高速公路特長隧道施工巖爆的防治技術

岳云霄

(中鐵十九局集團有限公司，北京　100176 )

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高速公路特長隧道施工巖爆的防治技術

岳云霄

(中鐵十九局集團有限公司，北京100176 )

摘要:重慶至長沙高速公路白云隧道工程深埋段施工面臨巖爆問題。為降低該隧道施工安全風險，本文總結了巖爆發生的規律、分類和預測方法，并從施工組織、加快圍巖中高地應力的釋放、避讓巖爆危險、控制開挖進尺與控制爆破、加強初期支護等五個方面闡述了施工過程中所采用的巖爆防治技術。

關鍵詞:隧道施工巖爆高地應力防治技術

多數特長隧道的中段，由于洞身埋置深度大，圍巖的整體性好，施工中往往會有巖爆發生。這是因為隧道的圍巖被深埋在地下，聚集了很高的地應力，一旦在圍巖中開挖隧道，開挖面四周的巖層突然卸載，圍巖內聚集的高地應力瞬間被釋放，因而巖層會發生片狀、塊狀突然爆裂而被拋射出去，這就是所說的巖爆［1］。巖爆的發生具有突發性，拋射的方向、遠近、巖塊的形狀、大小均難以預測，拋射出來的巖塊對施工人員的安全構成極大的威脅，還可能砸壞施工機械和設備，嚴重影響施工進度。

1　巖爆發生的規律

綜合施工中的經驗和專家們的著述，發現巖爆的發生有以下規律［1］:

1)巖爆一般發生在隧道埋深較大(例如＞800 m)的圍巖之中。圍巖埋置很深，具有很高的地應力，隨著隧道的開挖，圍巖內聚集的高地應力得到瞬間釋放，才會發生巖爆。說明圍巖的埋置深度越大，巖爆發生的可能性就越大。

2)巖爆一般發生在整體性好、級別高、比較硬脆的圍巖之中，如花崗巖、石灰巖、石英巖等圍巖中發生巖爆的幾率高。說明巖爆的發生與圍巖的巖性有直接關系。

3)斷層破碎帶和裂隙、節理比較發育的圍巖之中巖爆一般不會發生。說明巖爆的發生與圍巖的構造有直接關系。

4)相同條件下(埋置深度、巖性、構造等)，比較干燥的圍巖發生巖爆的幾率高，而地下水豐富的地段幾乎不會發生巖爆。這說明巖爆的發生與圍巖的干燥程度有直接關系。

5)隧道開挖面比較圓順，光面爆破效果比較好的地段，發生巖爆的烈度明顯比超、欠挖較大的地段要低。說明巖爆的發生與隧道開挖面的圓順程度有較大的關系。

6)巖爆發生概率高的地段大致在距掌子面3倍開挖寬度的范圍內。距掌子面越近，巖爆越易發生，距掌子面越遠，隧道開挖的時間越長，高地應力經過一段時間的釋放，巖爆發生的概率就越低。

7)在開挖面上，巖爆易發生的部位主要在拱部和邊墻的上部，距地面越高，發生巖爆的概率越高。

8)巖爆發生的時間規律為:①從掌子面開挖爆破起3 h以內，巖爆頻繁發生，次數多，強度大。一直到開挖爆破7 d以內，巖爆仍然不斷發生，次數和強度雖然有些減弱，但其危害仍然存在。從掌子面開挖爆破起7 d以內一般稱為巖爆嚴重期。②從開挖爆破7 d 到2個月之內，雖然巖爆的次數和強度都減小了，但巖爆仍然會時有發生。這段時間一般稱為巖爆的延續期。③從掌子面開挖爆破起2個月以后，圍巖高地應力基本得到釋放，巖爆發生的概率很低。2個月以后一般稱為巖爆的穩定期。④隨時間的發展，巖爆由拱部、邊墻的表層逐漸向巖層深處發展，表現為巖層內部的崩裂(巖層內部的悶響)。

9)巖爆發生時，巖層內部會發出爆裂的聲響。當發出清脆的撕裂聲時，巖層內部會產生因壓致拉的爆裂類型。此時巖爆僅發生在圍巖的表層，爆裂縫平行于巖壁，爆裂出來的巖塊呈片狀。當發出沉悶的爆裂聲時，巖層內部會產生因壓致剪切拉裂的爆裂類型。此時爆裂出來的巖塊呈塊狀，爆裂后巖面上能看到楔形、弧形的裂口，裂口處有明顯的擦痕。一般前一種爆裂持續時間短，破壞性小些，后一種爆裂持續時間長。

2　巖爆的分類

國內外學者對巖爆的類型劃分和烈度劃分意見尚不一致。通過總結白云隧道巖爆發生段施工經驗，本文把巖爆的烈度劃分為三種:①較弱型巖爆，掌子面爆破后圍巖內部的爆烈聲響不大，爆裂出來的巖塊塊徑不大、數量不多，多以掉落的形式出現。②中強型巖爆，掌子面爆破后圍巖內部有放鞭炮似的清脆爆烈聲響，爆裂后形成的巖坑直徑可以大到1～2 m，爆裂出來的巖塊數量較多，多以彈射的形式出現。③較強型巖爆，掌子面爆破后圍巖內部有巨大的爆裂聲響，爆裂后形成的巖坑直徑很大，甚至大到2 m以上，爆坑連續，爆裂出來的巖塊數量很多，多以高速彈射的形式出現，石塊多有銳利的尖角。

3　巖爆的預測

巖爆的預測方法較多［2-3］，典型的如RUSSENS的應力強度比法、KIDYBINSKI的彈性應變能指數法、陶振宇的強度應力比法、張志強和關寶樹的應力強度比法等。通過施工實踐，筆者認為張志強和關寶樹的應力強度比法應用起來較為簡單、方便。該法是用洞壁最大切向應力(σθmax)和巖石單軸抗壓強度(σc)之比來確定巖爆發生的烈度。當σθmax/σc＜0. 15時一般會發生較弱型巖爆或不發生巖爆，當其在0. 15～0. 25時一般會發生中強型巖爆，當其＞0. 25時一般會發生較強型巖爆。

4　白云隧道巖爆防治技術

重慶至長沙高速公路白云隧道工程，設計為上下行分離雙洞四車道高速公路隧道，左線隧道長7 097. 897 m，右線隧道長7 120 m。隧道最大埋深1 286 m，埋深超過800 m的段落長度約有860 m。

白云隧道中段的圍巖以厚層石灰巖、灰巖為主，巖層產狀呈厚層狀構造，巖體呈大塊砌體結構，巖石完整性較好，孔隙度較低，裂隙率較小，抗風化能力較強，風化程度低，自穩性較好，基本上無地下水。

該隧道巖爆發生段施工過程中發生中強型巖爆的地段較長，約占巖爆發生段總長度的63% ;較弱型巖爆地段較少，約占總長度的30% ;較強型巖爆地段最少，約占總長度的7%。巖爆烈度的段落分布與隧道的埋置深度有直接關系。巖爆段的兩端多發生較弱型巖爆，隧道的埋置深度一般在800～950 m，中強型巖爆一般發生在埋置深度950～1 200 m段，較強型巖爆地段集中在巖爆段的中部，隧道的埋置深度一般＞1 200 m。

施工過程中使用了文獻［4］介紹的ESG型微震監測系統和實施方法對巖爆進行預測。

文獻［5］規定，巖爆發生段隧道施工過程中必須遵循“以防為主、防治結合”的原則。根據對巖爆發生規律的分析，施工過程中采取了以下巖爆防治措施。

1)加強施工組織

巖爆發生段施工過程中，全天必須有項目部負責人在掌子面值班;組建安全監控組;對所有參建人員進行巖爆防治的安全教育;落實防治工作所需要的材料、設備等。

2)加快圍巖中高地應力的釋放

①用潛孔鉆機在掌子面上鉆5～8個、長10～30 m、直徑70～90 mm的超前鉆孔，使圍巖中的高地應力提前得到釋放。

②在進入較強型巖爆段后，改變開挖方法，將原來采用的全斷面開挖法改為先在斷面的下部開挖一個5 m(寬)×4 m(高)的下導坑，下導坑完成以后再返回來擴大斷面。下導坑的開挖不但能使圍巖中的高地應力提前得到釋放，還因為導坑的斷面小，可以減輕巖爆飛石造成的危害，處理危石也比大斷面方便。這樣處理后，施工中基本上沒有發生較強的巖爆，只發生一些輕微的巖爆。施工中下導坑的實際開挖長度為70 m。下導坑開挖過程中，為避開巖爆的強烈爆發，可以采取先護頂、再出砟的施工方法。具體做法是:開挖爆破→在有薄鋼板防護的情況下，先從遠處向暴露出來的拱、墻和掌子面噴射冷水→用噴射機械手對拱、墻、掌子面噴射一層厚70 mm左右、C25鋼纖維混凝土→打拱部和邊墻上部的安全防護錨桿，掛細目鋼絲網→出砟→補做邊墻下部的安全防護錨桿，掛細目鋼絲網。

③在較弱型和中強型巖爆地段，在掌子面上向前和向拱、墻四周鉆長10 m，φ70 mm的孔，向鉆孔中高壓注水，同時向掌子面和拱、墻四周圍巖表面噴灑冷水。這些措施能夠軟化圍巖，加快圍巖的應力釋放，減輕巖爆發生的烈度。

④采用松動爆破或震動爆破的方法，在圍巖內部造成裂縫，也能使圍巖中的高地應力提前得到釋放。

3)避讓巖爆的措施

①由于從掌子面爆破起3 h以內巖爆發生最為頻繁，因此，在此時段內停工以避免傷人事故。

②在巖爆發生段施工時，掌子面處配置專職的安全防護員，負責觀察、記錄巖爆發生情況，監聽圍巖內部的爆烈聲響，觀察拱、墻表面圍巖的變化，結合ESG型微震監測系統對巖爆進行判斷，遇有險情立即鳴哨警戒，并組織掌子面上的施工人員迅速撤離。

③在較弱型和中強型巖爆地段施工時，采取一些防護措施，如在鉆孔臺車、運輸車輛、裝砟機上安裝防飛石的薄鋼板、在拱部和邊墻上部打臨時錨桿并掛細目鋼絲網、使用噴射機械手對易發巖爆的拱腰和拱腳等處噴一層厚6～8 cm，C25的鋼纖維混凝土等。

④在較強型巖爆發生段的下導坑中，打@ 1. 0 m× 1. 0 m、長2. 5 m、φ50 mm的楔管式錨桿，帶墊板，掛細目鋼絲網，防止飛石傷人。必要時可以采取超前支護、掌子面噴護、增加鋼架支撐等防護措施。

4)控制開挖進尺和控制爆破措施

巖爆發生段施工過程中必須控制開挖進尺。全斷面開挖時每循環進尺不超過2 m。爆破作業采用光面爆破和預裂爆破技術，嚴格控制裝藥量，減少超欠挖，盡量使開挖面圓順，避免巖面出現突起和尖銳棱角，加強找頂和清理危石，減少巖爆發生的條件。

5)加強初期支護

加強初期支護，用系統錨桿、掛網、噴射混凝土封閉巖面，是防止巖爆發生的根本辦法。

不同巖爆類型加強初期支護的參數見表1。

表1不同巖爆類型加強初期支護參數

5　結語

白云特長公路隧道中段施工中，在長約860 m的段落發生了巖爆。施工過程中通過總結已有的巖爆發生規律研究成果，并吸取其它施工單位的成功經驗，提出了一套巖爆防治技術，有效降低了施工安全風險，順利地完成了施工任務。

參考文獻

［1］邊鵬飛，趙宗志．蒼嶺隧道施工巖爆預防與防治［J］．公路交通技術，2009( 2) : 137-139．

［2］張韶華．隧道施工中巖爆形成機理及防治措施［J］．甘肅科技，2009( 10) : 114-115．

［3］張志強，關寶樹，翁漢民．巖爆發生條件的基本分析［J］．鐵道學報，1998，20( 4) : 82-85．

［4］李方利．強巖爆隧道施工技術［J］．國防交通工程與技術，2012( 2) : 55-58．

［5］鐵道部經濟規劃研究院．TZ 204—2008鐵路隧道工程施工技術指南［S］．北京:中國鐵道出版社，2008．

(責任審編李付軍)

Prevention-and-treatment technologies against rockburst in super-long tunnel on expressway

YUE Yunxiao

( China Railway 19th Bureau Group Corporation，Beijing 100176，China)

Abstract:T unnel deeply buried section construction of Chongqing-changsha baiyun tunnel engineering faced the problem of rockburst．T o reduce the safety risk of construction，rockburst rules，classification and prediction methods were summarized in this paper．Prevention-and-treatment technologies against rockburst in baiyun tunnel engineering were introduced from 5 aspects including construction plan，accelerating the release of high ground stress in surrounding rocks，avoiding rockburst hazard，excavation footage control and blasting control，and strengthening primary support．

Key words:T unnel construction; Rockburst; High ground stress; Prevention-and-treatment technologies

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0066-03

作者簡介:岳云霄( 1968—)，男，高級工程師。

收稿日期:2015-08-11;修回日期: 2015-11-20

中圖分類號:U455．4

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．16