蔣波
(深圳高速工程顧問有限公司,廣東深圳 518034)
旗桿山隧道右線起訖樁號為YK46+495—YK54+155,長度7660m;左線起訖樁號為ZK46+505—ZK54+141,長度7636m??v向采用0.5%~2.4%的人字坡,進口采用端墻式洞門,出口采用削竹式洞門。洞內(nèi)設(shè)10處車行橫道、22處人行橫道、2座變電所。
高地應力區(qū)的地質(zhì)條件特殊,在該環(huán)境下組織開挖作業(yè)時易發(fā)生巖爆現(xiàn)象,即因進行開挖作業(yè)圍巖開始卸荷,出現(xiàn)較為明顯的脆性破壞問題,在該干擾作用下迫使原本存在于巖體的彈性應變能在短時間內(nèi)劇烈釋放,伴有不同程度的爆裂、剝落等現(xiàn)象。巖爆的出現(xiàn)將直接破壞現(xiàn)場正常的施工秩序,存在諸多質(zhì)量隱患和安全隱患,必須采取科學的方法處治[1]。
旗桿山隧道所在區(qū)域的海拔較高,最高海拔約為2018~2245.9m,沿線地形缺乏平整性,自然坡度達45~60°,洞身最大埋深約1304m。現(xiàn)場勘察結(jié)果顯示,K.SQGSCK4鉆孔的最大水平主應力值為25.74MPa,最小水平主應力值為14.84MPa,加之現(xiàn)場自然條件的特殊性(巖體強度、地質(zhì)構(gòu)造)以及施工的擾動性(開挖),潛在巖爆的風險,一旦發(fā)生巖爆將直接阻礙正常施工進度,質(zhì)量問題乃至安全問題相伴而生,嚴重影響隧道工程項目的開展。因此,采取有效的監(jiān)控措施和處治措施至關(guān)重要,是保證隧道施工安全的關(guān)鍵。
巖爆是一種破壞性較強的地質(zhì)現(xiàn)象,其主要特點有:
(1)主要集中在新開挖工作面的周邊,尤為常見的是拱部以及拱腰部,兩處的發(fā)生概率較大。
(2)發(fā)生于開挖期間或開挖后,以爆破后的2~3h最為特殊,屬于巖爆的高發(fā)時間段,延續(xù)時間較長,普遍達到1~2個月,特殊情況下甚至可達到1年以上。
(3)發(fā)生前無明顯征兆,存在不可預見性。在現(xiàn)場檢查過程中,即便認為某區(qū)域無石塊掉落的風險,但后續(xù)也有可能發(fā)生巖石爆裂,令工程人員措手不及。
(4)巖爆的規(guī)??纱罂尚。瘔K由母巖彈出,主要呈現(xiàn)出周邊薄、中間厚的形態(tài)特點,并以片狀為主。
(1)灑水軟化。爆破后,以噴射高壓水的方法處理工作面及其后15m的區(qū)域,此時有利于降低巖石的脆性,進而降低巖爆的強度。通常在輕微以及中等巖爆地區(qū)宜采用灑水軟化的方法,對巖爆有一定的防控效果[2]。
(2)加強臨時支護。較為適宜的是光面爆破技術(shù),其特點在于消除應力集中現(xiàn)象,使成型洞壁具有較好的圓順性。經(jīng)過開挖后,若條件允許則及時噴射高強混凝土,隨著該類材料的固結(jié),優(yōu)化圍巖的受力狀態(tài)。按特定的間距在工作面打設(shè)超前錨桿,提高開挖面的穩(wěn)定性。針對巖爆概率較大、程度較深的區(qū)域,可聯(lián)合應用加密錨桿、掛網(wǎng)、噴射混凝土等多重方法,全面增強防護效果。
(3)鉆應力釋放孔。根據(jù)地質(zhì)條件預判可能出現(xiàn)巖爆的部位,在該處打設(shè)適量的空眼,采取此措施后有利于釋放部分圍巖應力,從源頭上降低巖爆的發(fā)生概率;還可向空眼中注高壓水,依托水的滲透作用逐步填充至巖體的裂隙內(nèi),此時巖體的塑性變形能力有所提高,彈性模量則有降低的變化趨勢。
(4)淺孔弱爆。爆破施工宜采用潛孔爆破的方法,適度減少單次裝藥量和縮短循環(huán)進尺,通過多類措施的聯(lián)合應用減輕爆破對圍巖的擾動性影響,也有利于降低巖爆的發(fā)生概率。
(5)有序開挖。遇巖爆嚴重的區(qū)段時分階段依次施工。根據(jù)隧道斷面的尺寸特點將其劃分為多個開挖部分,以循序漸進的方式逐步釋放應力,具體可采用三臺階七步開挖法,有效防控巖爆現(xiàn)象。
(6)加強監(jiān)控。巖爆發(fā)生后的1h左右?guī)缀踹_到最為激烈的狀態(tài),后續(xù)隨著時間的延長有緩和的趨勢。有必要加強監(jiān)控,及時掌握巖爆區(qū)段的實際情況,在現(xiàn)場設(shè)立監(jiān)測點,及時采集測點的信息,并安排專員定期巡查,及時發(fā)現(xiàn)問題,以正確的方法處理問題[3]。每完成一次爆破后禁止員工隨即進入現(xiàn)場,需等待一段時間,待巖爆平靜后繼續(xù)開展后續(xù)工作。
埋深較大的地段易發(fā)生巖爆,此類區(qū)域采取短進尺掘進開挖的方法,單次進尺量控制在1.2~2.5m,并在不影響爆破效果的前提下適當減少藥量以及降低爆破頻率,削弱圍巖應力集中現(xiàn)象。合理協(xié)調(diào)開挖工序,做到全斷面開挖,以免破壞圍巖應力平衡狀態(tài)。
存在類似巖爆現(xiàn)象時,一方面盡快掌握現(xiàn)場情況,以便制定相適應的處置方案,另一方面向掌子面和洞壁處噴灑水,在多重措施并行之下控制巖爆現(xiàn)象。
根據(jù)掌握的信息,對旗桿山隧道可能出現(xiàn)的巖爆現(xiàn)象進行分級,進而采取合適的處治方法,具體如下:
(1)微弱巖爆(I級):向掌子面和洞壁兩處灑水,按照特定的間距打孔,起到釋放應力的作用。具體如圖1所示。
圖1 微弱巖爆處治(單位:mm)
(2)中等巖爆(II級):向掌子面和洞壁兩處灑水;噴射混凝土,有效封閉掌子面,厚度為15cm;打孔,用于釋放圍巖的應力。具體如圖2所示。
圖2 中等巖爆處置(單位:mm)
(3)強烈?guī)r爆(Ⅲ級):向掌子面和洞壁兩處灑水;噴射混凝土,有效封閉掌子面,厚度為15cm;打孔,用于釋放圍巖的應力;掌子面超前加固,材料選用Φ40mm的超前管縫式錨桿,間距2m×2m,梅花形布置。
應力釋放孔是削減圍巖應力的關(guān)鍵途徑,孔徑與掘進爆破孔一致,長度至少為開挖進尺的2倍,視實際情況適當增加。在打設(shè)應力釋放孔時著重考慮掌子面中間、周邊兩部分,前者的孔與掌子面呈垂直的位置關(guān)系,后者的孔外插角控制在5~10°;間距無特定的要求,具體根據(jù)實際情況靈活調(diào)整,但對于結(jié)構(gòu)面、裂隙處,原則上不作為應力釋放孔的設(shè)置區(qū)域。
應力釋放孔的應用效果較差時,向掌子面中間的孔裝藥,采取爆破措施解除應力。應力解除爆破的方法主要有兩種,即微差爆破、單獨與掘進孔分開爆破,具體視實際情況而定。
為給隧道施工創(chuàng)設(shè)良好的條件,先采取超前支護措施。拱部120°范圍內(nèi)設(shè)長度為4.5m的Φ42mm超前小導管,環(huán)向間距40cm,排距2.4m,每排數(shù)量為37支;在小導管的四周設(shè)Φ6mm壓漿孔(尾部1m不做此操作)用于注漿施工;鋼管搭接長度1.5m或適當增加。注漿壓力控制在0.5~1.5MPa,根據(jù)漿液性能以及實際注漿情況靈活調(diào)整。
(1)施工人員應規(guī)范作業(yè),密切關(guān)注所在區(qū)域上方以及周邊圍巖的實際狀況,一旦發(fā)現(xiàn)異常立即采取處理措施,從源頭上規(guī)避問題。
(2)定期清理巖爆段的浮石、危石,以免松動滑落引發(fā)安全事故。
(3)巖爆劇烈且持續(xù)時間較長時應暫停施工,安排施工人員撤離至安全區(qū)域,待現(xiàn)場恢復正常后繼續(xù)施工。
巖爆是高地應力地段隧道施工中較為嚴重的現(xiàn)象,具有破壞性強、持續(xù)時間長、影響范圍廣等特點。為有效處治巖爆,必須從源頭防控做起,遵循因地制宜的原則,根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件制定合理的施工方案,采取超前支護、錨桿加固等相關(guān)措施,并在施工期間加強安全檢查,及時排除險情,保證隧道施工安全。