峨漢高速公路大峽谷隧道巖爆處治技術*

向 龍，林國進，唐 協(xié)，王 俊，李華明，方 勇

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041； 2.四川樂漢高速公路有限責任公司，四川 峨眉山 614200； 3.西南交通大學，四川 成都 610031)

0 引言

巖爆指在高地應力條件下，地下工程開挖過程中形成臨空面，硬脆性圍巖卸荷，儲存于巖體中的能量突然釋放，周邊圍巖應力分布發(fā)生突變，使隧道周邊切向應力或掌子面壓應力達到臨界狀態(tài)，在高能量(高應力)下圍巖巖體破壞失穩(wěn)，轉換為沖擊動能而產(chǎn)生的爆裂聲響、爆裂松脫、剝離彈射甚至拋出的地質災害。目前國內研究主要將巖爆分為輕微巖爆、中等巖爆、強巖爆及劇烈強巖爆。巖爆判別方法主要將地應力、巖石強度及巖體脆性作為主要判別指標，將巖體完整性、干燥程度、地溫等作為次要判別指標，包括Hoek方法、Russense方法、Turchaninov方法、Kidvbinski方法、侯發(fā)亮方法、陶振宇方法等?？稍诳辈祀A段通過隧道圍巖埋深、巖石強度、地應力、地熱等地質及力學信息，綜合判定隧道是否存在巖爆風險，并對巖爆進行等級劃分；也可基于現(xiàn)場實測結果對巖爆進行預測，方法包括微震監(jiān)測法、回彈法、聲波發(fā)射法、電磁波輻射法及微重力法等。另外，基于巖爆影響因素的巖爆綜合預測方法具有發(fā)展前景，其中，基于巖爆指標判據(jù)的預測方法主要包括物元可拓法、模糊綜合評判法等，基于巖爆工程實例數(shù)據(jù)的預測方法包括支持向量機法、決策樹法、貝葉斯判別法等。

巖爆處治方式主要包括：①通過改善圍巖條件解除部分圍巖應力或截斷應力傳遞路徑；②采取合理的施工方法及工序，減少對圍巖的擾動，降低圍巖應力的釋放，降低巖爆發(fā)生概率；③選擇合理的主動及被動防護方式，對圍巖施加支護反力，形成三維受力狀態(tài)，在不影響工期的情況下合理選擇巖爆處治措施。

本文首先總結國內典型隧道巖爆處治方法，然后依托峨漢高速公路大峽谷隧道，結合隧道巖爆特點，提出巖爆處治措施，以期為類似工程提供參考。

1 典型隧道巖爆處治方法

國內外隧道工程界學者對巖爆處治方法進行了積極探索，本文對國內典型隧道巖爆處治方法進行總結，如表1所示。

表1 國內典型隧道巖爆處治方法

1.1 合理開挖

弱～中巖爆隧道開挖進尺一般控制在2～3m，盡可能全斷面開挖，以減少圍巖應力平衡狀態(tài)破壞次數(shù)。中～強巖爆隧道開挖進尺一般控制在1.5～2m，必要時可采用上下臺階法或中導洞方式開挖(超前導洞長30～50m，直徑一般≤5m，宜根據(jù)地應力等綜合確定)，減少臨空面，增加圍巖周邊約束，避免應力一次釋放。TBM施工發(fā)生巖爆的概率更大，且?guī)r爆更強烈，這可能是因為TBM施工速度快，振動擾動小，周邊集中應力得不到釋放，可知爆破振動對巖爆應力集中具有一定擾動和釋放作用，對周邊圍巖具有一定破裂作用。

1.2 超前支護

在巖爆處治過程中，超前支護具有一定釋放掌子面圍巖壓力的作用，同時可保護拱頂圍巖，避免發(fā)生掉塊現(xiàn)象。對于弱～中巖爆，建議采用φ22mm錨桿，可不注漿。對于中～強巖爆，可采用φ42mm小導管，管中填充水泥砂漿，增加剛度，根據(jù)情況可不注漿。

1.3 應力釋放

隧道開挖后巖爆發(fā)生在巖石暴露面，巖爆按發(fā)生位置主要分為環(huán)向周邊圍巖巖爆和掌子面部位巖爆，環(huán)向周邊圍巖巖爆主要通過周邊切向應力與巖石強度控制，掌子面部位巖爆主要通過壓應力控制。

1)掌子面應力釋放孔

對于以壓應力為主、掌子面發(fā)生巖爆較多的地段，應結合巖爆規(guī)律及地應力測試結果在掌子面上有針對性地施作應力釋放孔。對于弱～中巖爆發(fā)生區(qū)段，鉆爆施工時可在拱角、邊墻及頂部加深鉆周邊眼炮眼孔。掌子面施作超前應力釋放孔，其數(shù)量根據(jù)巖爆情況確定，進行中深孔卸壓爆破，以達到釋放圍巖應力、降低沖擊地壓頻率的目的。對于中～強巖爆發(fā)生區(qū)段，可在掌子面鉆掘進炮孔，并加鉆較掘進炮孔深10m左右、僅在末端裝炸藥的應力解除(釋放)孔及直徑>110mm、不裝炸藥的容積補償孔(應力釋放孔)，利用爆破解除應力，提前釋放部分可能導致強巖爆的能量，然后向眼孔內噴灌高壓水，對圍巖進行軟化，從而提前加快圍巖的應力釋放。

2)周邊應力釋放孔

當巖爆主要發(fā)生在周邊圍巖時，需對隧道最大切向應力位置進行分析，結合現(xiàn)場巖爆發(fā)生位置，在隧道周邊拱腰等位置處鉆應力釋放孔，如初期支護施工完成后施作周邊應力釋放孔，每循環(huán)沿隧道環(huán)向布置1排卸壓孔，縱向間距為1m，環(huán)向間距為2m，呈倒三角形布置，進行中深孔卸壓爆破，降低沖擊地壓頻率，保障結構及施工安全。應結合隧道自身應力條件及巖爆特點確定應力釋放孔布置方案。

3)松動爆破

對于強巖爆及劇烈?guī)r爆發(fā)生區(qū)段，應采用周邊松動爆破方式，截斷應力路徑。應根據(jù)地層巖性、微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、地應力測試結果及現(xiàn)場巖爆規(guī)律等采取有針對性的強巖爆處治措施。當隧道周邊切向應力與掌子面壓應力過大時，會造成較強巖爆。如果隧道周邊切向應力過大，主要發(fā)生洞周圍巖巖爆。如果掌子面壓應力過大，主要發(fā)生掌子面部位巖爆。深層圍巖松動爆破可有效截斷圍巖壓力路徑，對強巖爆或劇烈?guī)r爆具有明顯的抑制作用。

1.4 強化支護參數(shù)

提高圍巖自承能力，開挖后需及時施作錨噴支護，盡早形成圍巖承載環(huán)，提高環(huán)向和切向承載力，主要以柔性鋼纖維混凝土及鋼架支護為主。采用噴漿法進行處治，噴漿厚度一般為5～10cm。采用強度等級較高的混凝土，將隧道表層破裂巖體聯(lián)固。對于隧道內速爆型巖爆發(fā)生區(qū)段，主要采用噴射混凝土或鋼纖維混凝土與布設系統(tǒng)錨桿的方式進行處治，系統(tǒng)錨桿長2m，間距1～2m，呈梅花形布置，錨桿需穿過圍巖損傷破裂區(qū)。噴射混凝土或鋼纖維混凝土時，一般噴射3次，噴射厚度為15～20cm。

1)噴射混凝土 噴射混凝土主要以纖維混凝土為主，錦屏隧道采用CF30雙摻無機納米材料+鋼纖維混凝土，取得了較好的效果。部分巖爆隧道中按3次噴射混凝土，其中初次噴射尤為重要，可減少巖體應力集中，并使結合面上產(chǎn)生抗力，填充圍巖裂隙，使圍巖膠結為整體。

2)錨桿 錨桿有效長度、抗巖爆沖擊能力等應滿足要求。錨桿需穿過圍巖損傷破裂區(qū)，能夠有效限制圍巖破裂裂隙擴展，以加固巖體，提高巖體和結構面的抗剪強度，改善結構面附近的應力分布，具有一定抗剪能力。錨桿施作應具備及時性，能夠及時、迅速發(fā)揮作用，保證施工進度和安全，水脹式錨桿與脹殼式預應力中空注漿錨桿較常用。

3)鋼架 鋼架在巖爆處治中具有較明顯的作用，鋼架及鋼筋網(wǎng)片可有效降低巖爆落石風險，噴射混凝土與鋼架可有效提供反力，形成三維受力狀態(tài)，對巖爆具有一定抑制作用。

4)二次襯砌 巖爆常導致初期支護出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，對后期施工安全造成一定影響，需盡快施作二次襯砌，可采用跳倉方式施工。

5)主動柔性網(wǎng) 主動柔性網(wǎng)結合噴射混凝土的方式在米倉山隧道巖爆處治中取得了顯著效果，主動柔性網(wǎng)可采用大網(wǎng)格+小網(wǎng)格的形式，對巖爆彈射、掉塊傷人具有較好的防護作用，具有一定推廣應用價值。

2 工程概況

峨眉山至漢源高速公路(峨漢高速公路)東接國家高速公路網(wǎng)成渝地區(qū)環(huán)線的樂雅高速公路、樂峨連接線高速公路和成樂高速公路，西接京昆高速公路。從國家高速公路網(wǎng)層面來看，本工程連接了2條國家高速公路，是重要的備用通道；從四川省高速公路網(wǎng)層面來看，本工程屬于《四川省高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2008—2030年)》東西向布局的“第4橫線”漢源至自貢高速公路的組成部分，項目建成后將直接與成樂高速公路、樂雅高速公路、樂峨高速公路、樂自高速公路、樂宜高速公路等交叉相連，使區(qū)域高速公路銜接成網(wǎng)。本工程路線全長123.468km，主線采用4車道高速公路技術標準建設，設計速度80km/h，全線共布置23座隧道，共長73 908.5m。其中大峽谷隧道長12.1km，為峨漢高速公路控制性工程，隧道最大埋深為1 944m，為目前國內埋深最大的高速公路隧道，其中10km深度范圍為近似水平白云巖層，呈薄層至厚層狀。大峽谷隧道開挖過程中頻繁發(fā)生的巖爆對施工進度和安全造成了影響。

大峽谷隧道近似與區(qū)域F15爾古灘斷層走向平行，位于爾古灘斷層下盤，為沖斷層。隧道進口段穿越F12斷層，出口段通風井穿越F15斷層，出口外分布有F14斷層。隧道進口段主要以板巖、碳質板巖及流紋巖為主，長度約2.1km，出口段主要以燈影組白云巖為主，長度約10km，白云巖形態(tài)以近似水平為主。

隧道洞身主要斷層為：①F12金口河斷層 北東向延伸，傾向南東，傾角70°～80°，為逆斷層，長度>19km，上盤由前震旦系峨邊群變質巖組成，下盤為震旦系地層。斷層破碎帶擠壓嚴重，呈碎粒狀，具碳化、片理化。F13為其支斷層，斷于震旦系燈影組內。②F15爾古灘斷層 北西西走向，長度>10km，西側越過馬托—俄落斷層，東側過古爾灘后至金口河斷層，斷層面向南陡傾，北盤(下盤)為上震旦統(tǒng)燈影組和古生界地層，南盤(上盤)為上震旦統(tǒng)，為沖斷層。

3 大峽谷隧道巖爆處治

3.1 地應力測試

3.1.1勘察階段地應力測試

勘察階段采用水壓致裂法進行地應力測試，其中，XK3-3鉆孔樁號為ZK75+572m，孔深466.5m，中風化板巖，通過該孔分別對136.6，159.8，297.5，325.1，334，370.2，418.8m深度處地應力進行測試，測試水位約108.000m。測得最大水平主應力為6.8～13.4MPa，最小主應力為3.9～9.6MPa，鉛直應力為3.6～11.1MPa，沿最大水平主應力方向的側壓力系數(shù)為1.1～1.9，平均值為1.4，測孔深部應力場主要呈最大水平主應力>鉛直應力>最小主應力特征，地應力場以水平應力為主導，最大水平主應力方向穩(wěn)定在北北西向。單軸飽和抗壓強度為58.63MPa，巖石強度應力比為4.68，地應力屬高應力水平。

XK3-4鉆孔樁號為K85+758m(右14m)，孔深590m，中風化白云巖，通過該孔分別對218.3，264.0，356.0，385.0，416.0，428.0，493.7，537.5m深度處地應力進行測試，測試水位約135.000m。測得最大水平主應力為6.9～16.4MPa，最小主應力為4.7～11.7MPa，鉛直應力為6.1～15.0MPa，沿最大水平主應力方向的側壓力系數(shù)為0.9～1.2，平均值為1.1，地應力場以水平應力為主導，壓裂隙方向獲得的最大水平主應力方向穩(wěn)定在北北西向。單軸飽和抗壓強度為140MPa，巖石強度應力比為8.64，地應力屬中等應力水平。

XK3-3，XK3-4鉆孔最大測試深度分別為418.8，537.5m，遠小于隧道最大埋深，根據(jù)埋深推測，大峽谷隧道圍巖具有硬質、脆性的特點，當隧道圍巖埋深<320m時，施工期不會發(fā)生巖爆；當隧道圍巖埋深為320～485m時，可能發(fā)生弱巖爆；當隧道圍巖埋深為485～886m時，可能發(fā)生中等巖爆；當隧道圍巖埋深>886m時，可能發(fā)生強巖爆。

3.1.2施工階段地應力測試

采用空心包體應力解除法，對大峽谷隧道施工階段地應力進行多次測試，結果如表2所示。測試范圍內隧道地應力屬高～極高地應力，最大主應力方向均與隧道軸向大角度相交。

表2 大峽谷隧道施工階段地應力測試結果

3.2 巖爆特點分析

施工過程中，大峽谷隧道進口段2km主要以板巖為主，巖爆在出口段相對集中，本文以出口段巖爆為例，對巖爆特點進行分析。

當隧道出口段左洞開挖4 005m、右洞開挖4 426m時，共發(fā)生221次巖爆，連續(xù)發(fā)生巖爆的洞段共14段，累計長度達2 125m，其中主洞部分長達1 511m，斜井部分長達614m。根據(jù)巖爆發(fā)生規(guī)律，可知大峽谷隧道巖爆多為弱～中巖爆，后續(xù)施工過程中可能發(fā)生局部強巖爆，巖爆主要特點如下。

1)隧道圍巖埋深達320m左右時首次出現(xiàn)弱巖爆，主要發(fā)生在掌子面拱腰位置，主要導致圍巖剝離掉塊，塊體彈射距離為2～10m，巖爆區(qū)段長，持續(xù)時間長(1～7h)。

2)隧道圍巖主要為沉積水平巖層，在高地應力條件下，最大主應力方向與隧道軸向大角度相交，隧道拱頂?shù)魤K成為巖爆主要表現(xiàn)形式之一，施工風險高。地應力存在滯后現(xiàn)象，初期支護施工完成后多次出現(xiàn)拱頂?shù)魤K現(xiàn)象。

3)隨著埋深的增加，隧道內溫度不斷升高，埋深達1 000m后溫度最高為35.36℃，處于高地溫環(huán)境，隧道圍巖干燥。斜井貫通后，自然風降溫作用明顯。

4)出口段巖爆區(qū)域存在地下水，有水雖不是巖爆的必要條件，但有水時一般存在裂隙，裂隙可截斷應力路徑。

5)大峽谷隧道地應力高、巖石強度高、巖體脆性指標高，但隧道圍巖主要為沉積水平巖層，巖層之間存在微小裂隙，雖加劇了隧道頂部剝離掉塊情況，但可在一定程度上降低巖爆發(fā)生概率。

3.3 處治措施

結合大峽谷隧道高地應力、巖層條件、巖爆特點等，對巖爆進行處治。

3.3.1弱巖爆處治

1)開挖采用光面爆破，全斷面開挖，進尺2～3m。

2)初次噴射4cm厚混凝土。采用I12.6加強支護，工字鋼間距為1.2m。掛設φ6mm鋼筋網(wǎng)片，孔距為25cm。

3)初期支護采用φ22mm藥卷錨桿，長2.5m，間距1.2m。超前支護采用φ22mm藥卷錨桿。

4)噴射4～6cm厚混凝土，進行掌子面封閉、反壓。

3.3.2中等巖爆處治

1)開挖采用光面爆破，采用臺階法施工，進尺1.5～2.5m。

2)初次噴射4cm厚混凝土。采用I14加強支護，工字鋼間距為1～1.2m。掛設φ8mm鋼筋網(wǎng)片，孔距為20cm。

3)初期支護采用φ22mm藥卷錨桿，長2.5m，間距1.2m。

4)超前支護采用φ22mm藥卷錨桿或φ42mm小導管。

5)根據(jù)巖爆情況在鋼架背后設置鋼筋排或加密、加粗鋼筋網(wǎng)片，避免水平巖層頂部剝離掉塊。

6)噴射6～8cm厚混凝土，進行掌子面封閉、反壓。

7)巖爆主要發(fā)生在掌子面，因此在掌子面上鉆6～10個φ110mm應力釋放孔，長10～20m。

支護參數(shù)需根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行動態(tài)調整，超前支護可不注漿或滯后注漿，便于周邊眼釋放圍巖壓力，且可避免拱頂?shù)魤K傷人。

3.3.3強巖爆預處治

1)開挖采用光面爆破，采用臺階法施工，進尺0.8～1.6m，上下臺階盡量拉長。

2)超前支護采用φ42mm小導管，長4.5m。

3)初次噴射4cm厚C25鋼纖維混凝土，采用I16加強支護，工字鋼間距為0.8m。掛設φ8mm鋼筋網(wǎng)片，孔距為20cm，補噴18cm厚C25鋼纖維混凝土。

4)初期支護采用φ25×5脹殼式預應力中空注漿錨桿，長3.0m，間距0.8m。

5)二次襯砌采用鋼筋混凝土，設置φ18螺紋鋼，縱向間距20cm。

6)根據(jù)巖爆情況在鋼架背后設置鋼筋排或加密、加粗鋼筋網(wǎng)片，避免水平巖層頂部剝離掉塊。

7)噴射8～10cm厚鋼纖維混凝土，進行掌子面封閉、反壓，如有需要，在掌子面布設錨桿，加固掌子面圍巖。

8)根據(jù)巖爆情況在掌子面或側壁上鉆φ110mm應力釋放孔，并進行預裂松動爆破。

4 結語

本文對國內典型隧道巖爆處治經(jīng)驗進行總結，并結合大峽谷隧道高地應力、巖層條件、巖爆特點等，針對不同巖爆發(fā)生區(qū)段提出有針對性的處治措施。

1)在勘察階段應結合地應力測試結果及巖石強度等參數(shù)，根據(jù)隧道埋深對巖爆發(fā)生區(qū)段進行劃分，同時結合施工期間微震監(jiān)測、原位地應力測試及現(xiàn)場巖爆發(fā)生規(guī)律，對不同巖爆發(fā)生區(qū)段采取有針對性的處治措施。

2)大峽谷隧道圍巖埋深大，地應力高，圍巖主要為水平巖層，為沉積巖。在沉積巖形成過程中，存在微小裂隙，可避免發(fā)生強巖爆，但由于極高地應力，巖爆發(fā)生區(qū)段占比達20%，隨著施工的進行，巖爆可能進一步加強。

3)大峽谷隧道圍巖為水平巖層，在高地應力或極高地應力下，隧道拱頂巖層易出現(xiàn)剝離掉塊等現(xiàn)象，易導致拱頂巖層塌方，施工風險高。為此，在施工過程中設置鋼架、拱頂錨桿、超前支護錨桿或超前小導管，以保證施工進度和安全。

4)大峽谷隧道軸向與最大主應力方向大角度相交，巖爆主要導致掌子面塊體彈射，對于弱～中巖爆發(fā)生區(qū)段，噴射4～8cm厚混凝土進行掌子面封閉、反壓，巖爆處治效果顯著，減少了塊體彈射等現(xiàn)象，縮短了巖爆回避等待時間，加快了施工進度。