巴玉隧道施工中巖爆風(fēng)險動態(tài)管控措施

韓侃 楊文斌 陳賢豐 王秉勇

（1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000；2.中鐵十二局集團第二工程有限公司，太原 030000；3.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070；4.中國中鐵科學(xué)研究院有限公司，成都 611731）

1 工程概況

巴玉隧道位于藏南谷地，隧址區(qū)地面標(biāo)高3 260～5 500 m，高差達2 300 m，為典型的高山峽谷地貌。隧道起訖里程為DK190+388—DK203+461，巴玉隧道為重難點控制性工程，全長13 073 m。隧址區(qū)地層以花崗巖、閃長巖等堅硬巖石為主，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，最大埋深2 080 m，存在巖爆、放射性、危巖落石、凍害等不良地質(zhì)，特別是巖爆問題突出，施工安全風(fēng)險極大，屬于Ⅰ級風(fēng)險隧道。

巴玉隧道正洞預(yù)測巖爆段共計12 242 m，占其長度的94%，其中輕微巖爆段4 106 m，中等巖爆段5 922 m，強烈?guī)r爆段2 214 m。巖爆發(fā)生的強度、持續(xù)時間、頻率不一，形態(tài)多樣，在世界隧道施工史上均屬罕見。為有效應(yīng)對隧道巖爆，對掌子面前方的地應(yīng)力、巖爆預(yù)警和預(yù)防、巖爆等級進行深入分析，探討高原隧道巖爆施工風(fēng)險動態(tài)管控措施。

2 隧道巖爆定義、分類及危害

2.1 巖爆的定義、分類

巖爆是高地應(yīng)力區(qū)隧道開挖后巖體內(nèi)部存儲的應(yīng)變能突然釋放，或者是原本處于極限平衡狀態(tài)的巖體由于外部擾動，開挖臨空面巖塊劇烈彈射或脫離母巖的動力學(xué)現(xiàn)象。隧道開挖前后，圍巖處于高應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)力超過巖石強度時巖爆現(xiàn)象會突然發(fā)生［1］。

依據(jù)巖石單軸抗壓強度Rc、最大主應(yīng)力σ1和洞壁最大切向應(yīng)力σmax，將巖爆劃分為4個等級：輕微巖爆、中等巖爆、強烈?guī)r爆、劇烈?guī)r爆［2］。巖爆預(yù)判標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 巖爆預(yù)判標(biāo)準(zhǔn)

隧道掌子面的巖性條件和巖層地應(yīng)力的大小是產(chǎn)生巖爆的2個決定性因素。巖爆的發(fā)生必須在巖體中先存儲能量再釋放能量，直到巖體最終被破壞并脫離母巖。因此，巖爆是否發(fā)生及其表現(xiàn)主要取決于巖體中是否儲存有足夠的能量，是否具有釋放能量的條件和方式［3］。

2.2 巖爆發(fā)生位置、危害及等級判定

2.2.1 巖爆發(fā)生位置

巖爆在未發(fā)生前并無明顯的預(yù)兆，但在隧道開挖施工時突然發(fā)生，大部分巖爆發(fā)生在掌子面及后方2～3 個洞徑范圍內(nèi)，有時在掌子面后方幾百米處仍會發(fā)生。巖爆發(fā)生時間主要集中在爆破后2～6 h。巖爆發(fā)生時巖石呈棱片狀、薄片狀、塊狀和板狀，伴隨著劈啪聲和清脆的爆裂聲，巖體深處偶有悶雷聲傳出，零星間斷或持續(xù)時間較長（有的巖爆持續(xù)數(shù)天）。巴玉隧道隨著掘進的進行，埋深越來越大，正洞各掌子面均已進入中等或強烈?guī)r爆區(qū)域，施工中巖爆頻發(fā)，嚴(yán)重影響施工生產(chǎn)安全與進度［4］。

通過對已發(fā)生巖爆事件的大量統(tǒng)計，巴玉隧道巖爆常發(fā)生在地質(zhì)結(jié)構(gòu)較完整的Ⅱ級和Ⅲ級圍巖段和構(gòu)造應(yīng)力較集中的破碎帶。據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，巖爆發(fā)生部位以拱腰為主，占比75%以上，邊墻、掌子面、拱頂發(fā)生概率較小。

2.2.2 巖爆的危害

①巖爆彈射的石塊對施工現(xiàn)場作業(yè)人員的身體和心理都會造成傷害；②對大型機械設(shè)備如鉆孔臺車、濕噴機、挖掘機、裝載機、自卸車等施工機械造成損壞，維修和更換設(shè)備的頻率增加；③中等及強烈?guī)r爆地段，伴隨著拱頂、拱腰垮塌，施工安全風(fēng)險增加；④巖爆發(fā)生時，作業(yè)人員及機械設(shè)備需要停機等待，造成工效嚴(yán)重降低，工期不可控；⑤巖爆產(chǎn)生的爆坑，引發(fā)的垮塌區(qū)域，需要鋼拱架、鋼筋網(wǎng)片、混凝土等填充，造成材料浪費成本增加［5］。

2.2.3 巖爆等級的判定

施工過程中對硬巖段的巖性、巖石的物理力學(xué)性能、地應(yīng)力、開挖、爆破方式等因素進行綜合分析，綜合考慮巖爆的發(fā)生范圍、影響深度、巖石形態(tài)及運動特征、持續(xù)時間、危害程度等多方面因素，參考微震監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場地質(zhì)條件，結(jié)合已有的巖爆判據(jù)判定巖爆等級［6］。

3 隧道巖爆段施工措施

3.1 輕微巖爆段

在巴玉隧道進口DK190+997—DK191+047，DK191+237—DK191+287 等段落，經(jīng)巖爆預(yù)測發(fā)生輕微巖爆的概率為88.1%，無巖爆的概率為11.9%，說明有輕微巖爆的風(fēng)險。

開挖至DK191+020—DK191+030 和DK191+248—DK191+275 段時，掌子面發(fā)出輕微噼啪聲、撕裂聲，巖體表面出現(xiàn)分層、松脫、剝離現(xiàn)象，持續(xù)時間短，對施工干擾小，人員機械停機，等待應(yīng)力釋放。

現(xiàn)場采取的措施：①開挖每循環(huán)不得超過3 m，盡可能全斷面開挖，一次成型，減小對圍巖的擾動。②及時在掌子面和洞壁噴灑高壓水，灑水量在0.8～1.2 m3∕m，降低圍巖應(yīng)力。③在巖爆發(fā)生段落拱墻布設(shè)長2 m?22的砂漿錨桿，環(huán)向和縱向間距均為1.5 m。錨桿注漿材料使用普通硅酸鹽水泥或者硅酸鹽和砂子（要求粒徑小于2.5 mm），水灰比0.38～0.45，膠骨比1∶0.5～1∶1，且砂漿強度等級不應(yīng)小于M20。④在巖爆發(fā)生段落拱墻布設(shè)?6 鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm。采用厚8 cm 錨網(wǎng)噴射混凝土支護，混凝土必須滿足設(shè)計的強度、厚度及其與巖面黏結(jié)力要求。

采取錨網(wǎng)噴支護后，由于加入了鋼纖維，初噴混凝土強度和整體性得到了提高，有利于抵抗輕微巖爆造成的破壞，深入巖層的系統(tǒng)錨桿可將巖體黏結(jié)起來，增加巖體強度，抵抗巖體張裂破壞［7-8］。

3.2 中等巖爆段

在巴玉隧道進口DK191+439—DK191+489、出口DK201+443—DK201+493 等段落，經(jīng)巖爆預(yù)測發(fā)生強烈?guī)r爆、中等巖爆、輕微巖爆的概率分別為0.5%，55.3%，28.1%。無巖爆的概率為16.1%，說明有中等巖爆的風(fēng)險。

開挖至DK191+445—DK191+478 和DK201+460—DK201+480 段時發(fā)生中等巖爆，掌子面發(fā)出清脆的爆裂聲，巖體表面松脫、剝離嚴(yán)重，巖爆持續(xù)時間長，有隨時間推移向深處發(fā)展的趨勢。剝落巖體呈透鏡狀、棱板狀。爆坑最大深度0.7 m，巖塊彈射最大距離3 m。現(xiàn)場采取的施工措施：①掌子面初噴10 cm 厚CF25 鋼纖維混凝土封閉，進尺控制在2.5 m 以內(nèi)，盡可能全斷面開挖，一次成型，減小對圍巖的擾動。②及時在掌子面和洞壁噴灑高壓水，灑水量為1.0～1.5 m3∕m。采用超前鉆孔應(yīng)力解除法釋放部分圍巖應(yīng)力。③爆破后開挖面及時初噴5 cm 厚CF25 鋼纖維混凝土，鋼纖維混凝土用量為1.0 m3∕m，采用?6鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm。打設(shè)長3 m?25 漲殼式中空注漿錨桿，錨桿間距1.0 m × 1.0 m，梅花形布置。安裝時錨桿墊板要將鋼筋網(wǎng)壓住后再復(fù)噴C25 混凝土5 cm，混凝土用量為1.0 m3∕m。

通過加密加深漲殼式錨桿，增加鋼纖維混凝土初噴厚度，達到快速支護效果，基本控制了中等巖爆。

3.3 強烈?guī)r爆段

在巴玉隧道進口DK193+569—DK193+599、出口DK201+490—DK201+525 等段落，經(jīng)巖爆預(yù)測發(fā)生強烈?guī)r爆、中等巖爆、輕微巖爆的概率分別為65.5%，25.5%，7.2%，無巖爆的概率為1.8%，說明有強烈?guī)r爆的風(fēng)險。

開挖至DK193+570—DK193+588 段時發(fā)生強烈?guī)r爆，掌子面大量巖體碎塊出現(xiàn)彈射現(xiàn)象，巖體深處發(fā)出強烈的巖爆聲，持續(xù)時間長且具有延續(xù)性，并且?guī)r爆迅速向深部擴展。巖爆巖體呈塊狀、板狀，巖體中出現(xiàn)較大的弧形凹坑，影響深度達2 m。

現(xiàn)場采取的施工措施：①掌子面初噴CF25 鋼纖維混凝土封閉，進尺控制在2 m，盡可能全斷面開挖，一次成形，減少對圍巖的擾動。②及時在掌子面和洞壁噴灑高壓水，灑水用量1.2～1.8 m3∕m。③為提前釋放應(yīng)力和降低圍巖應(yīng)力，在掌子面沿拱墻開挖輪廓線施作?76 超前應(yīng)力釋放孔，環(huán)向、縱向間距分別為1.5，20.0 m，單孔長25 m。④施作?25 超前錨桿，環(huán)向、縱向間距分別為0.5，2.0 m，單根長3.5 m。⑤在超前錨桿（或系統(tǒng)錨桿）孔、超前應(yīng)力釋放孔及炮孔進行高壓注水，或在松動圍巖應(yīng)力釋放孔內(nèi)裝藥爆破來提前釋放應(yīng)力。⑥爆破后開挖面初噴5 cm 厚CF25 鋼纖維混凝土，鋼纖維混凝土用量為1.0 m3∕m；采用?6鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm。打設(shè)長4.0 m?25漲殼式中空注漿錨桿，錨桿間距1.0 m × 1.0 m，梅花形布置。架設(shè)12 cm×12 cm格柵鋼架，縱向間距1 m，復(fù)噴厚15 cm的C25混凝土。

通過施作超前應(yīng)力釋放孔、施作超前錨桿及掌子面噴灑高壓水，提前釋放了巖體儲存應(yīng)力，快速錨網(wǎng)支護形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后再增設(shè)型鋼支護，有效防止了應(yīng)力二次釋放［9］。

3.4 劇烈?guī)r爆段

巖爆預(yù)測結(jié)果表明4 處有發(fā)生劇烈?guī)r爆的風(fēng)險，但現(xiàn)場開挖后實際發(fā)生的是中等～強烈?guī)r爆。巖爆預(yù)警區(qū)域與實際發(fā)生區(qū)域均一致。

現(xiàn)場采取的施工措施：隧道開挖前在掌子面和洞壁噴灑高壓水，并在掌子面上打超前應(yīng)力釋放孔（見圖1（a））。開挖后采取噴射鋼纖維混凝土、施作預(yù)應(yīng)力漲殼式錨桿（見圖1（b））、全環(huán)鋪掛鋼筋網(wǎng)等措施，強烈?guī)r爆段架設(shè)I18工字鋼等加強支護。

圖1 巖爆防護措施

4 巖爆隧道機械化配套施工

高原地區(qū)隧道鉆爆法施工總體上遵循“多電少油，多機少人”的原則［10］，綜合考慮隧道的地質(zhì)條件、施工長度、斷面大小、輔助坑道設(shè)置、工期要求和施工裝備對高原施工環(huán)境的適應(yīng)性，進行機械化配置。

針對高原地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，氣候環(huán)境惡劣，施工風(fēng)險大的特點，巴玉隧道推行機械化配套施工作業(yè)，見圖2。開挖生產(chǎn)線采用三臂鑿巖臺車進行鉆孔作業(yè)；出渣生產(chǎn)線采用裝載機、挖掘機扒渣裝渣，北方奔馳大容量自卸運輸車出渣；初期支護生產(chǎn)線采用普茨邁斯?jié)駠姍C械手進行噴射混凝土作業(yè)。

圖2 機械化配套施工

鑒于巴玉隧道工程地質(zhì)及施工條件的特殊性，在其機械化配套施工時還應(yīng)注意：①掌子面所有施工及管理人員佩戴防爆服及防爆頭盔。對主要施工設(shè)備采取設(shè)置防護網(wǎng)、防護鋼板等安全防護措施。②臺架安裝防護網(wǎng)或鋼板，或設(shè)置移動防護棚架防止巖塊飛落，有效保障施工人員及設(shè)備的安全。③嚴(yán)格控制每循環(huán)進尺，加強鉆爆控制；盡可能采用全斷面開挖，一次成形。嚴(yán)格控制超欠挖，保證開挖面的圓順和平整度，減少臨空面，降低巖爆發(fā)生的概率。④加強超前地質(zhì)預(yù)報和地應(yīng)力測試工作，現(xiàn)場配備專業(yè)地質(zhì)工程師，準(zhǔn)確判別掌子面前方圍巖特性，力爭提前預(yù)判巖爆等級，采取針對性措施。⑤開挖采用直眼掏槽和水壓爆破工藝，一方面提高光爆效果，降低對圍巖的擾動；另一方面水壓爆破產(chǎn)生的水汽有助于軟化圍巖，降低圍巖應(yīng)力，減少巖爆發(fā)生［11］。

采用機械化配套施工不但加快了施工進度，提高了施工效率，而且減輕了勞動強度，減少了人員投入，確保了隧道施工安全。

5 巖爆隧道施工管理

針對現(xiàn)場技術(shù)人員和作業(yè)人員，應(yīng)從如下幾方面加強施工管理：①設(shè)置專職安全人員全天候巡視警戒及監(jiān)測（見圖3），當(dāng)聽到圍巖發(fā)出類似悶雷的聲音時，盡快撤離施工人員和設(shè)備；②加強對施工人員的安全紀(jì)律教育，加強施工人員關(guān)于巖爆的常識和防護知識的學(xué)習(xí)；③嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)技術(shù)和安全操作規(guī)程，危險區(qū)域增加照明設(shè)施并設(shè)置明顯的警告標(biāo)志；④每個工作面安裝監(jiān)控攝像裝置，清晰記錄巖爆發(fā)生情況，為后續(xù)巖爆機理研究積累素材；⑤每次巖爆發(fā)生時，作業(yè)人員及設(shè)備均應(yīng)及時躲避一段時間，待巖爆平靜后方可施工；⑥加強機械化配套施工，減少作業(yè)人員，降低安全風(fēng)險；⑦施工前全面做好應(yīng)急演練，施工現(xiàn)場做好應(yīng)急物資儲備工作。

圖3 巡視警戒及監(jiān)測

6 結(jié)論

巴玉隧道的工程地質(zhì)環(huán)境、地應(yīng)力條件、巖體的儲能和釋放能量的差異，決定了其有輕微～強烈的巖爆傾向。結(jié)合巖爆預(yù)測結(jié)果，現(xiàn)場采用以下措施對巖爆區(qū)段施工風(fēng)險進行動態(tài)防控：

1）采用“三步走”策略，即優(yōu)化工程布置和開挖參數(shù)，減少開挖引起的巖體內(nèi)部能量集中程度；采用應(yīng)力釋放措施，釋放和轉(zhuǎn)移儲存在巖體中的部分能量；利用支護系統(tǒng)，吸收巖體釋放的能量。

2）主動預(yù)防和被動防護相結(jié)合。提前釋放圍巖應(yīng)力，同時采取噴射鋼纖維混凝土、施作預(yù)應(yīng)力錨桿、全環(huán)鋪掛鋼筋網(wǎng)等被動防護措施。

3）采用直眼掏槽和水壓爆破工藝，提高光爆效果，降低對圍巖的擾動；水壓爆破產(chǎn)生的水汽有助于軟化圍巖，降低圍巖應(yīng)力，減少巖爆發(fā)生。

4）隧道巖爆段采用機械化配套施工，既可加快施工進度，提高施工效率，又可最大限度地減少施工作業(yè)人數(shù)，確保隧道施工安全。