超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工技術(shù)分析

韋 猛，李勁鋒，童 源

（成都理工大學(xué)，四川 成都 610059）

我國建設(shè)工程在對巖爆產(chǎn)生的類型、原因、激烈強(qiáng)度、等級(jí)、預(yù)防治理等都有一定的研究成果。當(dāng)前在隧道工程施工中，施工方經(jīng)常會(huì)面臨復(fù)雜多變的工程地質(zhì)條件和巖體性質(zhì)，這會(huì)對超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工造成諸多不便。為此，研究巖爆問題的過程中要基于實(shí)際工程背景進(jìn)行項(xiàng)目研究，此次研究便結(jié)合北京—昆明高速公路中的一段隧道施工，系統(tǒng)地探討了該隧道施工中巖爆的預(yù)測研究和巖爆防治工程措施。

1 超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工工程概況

該高速公路隧道位于北京—昆明高速路段，為雙線分離式隧道，隧道的工程理論設(shè)計(jì)車速為80km/h，當(dāng)前隧道的左線總長度為9800m，右線總長度為10007m，隧道在施工過程中可采用單口掘進(jìn)的方式，向前開拓約5000m。當(dāng)前該隧道是亞太地區(qū)單口掘進(jìn)長度最長的隧道之一，隧道在施工過程中的最大埋深達(dá)到1648m，為中國之最。但在該隧道的施工過程中，施工方發(fā)現(xiàn)隧道施工中地質(zhì)情況極容易產(chǎn)生異變，隧道埋深段在施工中易產(chǎn)生高地應(yīng)力，這給施工帶來了一定的安全隱患。

2 超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工技術(shù)

2.1 超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工技術(shù)原理

超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工中主要是通過弱化周邊圍巖應(yīng)力條件，防止在施工中出現(xiàn)巖爆事件。防止巖爆的主要方法如下：超前小導(dǎo)洞開挖法、短臺(tái)階施工法、優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)、動(dòng)臂噴水或鉆孔注水、提前釋放高地巖體應(yīng)力、隧道內(nèi)部噴射鋼纖維混凝土等。

2.2 超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工技術(shù)方案

在超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工中，施工方首先需要測試高地應(yīng)力環(huán)境下的圍巖地應(yīng)力和巖體的強(qiáng)度，在不同的超深埋隧道高地應(yīng)力巖埋深條件下進(jìn)行巖體壓力檢測，進(jìn)而預(yù)判巖爆的程度。施工方在實(shí)際的操作中可以采用脹殼式錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過該結(jié)構(gòu)與不規(guī)則鉆孔面結(jié)合施工，將圍巖區(qū)域徹底鎖死。同時(shí)在施工中還可以采用噴射混凝土的方式，向巖體噴涂超細(xì)沸石粉，使混凝土可以在第一時(shí)間快速凝結(jié)，進(jìn)而起到支護(hù)作用。

3 超深隧道高地應(yīng)力巖爆施工中防巖爆方法

3.1 臺(tái)階法或超前導(dǎo)洞法

當(dāng)前在我國軌道交通施工中大部分施工單位均通過臺(tái)階法或超前導(dǎo)洞法防止巖爆現(xiàn)象的發(fā)生，在施工中采用該方法可以避免隧道開挖引起的高應(yīng)力，且不會(huì)對周邊圍巖造成影響。根據(jù)有關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，隧道開發(fā)施工中圍巖中的應(yīng)力最集中區(qū)域?yàn)樗淼乐行膮^(qū)域，因而在分部開挖的過程中，施工方需要嚴(yán)格控制隧道的開發(fā)半徑，有效減小開發(fā)過程中所影響的圍巖區(qū)域，同時(shí)也可以減小圍巖中所釋放的彈性性能區(qū)域，防止巖爆現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)前大量的工程實(shí)踐證明，采用超前導(dǎo)洞法對輕微巖爆具有良好的防控作用。

3.2 光面爆破技術(shù)

在超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工中采用光面爆破技術(shù)需要設(shè)計(jì)科學(xué)合理的爆破方案，通過縮短孔間距，將爆破炮眼的間距控制在50cm以下，并將爆破藥卷的直徑控制在20cm，對于爆破過程中的起爆雷管數(shù)量，可以根據(jù)工程的實(shí)際應(yīng)用適量增多，嚴(yán)格控制爆破過程中所采用的爆藥量，避免在爆破過程中對周邊的圍巖產(chǎn)生干擾。同時(shí)施工方還需要對參與爆破工作的施工人員進(jìn)行事前培訓(xùn)活動(dòng)，在培訓(xùn)中需做好安全交底工作，強(qiáng)化隧道施工人員的作業(yè)素質(zhì)。

4 超深隧道高地應(yīng)力巖爆施工質(zhì)量控制措施

4.1 改善地層的力學(xué)性質(zhì)

在超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工中，施工方想要改變施工區(qū)域自然沉積土的某一力學(xué)性質(zhì)，就需要采用灌漿技術(shù)來改變施工區(qū)域的自然沉積土力學(xué)性質(zhì)。如施工方在超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆的挖掘過程中遭遇了大面積的粉細(xì)砂巖地層，而粉細(xì)砂巖地層會(huì)對施工中的挖掘工作產(chǎn)生不良的影響，不及時(shí)處理會(huì)造成整體工程的進(jìn)展滯后。施工方通過灌漿技術(shù)改變粉細(xì)砂巖的力學(xué)性質(zhì)，在具體的施工中施工方通過分析西單地鐵車站的構(gòu)造結(jié)構(gòu)，推斷出粉細(xì)砂巖地層的覆蓋厚度在5.2～6.7m。若該車站屬于繁華商業(yè)區(qū)施工的超淺埋暗挖車站，施工人員為了保護(hù)地鐵挖掘過程中地面上方的建筑物不會(huì)受到地鐵挖掘過程中的影響，避免發(fā)生地面沉降的事故，可在地鐵挖掘的施工中采用雙側(cè)壁施工工藝，通過大管棚和小導(dǎo)管進(jìn)行超前灌注施工，使施工區(qū)域的土層固結(jié)度達(dá)到0.57～0.82MPa。同時(shí)施工方還可在滲透系數(shù)為3.1×103～4.4×103cm/s的粉砂地質(zhì)層注入適量的水玻璃、工業(yè)硫酸、水碳酸氫鈉混合漿液，通過將這樣的漿液注入粉砂地質(zhì)層，使粉砂地質(zhì)層在15～45min開始凝固，這樣不僅可以有效提升施工區(qū)域地質(zhì)層的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)還可以將施工區(qū)域地面的沉降控制在3～15cm以下。

4.2 對流沙層進(jìn)行灌漿施工

當(dāng)超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工中出現(xiàn)流沙層時(shí)，如施工方不及時(shí)處理流沙層，則容易造成超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆開挖洞口的塌陷。為此，在施工過程中，施工方需要對超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工中的流沙層進(jìn)行灌注漿施工，這樣可以有效防止流沙層在施工中發(fā)生坍塌事故。例如：在我國合肥的地鐵2號(hào)線施工過程中，位于大東門的地鐵站共有上下4層，其中地下的3層與主隧道站臺(tái)緊緊聯(lián)系在一起，施工方在施工過程中采用南北斜隧道為單動(dòng)馬蹄形的結(jié)構(gòu)進(jìn)行開挖。在進(jìn)行隧道開挖的過程中，由于隧道多為平直斷，因此開發(fā)過程中沒有遇到其他問題，開挖至隧道斷面呈上半層時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一條寬為1.7m的細(xì)粉沙帶地質(zhì)層。這條地質(zhì)層中含水量豐富同時(shí)與周邊的地表水有著密切的聯(lián)系，在開發(fā)過程中一旦將該地質(zhì)層挖斷，就會(huì)發(fā)生涌砂現(xiàn)象，從而導(dǎo)致地質(zhì)層整體發(fā)生坍塌事故。施工方為了保證施工過程的安全性，需要對該地質(zhì)層進(jìn)行灌漿施工。在施工過程中對流沙層采用超前小導(dǎo)管灌漿，在灌漿的過程中現(xiàn)場人員通過將水泥漿與水玻璃進(jìn)行1.5∶1的比例配合，然后將配置好的漿液灌入流沙層中，該漿液在3～5min便會(huì)發(fā)生凝結(jié)，可以確保在隧道的施工中不會(huì)發(fā)生涌砂現(xiàn)象，同時(shí)通過灌漿技術(shù)還可以進(jìn)一步穩(wěn)固施工區(qū)域的土質(zhì)，這樣可明顯提升施工區(qū)域中的土層承受地面車輛荷載能力，從而保障超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工中的安全性。

4.3 提高錨桿抗拔力

在超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工中，通過灌漿施工技術(shù)可以有效提高隧道施工中的錨桿抗拔力。目前在國內(nèi)外工程界為了增大超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工中錨桿錨固段的直徑，施工方通常會(huì)采用爆破擴(kuò)樁法、機(jī)械擴(kuò)樁法和灌漿法，通常錨桿的固體直徑直接取決于灌漿量的大小程度。有關(guān)調(diào)查顯示，灌漿量在0.2m3時(shí)，相應(yīng)的擴(kuò)散半徑可以達(dá)到8.4cm，注漿壓力為0.25MPa，錨桿抗拔力為375kN；灌漿量在0.25m3時(shí)，相應(yīng)的擴(kuò)散半徑可以達(dá)到9.3cm，注漿壓力為0.25MPa，錨桿抗拔力為396kN；灌漿量在0.3m3時(shí)，相應(yīng)的擴(kuò)散半徑可以達(dá)到10.4cm，注漿壓力為0.42MPa，錨桿抗拔力為465kN等。由此可見，超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工中錨桿的抗拔力會(huì)隨著灌注漿量的增大而隨之增大，同時(shí)隨著灌注銷量的增大，有效半徑的面積也會(huì)隨之增大。但在實(shí)際施工中，靠近灌注泥漿區(qū)域的漿液擴(kuò)散主要以滲透為主，而在漿液擴(kuò)散較大范圍內(nèi)的地層固結(jié)度顯著偏低。例如：在我國成都地鐵4號(hào)線江南西車站出入口進(jìn)行施工的過程中，施工方為了保證基坑靠近建筑物一側(cè)的邊坡具較高的穩(wěn)定性，施工方在靠近建筑物的邊坡附近設(shè)置了相應(yīng)的錨索。其中，在施工過程中設(shè)置南站廳基坑維護(hù)樁底部直徑為5mm，預(yù)應(yīng)力錨索長度為1.5m，該預(yù)應(yīng)力錨索所在施工中的角度為15～30°，錨索的鉆孔直徑達(dá)到130mm。在施工中施工方采用靜壓注漿法，通過注入大量的水泥砂漿，可將基坑邊沿最大地表下沉量控制在8mm以下，進(jìn)而有效保證地鐵站區(qū)域大樓的安全。

5 結(jié)束語

文章通過研究北京—昆明高速公路區(qū)域的超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工處置措施，證明了在超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工中光面爆破作業(yè)、超前導(dǎo)洞法、臺(tái)階法在應(yīng)用中的可行性。此外，通過對隧道巖爆易發(fā)生段開展實(shí)地調(diào)研活動(dòng)，可以避免在超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工中出現(xiàn)工序返工問題，降低在超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工中生長的安全風(fēng)險(xiǎn)和施工成本，從而保障隧道施工中超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆施工作業(yè)可以安全、高效、快速完成，進(jìn)而促進(jìn)我國區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。