新二郎山隧道巖爆特征與防治經(jīng)驗總結(jié)

陶　偉

(四川雅康高速公路有限責(zé)任公司， 四川成都 610041)

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新二郎山隧道巖爆特征與防治經(jīng)驗總結(jié)

陶偉

(四川雅康高速公路有限責(zé)任公司， 四川成都 610041)

【摘要】根據(jù)雅康高速公路新二郎山隧道施工記錄中的200余次巖爆資料，總結(jié)了新二郎山隧道的巖爆特征，并對施工中采取的巖爆防治措施進行總結(jié)，最終得出“防”、“控”結(jié)合、以讓為主、注重觀測的巖爆防治方法，對雅康高速后續(xù)隧道群施工提供了指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】二郎山；隧道；巖爆特征；防治措施

1工程概況

新二郎山隧道位于雅安至康定高速公路上，為雙向四車道高速公路，隧道長約13 459m。隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕高中山，地面切割強烈，山勢陡峻。隧道穿越圍巖類別主要以Ⅲ類、Ⅳ類圍巖為主；巖性分為兩大類，一類為沉積巖，另一類為巖漿巖，巖質(zhì)堅硬、性脆，強度高。按新奧法設(shè)計和施工，并采用全斷面法開挖。

隧道區(qū)最大埋深為1 500m。受區(qū)域構(gòu)造影響較嚴重，區(qū)內(nèi)以構(gòu)造應(yīng)力場為主，受高地應(yīng)力及圍巖脆性等影響，隧道開挖擾動導(dǎo)致洞室二次應(yīng)力重分布引發(fā)巖爆，威脅工程施工人員和機械安全，因此有必要對已發(fā)生的巖爆現(xiàn)象進行總結(jié)，指導(dǎo)后續(xù)工程的施工。

2巖爆的發(fā)生及其特征

巖爆是在高地應(yīng)力條件下地下洞室開挖過程中,硬脆性圍巖因開挖卸荷導(dǎo)致洞壁應(yīng)力分異,使儲存于巖體中的彈性應(yīng)變能突然釋放,因而使巖體產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射,甚至拋擲等現(xiàn)象的一種動力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害[1]。由于巖爆具有突發(fā)性，并伴有不同程度的彈射現(xiàn)象，對在未保護巖體下方施工的工作人員和機械設(shè)備造成嚴重的威脅。

2.1巖爆的發(fā)生

新二郎山隧道發(fā)生巖爆的地段主要位于埋深350～1 250m之間，巖爆多發(fā)洞段圍巖多為紅褐色粗顆?；◢弾r，巖質(zhì)堅硬，巖體較破碎。

雅康高速二郎山隧道自2012年12月開工以來，從2013年7月21日至2014年7月14日期間，共有245次巖爆現(xiàn)象(其中左線發(fā)生129次，右線發(fā)生116次)。設(shè)計文件中將巖爆烈度綜合分級為“輕微、中等、強”三個等級。截至目前，新二郎山隧道中發(fā)生的巖爆屬于輕微和中等巖爆級別。

2.2巖爆的特征

根據(jù)現(xiàn)場施工的大量統(tǒng)計資料，新二郎山隧道巖爆有以下特征。

(1)從爆裂聲上看，有強有弱，有的沉悶，有的清脆。一般來講，聲音如悶雷的巖爆規(guī)模大，而聲音清脆的規(guī)模較小[2]。

(2)原生節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況很大程度上決定巖爆爆坑范圍及深度，巖爆發(fā)生時很多崩落的巖塊都是沿結(jié)構(gòu)面崩落。

(3) 在隧道掘進過程中，受巖爆影響的掉塊主要發(fā)生在掌子面4m內(nèi)。但掌子面至3倍洞徑范圍內(nèi)的巖爆活動亦常有發(fā)生。主要爆裂聲為主，局部反映為初支開裂。

(4) 根據(jù)已有的記錄資料，隧道爆破后因巖爆影響而產(chǎn)生的掉塊主要發(fā)生的時間在5～20h范圍之間。

(5) 大部分巖爆段巖體表面干燥，但存在裂隙發(fā)育段，掌子面左側(cè)有裂隙水但在掌子面右側(cè)發(fā)生弱巖爆。

(6)隧道橫斷面的巖爆分布以拱頂為主，掌子面右側(cè)邊墻次之(圖1)。通過分析掌子面橫斷面的巖爆多發(fā)部位，可以對巖體的開挖、支護等工序起到指導(dǎo)作用，可以通過局部的支護加強起到快速、安全施工，同時也達到節(jié)約工程投資的目的。

圖1　隧道橫斷面的巖爆分布特征

3部分施工行為與巖爆的相關(guān)關(guān)系研究

3.1光面爆破

為降低巖爆段因地應(yīng)力及結(jié)構(gòu)面、裂隙因素對爆破效果的影響，提高光爆效果，避免因圍巖爆破效果不佳引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致或誘發(fā)巖爆或放大巖爆影響，隧道開挖工程中，加強了爆破控制。實際施工中，爆破開挖參數(shù)為：周邊眼間距為45～50cm，裝藥量控制在每孔0.5～0.6kg。現(xiàn)場爆破后，開挖輪廓圓順，炮眼殘留率達到90 %以上。

3.2開挖進尺

在存在巖爆現(xiàn)象的段落，隧道開挖采取每循環(huán)進尺1.5m、2m、2.5m、3m的進尺，以研究每循環(huán)安全進尺，同時，對開挖后隧道發(fā)生巖爆與掌子面的距離進行統(tǒng)計，以定性判斷開挖進尺的影響(圖2)。

圖2　巖爆發(fā)生次數(shù)與掌子面距離

結(jié)果顯示，各循環(huán)進尺下均有巖爆情況發(fā)生并伴隨巖體剝落，剝落深度主要受結(jié)構(gòu)面影響?？s短進尺后個別段落由于縱向出露的巖石自由長度縮短，沿著結(jié)構(gòu)面掉落的巖石數(shù)量及規(guī)模減輕，但是這種減輕僅限于本次循環(huán)，在下個循環(huán)爆破完成圍巖出露后，形成的圍巖暴露自由長度增加(包括上個循環(huán)的長度)，從而出現(xiàn)應(yīng)力疊加、加劇的現(xiàn)象，巖爆現(xiàn)象反而更加強烈，破壞程度加重，往往把上個循環(huán)甚至更長段落破壞，對結(jié)構(gòu)及施工安全影響很大。結(jié)合施工安全與進度考慮，在輕微巖爆段每循環(huán)進尺3m，是保證安全及施工進度較為合理的進尺指標；在中等巖爆段每循環(huán)進尺控制在2～2.5m左右較為合理。

3.3施工待避時間

新二郎山隧道的巖爆現(xiàn)象在隧道爆破結(jié)束后的5～10h、10～15h內(nèi)發(fā)生頻率最高(圖3)。

圖3　巖爆發(fā)生次數(shù)與爆破后時間的關(guān)系

受隧道施工工序影響，圍巖爆破后應(yīng)通風(fēng)約30min、清除危石30min、出渣(Ⅲ級圍巖斷面)180min，此時已累計4h，應(yīng)及時采取掛網(wǎng)錨噴等支護措施。因不同強度的巖爆情況產(chǎn)生的危害不同，在確保施工人員及機械設(shè)備安全的情況下，在輕微巖爆段可不考慮施工待避；在中等巖爆段待避時間約3～5h。

4新二郎山隧道巖爆施工防治經(jīng)驗

4.1巖爆段施工的防治措施

4.1.1輕微巖爆防治措施

4.1.1.1結(jié)構(gòu)支護防治

初期支護采用噴錨網(wǎng)柔性支護，使初期支護隨圍巖應(yīng)力釋放發(fā)生微小位移而變形,同時，為盡早發(fā)揮初期支護的承載能力，在巖爆段落局部增設(shè)φ22鋼筋(骨架鋼筋)；錨桿采用短而密的錨桿，可有效降低圍巖應(yīng)力水平，同時錨固巖爆體防止脫落。

4.1.1.2施工防治措施

(1)改善圍巖受力狀態(tài)。減少藥量和減少爆破頻率，采用光面爆破，并控制爆破效果；每循環(huán)進尺控制在3m以內(nèi)。

(2)改善圍巖物理力學(xué)性質(zhì)。向掌子面及附近洞壁噴灑高壓水，目的是降低圍巖強度，增強其塑性，減弱其脆性。

4.1.2中等巖爆段防治措施

4.1.2.1結(jié)構(gòu)支護防治

對于中等及強烈?guī)r爆適當(dāng)加強初期支護強度，設(shè)置格柵鋼架，防止大塊巖爆體脫落危及施工安全。

4.1.2.2施工防治措施

(1) 改善圍巖受力狀態(tài)。采用光面爆破，并控制爆破效果；在中等巖爆段每循環(huán)進尺控制在2～2.5m之內(nèi)。

(2) 改善圍巖物理力學(xué)性質(zhì)。利用炮眼及錨桿孔向巖體深部注水。

4.2“防”、“控”結(jié)合、以讓為主、注重觀測

通過二郎山施工實踐，總結(jié)了一套“防”、“控”結(jié)合，以讓為主，注重觀測的巖爆施工方法?！胺馈奔醋龊迷谖粗ёo圍巖條件下的人員、設(shè)備防護工作，是指鉆爆法施工時，在隧道開挖臺架上方安設(shè)與拱頂貼合的工字型鋼架(鋼架在不影響鉆眼及噴射混凝土施工的情況下，盡量覆蓋掌子面與已施工初支間的裸露環(huán)向圍巖)，鋼架下端與開挖臺架間緊密固定，環(huán)向與圍巖緊貼，可防止圍巖頂部較大塊體下落威脅施工作業(yè)人員或砸壞機具設(shè)備；“控”即要求做好光面爆破，針對不同的巖爆等級選擇不同的進尺長度；以讓為主即主張在巖爆現(xiàn)象活躍的期間，主要應(yīng)以避讓為主，增加施工待避時間，不單方面的通過加強支護措施抵抗巖爆現(xiàn)象；注重觀測指對巖爆滯后的掌子面時，特別注意掌子面后方3倍至5倍洞徑已施工初期支護的外觀觀測及變形、收斂觀測，對監(jiān)控異常點應(yīng)做好防范工作。

5結(jié)束語

在新二郎山隧道的巖爆段落施工中，通過統(tǒng)計巖爆發(fā)生的主要規(guī)律，采取不同巖爆等級相應(yīng)的結(jié)構(gòu)支護、施工措施，沒有發(fā)生安全生產(chǎn)事故。同時，已有的統(tǒng)計資料也對大渡河沿岸長達27km的隧道群施工提供了基礎(chǔ)資料。

參考文獻

[1]許林生，王蘭成，李天斌，等.二郎山公路隧道巖爆特征與預(yù)測研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，1999(2): 55-59.

[2]關(guān)寶樹. 隧道工程施工要點集[M]. 北京：人民交通出版社,2003: 408.

[作者簡介]陶偉(1983～)， 男， 碩士研究生，工程師，從事施工現(xiàn)場管理工作。

【中圖分類號】U455.41

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2016-02-26