高地應(yīng)力隧道施工安全預(yù)防處理

王應(yīng)權(quán)

（中鐵十七局集團(tuán)有限公司，山西 太原030006）

巖爆是指在深埋地下施工過程中一種常見的動(dòng)力破壞現(xiàn)象，當(dāng)物體受到了大量的高彈性應(yīng)變時(shí)，會(huì)破壞巖體結(jié)構(gòu)的平衡導(dǎo)致巖爆出現(xiàn)，使得巖石脫落噴出，這是較難預(yù)測的，也具有非常強(qiáng)大的破壞性。會(huì)給施工人員和機(jī)械設(shè)備造成巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，巖爆現(xiàn)象也會(huì)對(duì)類似交通水利礦山等地下工程建設(shè)帶來危害，影響發(fā)展。本文將分析巖爆的發(fā)生和形態(tài)，并結(jié)合具體的施工措施以及預(yù)防措施進(jìn)行分析。

1 地層應(yīng)力分析

首先對(duì)地層條件的應(yīng)力進(jìn)行分析，隧道的主要應(yīng)力是由構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力相結(jié)合，與隧道夾角約為53 度，利用應(yīng)力測試結(jié)果得到應(yīng)力分布的回歸方程，并估算了相應(yīng)的隧道應(yīng)力大小。由于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和壓力容易發(fā)生巖爆，有一個(gè)清晰的聲音為巖塊和區(qū)域巖石脫落，這會(huì)導(dǎo)致早期的開裂，尤其在相交處的復(fù)合應(yīng)力非常大，所以巖爆經(jīng)常會(huì)發(fā)生，一般表現(xiàn)為巖體脫落。巖爆彈射巖體聲音比較大，沒有相應(yīng)的措施將會(huì)對(duì)施工產(chǎn)生較大的影響。

從工程地質(zhì)研究的角度來看，從巖爆的工程實(shí)際統(tǒng)計(jì)，巖石破裂容易引發(fā)在新鮮和完整的紋理上。紋理樣貌相對(duì)復(fù)雜，含水量較少，且具有非常少的裂縫。例如砂巖、花崗巖、閃長巖、石灰?guī)r等，同時(shí)具有良好的儲(chǔ)能條件，當(dāng)爆破時(shí)，其彈性形變量將會(huì)更大，發(fā)生巖爆的可能性也會(huì)越大，這樣的情況往往會(huì)發(fā)生在高埋深地下工程上。

2 導(dǎo)致塌方原因

隧道塌方是指隧道施工掌子面開挖后，在重力作用下，部分或全部巖體發(fā)生塌方的一種地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。通過調(diào)查，將隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)分為地形、地質(zhì)因素、設(shè)計(jì)因素、開挖因素、施工因素和監(jiān)測因素等六種因素。惡劣的地形地質(zhì)條件，隧道工程地質(zhì)條件復(fù)雜地層覆蓋較薄的斷面，通過有地表水源如水庫、水庫、溝、溝等地區(qū)，當(dāng)巖體、膨潤土層、淺埋段、流砂層和嚴(yán)重偏壓段長期受地下水浸泡時(shí)，開挖后極易發(fā)生塌方。

目前普遍認(rèn)為，巖爆坍塌是在隧道開挖后，原始圍巖的完整性被人為破壞，原有的機(jī)械平衡系統(tǒng)被破壞，形成了“圍巖”空化后，圍巖應(yīng)力分布引起圍巖應(yīng)力調(diào)整，調(diào)整后的圍巖應(yīng)力超出其極限承載力極易形成巖爆。除了巖體的初始應(yīng)力外，圍巖的巖性和產(chǎn)狀也決定了崩塌風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。近年來的資料，對(duì)隧道施工塌方的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，一般隧道巖爆塌方與施工條件及設(shè)計(jì)提供的處置方法是相關(guān)的。

3 巖爆條件

一般的巖爆風(fēng)險(xiǎn)都發(fā)生在深埋地區(qū)或者是高低應(yīng)力地區(qū)，在圍巖中，其飽和抗壓極限小于30 兆帕，在力學(xué)性能方面，圍巖強(qiáng)度可以承受的重量而引起形變，或者能夠抵抗圍巖的破壞，圍巖一般不會(huì)出現(xiàn)大變形。隧道圍巖中的某些礦物與水發(fā)生反應(yīng)后發(fā)生膨脹，這也就造成了隧道大變形的一個(gè)重要原因。其次是支撐條件，在一般情況下，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)不足以提供相應(yīng)的支護(hù)力，無法獲得較好的形變，而當(dāng)有效的束縛沒有時(shí)，巖體就開始發(fā)生形變，因此必須采用正確的支撐結(jié)構(gòu)。防護(hù)支撐的質(zhì)量和及時(shí)的支護(hù)也可以在很大程度上科學(xué)地進(jìn)行控制，而相反支護(hù)措施如果不利的話，施工方法不科學(xué)，支撐質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，即使在較好的地質(zhì)條件下也不容易保證安全，反而更容易產(chǎn)生較大的圍巖形變，所以如果支撐太少或者支撐不及時(shí)，支撐應(yīng)用不科學(xué)的工法時(shí)，這將不能夠保證足夠的支撐力，從而使圍巖變形，不能得到及時(shí)的控制而造成大形變的災(zāi)害。

沖擊是由巖體強(qiáng)度、巖體狀態(tài)或者巖體應(yīng)力組成的，其狀態(tài)形變特征、巖石結(jié)構(gòu)、地層巖性強(qiáng)度、地下工程布置以及施工等因素綜合產(chǎn)生的結(jié)果。而隧道施工過程中巖爆風(fēng)險(xiǎn)主要產(chǎn)生滿足兩個(gè)條件，第一個(gè)是有足夠的形變力，第二則是有足夠的應(yīng)力集中。

4 巖爆預(yù)測方法

在我們的施工過程中，我們必須要進(jìn)行圍巖的量測檢測。例如形變檢測、應(yīng)力檢測等等，采集巖爆前后巖石的各個(gè)物理參數(shù)，并進(jìn)行總結(jié)分析。而對(duì)于傳統(tǒng)的地質(zhì)預(yù)測手段，例如紅外探測、地質(zhì)雷達(dá)等，由于目前工作設(shè)備的限制不能很好地反映巖體的情況，再結(jié)合其他類似的工程，如采用先進(jìn)的微震監(jiān)測、地質(zhì)預(yù)測方法，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)前方圍巖應(yīng)力的檢測。在發(fā)生巖爆的概率位置和大小進(jìn)行分析，以便提前采取措施，保證工程的安全可靠進(jìn)行。

微震監(jiān)測系統(tǒng)主要通過聲學(xué)、地震學(xué)、地球物理學(xué)以及強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)計(jì)算功能，對(duì)微震事件進(jìn)行準(zhǔn)確的定位分析。對(duì)于該系統(tǒng)來說，其工作原理是在外界的作用下，在彈性材料的內(nèi)部進(jìn)行檢測，由于彈性材料內(nèi)部產(chǎn)生局部彈性能，伴隨著彈性的發(fā)生就會(huì)有彈力波和應(yīng)力波，這樣我們就可以實(shí)時(shí)地利用繪圖機(jī)和在三維空間中進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示。

5 巖爆的治理措施

為了保證高地應(yīng)力隧道施工的安全可靠，進(jìn)行巖爆隧道施工應(yīng)堅(jiān)持以下幾個(gè)原則。要提前預(yù)防采取積極的措施進(jìn)行建設(shè)。確保巖爆地區(qū)的施工是安全可靠的，并且降低巖爆的危害。巖爆隧道的施工過程中，首先，需要提前進(jìn)行灑水來降溫釋放形變能。將最大形變力傳遞深部，用高壓注水來降低和軟化巖體。高壓注水產(chǎn)生了新的裂痕，這樣就可以降低巖體儲(chǔ)存的應(yīng)變力。其次是改善圍巖物理的性能，經(jīng)常性在施工掌子面和巖石壁上噴灑冷水，這樣會(huì)降低巖體表面的強(qiáng)度。

施工前期，首先我們需要進(jìn)行培訓(xùn)并對(duì)培訓(xùn)效果進(jìn)行鑒定以及檢查相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。其次對(duì)機(jī)械裝備的適應(yīng)性以及操作規(guī)程進(jìn)行相應(yīng)的檢查。第三對(duì)現(xiàn)場施工人員需要進(jìn)行崗前培訓(xùn)實(shí)行，持證上崗，并配備必要的安全防護(hù)用具。

在開挖時(shí)，對(duì)于開挖的方式以及爆破的方法要嚴(yán)格控制，要隨時(shí)做好巖爆情況監(jiān)控。及時(shí)核對(duì)施工區(qū)域與設(shè)計(jì)文件的符合性情況進(jìn)行鑒定。在工程監(jiān)控量測方面要掌握掌子面的穩(wěn)定情況，測量器材的布置以及測量的頻率要求。

監(jiān)控量測制度以及信息反饋等要及時(shí)處理，量測人員必須要按照規(guī)定進(jìn)行量測，并做好相應(yīng)的辨識(shí)分析，為控制巖爆施工災(zāi)害提供依據(jù)。

6 結(jié)論

目前的高地應(yīng)力（巖爆）工程施工與安全問題已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注。為了保證施工安全，要提高地應(yīng)力隧道施工規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)能力，需要通過綜合各種技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)。文章中對(duì)巖爆隧道的風(fēng)險(xiǎn)安全與現(xiàn)場管理進(jìn)行了一定的技術(shù)分析，對(duì)施工中災(zāi)害產(chǎn)生的原因也提出了相關(guān)防范措施的建議。目前對(duì)巖爆產(chǎn)生的機(jī)理及防護(hù)措施雖然有了一定的認(rèn)識(shí)，但還需要進(jìn)一步的研究和深入分析，以及大量的工程實(shí)踐來綜合制定防范措施。