山嶺隧道高地應(yīng)力巖爆處置分析

袁威

摘 要：目前，國(guó)內(nèi)外山嶺隧道高地應(yīng)力巖爆的研究還存在部分不足，特別是高地應(yīng)力的劃分方式和方法，各個(gè)國(guó)家之間尚未有明確的規(guī)定，部分專家學(xué)者雖然進(jìn)行了相關(guān)的研究，但對(duì)于不同地形地勢(shì)的圍巖應(yīng)力研究較為復(fù)雜，本文通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)山嶺隧道高地應(yīng)力巖爆處置分析，為隧道開(kāi)挖災(zāi)害防治提供幫助。

關(guān)鍵詞：山嶺隧道;高地應(yīng)力;巖爆

0 引言

近20多年來(lái)，我國(guó)山嶺隧道施工飽受巖爆侵害，其中由中鐵十二局二公司承建的川藏鐵路拉薩到林芝地段為一級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道，與此同時(shí)巴玉隧道目前是世界上巖爆最強(qiáng)掘進(jìn)距離最長(zhǎng)埋深最大的高原鐵路隧道。隧道內(nèi)巖爆的強(qiáng)度和頻率很高，爆炸時(shí)間一般為2至6小時(shí)，最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間為一周以上，甚至巖爆后幾個(gè)月還會(huì)出現(xiàn)二次巖爆。因此，隧道施工必須防患于未然，爆破破壞的石塊可能會(huì)松動(dòng)，從主巖中投擲不同的石塊，直接威脅到施工人員、設(shè)備和地下工程的安全，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。為保證隧道工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全、正常運(yùn)行，在施工過(guò)程中提前確定高地應(yīng)力和預(yù)測(cè)有十分重要的意義。

1 高地應(yīng)力定義

高地應(yīng)力界定是針對(duì)初始地應(yīng)力場(chǎng)而言，巖體高地應(yīng)力問(wèn)題是工程巖體安全的主導(dǎo)因素[1]，巖體的初始地面應(yīng)力狀態(tài)與巖體在施工過(guò)程中的變形和破壞特性有關(guān)，地下工程的地面應(yīng)力水平可以通過(guò)三種方式確定：根據(jù)埋深、經(jīng)驗(yàn)公式或地下工程所在的構(gòu)造環(huán)境，初步確定近似應(yīng)力水平;基于勘探或施工過(guò)程中周圍巖石的物理現(xiàn)象、變形或破壞的定性評(píng)價(jià);根據(jù)工程或工程部位的地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料定量評(píng)判。

存在高地應(yīng)力狀態(tài)的地質(zhì)標(biāo)志：圍巖產(chǎn)生巖爆脫落現(xiàn)象;圍巖收斂變形大;軟弱夾層擠出;鉆孔出現(xiàn)餅狀巖芯;開(kāi)挖無(wú)滲水現(xiàn)象;開(kāi)挖過(guò)程有瓦斯突出。除此之外高地應(yīng)力也還有一些定性判斷，其中包括巖體結(jié)構(gòu)致密、滲透性極差、巖體彈性模量約等于巖體彈性模量的實(shí)驗(yàn)值、巖石新鮮無(wú)風(fēng)化等。

2 山嶺隧道高地應(yīng)力巖爆現(xiàn)象及分類

2.1 巖爆發(fā)生的現(xiàn)象

伴隨有地震發(fā)生并以突然或猛烈發(fā)聲方式對(duì)地下開(kāi)挖的破壞;只要巖體破壞時(shí)有聲響，產(chǎn)生片幫、爆裂剝落甚至彈射等現(xiàn)象[2];產(chǎn)生彈射、拋擲性破壞稱為巖爆，無(wú)動(dòng)力彈射現(xiàn)象的破裂歸屬于靜態(tài)下的脆性破壞;圍巖堅(jiān)硬、質(zhì)脆，巖爆巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rb大于50 kPa[3];巖爆洞段巖體表面較為干燥，有地下水存在或斷裂部位不發(fā)生巖爆;巖爆洞段的埋深可大可小，埋深不是判定巖爆發(fā)生的重要依據(jù)。

2.2 巖爆的分類

微弱巖爆是一種微弱的、無(wú)聲的或在周圍巖石表面看不見(jiàn)變化的現(xiàn)象，它通常規(guī)模較小，不易察覺(jué)，表現(xiàn)為巖坑較淺，通常對(duì)施工影響較小。中等巖爆與微弱巖爆相比現(xiàn)象更為明顯，是一種肉眼可見(jiàn)的爆裂脫落巖石剝離的危害，在圍巖脫落的過(guò)程中碎石彈出，同時(shí)伴隨著清脆響聲，爆坑較大，坑徑深一般不超過(guò)2 m，巖石下落規(guī)模較大。強(qiáng)烈?guī)r爆發(fā)生時(shí)具有銳利的巖石和碎片不斷地飛出，巖爆產(chǎn)生的爆坑在圍巖上連續(xù)的分布，坑深2 m以上，爆裂脫落碎石尺寸較大數(shù)量多，嚴(yán)重時(shí)將使圍巖大面積的開(kāi)裂使其喪失其穩(wěn)定性。劇烈?guī)r爆可能發(fā)生爆炸以及巖石的彈射性破壞，在爆炸發(fā)生的同時(shí)伴隨巨響，劇烈?guī)r爆發(fā)生迅速，并逐漸向更深處傳遞，影響深度可超過(guò)2 m以上，情況嚴(yán)重時(shí)可能摧毀工程，劇烈?guī)r爆產(chǎn)生并釋放的能量相當(dāng)于200多噸TNT炸藥，目前我國(guó)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的巖爆像小地震一樣，當(dāng)其巖爆發(fā)生后可在發(fā)源地以外的100多公里測(cè)到，最大震級(jí)為4.6級(jí)，影響及其嚴(yán)重。

3 巖爆的影響因素

國(guó)內(nèi)外的調(diào)查結(jié)果表明，產(chǎn)生巖爆的原因很多，其影響因素有巖石巖性、隧道初始應(yīng)力狀態(tài)、埋深、地表地形、開(kāi)挖斷面形式及開(kāi)挖方式等，但在諸多因素中，地層的巖性條件和地應(yīng)力的大小是產(chǎn)生巖爆與否的兩個(gè)決定性因素。巖爆是巖體內(nèi)積聚的彈性應(yīng)變能的突然釋放。影響因素包括地應(yīng)力、巖性、巖體結(jié)構(gòu)、埋深與地形、人為開(kāi)挖[4]。

一般情況下，在隧道開(kāi)挖后巖爆陸續(xù)出現(xiàn)，大量巖爆在24小時(shí)內(nèi)最為明顯，在開(kāi)挖后十小時(shí)內(nèi)巖爆次數(shù)最多，這種現(xiàn)象通常延續(xù)1～2個(gè)月，有的延長(zhǎng)一年以上[5]。如二郎山隧道巖爆多發(fā)生在放炮后2～8小時(shí)內(nèi)，也有滯后1～2天的，有些段滯后1～2個(gè)月或幾個(gè)月后發(fā)生，較嚴(yán)重的巖爆段在第一次開(kāi)挖錨噴支護(hù)達(dá)到穩(wěn)定并經(jīng)過(guò)兩年后處理大規(guī)模欠挖時(shí)仍時(shí)有巖爆發(fā)生[6]。

巖爆發(fā)生的次數(shù)與掌子面的距離有很大的關(guān)系，在洞軸線上分為巖爆洞段和無(wú)巖爆洞段。巖洞的橫截面是指巖洞的巖石分布，巖爆頻率和到掌子面的距離之間存在一定的關(guān)系。以二郎山隧道為例，當(dāng)巖爆與掌子面相距為20 m之內(nèi)時(shí)，通常情況下巖爆次數(shù)最高可達(dá)40余次，巖爆發(fā)生的部位多數(shù)位于起拱線以上和邊墻靠近低部區(qū)域。巖爆在橫斷面上的分布具有對(duì)稱性，如福堂水電站引水隧洞施工中巖爆均發(fā)生在圓形洞室拱頂偏河床側(cè)10°～70°范圍內(nèi)和洞室斷面下部靠山側(cè)，與之對(duì)稱的部位[7]。

4 巖爆的預(yù)防及處置

4.1 微弱巖爆處置

微弱巖爆指巖石個(gè)別有松脫和破裂的巖爆，主要集中在隧道壁面附近的淺層部位，厚度通常小于20 cm[8]。損害很小，可以采取以下措施降低破壞影響：

開(kāi)挖后采用5L/S的水槍對(duì)掌子面和洞壁進(jìn)行噴水2 min，冷卻軟化周圍巖石，改善圍巖的穩(wěn)定性;由于巖爆產(chǎn)生的巖石破裂，拱頂頂部脫落松散的石塊要及時(shí)的清理，對(duì)巖爆坑采用混凝土噴射覆蓋，同時(shí)用3 cm～5 cm的混凝土噴射掌子面;打設(shè)兩倍循環(huán)進(jìn)尺深度長(zhǎng)的膨脹錨桿，對(duì)下一循環(huán)巖體進(jìn)行預(yù)加固。

4.2 中等巖爆處置

中等巖爆表現(xiàn)為巖石板的松脫和彈射現(xiàn)象，周圍的巖體出現(xiàn)變形并有發(fā)展跡象，巖體有可能出現(xiàn)強(qiáng)烈的爆裂，主要破壞位置集中在圍巖20 cm～70 cm的松弛區(qū)域，空洞本身較穩(wěn)定。施工時(shí)可采取以下措施：

在施工過(guò)程中減小掘進(jìn)深度，控制在1.5 m范圍內(nèi);在掌子面和洞壁對(duì)角線位置打上斜孔，同時(shí)在斜孔內(nèi)高壓注水10 min～30 min，緩解壓力，改變圍巖的性質(zhì);最初，采用鋼纖維混凝土，鋼筋纖維混凝土足夠靈活，可以承受更強(qiáng)的變形而不破壞表面;布置系統(tǒng)屈服膨脹錨桿，掌子面錨桿長(zhǎng)度為錨的兩倍，在錨基座和巖面之間建立一個(gè)模板，以吸收圍巖偏移。

5 總結(jié)與體會(huì)

突破傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)誤區(qū)，轉(zhuǎn)換巖爆防治思想;進(jìn)行超前“預(yù)爆”，確保施工安全;加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，指導(dǎo)工程實(shí)施。

參考文獻(xiàn)：

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1993.