大峽谷高速公路隧道內(nèi)巖爆的特點(diǎn)及施工對(duì)策

賈益柱

(四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司機(jī)械化施工分公司，四川 成都 610200)

1 工程概況

大峽谷隧道位于峨眉至漢源高速公路，大峽谷隧道出口位于烏斯河對(duì)面涼山彝族自治州甘洛縣烏史大橋鄉(xiāng)爾苦灘村邊坡上，左線長(zhǎng)度為6 169 m、右線長(zhǎng)度為6 170 m，最大埋深分別為1 944 m和1 932 m。洞門形式為端墻式，隧道共設(shè)車行橫通道6個(gè)，人行橫通道7個(gè)。隧道設(shè)置一座斜井，斜井樁號(hào)為BSK0+000～BSK2+046，長(zhǎng)度為2 046 m。隧道近似與區(qū)域F15爾古灘斷層走向平行，位于F15爾古灘斷層的下盤，為沖斷層；進(jìn)口段穿越F12斷層，出口漢源端通風(fēng)井穿越F15斷層；出口外分布有F14斷層。隧道存在斷層破碎帶、巖溶、巖爆、放射性、高地溫、大變形。隧道基本情況如表1所示。

表1 大峽谷隧道出口端基本概況

2 巖爆的成因和特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)隧道工程施工實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在隧道施工判斷巖爆的主要指標(biāo)有5個(gè)，包括巖石強(qiáng)度不低于80 MPa；初始地應(yīng)力不低于12～16 MPa；隧道圍巖級(jí)別為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)；隧道埋設(shè)超過(guò)50 m；隧道巖石干燥無(wú)水，并且呈現(xiàn)出脆弱性和節(jié)理基本不發(fā)育。一般情況下，產(chǎn)生巖爆的隧道都要同時(shí)滿足以上5個(gè)基本條件，為更好地保證施工的安全性，只要滿足其中任意3個(gè)指標(biāo)就可以判斷存在巖爆。按照上述指標(biāo)，再結(jié)合大峽谷隧道的實(shí)際情況，在背斜核部的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等質(zhì)地比較堅(jiān)硬的巖體中，因?yàn)閹r體局部構(gòu)造發(fā)生變化而引起的小范圍應(yīng)力增高，也有發(fā)生輕微巖爆的可能。

根據(jù)以上指標(biāo)，同時(shí)結(jié)合大峽谷隧道的具體情況，在背斜核部的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r類較硬巖中，因局部構(gòu)造發(fā)生變化而引起的小范圍應(yīng)力增高，可能會(huì)產(chǎn)生輕微的巖爆。

在大峽谷高速公路隧道中常見(jiàn)的巖爆可劃分為破裂松脫型巖爆、爆裂彈射型巖爆、爆炸拋石型巖爆3大類。這幾種巖爆類型，主要體現(xiàn)巖爆發(fā)生的程度上，但所具有的特點(diǎn)的相同，主要具有以下特點(diǎn)。

1)巖爆在未發(fā)生之前，并沒(méi)有明顯的征兆，普遍認(rèn)為不會(huì)掉塊的地方，也會(huì)出現(xiàn)巖石爆裂聲音。石塊有時(shí)會(huì)應(yīng)聲而落，有時(shí)暫時(shí)不會(huì)掉落。在沒(méi)有良好支撐的條件下，會(huì)對(duì)隧道施工中的人員、設(shè)備造成嚴(yán)重威脅。巖爆落石和常見(jiàn)的松動(dòng)落石現(xiàn)象有很大區(qū)別。

2)巖爆在發(fā)生時(shí)，石塊通常由母巖彈出，多為中間厚、邊緣薄，且不規(guī)則的片狀。

3)發(fā)生巖爆的地點(diǎn)多位于新開挖的工作面或者新開挖工作面的附近。

4)巖爆發(fā)生試件，多在爆破之后的2～3 h。

5)含水量大、溶孔多的巖體，通常情況下不會(huì)發(fā)生巖爆。

3 不同巖爆類型的施工對(duì)策

3.1 破裂松脫型巖爆施工對(duì)策

對(duì)破裂松脫型巖爆而言，在具體施工中，為降低巖爆對(duì)施工造成的不良影響，可采取以下施工對(duì)策。

1)嚴(yán)格堅(jiān)持“中等進(jìn)尺”的開挖原則。在隧道施工中開挖進(jìn)尺深度要控制在3 m以下，尤其是在全斷面隧道開挖中，在滿足施工進(jìn)度的要求下，盡量采取臺(tái)階法開挖施工技術(shù)。

2)光面爆破。如果施工工期短，必須使用爆破施工技術(shù)，則要采取爆破振動(dòng)比較小的光面爆破技術(shù)，并選擇和巖爆區(qū)域硬巖相互匹配的高猛度、高威力水膠炸藥。爆破參數(shù)需要按照施工爆破效果的要求，采取動(dòng)態(tài)爆破設(shè)計(jì)，以便不斷優(yōu)化爆破參數(shù)，各級(jí)圍巖光面爆破施工參數(shù)如表2所示。

表2 光面爆破參數(shù)表

在光面爆破施工中周邊眼要采取小直徑藥卷不耦合間隔裝藥，通過(guò)導(dǎo)爆索來(lái)傳爆，其他炮眼可采取一般藥卷集中裝藥。但每個(gè)裝藥炮眼都需要用炮泥堵塞嚴(yán)厲，堵塞長(zhǎng)度不小于25 cm。同時(shí)還要加大對(duì)光面爆破施工技術(shù)的管理力度，以保證爆破之后輪廓線圓順光滑，避免表面凹凸不平引起應(yīng)力集中問(wèn)題。

3)噴水軟化圍巖?；趲r爆的特點(diǎn)，通過(guò)噴水軟化能夠調(diào)整巖層原始應(yīng)力的釋放，同時(shí)降低因?yàn)楸埔鸬姆蹓m含量。

4)濕噴混凝土。針對(duì)已經(jīng)開挖形成洞室，需要采取濕噴混凝土工藝，在巖爆圍巖之上噴射一層厚度在5 cm左右的混凝土，以便及時(shí)封閉圍巖和前方的掌子面，以降低巖爆對(duì)隧道施工造成的不良影響[1]。

5)搭設(shè)錨桿。每次鉆爆、排煙之后及時(shí)清除危石，針對(duì)挖掘機(jī)無(wú)法達(dá)到的位置，不能及時(shí)清理掉，但又存在危險(xiǎn)性的落石或者其他不穩(wěn)定的巖體，可采取臨時(shí)錨桿進(jìn)行加固處理，最好采取水脹式錨桿進(jìn)行加固以提升隧道施工的安全性。

3.2 爆裂彈射型巖爆施工對(duì)策

爆裂彈射型巖爆屬于中等強(qiáng)度的巖爆，在此種巖爆地段施工中，可采取以下施工對(duì)策來(lái)保證施工的安全性。

1)注重超前地應(yīng)力解除爆破。主要是通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化爆孔的布設(shè)情況、裝藥量、主要結(jié)構(gòu)、起爆網(wǎng)絡(luò)等達(dá)到解除巖爆地應(yīng)力的目的。就案例工程而言，為降低爆裂彈射型巖爆造成的不良影響，炮孔在掌子面上均勻布置，控制炮孔之間的間距在2 m左右，炮孔的深度為單循環(huán)進(jìn)尺深度的3倍左右，炮孔鉆孔傾斜度控制在5°～10°。應(yīng)力解除炮孔要盡量布置在巖石完整的區(qū)域，避開破碎帶和節(jié)理發(fā)育帶，裝藥的長(zhǎng)度要控制在1.5～2.0 m，以達(dá)到巖體致裂，但不破碎的爆破效果。本工程在應(yīng)力解除中采取了微差爆破技術(shù)，爆破時(shí)間間隔控制在150 ms以上，為提升爆破效果，在施工條件和施工進(jìn)度允許的情況下可進(jìn)行單孔單獨(dú)爆破，具體的炮孔布置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 微差爆破炮孔布置示意圖

當(dāng)完成巖爆地應(yīng)力解除爆破之后，巖爆地段中的主要應(yīng)力會(huì)從破裂圍巖周邊開始，分解為徑向用力和切向應(yīng)力。此外，巖爆地區(qū)中的原始的應(yīng)力集中區(qū)也會(huì)因?yàn)楸普駝?dòng)而得到調(diào)整，圍巖的整體應(yīng)力也會(huì)隨之得到改善，從而降低巖爆對(duì)隧道施工造成的不良影響。

2)控制好進(jìn)尺的深度。在爆裂彈射型巖爆地段施工中，必須嚴(yán)格控制好隧道開挖進(jìn)尺的深度。就案例工程而言，為保證施工的安全性，將開挖進(jìn)尺深度控制在2 m以內(nèi)，如果采取了全斷面開挖方法，則需要采取臺(tái)階法開挖[2]。

3)高壓噴水。爆裂彈射型巖爆屬于中度危險(xiǎn)巖爆類型，噴水后可降低巖爆事故發(fā)生的概率。因此，當(dāng)隧道開挖爆破完成后必須及時(shí)進(jìn)行高壓噴水處理，控制噴射距離在10 m以上。但本工程在具體施工中，隧道截面積比較大，為提升高壓噴水的全面性，在隧道邊墻的一定高度范圍內(nèi)，布設(shè)2個(gè)噴嘴，噴嘴布設(shè)高度要以爆破石渣堆積高度1 m以上為最佳，噴嘴和后方高壓水管相互連接。爆破施工完成后要及時(shí)開展水龍頭，及時(shí)向掌子面上噴水、灑水，噴水的角度需要以盡量潤(rùn)濕巖面為宜。為降低水對(duì)出渣造成的不良影響，噴水10～30 min之后，及時(shí)改為霧狀噴水。

4)打設(shè)注漿小導(dǎo)管。為降低巖爆對(duì)隧道施工造成的不良影響，還需要在隧道邊墻之上打設(shè)注漿小導(dǎo)管，此種方法，既有助于巖爆地段應(yīng)力的釋放，也可以加固圍巖，以提升圍巖的穩(wěn)定性，為隧道工程施工營(yíng)造一個(gè)安全穩(wěn)定的環(huán)境。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范的要求布設(shè)錨桿，本工程圍巖的硬度比較大，手持風(fēng)鉆鉆孔難度大，為保證鉆孔深度和質(zhì)量，采取了錨桿臺(tái)車鉆孔的方法成孔，錨桿臺(tái)車無(wú)法達(dá)到的位置用鑿巖機(jī)鉆孔，鉆孔完成之后及時(shí)用高壓水進(jìn)行清孔，清孔后將安裝好錨頭的中空注漿錨桿插入孔底，安裝上止?jié){塞、墊板、螺母等設(shè)備后，連接上注漿管，通過(guò)注漿泵向孔內(nèi)注漿[3]。漿液要采取純水泥漿液，逐漸壓力要控制在0.3～1.0 MPa，按照從下到上的順序逐根注漿，注漿全部完成后，用止?jié){塞嚴(yán)密塞堵鉆孔后，及時(shí)通過(guò)速凝水泥封孔，具體的施工示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 注漿導(dǎo)管施工示意圖

3.3 爆炸拋石型巖爆施工對(duì)策

爆炸拋石型巖爆屬于危害比較大的巖爆，會(huì)對(duì)隧道施工造成嚴(yán)重的影響，為降低爆炸拋石型巖爆造成的不良影響，可從以下幾個(gè)方面同時(shí)入手。

1)在隧道圍巖之上打設(shè)膨脹錨桿，在隧道掌子及掘進(jìn)方向搭設(shè)超前錨桿進(jìn)行加固處理，為提升加固效果，所選錨桿的長(zhǎng)度不能低于爆破進(jìn)尺深度的2倍。在一個(gè)循環(huán)爆破施工完成后，依然需要有一部分錨桿存留在巖體中以便更好地加固掌子面。此外，膨脹錨桿自身也具有良好的膨脹效果，會(huì)對(duì)掌子面產(chǎn)生良好的約束效果，能夠更好地加固隧道圍巖，又能防止來(lái)自掌子面上劇烈?guī)r塊的彈射。本工程在掌子面開挖施工中選擇用24根長(zhǎng)度為4 m錨桿安設(shè)在掌子面上，每循環(huán)鉆爆進(jìn)尺深度為1.5 m，當(dāng)錨桿被爆破截?cái)嘀?，依然?/3的桿體存留在巖體中有效保證了掌子面的穩(wěn)定性，而且下一循環(huán)的鉆眼作業(yè)也不會(huì)受到爆破的影響，具體的施工示意圖如圖3所示。

圖3 膨脹錨桿施工示意圖

2)超前地應(yīng)力解除爆破。其施工方法和爆裂彈射型巖爆超前地應(yīng)力解除爆破相同，主要區(qū)別在于爆破孔布置不同。在爆炸拋石型巖爆解除地應(yīng)力爆破施工中，拱頂距離邊界線約1.2 m的范圍內(nèi)需要加設(shè)外插角為5°的炮孔，此種施工方法能夠更加顯著地改善圍巖整體地應(yīng)力分布情況，降低整體應(yīng)力，更好地保證施工質(zhì)量[4]。

3)短進(jìn)尺。在爆炸拋石型巖爆地段施工中開挖進(jìn)尺深度要控制在2 m以下，在發(fā)生巖爆概率比較大的地段，需要采取導(dǎo)坑法開挖施工技術(shù)，以降低對(duì)開挖施工對(duì)圍堰造成的擾動(dòng)。

4)濕噴混凝土。在爆炸拋石型巖爆地段濕噴混凝土?xí)r，混凝土噴射厚度需要控制在15～20 cm，在配制混凝土?xí)r需要加入適量的緩凝劑和沸石粉，以提升混凝土的強(qiáng)度，控制混凝土裂縫。

4 保障大峽谷高速公路隧道內(nèi)巖爆施工安全的措施

巖爆對(duì)隧道施工的安全性會(huì)造成嚴(yán)重影響，因此，在存在巖爆地段的隧道工程施工中，必須采取一系列行之有效的安全措施來(lái)保證施工的安全性。在案例工程施工中采取如下措施，可有效保證施工的安全性。

1)針對(duì)巖爆發(fā)生的難以預(yù)測(cè)性，在施工中需要遵循“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的原則，在施工前提前做好巖爆預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，針對(duì)開挖面可能發(fā)生的巖爆，及時(shí)采取施工對(duì)策。巖爆發(fā)生后，要詳細(xì)研究巖爆的規(guī)律，并制定有效的對(duì)策[5]。

2)大峽谷高速公路隧道內(nèi)巖爆地段施工中，要控制好循環(huán)開挖的進(jìn)尺深度，每循環(huán)進(jìn)尺深度控制在1～2 m。采取爆破效果好，爆破振動(dòng)可控的光面爆破技術(shù)，以降低對(duì)圍巖造成的擾動(dòng)和影響。

3)如果在隧道施工中已經(jīng)出現(xiàn)了巖爆，需要立即停機(jī)待避，并用摩擦型錨桿進(jìn)行支護(hù)，并噴射厚度在50～80 mm的鋼纖維混凝土。及時(shí)采取有效的技術(shù)措施，釋放圍巖內(nèi)部應(yīng)力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)例，分析了大峽谷高速公路隧道內(nèi)巖爆的特點(diǎn)及施工對(duì)策。分析結(jié)果表明，巖爆是隧道工程施工中比較常見(jiàn)的不良地質(zhì)，對(duì)隧道施工造成的影響比較大，巖爆類型不同，造成的影響和危害也不相同，需要采取有針對(duì)性的對(duì)策和措施來(lái)處理巖爆，并加強(qiáng)預(yù)防和圍巖加固，最大限度降低巖爆對(duì)隧道施工造成的不良影響，為隧道施工營(yíng)造一個(gè)安全的施工環(huán)境，保障施工任務(wù)的順利完成。