高地應力、巖爆施工處治技術(shù)在旗桿山隧道工程中的應用

蔣波

（深圳高速工程顧問有限公司，廣東深圳 518034）

1 工程概況

旗桿山隧道右線起訖樁號為YK46+495—YK54+155，長度7660m；左線起訖樁號為ZK46+505—ZK54+141，長度7636m?？v向采用0.5%～2.4%的人字坡，進口采用端墻式洞門，出口采用削竹式洞門。洞內(nèi)設(shè)10處車行橫道、22處人行橫道、2座變電所。

2 高地應力、巖爆處治方案

高地應力區(qū)的地質(zhì)條件特殊，在該環(huán)境下組織開挖作業(yè)時易發(fā)生巖爆現(xiàn)象，即因進行開挖作業(yè)圍巖開始卸荷，出現(xiàn)較為明顯的脆性破壞問題，在該干擾作用下迫使原本存在于巖體的彈性應變能在短時間內(nèi)劇烈釋放，伴有不同程度的爆裂、剝落等現(xiàn)象。巖爆的出現(xiàn)將直接破壞現(xiàn)場正常的施工秩序，存在諸多質(zhì)量隱患和安全隱患，必須采取科學的方法處治[1]。

旗桿山隧道所在區(qū)域的海拔較高，最高海拔約為2018～2245.9m，沿線地形缺乏平整性，自然坡度達45～60°，洞身最大埋深約1304m。現(xiàn)場勘察結(jié)果顯示，K.SQGSCK4鉆孔的最大水平主應力值為25.74MPa，最小水平主應力值為14.84MPa，加之現(xiàn)場自然條件的特殊性（巖體強度、地質(zhì)構(gòu)造）以及施工的擾動性（開挖），潛在巖爆的風險，一旦發(fā)生巖爆將直接阻礙正常施工進度，質(zhì)量問題乃至安全問題相伴而生，嚴重影響隧道工程項目的開展。因此，采取有效的監(jiān)控措施和處治措施至關(guān)重要，是保證隧道施工安全的關(guān)鍵。

2.1 巖爆的主要特點

巖爆是一種破壞性較強的地質(zhì)現(xiàn)象，其主要特點有：

（1）主要集中在新開挖工作面的周邊，尤為常見的是拱部以及拱腰部，兩處的發(fā)生概率較大。

（2）發(fā)生于開挖期間或開挖后，以爆破后的2～3h最為特殊，屬于巖爆的高發(fā)時間段，延續(xù)時間較長，普遍達到1～2個月，特殊情況下甚至可達到1年以上。

（3）發(fā)生前無明顯征兆，存在不可預見性。在現(xiàn)場檢查過程中，即便認為某區(qū)域無石塊掉落的風險，但后續(xù)也有可能發(fā)生巖石爆裂，令工程人員措手不及。

（4）巖爆的規(guī)?？纱罂尚。瘔K由母巖彈出，主要呈現(xiàn)出周邊薄、中間厚的形態(tài)特點，并以片狀為主。

2.2 巖爆的處治

（1）灑水軟化。爆破后，以噴射高壓水的方法處理工作面及其后15m的區(qū)域，此時有利于降低巖石的脆性，進而降低巖爆的強度。通常在輕微以及中等巖爆地區(qū)宜采用灑水軟化的方法，對巖爆有一定的防控效果[2]。

（2）加強臨時支護。較為適宜的是光面爆破技術(shù)，其特點在于消除應力集中現(xiàn)象，使成型洞壁具有較好的圓順性。經(jīng)過開挖后，若條件允許則及時噴射高強混凝土，隨著該類材料的固結(jié)，優(yōu)化圍巖的受力狀態(tài)。按特定的間距在工作面打設(shè)超前錨桿，提高開挖面的穩(wěn)定性。針對巖爆概率較大、程度較深的區(qū)域，可聯(lián)合應用加密錨桿、掛網(wǎng)、噴射混凝土等多重方法，全面增強防護效果。

（3）鉆應力釋放孔。根據(jù)地質(zhì)條件預判可能出現(xiàn)巖爆的部位，在該處打設(shè)適量的空眼，采取此措施后有利于釋放部分圍巖應力，從源頭上降低巖爆的發(fā)生概率；還可向空眼中注高壓水，依托水的滲透作用逐步填充至巖體的裂隙內(nèi)，此時巖體的塑性變形能力有所提高，彈性模量則有降低的變化趨勢。

（4）淺孔弱爆。爆破施工宜采用潛孔爆破的方法，適度減少單次裝藥量和縮短循環(huán)進尺，通過多類措施的聯(lián)合應用減輕爆破對圍巖的擾動性影響，也有利于降低巖爆的發(fā)生概率。

（5）有序開挖。遇巖爆嚴重的區(qū)段時分階段依次施工。根據(jù)隧道斷面的尺寸特點將其劃分為多個開挖部分，以循序漸進的方式逐步釋放應力，具體可采用三臺階七步開挖法，有效防控巖爆現(xiàn)象。

（6）加強監(jiān)控。巖爆發(fā)生后的1h左右?guī)缀踹_到最為激烈的狀態(tài)，后續(xù)隨著時間的延長有緩和的趨勢。有必要加強監(jiān)控，及時掌握巖爆區(qū)段的實際情況，在現(xiàn)場設(shè)立監(jiān)測點，及時采集測點的信息，并安排專員定期巡查，及時發(fā)現(xiàn)問題，以正確的方法處理問題[3]。每完成一次爆破后禁止員工隨即進入現(xiàn)場，需等待一段時間，待巖爆平靜后繼續(xù)開展后續(xù)工作。

3 關(guān)鍵方法

3.1 巖爆地段處治動態(tài)施工

埋深較大的地段易發(fā)生巖爆，此類區(qū)域采取短進尺掘進開挖的方法，單次進尺量控制在1.2～2.5m，并在不影響爆破效果的前提下適當減少藥量以及降低爆破頻率，削弱圍巖應力集中現(xiàn)象。合理協(xié)調(diào)開挖工序，做到全斷面開挖，以免破壞圍巖應力平衡狀態(tài)。

存在類似巖爆現(xiàn)象時，一方面盡快掌握現(xiàn)場情況，以便制定相適應的處置方案，另一方面向掌子面和洞壁處噴灑水，在多重措施并行之下控制巖爆現(xiàn)象。

3.2 巖爆的分等級處治

根據(jù)掌握的信息，對旗桿山隧道可能出現(xiàn)的巖爆現(xiàn)象進行分級，進而采取合適的處治方法，具體如下：

（1）微弱巖爆（I級）：向掌子面和洞壁兩處灑水，按照特定的間距打孔，起到釋放應力的作用。具體如圖1所示。

圖1 微弱巖爆處治（單位：mm）

（2）中等巖爆（II級）：向掌子面和洞壁兩處灑水；噴射混凝土，有效封閉掌子面，厚度為15cm；打孔，用于釋放圍巖的應力。具體如圖2所示。

圖2 中等巖爆處置（單位：mm）

（3）強烈?guī)r爆（Ⅲ級）：向掌子面和洞壁兩處灑水；噴射混凝土，有效封閉掌子面，厚度為15cm；打孔，用于釋放圍巖的應力；掌子面超前加固，材料選用Φ40mm的超前管縫式錨桿，間距2m×2m，梅花形布置。

3.3 設(shè)應力釋放孔

應力釋放孔是削減圍巖應力的關(guān)鍵途徑，孔徑與掘進爆破孔一致，長度至少為開挖進尺的2倍，視實際情況適當增加。在打設(shè)應力釋放孔時著重考慮掌子面中間、周邊兩部分，前者的孔與掌子面呈垂直的位置關(guān)系，后者的孔外插角控制在5～10°；間距無特定的要求，具體根據(jù)實際情況靈活調(diào)整，但對于結(jié)構(gòu)面、裂隙處，原則上不作為應力釋放孔的設(shè)置區(qū)域。

應力釋放孔的應用效果較差時，向掌子面中間的孔裝藥，采取爆破措施解除應力。應力解除爆破的方法主要有兩種，即微差爆破、單獨與掘進孔分開爆破，具體視實際情況而定。

3.4 采取超前支護措施

為給隧道施工創(chuàng)設(shè)良好的條件，先采取超前支護措施。拱部120°范圍內(nèi)設(shè)長度為4.5m的Φ42mm超前小導管，環(huán)向間距40cm，排距2.4m，每排數(shù)量為37支；在小導管的四周設(shè)Φ6mm壓漿孔（尾部1m不做此操作）用于注漿施工；鋼管搭接長度1.5m或適當增加。注漿壓力控制在0.5～1.5MPa，根據(jù)漿液性能以及實際注漿情況靈活調(diào)整。

3.5 安全防護措施

（1）施工人員應規(guī)范作業(yè)，密切關(guān)注所在區(qū)域上方以及周邊圍巖的實際狀況，一旦發(fā)現(xiàn)異常立即采取處理措施，從源頭上規(guī)避問題。

（2）定期清理巖爆段的浮石、危石，以免松動滑落引發(fā)安全事故。

（3）巖爆劇烈且持續(xù)時間較長時應暫停施工，安排施工人員撤離至安全區(qū)域，待現(xiàn)場恢復正常后繼續(xù)施工。

4 結(jié)語

巖爆是高地應力地段隧道施工中較為嚴重的現(xiàn)象，具有破壞性強、持續(xù)時間長、影響范圍廣等特點。為有效處治巖爆，必須從源頭防控做起，遵循因地制宜的原則，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件制定合理的施工方案，采取超前支護、錨桿加固等相關(guān)措施，并在施工期間加強安全檢查，及時排除險情，保證隧道施工安全。