

巖爆經(jīng)常出現(xiàn)在完整性較好；巖質(zhì)較硬的隧道中，作為一種地質(zhì)災(zāi)害對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，在施工過(guò)程中帶來(lái)很大的安全隱患。巖爆包括靜力破壞和片剝兩種基本形式。

在隧道工程中巖爆的產(chǎn)生需要具備：一是圍巖中須存在高儲(chǔ)能體，且其應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度接近，是巖爆產(chǎn)生的內(nèi)在原因，另外存在一些附加荷載是巖爆產(chǎn)生的外在原因。1600主平硐巖爆地段表埋深400 m～600 m，說(shuō)明該地段有較高的地應(yīng)力，有高儲(chǔ)能體的存在，而且?guī)r體強(qiáng)度等級(jí)較大，一旦其內(nèi)應(yīng)力超過(guò)或接近巖體強(qiáng)度，與開(kāi)挖出現(xiàn)的自由臨空面時(shí)，引起應(yīng)力的重新分布，巖爆隨即誘發(fā)，是巖爆發(fā)生的內(nèi)因。而由于圍巖類(lèi)別為Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)，巖石強(qiáng)度高，完整性較好，巖石堅(jiān)硬稠密，使在施工過(guò)程中，爆破藥量增加，且不斷施加到巖體上，導(dǎo)致開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)不斷改變?cè)械膽?yīng)力分布狀態(tài)，圍巖便以巖爆的形式失穩(wěn)，是產(chǎn)生巖爆的外因。

當(dāng)1600主平硐巖爆段隧洞周邊圍巖開(kāi)挖后，其側(cè)壓被卸除，造成巖石重新分布地質(zhì)應(yīng)力，一旦重新分布的地質(zhì)應(yīng)力達(dá)到巖體極限地質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，大量的巖質(zhì)較硬的脆性巖體，隨著隧道開(kāi)挖，使得地質(zhì)應(yīng)力分布，圍巖的地質(zhì)應(yīng)力及能量進(jìn)一步集中，隨即產(chǎn)生巖石地質(zhì)應(yīng)力釋放，圍巖被巖爆破壞，導(dǎo)致劈烈破壞和剪切破壞兩種圍巖失穩(wěn)機(jī)制，巖爆于是產(chǎn)生。

3　1600主平硐巖爆施工對(duì)策

針對(duì)巖爆發(fā)生的原因，同時(shí)結(jié)合1600主平硐施工條件、圍巖地質(zhì)條件、隧道埋深等因素，在隧道施工可能產(chǎn)生巖爆的地段，提前采取積極有效的預(yù)防措施和隧道安全支護(hù)措施，以確保隧道巖爆地段施工安全，最終將巖爆發(fā)生的危害性及可能性降到最低。在1600主平硐巖爆地段采取巖爆施工對(duì)策如下：

1)在施工巖爆地段前，針對(duì)已有水文、地質(zhì)資料，加以分析，首先確定1600主平硐區(qū)域較大地質(zhì)應(yīng)力的數(shù)量、等級(jí)，其次確定施工過(guò)程中易出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象的部位及地段，通過(guò)對(duì)隧道開(kāi)挖施工工藝、支護(hù)型式以及施工順序進(jìn)行優(yōu)化，為隧道施工巖爆的提前預(yù)防、治理提供相應(yīng)的依據(jù)。

2)在隧道施工過(guò)程中，為確定圍巖地質(zhì)應(yīng)力的大小以及巖爆發(fā)生的可能性，尤為重要的是超前地質(zhì)探測(cè)、預(yù)報(bào)，對(duì)隧道超前地質(zhì)探測(cè)過(guò)程形成的地質(zhì)編錄，以及巖石特性描述進(jìn)行詳細(xì)的分析，以判別巖爆高地質(zhì)應(yīng)力可能發(fā)生地段、范圍，并在施工中通過(guò)監(jiān)控測(cè)量工作，以及對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)觀察，用于指導(dǎo)開(kāi)挖和支護(hù)施工，以確保施工安全。

3)降低圍巖地質(zhì)應(yīng)力。

避免隧道巖爆的發(fā)生，可以通過(guò)降低圍巖地質(zhì)應(yīng)力，使圍巖地質(zhì)應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度。在隧道施工中通常采?。阂皇窃谒淼蓝瓷黹_(kāi)挖爆破過(guò)程中，采用“短掘短襯”，控制掘進(jìn)鉆孔深度在2.5 m以下，嚴(yán)格控制爆破技術(shù)，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，同時(shí)在開(kāi)挖過(guò)程中采用拱部掘進(jìn)，以改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。二是在預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生地段，對(duì)導(dǎo)致巖體應(yīng)力集中的地段進(jìn)行破壞，主要有對(duì)圍巖超前鉆孔、巖石松動(dòng)爆破作業(yè)，以在圍巖內(nèi)部形成地質(zhì)應(yīng)力釋放帶，降低隧洞側(cè)壁和掌子面地質(zhì)應(yīng)力，使圍巖較高地質(zhì)應(yīng)力在深部發(fā)生，其采取的措施一般是在掌子面向前鉆5個(gè)～6個(gè)，孔徑45 mm～70 mm，深度為15 m～20 m的鉆孔，若預(yù)測(cè)地質(zhì)應(yīng)力較高，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行松動(dòng)爆破，以達(dá)到提前降低或釋放巖體內(nèi)部應(yīng)力的效果。

4)改善巖爆地段圍巖特性。

在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，為消除或減緩巖爆程度，一般采取在隧道工作面附近巖壁噴水或鉆孔注水的方法，可以改善圍巖、軟化圍巖；通過(guò)加強(qiáng)隧道通風(fēng)，可以降低工作面的溫度，但對(duì)圍巖的穩(wěn)定有一定的影響。

5)加強(qiáng)巖爆地段隧道支護(hù)。

通過(guò)隧道支護(hù)，可以改變圍巖地質(zhì)應(yīng)力分布，使隧道洞壁應(yīng)力發(fā)散分布，以降低隧道掌子面以及兩側(cè)邊墻、拱頂圍巖應(yīng)力大小。即在爆破開(kāi)挖后，先向掌子面及1～2洞徑段內(nèi)圍巖噴射3 cm～5 cm厚C20混凝土封閉巖面，并加設(shè)錨桿及鋼筋網(wǎng)，必要時(shí)加設(shè)鋼花拱進(jìn)行噴射混凝土施工，或者在支護(hù)過(guò)程中采取跳段作業(yè)。在開(kāi)挖過(guò)程一定要減少巖石暴露時(shí)間，開(kāi)挖后立即進(jìn)行初期支護(hù)作業(yè)，以減少巖層接觸空氣時(shí)間。

巖爆地段施工人員和設(shè)備進(jìn)行必要的防護(hù)，保證施工安全。

4　結(jié)語(yǔ)

白馬鐵礦1600主平硐在業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工等各參建單位的大力配合和緊密合作下，深埋高地應(yīng)力巖爆段施工已全部按照控制目標(biāo)安全完成。雖然，在施工白馬鐵礦1600主平硐巖爆段施工中積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但現(xiàn)有的預(yù)測(cè)及防治工作與生產(chǎn)實(shí)際還有一定的差距。由于深埋高地應(yīng)力段巖爆問(wèn)題本身的復(fù)雜性與多樣性，且在長(zhǎng)大隧道地質(zhì)災(zāi)害中具有普遍性，加大對(duì)這類(lèi)隧道發(fā)生巖爆機(jī)理及施工對(duì)策研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐則民，黃潤(rùn)秋.深埋特長(zhǎng)隧道及其施工地質(zhì)災(zāi)害[M].成都：西南交通大家出版社，2000.

[2]譚以字.巖爆形成機(jī)理研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1989(1)：34-37.

[3]李春杰.秦嶺隧道巖爆特征與施工處理[J].世界隧道，1999(1)：36-41.

[4]鐵道部.鐵路隧道施工技術(shù)規(guī)范[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.

[5]中鐵二局集團(tuán)股份有限公司.不良地質(zhì)隧道的開(kāi)挖及支護(hù)技術(shù)研究[M].成都：中鐵二局集團(tuán)股份有限公司，2001.