深埋特長隧道巖爆地段預(yù)防及施工技術(shù)處理措施

張王川 陳遠慧

（中交二航局西藏建設(shè)有限公司，西藏拉薩 850000）

1 工程概況

在阿爾金山東部的巴什庫爾干二號隧道，其隧道左線起訖樁號ZK96+719～ZK101+381，長4662m，洞身開挖4627m，隧道最大埋深約241m；右線起訖樁號為YK96+620～YK101+356，長4736m，洞身開挖4701m，隧道最大埋深約235m。隧道進口高程約2720.633m，出口高程約2617.245m。本隧道屬特長隧道。

根據(jù)設(shè)計相關(guān)資料，隧址區(qū)內(nèi)出露地層主要為寒武紀(jì)（∈δ）閃長巖δ、寒武紀(jì)（∈ηγ）花崗巖。隧道圍巖級別屬III-IV，圍巖較堅硬，裂隙發(fā)育。

2 深埋隧道巖爆防治應(yīng)對措施

2.1 巖爆分析

深埋特長隧道巖爆分析：

2.1.1 判定隧道巖體是否具有巖爆傾向，可通過對巖體的變性指數(shù)Wef、沖擊指數(shù)Kef、強度、彈性模量進行測定，從而判斷得出。當(dāng)變性指數(shù)以及沖擊指數(shù)均大于2，且強度超過50MPa時，巖體則具有巖爆傾向；

2.1.2 巖爆產(chǎn)生的可能性也可以通過測試巖體的完整性進行分析得出結(jié)論。當(dāng)巖體完整性系數(shù)大于0.75 時，巖石質(zhì)量指標(biāo)大于0.6 時，巖體具有沖擊性；

2.1.3 發(fā)生巖爆的可能性通過測試地應(yīng)力、巖層的變形量、巖石的彈性模量也能夠得到結(jié)論。當(dāng)?shù)貞?yīng)力測試結(jié)論大于0.12時，巖石會發(fā)生較大程度的巖爆。工程隊在施工前，通過利用上述的幾種方法，以及結(jié)合隧道系統(tǒng)資料以及特別設(shè)計出的圍巖資料，進行詳細的分析與判斷，從而預(yù)測巖石是否有發(fā)生巖爆的可能性。

2.2 對巖爆的預(yù)防措施

防止巖爆發(fā)生的措施主要有：

2.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報。工程隊在對隧道主體施工前，需要挖掘出平行導(dǎo)坑，并根據(jù)平行導(dǎo)坑施工過程中搜集到的地質(zhì)彈性、薄弱、強度等數(shù)據(jù)預(yù)測隧道主體是否具有巖爆發(fā)生的可能性，確保主體隧道施工的安全。本隧道的平行導(dǎo)坑與主體隧道的距離相差30m，其距離越近，預(yù)測結(jié)果越準(zhǔn)確，從而根據(jù)平行導(dǎo)坑的地質(zhì)預(yù)測隧道主體的地質(zhì)情況得到了進一步的驗證和糾正。

進入到施工階段時，安全起見，要采取預(yù)防措施，避免發(fā)生意外情況。比如結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況、變質(zhì)程度、強度、破碎程度以及地質(zhì)應(yīng)力等等，從而判斷掌子面的完整性系數(shù)以及巖體的條件，為施工預(yù)防提供數(shù)據(jù)安全性指導(dǎo)，見圖1。

圖1 巖爆預(yù)防施工工藝流程圖

2.2.2 爆破法地應(yīng)力超前釋放。在隧道施工中，為了做好超前釋放地應(yīng)力，要按照曝光設(shè)計進行施工。掌子面炮眼均勻布置，炮眼間距控制在2m 左右，鉆孔以5°～10°的角度控制在單循環(huán)進尺的3 倍深度左右，炮眼布置在完整巖面上，炸藥布置深度控制在1.5～2.0m，爆破施工中要能夠以爆破能使巖體致裂，避免巖體破碎，且優(yōu)先地應(yīng)力釋放的炮眼爆破，爆破采用時間間隔＞150ms 的微差法實現(xiàn)，要能夠確保地應(yīng)力的超前釋放。地應(yīng)力超前釋放炮眼布置見圖2。

圖2 超前應(yīng)力調(diào)整爆破炮孔布置示意圖（單位：m）

為了避免巖爆發(fā)生后對施工人員產(chǎn)生較大的災(zāi)難，必須在地應(yīng)力爆破解除后將圍巖主應(yīng)力利用周邊發(fā)生的破裂圍巖分解為徑向和切向應(yīng)力，從而使得原本的集中應(yīng)力區(qū)因爆破振波的影響得到減弱，有效的降低了整體地應(yīng)力的分布，以防止出現(xiàn)大規(guī)模巖爆。

2.2.3 改善施工方法。實施臺階法掘進施工，必要時可采取正臺階法施工，利用短進尺將開挖進尺控制在2m 左右，使應(yīng)力逐步釋放。

2.2.4 采取光面爆破。炸藥采用具有高猛度，高威力，能夠?qū)杂矅鷰r爆破的水膠炸藥，其中巖爆巖面周邊眼間距較正常段適當(dāng)加密，周邊眼裝藥采用φ20 小藥卷不耦合法裝藥，并加強爆破技術(shù)措施管理，以減少爆破對周邊圍巖的影響，能夠使開挖面周邊輪廓線光滑圓順，避免掌子面不平整造成應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

2.2.5 濕潤巖面。采取高壓噴水方法，在上臺階開挖到位后對巖面進行噴水濕潤，并對錨桿孔、超前導(dǎo)管孔在埋設(shè)前注入高壓水浸潤深部巖層，噴水距離大于10m，噴水時間控制在10～30min，噴頭采用霧狀噴水。掌子面噴水、灑水角度盡量侵濕巖面，且不對出渣造成影響，以達到釋放部分能量。

2.2.6 初支噴射混凝土。噴射混凝土采用潮噴法，噴射混凝土添加速凝劑和沸石粉，必要時采用鋼纖維混凝土，初噴射厚度控制在10～15cm。

烏蘭察布市地處內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，2009年被國家食品藥品監(jiān)督管理局確定為“全國十個地級食品安全示范市”之一；2013年被中國城市競爭力研究會評為“中國十佳食品安全城市”；2014～2015年連續(xù)兩年被自治區(qū)食品安全委員會評為“食品藥品安全工作優(yōu)秀盟市”；2016年，被國務(wù)院食品安全委員會列為全國創(chuàng)建食品安全城市試點地區(qū)。

2.2.7 臨時錨桿加固圍巖。在爆破排除危險后，對存在不穩(wěn)定的圍巖采取水脹式錨桿臨時加固，確保掌子面安全施工。

2.2.8 初支支護系統(tǒng)及時實施。隧道掌子面斷面經(jīng)檢驗合格后，嚴(yán)格按照設(shè)計要求及時進行立拱架、掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片、復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度并鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿以加固圍巖。

2.2.9 邊墻開挖前采取超前鉆孔來釋放地應(yīng)力。隧道掌子面在上一循環(huán)開挖爆破及噴錨支護作業(yè)完成后，對掌子面邊墻位置進行超前鉆孔，用以釋放應(yīng)力。鉆孔的深度控制在4～5m，鉆孔的間距按主應(yīng)力為70cm，次應(yīng)力為60cm。

3 深埋隧道巖爆采取的處理措施

3.1 巖爆處理的主要方法

3.1.1 臨時防護措施：要避免施工中的飛石傷到人或者砸壞設(shè)備，在掌子面開挖及出渣完成后要在施工地段的周圍設(shè)置臨時防護網(wǎng)。

3.1.2 危險排除及緊急避險：當(dāng)掌子面圍巖出現(xiàn)巖爆后及時避險，待掌子面平靜以后再施工。另外，對于隧道內(nèi)松動的石頭要及時清除，避免落石傷人。

3.1.3 圍巖射水降低應(yīng)力：要降低應(yīng)力，可等待巖爆發(fā)生后，利用噴霧或者高壓水槍快速向掌子面以及其10m 位置的隧道噴水，每間隔5 分鐘噴一次，至少噴3 次，利用水的沖擊力和侵蝕性降低巖石內(nèi)部應(yīng)力以及其脆性，從而釋放出圍巖的應(yīng)力能量，使得掌子面的圍巖相對平衡。

3.1.5 降低巖爆帶來的災(zāi)難，可通過降低巖爆的強度得以實現(xiàn)，而降低其強度則需要利用巖壁切槽的方法釋放應(yīng)力，從而控制巖爆的強度。

3.1.6 在施工階段，凡是進入施工范圍的人員和設(shè)備，都必須進行搭配配套的防護，保證人員和設(shè)備的安全。

3.1.7 在施工中，要不斷地搜集圍巖相關(guān)數(shù)據(jù)，并結(jié)合進程中實際遇到的問題不斷地調(diào)整、優(yōu)化施工的方案，確保在高應(yīng)力地段減少發(fā)生巖爆災(zāi)難的可能性。施工進入到高應(yīng)力地段時，及時將監(jiān)控量測點布置好，每隔5m 就需要設(shè)置測量斷面，并在路面每間隔5m 設(shè)置水平測線，盡可能提前準(zhǔn)確地獲得一手測量資料，輔助施工順利進行，見圖3-4。

圖3 巖爆防護臺架縱斷面圖

圖4 巖爆防護臺架橫斷面圖

3.2 安全防護措施

3.2.1 監(jiān)控圍巖動態(tài)：在隧道工程中，要安排專職的人員利用相關(guān)技術(shù)設(shè)備對圍巖的動態(tài)進行監(jiān)控、檢測，一旦出現(xiàn)危險征兆，立即組織人員快速撤離。

3.2.2 設(shè)置防護網(wǎng)：為了避免巖爆發(fā)生后，損壞機器，傷及人員，在巖爆易發(fā)生的地段要加固鐵絲網(wǎng)，并在施工技術(shù)設(shè)備上安裝防護網(wǎng)、排架，以免昂貴的機械設(shè)備受到巨大損失。

3.2.3 嚴(yán)格作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：要削弱巖爆的影響力，就需要從施工環(huán)節(jié)的細節(jié)做起，嚴(yán)格作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，精準(zhǔn)施工。比如鉆孔作業(yè)，精確爆破的微差，既能夠節(jié)省了爆炸用藥量，也能夠控制好爆破對圍巖的破壞，還能夠釋放一定的圍巖應(yīng)力。

3.2.4 實施超前應(yīng)力釋放：要減少隧道開挖時發(fā)生巖爆的可能性，就需要超前釋放圍巖應(yīng)力。要降低圍巖的應(yīng)力，可通過對洞壁進行鉆孔，在洞壁上形成應(yīng)力釋放圈而達到釋放圍巖應(yīng)力的目的。

3.2.5 巖爆防護開挖臺架：為了避免拱頂落石砸傷人員，在掌子面開展鉆孔裝藥、初期支護工作時，可利用設(shè)計的特殊開挖臺架進行作業(yè)，降低巖爆發(fā)生時落石對人員的傷害。

4 安全保障措施

4.1 隧道洞口設(shè)置危險源標(biāo)識牌及隧道風(fēng)險標(biāo)識牌，隧道巖爆地段要設(shè)置警示牌。

4.2 巖爆地段加強施工人員安全防護意識的學(xué)習(xí)，增強自我防護意識。

4.3 施工班組設(shè)置專門安全觀察員，施工作業(yè)過程中認(rèn)真對掌子面巡視，觀察掌子面巖爆地段洞身情況，發(fā)現(xiàn)危險源及時發(fā)出警報。

4.4 巖爆地段施工班組配備鋼制頭盔，掌子面開挖臺車與圍巖接觸面設(shè)置鋼筋網(wǎng)，防止周圍巖面崩落的飛石。

4.5 嚴(yán)格按照巖爆地段施工方案實施，掌子面爆破出渣后及時清理危險源并對巖面再次噴水，排除危險后，確認(rèn)掌子面相對安全的情況下再進行施工。

5 結(jié)論

針對深埋特長隧道巖爆地段，開挖時采取全斷面開挖法，提前應(yīng)力孔爆破釋放，短進尺，減少爆破頻率及用藥量，掌子面高壓噴水，鋼纖維混凝土噴射、圍巖采取水脹式錨桿以及輔助其他工法進行超前支護等方法，以降低巖爆的發(fā)生及強度。并采取超前地質(zhì)預(yù)報的方法及加強監(jiān)控測量的管理，增強安全風(fēng)險防范，提供必要的施工技術(shù)安全保障措施，有效的避免和降低巖爆的發(fā)生，確保深埋特長高應(yīng)力硬巖隧道的施工安全。