西南地區(qū)硬巖隧道巖爆處治技術(shù)及應(yīng)用

樊永泰FAN Yong-tai

（中鐵十二局集團(tuán)有限公司，太原 030024）

0 引言

在我國西南地區(qū)的隧道建設(shè)期，硬巖隧道經(jīng)常會(huì)發(fā)生各種等級(jí)的巖爆，因地質(zhì)情況的復(fù)雜性，巖爆一直是一大施工難題。根據(jù)常規(guī)的巖爆等級(jí)劃分及相應(yīng)表現(xiàn)，并不能很好地解決巖爆給施工安全及施工質(zhì)量帶來的危害，巖爆發(fā)生規(guī)律的探尋與總結(jié)，也是隧道施工領(lǐng)域一直探索的難題。[1]根據(jù)常識(shí)，對(duì)于硬巖隧道，隧道埋深是決定是否發(fā)生巖爆的主要因素，但是在西南地區(qū)，可能在幾百米的埋深情況下，就會(huì)發(fā)生巖爆。設(shè)計(jì)地質(zhì)勘測(cè)資料，也會(huì)給出圍巖隧道圍巖應(yīng)力分布、分段圍巖巖爆分級(jí)、處治措施等資料，施工中應(yīng)結(jié)合施工圍巖應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合判斷，采取對(duì)應(yīng)有效措施，以保障施工安全。本文依托西南地區(qū)某巖爆隧道，對(duì)隧道典型特征進(jìn)行了總結(jié)分析，提供了一套巖爆處治技術(shù)，可為今后類似工程的施工提供一定的參考和經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

某高原隧道位于四川甘孜州，海拔約2200m，隧道最大埋深約1750m，隧道圍巖以花崗巖為主，微～中風(fēng)化，圍巖節(jié)理裂隙稍發(fā)育，實(shí)測(cè)圍巖最大主應(yīng)力22MPa，穿越多條地質(zhì)斷裂構(gòu)造帶。設(shè)計(jì)文件中，對(duì)于弱巖爆，采用錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土柔性支護(hù)，通過設(shè)置錨桿以錨固圍巖，防止其脫落；中等巖爆則通過設(shè)置格柵鋼架進(jìn)行柔性支護(hù)，防止較大面積巖體脫落；強(qiáng)烈?guī)r爆則采用型鋼鋼架進(jìn)行剛性支護(hù)。

2 巖爆典型特征分析[2，3]

2.1 巖爆發(fā)生部位

在隧道施工過程中，掌子面巖爆在爆破后最為活躍，多集中在拱部，邊墻次之，底板巖爆也有發(fā)生。

2.2 巖爆發(fā)生形式

輕微巖爆呈薄片狀剝落，甚至發(fā)生彈射，中等～強(qiáng)烈?guī)r爆，拱部呈較大深度穹狀剝落，圍巖應(yīng)力及原生節(jié)理的發(fā)育情況，很大程度上決定了巖爆爆坑范圍及深度。典型穹狀巖爆爆坑見圖1。

圖1 典型穹狀巖爆爆坑

2.3 巖爆滯后性

施工期間，地應(yīng)力調(diào)整、集聚、重新分布時(shí)間長(zhǎng)，一般情況下在5 個(gè)小時(shí)內(nèi)為巖爆活躍期，局部段落發(fā)生巖爆滯后期為1～2 天，個(gè)別段落巖爆在二襯施工前的初支段落仍有發(fā)生。滯后發(fā)生的巖爆一般在縱向一定長(zhǎng)度內(nèi)集中突然釋放，所形成的沖擊力將已經(jīng)完成的初期支護(hù)混凝土沖落。

2.4 巖爆不可預(yù)測(cè)性

地應(yīng)力分布復(fù)雜，發(fā)生的部位、時(shí)間、程度很難準(zhǔn)確、及時(shí)定性、量化，造成在支護(hù)參數(shù)的選擇上不易把握，多次發(fā)生已經(jīng)完成的初期支護(hù)被破壞，掌子面停工，回頭處理的情況，嚴(yán)重影響工期進(jìn)度。

3 巖爆處治技術(shù)

3.1 防護(hù)措施

對(duì)施工作業(yè)的挖掘機(jī)、裝載機(jī)駕駛室前擋玻璃設(shè)置鋼筋網(wǎng)，防止彈射巖塊傷害司機(jī)，設(shè)備頂部設(shè)置鋼板，保護(hù)其在出渣、排險(xiǎn)過程中免遭剝落巖塊破壞。

加強(qiáng)個(gè)體防護(hù)，在掌子面及附近周邊，采用液壓防護(hù)棚架，對(duì)液壓移動(dòng)式被動(dòng)網(wǎng)防護(hù)棚架的液壓油缸設(shè)置鋼板罩，防止落石沖擊破壞，同時(shí)，對(duì)液壓管加裝保護(hù)管，避免飛石擊打損壞。

施工作業(yè)人員應(yīng)佩戴高強(qiáng)度頭盔，系牢下頜帶，必要情況下佩戴護(hù)目鏡、防彈背心。

3.2 地應(yīng)力測(cè)試

隧道巖爆集中發(fā)生后，應(yīng)于隧道邊墻位置實(shí)施圍巖應(yīng)力實(shí)測(cè)，通過實(shí)測(cè)獲得圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)施工，防止在盲目的情況下，造成施工安全事故。

施工期間，對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試部位巖性為淺紅色花崗巖，巖體較為完整，主要受結(jié)構(gòu)面控制，裂隙不發(fā)育，圍巖最大主應(yīng)力22MPa，花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度為79～80MPa，計(jì)算RC/σmax≈4，處于較高地應(yīng)力區(qū)。

分段落對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行實(shí)測(cè)實(shí)量，通過科學(xué)數(shù)據(jù)判斷巖爆情況。[4]

3.3 巖爆處治技術(shù)

3.3.1 爆破技術(shù)

在采取單循環(huán)短進(jìn)尺爆破的同時(shí)，為避免圍巖爆破后應(yīng)力集中而誘發(fā)巖爆的發(fā)生，采用光面爆破技術(shù)，短進(jìn)尺、弱爆破，減少藥量、爆破頻次，經(jīng)實(shí)踐，光面爆破質(zhì)量可有效減小應(yīng)力集中，對(duì)巖爆有一定削減作用，但不能完全阻止圍巖應(yīng)力釋放及重分布，掉塊及巖爆崩落無法完全避免。[5]全斷面光面爆破參數(shù)見圖2。

圖2 全斷面光面爆破參數(shù)

對(duì)于強(qiáng)烈?guī)r爆地段應(yīng)采用預(yù)裂爆破，盡量減少開挖爆破作業(yè)對(duì)圍巖的擾動(dòng)。采用全斷面開挖，以減少圍巖表層出現(xiàn)應(yīng)力集中。

加強(qiáng)光面爆破現(xiàn)場(chǎng)管理與技術(shù)指導(dǎo)，以取得良好光爆效果。

3.3.2 待避期

總結(jié)巖爆發(fā)生規(guī)律，加強(qiáng)個(gè)體防護(hù)，巖爆活躍期進(jìn)行待避。

總結(jié)巖爆發(fā)生時(shí)間、活躍期、發(fā)生部位、破壞方式及聲響特征等，確定合理的待避時(shí)間，該時(shí)間段是圍巖應(yīng)力重分布時(shí)期，不可貿(mào)然施工，待巖爆頻次、強(qiáng)度降低后，方可進(jìn)行施工。

3.3.3 改善圍巖物理力學(xué)性質(zhì)

向掌子面及洞壁噴灑高壓水，或利用炮眼及錨桿孔向巖體深部注水，以降低圍巖強(qiáng)度，增強(qiáng)其塑性，減弱其脆性，最終降低巖爆的劇烈程度。

掌子面爆破待避期后，首先對(duì)開挖面進(jìn)行高壓灑水，每次灑水時(shí)間約10～30 分鐘。

3.3.4 強(qiáng)支護(hù)技術(shù)

花崗巖脆性大，圍巖呈板狀、大塊狀發(fā)育，圍巖層間結(jié)合很差、鑲嵌程度低，掉塊很大，發(fā)生巖爆時(shí)將圍巖爆松，降低對(duì)錨桿的包裹力及摩擦力，錨桿的抗拔能力降低甚至失效。[6]

因巖爆發(fā)生的不確定性，在裸露的圍巖下實(shí)施錨桿鉆孔、安裝作業(yè)，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，有拱架段，甚至發(fā)生噴射混凝土后，初期支護(hù)被巖爆嚴(yán)重破壞的情況，無拱架段落，則發(fā)生撕裂噴射混凝土的現(xiàn)象。需要處理破損的初支層，實(shí)施二次初支施工，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。

隧道巖爆段施工期間，輕微巖爆，采用三角格柵鋼架進(jìn)行快速支護(hù)，中等～強(qiáng)烈?guī)r爆段，采用截面抗彎能力、防地應(yīng)力沖擊能力更強(qiáng)的型鋼鋼架代替格柵拱架，實(shí)現(xiàn)快速強(qiáng)支護(hù)，以縮短作業(yè)時(shí)間。另外，可以施作超前鋼管支護(hù)，為下一循環(huán)形成頂部作業(yè)防護(hù)，保證作業(yè)人員安全。[7，8]

3.3.5 鋼纖維噴射混凝土技術(shù)

初期支護(hù)是對(duì)巖爆最直接的防治措施，而普通噴射混凝土具有脆性特征，對(duì)于巖爆的防治針對(duì)性差，而鋼纖維噴射混凝土的強(qiáng)度及耐沖擊性能均較普通噴射混凝土好，抵抗沖擊性能高，耐應(yīng)勞性強(qiáng)，抗裂性能強(qiáng)，可以極好地增強(qiáng)初期支護(hù)的整體強(qiáng)度。

3.3.6 巖爆爆坑處治技術(shù)

巖爆段落由于爆坑深度較大，現(xiàn)場(chǎng)采用彎折的φ6 鋼筋網(wǎng)堆疊放置在鋼拱架背后，作為后續(xù)爆坑處理的主骨架。巖爆爆坑處治鋼筋網(wǎng)設(shè)置見圖3。

圖3 巖爆爆坑處治鋼筋網(wǎng)設(shè)置

初支噴射混凝土施工前，在鋼架一側(cè)固定設(shè)置預(yù)留φ100 管，底部伸出噴射混凝土下表面，頂部距離爆坑底50cm 設(shè)置，用于初支背后爆坑處治。初支完成后，通過φ100 管分次泵送混凝土填塞爆坑。巖爆爆坑處治示意圖見圖4。

圖4 巖爆爆坑處治示意圖

3.3.7 總結(jié)巖爆規(guī)律[9，10]

為總結(jié)巖爆發(fā)生規(guī)律，降低巖爆段施工風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)后續(xù)巖爆段施工，編制了巖爆統(tǒng)計(jì)觀察記錄表，通過現(xiàn)場(chǎng)觀察總結(jié)規(guī)律。

記錄表內(nèi)容包括：巖爆發(fā)生時(shí)間、里程、地質(zhì)狀況、斷面部位、巖爆前的聲響、巖爆數(shù)量等信息。

巖爆處治技術(shù)措施匯總表見表1。

表1 巖爆處治技術(shù)措施匯總表

3.3.8 安全技術(shù)措施

加強(qiáng)巖爆教育，對(duì)進(jìn)洞施工人員進(jìn)行巖爆普及知識(shí)和安全須知的教育；對(duì)臨時(shí)進(jìn)洞人員也向其交代安全注意事項(xiàng)。每次放炮派專人到掌子面監(jiān)聽?zhēng)r爆發(fā)生前的聲響，以此來分析其巖爆的可能性和嚴(yán)重性，決定是否停工撤人。

4 結(jié)束語

在各種不同進(jìn)尺情況下，巖爆均有發(fā)生，且受地應(yīng)力及結(jié)構(gòu)面綜合影響爆坑深度無法預(yù)判，各進(jìn)尺條件下待避時(shí)間也受巖爆及掉塊外部持續(xù)時(shí)間特征而定。結(jié)合施工安全與進(jìn)度考慮，在輕微巖爆段每循環(huán)進(jìn)尺3m，是保證安全及施工進(jìn)度較為合理的進(jìn)尺指標(biāo)；在中等巖爆段每循環(huán)進(jìn)尺控制在1.5m～2.5m 較為合理；強(qiáng)烈?guī)r爆段按單榀拱架間距控制，以減少爆坑深度及范圍。

巖爆段施工，應(yīng)加強(qiáng)工序銜接、加強(qiáng)安全防護(hù)措施、合理調(diào)整待避時(shí)間，依據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)支護(hù)類型標(biāo)準(zhǔn)化、流程化，綜合工程造價(jià)、工期考慮，減少方案討論時(shí)間。

為最大限度保障施工及結(jié)構(gòu)安全、加快施工進(jìn)度、控制投資，參建各方在施工過程中，通過規(guī)范程序、加強(qiáng)對(duì)巖性的認(rèn)識(shí)，不斷分析、摸索、總結(jié)，有效地治理了目前所出現(xiàn)的不同等級(jí)巖爆，隧道歷經(jīng)半年多的巖爆段施工，雖因滯后巖爆對(duì)初支造成一定情況的破壞，但未發(fā)生一起安全事故，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)，對(duì)類似隧道工程施工具有一定的借鑒意義。