高速公路隧道施工巖爆的防治技術(shù)

韓宗澤

（山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司總承包分公司，山西 太原 030000）

0 引言

由于高速公路隧道中段埋深較大，當(dāng)圍巖整體性較好時(shí)，很有可能發(fā)生巖爆。由于巖爆具有突發(fā)性，很難對(duì)拋射出去的石塊方向及遠(yuǎn)近等進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)隧道施工人員及設(shè)備造成安全威脅，所以有必要在了解巖爆特征的基礎(chǔ)上，探討有效的防治措施。

1 巖爆規(guī)律與分類(lèi)

1.1 巖爆規(guī)律

巖爆主要具有以下規(guī)律：

（1）巖爆通常發(fā)生于埋深相對(duì)較大的隧道，因?yàn)橹挥袊鷰r的埋深很大，才有可能產(chǎn)生導(dǎo)致巖爆的地應(yīng)力，巖爆發(fā)生概率因圍巖埋深的增加而變大。

（2）巖爆和圍巖巖性有關(guān)。巖爆通常發(fā)生于質(zhì)地硬脆、有較好整體性及級(jí)別相對(duì)較高的圍巖，比如石英巖、花崗巖和石灰?guī)r都是巖爆發(fā)生概率較高的圍巖類(lèi)型。

（3）處在節(jié)理較發(fā)育與斷層破碎帶中的圍巖，通常不會(huì)發(fā)生巖爆，可見(jiàn)巖爆受?chē)鷰r構(gòu)造的影響[1]。

（4）巖爆和圍巖含水情況也有一定關(guān)系。當(dāng)隧道埋深、圍巖巖性及構(gòu)造完全相同時(shí)，較為干燥的圍巖更容易發(fā)生巖爆，有地下水存在的段落其圍巖基本不會(huì)巖爆。

（5）當(dāng)隧道開(kāi)挖工作面較為圓順且光面爆破效果相對(duì)顯著的圍巖段，一旦發(fā)生巖爆，則巖爆烈度將遠(yuǎn)高于超欠挖相對(duì)較大的圍巖段。

（6）巖爆發(fā)生概率相對(duì)較高的圍巖段，通常在與掌子面相距不超過(guò)開(kāi)挖寬度300%的位置，即與掌子面之間的距離越近，則越容易發(fā)生巖爆。

（7）開(kāi)挖面上容易發(fā)生巖爆的位置以拱部及邊墻上部為主，即與地面之間的距離越大，越容易發(fā)生巖爆。

（8）在時(shí)間上巖爆主要具有以下規(guī)律：對(duì)掌子面進(jìn)行爆破開(kāi)挖施工的最初3h，最容易發(fā)生巖爆，且?guī)r爆強(qiáng)度較大；爆破開(kāi)挖施工7d 內(nèi)，雖然巖爆仍頻繁發(fā)生，但強(qiáng)度逐漸降低；爆破開(kāi)挖施工2個(gè)月內(nèi)，仍有可能發(fā)生巖爆；爆破開(kāi)挖施工2個(gè)月后，不容易發(fā)生巖爆。此外，隨時(shí)間不斷延長(zhǎng)，巖爆發(fā)生位置將持續(xù)向更深層發(fā)展，以巖層內(nèi)部崩裂為主要表現(xiàn)，此時(shí)可以聽(tīng)到巖層內(nèi)部發(fā)出悶響。

（9）巖爆往往伴有爆裂聲響：如果發(fā)出撕裂聲，則說(shuō)明發(fā)生了因壓致拉的巖爆，由于這一巖爆只能發(fā)生在圍巖表面，所以聲響清脆，因巖爆產(chǎn)生的裂縫與巖壁保持平行，巖爆結(jié)束后，巖塊將呈現(xiàn)片狀；如果發(fā)出沉悶聲，則說(shuō)明發(fā)生了因壓致剪切拉裂的巖爆，該巖爆結(jié)束后會(huì)巖塊呈現(xiàn)塊狀，在巖石表面能看到很多弧狀裂縫，且裂縫中還伴有擦痕。通常情況下，前一種巖爆持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，破壞性不大，而后一種則持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，可能造成較嚴(yán)重的破壞[2]。

1.2 巖爆分類(lèi)

根據(jù)烈度的不同，巖爆可分為以下3類(lèi)：

（1）弱型巖爆：表現(xiàn)為聲響較小，巖爆后產(chǎn)生的巖塊粒徑不大，數(shù)量很少，產(chǎn)生形式以掉落為主。

（2）中強(qiáng)型巖爆：表現(xiàn)為內(nèi)部發(fā)出類(lèi)似于放鞭炮的聲響，巖爆后產(chǎn)生的巖坑直徑可以達(dá)1～2m，伴有大量巖塊，產(chǎn)生形式以彈出為主。

（3）較強(qiáng)型巖爆：表現(xiàn)為內(nèi)部發(fā)出劇烈聲響，巖爆后產(chǎn)生的巖坑直徑超過(guò)2m，并伴有飛快彈出的大石塊[3]。

2 巖爆防治

某隧道為分離式雙洞隧道，左、右線(xiàn)長(zhǎng)度分別為7 097.897m 和7 120m，埋深較大，最大處可達(dá)1 286m。該隧道中段圍巖類(lèi)型包括石灰?guī)r與灰?guī)r，產(chǎn)狀為厚層狀，大塊砌體形式，完整性尚好，有很強(qiáng)的抗風(fēng)化性能，幾乎不含地下水。基于巖爆的規(guī)律與分類(lèi)，現(xiàn)結(jié)合該高速公路隧道實(shí)際情況，探討有效的巖爆防治措施。

在該隧道施工期間發(fā)生的巖爆中，以中強(qiáng)型的范圍最大，其次為弱型巖爆，較強(qiáng)型巖爆范圍最小。巖爆烈度主要受隧道埋深影響，通常弱型巖爆發(fā)生位置的埋深為800～950m；中強(qiáng)型巖爆發(fā)生位置的埋深為950～1200m；較強(qiáng)型巖爆發(fā)生位置的埋深普遍超過(guò)1 200m。

按照規(guī)范要求，對(duì)于可能發(fā)生巖爆的隧道，需在施工中嚴(yán)格遵循“以防為主，防治結(jié)合”的基本原則。結(jié)合該隧道巖爆發(fā)生規(guī)律，在施工中采取如下各項(xiàng)處治措施。

2.1 做好施工組織

在發(fā)生巖爆的段落施工時(shí)，應(yīng)安排專(zhuān)人在掌子面處進(jìn)行全天值班，并組建專(zhuān)門(mén)的監(jiān)控工作小組，為全體參建人員圍繞巖爆防治工作開(kāi)展專(zhuān)門(mén)的安全教育，同時(shí)對(duì)巖爆防治需要的各類(lèi)設(shè)備及材料予以嚴(yán)格落實(shí)。

2.2 促進(jìn)高地應(yīng)力釋放

（1）在隧道掌子面上借助潛孔鉆機(jī)連續(xù)鉆出超前鉆孔，孔深按10～30m 控制，孔徑按70～90mm 控制，孔數(shù)需達(dá)到5～8個(gè)，以促進(jìn)高地應(yīng)力得以提前釋放。

（2）對(duì)于發(fā)生較強(qiáng)型巖爆的圍巖段，需更改開(kāi)挖方式，即將全斷面開(kāi)挖改為先在斷面下部進(jìn)行下導(dǎo)坑開(kāi)挖，其寬度、高度分別按5m 和4m 控制。待下導(dǎo)坑開(kāi)挖結(jié)束后，方可擴(kuò)大開(kāi)挖斷面。開(kāi)挖下導(dǎo)坑除了能促進(jìn)高地應(yīng)力釋放，還能起到減弱飛石破壞力，從而減輕巖爆危害，另外對(duì)危石的處理也比全斷面法更加方便。經(jīng)過(guò)以上處理，整個(gè)施工過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生強(qiáng)度較大的巖爆。在開(kāi)挖下導(dǎo)坑時(shí)，為防止巖爆加劇，先做好護(hù)頂，再進(jìn)行出砟，具體做法為：①按設(shè)計(jì)要求爆破開(kāi)挖；②當(dāng)采用薄鋼板進(jìn)行防護(hù)時(shí)，對(duì)遠(yuǎn)處直接暴露的圍巖拱部及邊墻進(jìn)行噴水；③對(duì)濕潤(rùn)的拱部及邊墻進(jìn)行混凝土噴射，噴射厚度需達(dá)70mm，采用強(qiáng)度等級(jí)為C25且摻入鋼纖維的混凝土；④混凝土噴射完成后在拱部及邊墻上部設(shè)置防護(hù)錨桿，并掛設(shè)鋼筋網(wǎng)；⑤做好上述護(hù)頂施工后，方可開(kāi)始出砟；⑥在邊墻下部設(shè)置防護(hù)錨桿，并掛設(shè)鋼筋網(wǎng)。

（3）除較強(qiáng)型巖爆外的其他類(lèi)型巖爆段，需在掌子面上分別向拱部、邊墻及開(kāi)挖方向設(shè)置深度為10m、孔徑不小于70mm 的鉆孔，并對(duì)鉆孔進(jìn)行高壓注水，為掌子面及圍巖拱部與邊墻持續(xù)噴灑冷水，從而起到軟化圍巖的作用，促進(jìn)應(yīng)力釋放，降低巖爆發(fā)生概率和烈度。

（4）在條件允許的情況下，通過(guò)松動(dòng)爆破可以在圍巖內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，以促進(jìn)高地應(yīng)力釋放。

2.3 避讓措施

（1）考慮到爆破開(kāi)始后的最初3h，巖爆發(fā)生概率最大，故在這一時(shí)段暫停施工，以減輕或避免巖爆造成的危害。

（2）對(duì)發(fā)生巖爆的圍巖段進(jìn)行施工時(shí)，需在掌子面處安排專(zhuān)門(mén)的安全人員，對(duì)巖爆的實(shí)際情況進(jìn)行觀察和記錄，并負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)?zhēng)r爆聲響，掌握圍巖拱部及邊墻情況，一旦發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，應(yīng)立即示警，組織所有施工人員有序、快速地撤離。

（3）對(duì)發(fā)生弱型或中強(qiáng)型巖爆的圍巖段進(jìn)行施工時(shí)，需酌情采取如下防護(hù)措施：①為鉆孔臺(tái)車(chē)及運(yùn)輸車(chē)等機(jī)械安裝專(zhuān)門(mén)防止飛石打擊的鋼板；②在圍巖拱部與邊墻上部設(shè)置臨時(shí)錨桿，同時(shí)掛設(shè)鋼筋網(wǎng)；③借助噴射機(jī)械對(duì)容易發(fā)生巖爆的圍巖拱部進(jìn)行混凝土噴射。

（4）在發(fā)生較強(qiáng)型巖爆的圍巖段進(jìn)行施工時(shí)，除了做好下導(dǎo)坑開(kāi)挖，還需在下導(dǎo)坑設(shè)置楔管式錨桿，并掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，以免飛石崩出造成事故。另外，在必要的情況下還應(yīng)做好超前支護(hù)，通過(guò)設(shè)置鋼架支撐來(lái)降低巖爆危害。

2.4 加強(qiáng)初支

對(duì)于不同巖爆類(lèi)型，可按照表1所示參數(shù)要求對(duì)初支進(jìn)行加強(qiáng)。

表1 各巖爆類(lèi)型的初支加強(qiáng)參數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

該高速公路隧道建設(shè)中有近860m 長(zhǎng)的圍巖段發(fā)生了巖爆，在施工中通過(guò)對(duì)巖爆規(guī)律的分析掌握，借鑒其他工程相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，提出以上各項(xiàng)防治措施，從根本上降低了巖爆危害，保證了施工安全和進(jìn)度。