隧道施工巖爆預測防治

李建臣

摘 要：本文根據北山隧道內發生巖爆的實際情況，對隧道巖爆地質段的巖性及工程地質條件進行分析，參考相關資料對巖爆進行預測，并采取有力措施進行防治，提高巖爆地質隧道施工的安全性和可靠性。

關鍵詞：巖爆；預測與防治；施工；隧道開挖

1 概 述

青榮城際鐵路設計時速為250km。本標段施工的北山隧道位于牟平區境內，屬低山丘陵區，地形起伏大，基巖大部分裸露，山體植被不發育，最大埋深161.2m。進出口位于緩坡處。隧道范圍內地層巖性單一，主要為片麻狀黑云二長花崗巖。地下水類型主要為基巖裂隙水，溝谷發育處雨季地下水較豐富，地下水受降水影響較大。水文地質條件簡單。

開挖過程中，洞室邊墻、頂拱部位發生一定程度的低巖爆活動，給現場施工人員、設備安全造成威脅。目前已采用開挖面噴水濕潤、錨噴支護、邊頂拱掛柔性防護網，派有經驗的人監護、理論分析等方法，結合施工過程中實際問題，采取了一系列行之有效的措施，順利的完成了施工任務。

2 巖爆預測

2.1 巖爆的概念

巖爆是巖石工程中圍巖體的突然破壞，并伴隨著巖體中應變能的突然釋放，是一種巖石破裂過程失穩現象。

2.2 巖爆形成的條件

以下幾種情況可能發生巖爆：①近代構造活動山體內地應力較高，巖體內儲存著很大的應變能，當該部分能量超過了硬巖石自身的強度時；②圍巖堅硬新鮮完整，裂隙極少或僅有隱裂隙，且具有較高的脆性和彈性，能夠儲存能量，而其變形特性屬于脆性破壞類型，當應力解除后，回彈變形很小；③埋深較大（一般埋藏深度多大于200m）且遠離溝谷切割的卸荷裂隙帶；④地下水較少，巖體干燥；⑤開挖斷面形狀不規則，大型洞室群岔洞較多的地下工程，或斷面變化造成局部應力集中的地帶。

3 巖爆防治

3.1 國內主要防治方法

目前我國隧道、地下洞室在施工過程巖爆防治措施主要有以下幾方面：

（1）改善圍巖物理力學性能。在掌子面（開挖面）和洞壁經常噴撒冷水，可在一定程度上降低表層圍巖強度。根據研究表明，對于非堅硬巖體，采用超前鉆孔高壓均勻注水，可以通過三方面作用來防治巖爆：①可以釋放應變能，并將最大切向應力向深部轉移；②高壓注水的楔劈作用可以軟化、降低巖體強度；③高壓注水產生了新的張裂隙，并使原有裂隙繼續擴展，從而降低了巖體儲存應變能的能力。對于具有高地應力的堅硬巖體來說，巖體內裂隙由于受到注水的潤滑作用又能觸發引起“地震”，結果往往起不到應有的軟化圍巖作用。鉆孔注水的有效性在堅硬巖體中的高地應區是值得討論的。在此高地應力區，注水后其封閉應力可能以巖爆的方式釋放。

（2）改善圍巖應力條件。根據國內外工程實踐經驗，巖爆洞段盡量采用鉆爆法施工，短進尺掘進；減小藥量，控制光面爆破效果，以減小圍巖表層應力集中現象。輕微、中等巖爆段盡可能采用全斷面一次開挖成型的施工方法，以減少對圍巖的擾動。強烈以上的烈度巖爆地段，必要時也可采用分部開挖的方法，以降低巖爆的破壞程度，但在施工中應盡量減少爆破振動觸發巖爆的可能性；采取超前鉆孔應力解除、松動爆破或振動爆破等方法，使巖體應力降低，能量在開挖前釋放。目前，不少學者推薦用分部開挖的方式減少巖爆的發生，但增加開挖的次數并不有利，多一次開挖就多一次遇到巖爆的機會，甚至會發生剪切破壞巖爆。

（3）加固圍巖。對不同烈度的巖爆采用不同的加固處理措施。對于低巖爆，可實施全斷面光面爆破開挖；爆破、通風、找頂后，洞壁、掌子面撒水3遍，每遍相隔5～10min，使開挖巖面充分濕潤，撒水噴頭水柱不小于10m；打洞壁環向應力釋放孔；設置掛網噴射混凝土初期支護。對于中等巖爆，除實施全斷面光面爆破開挖外，必要時可作30～50m超前導洞，導洞直徑可不大于5m，作為巖爆超前預報和釋放地應力；同樣在爆破、通風、找頂后，洞壁、掌子面撒水3遍和打洞壁環向應力釋放孔；掛網噴射混凝土初期支護；設置徑向系統錨桿。對于強烈以上烈度巖爆段，多采取加深加密系統錨桿，并加墊板；掛整體網；進行3次三循環噴混凝土；格柵鋼架支撐等措施。

3.2 針對本隧道的防治措施

主要采用加固圍巖、改善圍巖應力條件、改變圍巖物理力學性質和加強施工人員及設備的安全防護等措施。

（1）加固圍巖措施

①噴射鋼纖維混凝土。噴混凝土作用主要是將未清除干凈的小石塊黏結在一起。鋼纖維混凝土比普通混凝土有大得多的柔性，能承受較大變形。若巖爆繼續發展，可從噴層的開裂和剝落上觀察出來，及時進行進一步加固。

②施作系統錨桿。主要作用是防止洞室周邊巖體壁裂、剝落、巖體塌落。施工鉆孔還可解除巖石中部分應力。當掌子面發生巖爆時，向掘進前方打超前錨桿加固。錨桿長度一般采用兩倍的爆破進尺長度，且采用膨脹錨桿，可以將巖爆對隧道掘進的干擾降低到最低程度。

③采用鋼筋網，并加連接筋，配合錨噴支護，對圍巖進行加固，這主要用于中等巖爆。

④采用鋼筋網或鋼支撐配合錨噴支護，對圍巖進行加固，這主要用于劇烈巖爆。

⑤掛柔性防護網，及時掛柔性防護網，懸掛部位在已發生巖爆較頻繁的中頂拱部位，在錨筋上固定掛柔性防護網，并與巖面密貼。

⑥及時封閉圍巖，對圍巖暴露進行保護加固，同時二次襯砌及時跟進，減少由于應力過度釋放造成的圍巖松軟。

（2）改善圍巖應力條件措施

①合理的開挖程序和方法。采用打超前小導洞，預釋能量，并且作超前膨脹錨桿。二次擴挖到設計規格線，可大大改善巖爆區圍巖的應力狀況，減弱巖爆的發生。超前小導洞一般采用斷面為5m×5m（寬×高）或5m×6m，以便裝載機出碴，超前小導洞超前擴挖面10～15m；如果巖爆發生在剛放完炮后，則推遲出碴，待巖爆后再出碴。

②控制爆破。施工中采用淺孔多循環，嚴格控制最大單響藥量，以減輕對圍巖的擾動；嚴格控制光爆孔造孔質量，減少局部地段發生突變，從而改善圍巖的應力條件，以防止破壞性巖爆的發生。

③加強光面爆破效果，減小應力集中。

（3）改善圍巖物理力學性質

主要在掌子面（工作面）和洞壁經常噴撒冷水，降低表層圍巖強度。對已開挖成形的邊頂拱、噴護的混凝土和開挖成形掌子面及時進行噴水，降低脆性，以增強抵抗地應力變形的能力，從而減少巖爆發生。

（4）作業人員防護。加強作業人員防護：危險期作業人員穿防砸背心，穿防砸鞋可有效預防巖爆產生的飛石擊傷。作業時派有經驗的人員進行監護，發生異常時及時撤離作業人員。

4 結 論

本標段的北山隧道開挖，施工條件較復雜，巖爆的發生具有不可預見性和突然性。在北山隧道施工中得到以下幾點啟示：

（1）對可能發生巖爆的區域，采用理論分析、宏觀調查、地質雷達、紅外線監測及微震觀測等方法探索巖爆的預報。

（2）多觀察、多記錄、多分析，及時有效發現問題，杜絕不安全因素，積極采取預防措施。

（3）必須加強安全巡視及安全監督。對可能發生巖爆的區域加強對巖爆時間、部位及地質情況的統計分析和資料收集。對已發生的巖爆進行詳細記錄：如圍巖類別、最大單響、埋深、時間、地點、傷害情況等等，以便進行數理分析，制定防范措施。