淺談地質(zhì)巖爆現(xiàn)象的防治與處理措施

張宏　楊超　齊晶

摘要：文章以一隧洞開挖工程項(xiàng)目所遇到巖爆地質(zhì)現(xiàn)象的出現(xiàn)、發(fā)展與消除全過(guò)程進(jìn)行描述分析，為減少巖爆對(duì)工程進(jìn)度的影響，對(duì)施工過(guò)程采取的相關(guān)技術(shù)措施及效果進(jìn)行闡述，以便同行探討該工程巖爆處理過(guò)程所得的經(jīng)驗(yàn)，利于類同工程地質(zhì)巖爆的防治與處理。

關(guān)鍵詞：隧洞開挖工程；地質(zhì)巖爆現(xiàn)象；高地應(yīng)力區(qū)；洞室圍巖剪切破壞；施工隧洞 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TD23 文章編號(hào)：1009-2374（2015）34-0150-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.34.077

1 巖爆現(xiàn)象的出現(xiàn)、發(fā)展與消除

巖爆是高地應(yīng)力區(qū)洞室圍巖剪切破壞作用的產(chǎn)物。本文所述工程位于昆侖山山脈，施工隧洞處于500m以上埋深，整個(gè)隧洞位于元古界第一巖性段的角閃黑云二長(zhǎng)片麻巖及華力西期的片麻狀黑云斜長(zhǎng)花崗巖中，圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主，因?yàn)樵撌┕に淼谰哂新裆钶^厚、巖石堅(jiān)硬的特點(diǎn)，易造成應(yīng)力集中不能釋放，所以在隧道開挖后應(yīng)力釋放造成巖爆。

本工程隧洞（斷面為圓形，洞徑5.2m，采用全斷面鋼筋砼襯砌）。開挖至樁號(hào)2+545m時(shí)，洞內(nèi)巖爆頻繁（中等巖爆發(fā)生），根據(jù)提供地質(zhì)資料該部位處于900～1100m的埋深，圍巖為Ⅱ類的片麻狀黑云斜長(zhǎng)花崗巖。

現(xiàn)場(chǎng)巖爆特點(diǎn)：主要表現(xiàn)為厚片狀剝落，在巖爆未發(fā)生前，并無(wú)明顯的征兆，并無(wú)空響聲，一般認(rèn)為不會(huì)掉落石塊的地方，也會(huì)突然發(fā)生巖石爆裂聲響，石塊有時(shí)應(yīng)聲而下，有時(shí)暫不墜下。巖爆發(fā)生的地點(diǎn)多在新開挖的工作面附近，個(gè)別的也有距新開挖工作面較遠(yuǎn)，巖爆發(fā)生的部位主要為洞身右壁拱部及左壁底角；巖爆在開挖后陸續(xù)出現(xiàn)，多在爆破后2～3小時(shí)，24小時(shí)內(nèi)最為明顯。剝落最大塊體達(dá)3m×1.8m×0.45m，并伴有彈射現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)施工人員有因巖爆造成不同程度的傷害。

繼續(xù)爆破開挖至樁號(hào)2+566m時(shí)，因巖爆影響使掌子面崩塌近2～2+568m，當(dāng)時(shí)巖體沿片理鼓起開裂向洞內(nèi)崩落，巖爆聲音很大，類似放炮聲，爆裂處巖體厚度1～2m，巖爆還引起頂拱局部沿不利的裂隙產(chǎn)生小塌方，后間斷有小的掉塊，這期間巖爆對(duì)施工人員安全造成很大的危害。但三天后，在2+560～2+568m頂拱又繼發(fā)巖爆，使頂拱形成大的凹坑，初期塌方最大高度2m左右，塌方周邊巖體較完整，塌方量初估約百方。由于巖爆發(fā)生突然，使現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備（鉆爆臺(tái)車1臺(tái)、風(fēng)鉆15把、鉆桿近30根、電焊機(jī)、抽水機(jī)等）被埋壓、受損嚴(yán)重，萬(wàn)幸現(xiàn)場(chǎng)值班安全員及時(shí)通知施工人員撤離，沒(méi)有造成人被淹埋。

2 塌方段工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

隧道樁號(hào)2+545～2+575m段，洞室埋深1050m，隧洞方向91°，巖性為角閃黑云二長(zhǎng)片麻巖，片麻理產(chǎn)狀195°∠67°，走向與洞向近平行，片理裂隙在左側(cè)洞壁較發(fā)育，一般間距0.2～0.5m。其中夾有一條角閃巖脈，寬0.5～1.0m，沿左壁附近延伸較長(zhǎng)，巖脈強(qiáng)度比片麻巖較弱，屬中硬巖，對(duì)巖爆引起的大塌方有一定促進(jìn)作用，到目前仍沒(méi)有消失或湮滅。另發(fā)育一組裂隙產(chǎn)狀70°∠39°，近于垂直洞向，與片理組合切割巖體。本段巖石以堅(jiān)硬巖為主，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度大于60MPa，完整性較好，呈層狀結(jié)構(gòu)。塌方段拱頂有少量滴水，總流量小于每分鐘0.1L。

根據(jù)前期勘察資料顯示隧道在埋深大于550m時(shí)可能發(fā)生中等巖爆，局部可能發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆。目前隧道已開挖至樁號(hào)2+575m段，埋深1050m，最大主應(yīng)力以鉛直向應(yīng)力為主，且應(yīng)力量值較前變大，強(qiáng)度應(yīng)力比值相對(duì)比前洞段變小。目前巖爆的發(fā)生部位也從以前在右側(cè)拱腳部位變?yōu)樵陧敼凹白髠?cè)壁出現(xiàn)。另外本段的片麻理走向與洞向接近平行，對(duì)洞室穩(wěn)定不利，同時(shí)根據(jù)前期勘察資料顯示設(shè)計(jì)樁號(hào)2+538部位發(fā)育一規(guī)模較大的斷層（F106），根據(jù)構(gòu)造理論特點(diǎn)，斷層附近完整巖體積聚有較多的彈性能量，當(dāng)洞室開挖后形成較大臨空面，尤其在側(cè)壁易形成局部應(yīng)力集中，成為巖爆的高發(fā)部位。同時(shí)由于片理走向與洞向近平行，加上另外一組與洞線夾角69°的裂隙相互切割，造成洞室塌方不斷。目前隧道所發(fā)生的巖爆已嚴(yán)重影響到施工安全與進(jìn)度。

3 巖爆防治處理方案

為縮短巖爆對(duì)工程進(jìn)度的影響，工程施工單位對(duì)巖爆出現(xiàn)后采取了以下五種防治措施，達(dá)到了一定效果：

3.1 噴射高壓水

爆破后采用高壓水槍立即向工作面及附近洞壁噴射高壓水，以降低巖體的強(qiáng)度，增強(qiáng)塑性，減弱巖體的脆性，降低巖爆的劇烈程度，加快了應(yīng)力釋放過(guò)程，同時(shí)起到降溫除塵的作用，縮短了通風(fēng)時(shí)間。

3.2 加密巖爆部位周邊光爆眼

加密巖爆部位周邊光爆眼（現(xiàn)場(chǎng)周邊眼間距不大于30cm），改變周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)，由間隔裝藥變?yōu)檫B續(xù)裝藥，爆破后周邊巖體產(chǎn)生細(xì)微裂縫，加速應(yīng)力釋放。該措施增加了炸藥單耗，提高了工程開挖造價(jià)，但對(duì)巖爆的防治效果比較明顯，在后期巖爆處理措施上多

采用。

3.3 增設(shè)超前應(yīng)力釋放孔

在開挖過(guò)程中增設(shè)超前應(yīng)力釋放孔，減弱巖爆縮短巖爆釋放時(shí)間。超前應(yīng)力釋放孔鉆孔深度4.5m，右側(cè)拱角處超前應(yīng)力釋放孔外插角度為35°，隔孔裝藥；掌子面超前應(yīng)力孔垂直基巖面造孔，均進(jìn)行裝藥，每孔裝乳化炸藥1.05kg，詳見圖1：

圖1 巖爆部位網(wǎng)絡(luò)圖

3.4 掌子面增設(shè)安全防護(hù)網(wǎng)

巖爆發(fā)生區(qū)域已有擴(kuò)大的趨勢(shì)，右壁掌子面已有巖爆現(xiàn)象。彈射現(xiàn)象較為嚴(yán)重，最大彈射距離達(dá)10m以上，嚴(yán)重威脅作業(yè)人員安全，使施工等待時(shí)間大大加長(zhǎng)。為減弱巖爆，縮短巖爆釋放時(shí)間，盡快進(jìn)行作業(yè)，施工中除進(jìn)行超前應(yīng)力釋放孔施工以外，在掌子面布設(shè)柔性防護(hù)網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為10cm×10cm方格網(wǎng)。網(wǎng)片拼結(jié)成掌子面形式，通過(guò)開挖臺(tái)車固定于掌子面上，防止掌子面巖爆及巖石彈射造成施工人員傷害。

洞身開挖過(guò)程中雖然采取以上措施對(duì)巖爆起到了一定的減弱，使巖爆釋放時(shí)間及程度有了一定的縮短及改善，但巖爆釋放時(shí)間仍然較長(zhǎng)（8～10小時(shí)），造成施工循環(huán)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

施工單位在洞側(cè)壁巖爆區(qū)采用隨機(jī)錨桿及超前錨桿掛網(wǎng)支護(hù)（錨桿長(zhǎng)3.5m，入巖3.4m；掛網(wǎng)Φ8@200*200mm）。

3.5 巖爆嚴(yán)重塌方區(qū)處理

樁號(hào)2+545m～2+550m段塌方最大高度為0.5～3.8m；樁號(hào)2+550～2+568m段塌方最大高度為4.5～11m；樁號(hào)2+568m以后至目前掌子面樁號(hào)2+575m段由于支護(hù)得力，開挖方案較得當(dāng)，巖爆破壞勢(shì)頭基本得到控制。起初對(duì)大塌方的處理方式先采用洞段封堵后回填混凝土充填塌方空間，然后重新進(jìn)行洞室開挖，采用“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)”開挖方式為保證安全，開挖后及時(shí)采用鋼拱架支護(hù)，支撐16#工字鋼鋼拱架，拱架間距視實(shí)際情況采用0.3～1.0m不等，根據(jù)洞內(nèi)圍巖情況，鋼拱架間距略加放寬0.5～0.7m一榀，打鎖腳錨桿φ25mm（長(zhǎng)3m入巖2.9m，間距1m）與在每榀拱架拱角部位打8根φ28（長(zhǎng)4.5m入巖4.0m）加固錨桿，錨桿與鋼拱架電焊加固；鋼拱架之間用φ25連接鋼筋，電焊連接（長(zhǎng)1.2m搭接0.2m，間距1m）；掛φ8鋼筋網(wǎng)（0.2*0.2m）。及時(shí)噴護(hù)C20砼。對(duì)洞室兩拱腳各布設(shè)了4排φ25系統(tǒng)錨桿，長(zhǎng)3m，間距1.5m；拱架兩側(cè)各布4排φ25鎖腳錨桿，長(zhǎng)3.5m，間距0.5m。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程隧道出現(xiàn)巖爆段約1400m，占全長(zhǎng)的1/3。巖爆的產(chǎn)生對(duì)工程進(jìn)度、安全、工程造價(jià)影響較大，因此要通過(guò)已完工程的成功經(jīng)驗(yàn)用于后期類同工程，促使工程建設(shè)項(xiàng)目節(jié)約控制成本，減少安全事故隱患。

（責(zé)任編輯：蔣建華）