巖爆隧道柔性支護快速施工技術

陳緒文， 黃 磊， 鄒逸倫

(1. 四川省交通投資集團有限責任公司， 四川 成都 610041； 2. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031)

0 引言

在公路隧道建設過程中，隧道開挖穩定性會受到復雜地質的影響，例如高地下水壓[1]、巖溶[2]、采空區[3-4]、軟巖大變形及巖爆[5]等。在高地應力條件下，結構完整的脆性硬巖在開挖卸荷后，由于某些因素的誘發而發生動力失穩的現象，即巖爆。目前，如何控制巖爆是巖石力學與工程界共同面臨的一個難題。為保證隧道開挖穩定性，加固圍巖、弱化圍巖、應力轉移等防治理念[6]被提出，進而形成了巖爆支護、區域防范和局部解危等巖爆控制措施。在地下硐室開挖后，圍巖支護作為最直接有效的巖爆支護措施，得到了越來越多的研究。侯靖等[7]通過錦屏工程現場實踐，對帶鋼墊板錨桿、掛網和噴射混凝土的整體巖爆支護體系進行了闡述，提出了水脹式錨桿與機械脹殼預應力錨桿組合使用的方法； 汪波等[8]在研究錨桿支護對蒼嶺隧道巖爆控制效果的基礎上，提出了采用預應力中空注漿錨桿對巖爆進行防治的方法，并對錨桿預應力、錨桿間距進行了優化，提出了巖爆段錨桿支護設計原則； 秦陽[9]結合錦屏水電站引水隧洞工程，從錨桿長度、錨桿預應力及錨桿支護滯后距離3方面，分析了錨桿支護對圍巖穩定性的影響； 高志敏等[10]通過柔性防護網支護技術在米倉山隧道中的實際應用，對柔性防護網支護的施工過程及要點進行了闡述。

以上研究主要是針對圍巖加固及巖爆防治進行的研究。在實際巖爆隧道中，特別是工期較緊的隧道施工中，如何在防治巖爆的基礎上達到快速施工的目的是交通隧道等地下工程施工所面臨的長期性難題。目前的研究還沒有針對巖爆隧道的快速施工提出一個系統的解決方案。本文通過總結現有巖爆支護技術，針對大埋深公路隧道常見的巖爆現象，系統闡述一種新型的支護設計方法，進而提出巖爆隧道的快速施工技術。以米倉山隧道為實施對象，通過巖爆預測、松動圈測試、柔性網參數測試等確定支護參數，在隧道巖爆區段進行柔性防護網施工，并對快速施工效果進行分析。

1 基于柔性支護的臨時支護措施

1.1 巖爆隧道支護現狀

巖爆的發生取決于巖石的強度、完整性、所處的初始地應力條件和周圍地下水情況[11]。根據巖爆的特征和相關性質將巖爆分為3個等級，如表1所示。3個等級中，弱巖爆對施工的影響極小，基本上不會對人員和機械造成威脅，實際施工時基本不會采取特殊措施進行處理；中等巖爆持續時間較長，對機械、施工人員的安全及心理造成嚴重影響，基于加固圍巖的思想，目前常采用鋼支撐和噴-錨-網(鋼筋網)的整體支護方式對隧道中等巖爆區段進行支護，在施工過程中根據實際情況可能還要采用防護網等被動的臨時支護措施； 強烈巖爆極具危險性，在加強支護的同時還要采用多種輔助措施(如超前應力施工釋放孔等)弱化圍巖，降低巖爆發生的頻率和能量。

表1 巖爆強度分級

1.2 新方法的提出

傳統的巖爆區段圍巖支護方案中，鋼支撐、錨桿、金屬網以及噴射混凝土使支護系統形成統一整體，在需要掛雙層鋼筋網時初噴混凝土必須達到終凝條件[12]，開挖-初期支護循環(包括開挖—初噴—錨桿—立架—掛網—復噴等工序)通常需要15 h，對于長距離獨頭掘進的隧道而言，工期受到嚴重制約，并且復雜的支護工序還會影響初期支護的及時性。

針對目前存在的問題，對中等巖爆區段提出了一種新的“半主動半被動”支護理念，即在盡量降低巖爆頻率的前提下增強巖爆防護能力。對于具有良好整體自穩性的硬巖隧道，防護的重點在于防止小塊巖石的脫落、掉塊以及彈射，因此，由鋼絲繩網和起固定作用的漲殼式預應力錨桿組成的支護體系(如圖1所示)應運而生。考慮到巖爆時的動荷載作用，鋼絲繩網能及時對圍巖形成有效的覆蓋，并且能較好地吸收巖爆發生時產生的動應力，對破碎巖石具有承托、緩沖的作用；錨桿加固圍巖的作用顯著，在打入圍巖中并錨固后，與圍巖共同承擔彈性應變能，提高圍巖的自承能力。在起加固作用的錨桿、承托作用的鋼絲繩網以及噴射混凝土形成的柔性支護體系下，圍巖的受力狀態得到了極大改善，并且由于鋼絲繩網施工方便，也保證了初期支護的及時性。

1.3 機制分析

目前，隧道施工中廣泛采用藥卷錨桿等摩擦型錨桿，由于硬巖隧道在開挖后圍巖很快就能達到穩定狀態，因此，這種錨桿受力較小，不能完全發揮作用。預應力錨桿對圍巖的預壓作用能夠較好抑制圍巖中裂縫的發展，對巖爆區段圍巖產生的層裂剝離現象起到積極的作用[13]。傳統的鋼筋網雖然采用了直徑較小的鋼筋(φ6.5 mm)，但是在受到巖塊沖擊時，焊接點及接頭的脆弱部位極易發生局部破壞，巖塊會從破壞位置擠出[14]。新型的柔性網采用一種工業化預制鋼絲繩網，網繩之間采用卡扣固定，不會出現明顯的滑移現象，并且柔性防護網在受到沖擊后能及時產生整體變形，避免局部承受較大荷載而破壞。鋼絲繩網與鋼焊網沖擊試驗對比如圖2所示。

2 中等巖爆段快速施工技術研究

2.1 巖爆段設計方法

隧道巖爆段快速施工設計流程如圖3所示。在隧道施工過程中先進行巖爆預測，無巖爆和強巖爆區段采用原施工方案； 弱巖爆區段不進行特殊處理； 中等巖爆區段采用基于柔性支護的快速施工技術，首先對巖爆區段的參數進行確定，主要采用松動圈測試得到圍巖擾動范圍，進而確定錨桿和柔性網參數。

(a) 柔性支護截面

(b) 錨桿細部

(c) 鋼絲繩網

(a) 鋼焊網

(b) 鋼絲繩網

Fig. 2 Comparison of impact test between wirerope net and welded steel net

2.2 中等巖爆段施工方法

為克服傳統巖爆支護手段施作滯后、抗沖擊能力差的缺點，在中等巖爆段采用柔性鋼絲繩網取代鋼拱架和鋼筋網，充分發揮其高強度、施工方便、工廠預制的技術優勢，形成了一套快速施工的柔性支護方案。柔性防護網施工流程如圖4所示。柔性支護體系的具體施工步驟為： 1)采用光面爆破，利用機械找頂并去除洞壁懸石； 2)初次噴射混凝土，及時閉合巖面，避免洞壁小碎塊巖石的脫落； 3)鉆孔、插入錨桿并預緊錨桿，錨桿間距為1.0 m； 4)利用機械將預制鋼絲繩網吊至掛網臺車頂部，并向兩側展開； 5)利用控制裝置將鋼絲繩網暫時固定于洞壁，使用千斤頂將柔性網密貼洞壁并用鐵環將繩網與錨桿外露環套固定連接，相鄰兩塊繩網之間采用連接鋼絲繩進行接合，再用緊繩器進行預緊； 6)采用濕噴工藝復噴至設計厚度，避免對后續防水板鋪設及二次襯砌施作產生影響。

圖3 巖爆段快速施工設計流程

Fig. 3 Process of rapid construction and design of rockburst section

(a) 光面爆破

(b) 初噴混凝土

(c) 錨桿施工

(d) 起吊繩網

(e) 固定繩網

(f) 復噴混凝土

圖4柔性防護網施工流程

Fig. 4 Construction flowchart of flexible protection net

3 米倉山隧道應用實例

3.1 工程概況

在建米倉山隧道位于G69高速四川巴中至陜西漢中段川陜交界位置，隧道長13 792 m，為目前西南地區最長的公路隧道[15]。隧址區巴中段最大埋深1 060 m，圍巖以石英閃長巖為主，夾花崗巖、閃長巖等透鏡體，屬于典型的硬巖隧道。米倉山隧道地形和地質縱斷面如圖5所示。通過對隧道巖爆實際情況進行統計分析，有以下特征： 1)巖爆位置集中在邊墻、拱肩和拱腰處； 2)巖爆程度隨隧道埋深增加而加劇，表現為張拉型板裂化和剪切型破壞，有清脆爆裂聲，主要表現為中等巖爆。米倉山隧道施工現場巖爆如圖6所示。

圖5 米倉山隧道地形和地質縱斷面

圖6 米倉山隧道施工現場巖爆

3.2 巖爆預測

目前在巖爆預測方面主要有3種方法： 1)原巖應力法，主要包括陶振宇判據、挪威Barton判據、巖性法和臨界深度法等； 2)二次應力法，包括Russense判據和Turchaninov判據等[16]； 3)現場監測技術，主要包括應力監測、變形監測和微震監測。

由于米倉山隧道埋深大以及圍巖風化弱、硬度高，使得隧道地應力極高，同時，由地應力測試可知隧址區具有較為明顯的水平構造應力作用，因此，隧道在開挖過程中存在發生不同等級巖爆的可能性。在實際隧道開挖過程中，現場也發生過多次巖爆。為避免巖爆對施工造成更大的影響，在采取控制措施之前，運用原巖應力法(陶振宇判據)和二次應力法(Russense判據、Turchaninov判據)對米倉山隧道進行了綜合巖爆預測。

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3.2.1 陶振宇判據

陶振宇判據又稱為地應力判據，根據巖石單軸抗壓強度Rc和初始地應力σ0之比對巖爆活動進行判定[17]。

(1)

隧道不同埋深區段的最大主應力大小由水壓致裂法實測得到，優勢方向為N14°W～N29°W，主應力隨埋深大致呈線性關系。根據式(1)得到陶振宇判據預測結果如表2所示。

米倉山隧道埋深超過300 m的區段，5.5

3.2.2 Turchaninov判據

蘇聯學者Turchaninov根據科拉半島希賓地塊的礦井經驗，提出了根據巖爆活動與洞室法向應力、切向應力之和與巖石單軸抗壓強度之比進行巖爆判定的方法[18]。

(2)

利用有限差分軟件FLAC3D對米倉山隧道的開挖過程進行模擬，共劃分1 653 254個節點，1 618 560個單元，模型尺寸為100 m(橫向)×60 m(縱向)×107.2 m(豎向)。有限元模型如圖7所示。圍巖材料模型采用Mohr-Coulomb屈服準則，圍巖基本力學參數通過地應力測試及室內試驗獲得，各物理力學參數見表3。模擬時考慮了構造應力，采用應力邊界，得到隧道不同埋深處洞壁切向應力、徑向應力的分布特征以及彈性應變能的累積情況，進而對隧道不同區段進行巖爆強度等級預測。

根據米倉山隧道實際埋深(300～1 000 m)將本次模擬工況分為8組(S1—S8)，模型初始地應力情況見表4。對不同埋深的硬巖隧道圍巖開挖擾動進行對比分析，并根據Turchaninov判據對巖爆等級進行劃分，得到巖爆預測結果： 1)當埋深小于300 m時，(σθ+σr)/σc≤0.3，無巖爆； 2)當埋深為300～500 m時，0.3<(σθ+σr)/σc≤0.5，有巖爆可能； 3)當埋深為500～800 m時，0.5<(σθ+σr)/σc≤0.8，肯定會發生巖爆； 4)當埋深大于800 m時，(σθ+σr)/σc>0.8，有嚴重巖爆。結合現場實際可知，在埋深為300～500 m的區段，以輕微巖爆為主，主要發生在墻腳與拱肩區域； 在埋深為500～800 m區段，以中級巖爆為主，墻腳與拱肩依然是危險區域。

表2 米倉山隧道陶振宇判據巖爆預測結果

(a) 立體圖

(b) 側面圖

圖7基于Turchaninov判據的有限元模型

Fig. 7 Finite element model based on Turchaninov criterion

3.2.3 綜合對比

通過對陶振宇判據和Turchaninov判據2種不同巖爆等級預測結果的分析對比，得到米倉山隧道巖爆等級預測綜合結果，如表5所示。整個米倉山隧道巖爆強度區域劃分示意圖如圖8所示。分別將埋深小于400 m區段、400～700 m區段、700～1 000 m區段和大于1 000 m區段劃分為無巖爆區域、輕微巖爆區域、中等巖爆區域和強烈巖爆區域。通過對隧道掘進到不同埋深區段時每小時爆裂聲進行實測并記錄，對本文的巖爆等級預測方法的有效性進行了驗證。爆裂聲分布如圖9所示。

表3 米倉山隧道圍巖物理力學參數

表4 米倉山隧道初始地應力狀態

表5 米倉山隧道巖爆等級預測綜合結果

圖8 米倉山隧道巖爆等級區域劃分

圖9 爆裂聲分布

3.3 松動圈測試

深埋隧道開挖卸荷，圍巖應力重分布過程會隨著洞周一定范圍內巖體的破裂擴展，微裂隙完全形成破裂面的圍巖區域，稱為圍巖松動圈[19]。本文采用的RSM-RCT(B)聲波測試儀(如圖10所示)利用超聲波在不同密度巖體介質中傳播波速不同這一特性，通過聲波接收器接收信號的時間差自動計算聲波在某一深度鉆孔內的連續波速，進而對聲波這一深度范圍內的波速變化進行分析，判斷圍巖破裂區域的深度，即圍巖松動圈范圍，進而確定柔性防護體系中錨桿的長度參數。

在米倉山隧道主洞拱頂、拱肩、拱腰和邊墻4個部位共做9組松動圈測試，通過超聲波波速的突變確定破裂圍巖和內部較完整巖體的交界面深度為1.4～1.8 m，其中，拱頂位置損傷深度稍大于邊墻和拱肩。測試結果如圖11所示。為達到更好的圍巖支護效果，錨桿端頭應當穿過破碎巖體錨固在內部較完整巖體內，因此，在圍巖松動圈測試的基礎上，選用φ32 mm機械漲殼式預應力錨桿，錨桿長度為2 m。

3.4 網參數

基于中等巖爆彈射少、持續時間長的特點，在米倉山隧道巖爆區段柔性防護網快速施工方法中，選用直徑為6 mm的鋼絲繩，網孔規格為10 cm×10 cm的柔性網。由于巖爆區段圍巖常發生巖體層裂剝離，導致錨桿托板懸空而失去支護效果，因此，需要進行柔性網的韌性和強度測試。在實驗室對鋼絲繩網進行頂破試驗，試驗過程中逐級增加荷載，鋼絲繩在韌性作用下能夠產生較大的彈性形變； 采用LS-DYNA動力軟件對鋼絲繩網進行動荷載的數值模擬試驗，結果顯示鋼絲繩網能承受的最大頂推力為70 kN，認為其符合施工要求。

(a) 聲波測試儀

(b) 聲波測試儀原理圖

圖11 松動圈測試結果

3.5 效果分析

根據米倉山隧道施工實踐，采用噴射混凝土+漲殼式預應力錨桿+柔性防護網的快速支護技術(如圖12所示)，與原設計的鋼拱架+錨桿+鋼筋網+噴射混凝土的傳統支護技術相比，每循環節約用時約4 h，施工速度提高了30%～40%。在時間效益方面，米倉山隧道巖爆段獨頭掘進最大月進尺達210 m，米倉山隧道巴中端預測中等巖爆段約1 200 m，按快速施工方法可節省工期50 d；在經濟效益方面，采用柔性防護網支護區段，取消了鋼拱架和焊接鋼筋網，預制化、機械化程度高，減少了人工投入，工程造價相對降低，并且作為巴陜高速的控制性工程，工期的縮短可為企業帶來巨大的經濟效益。每循環各工序耗時如表6所示。

圖12 米倉山隧道柔性防護網

Fig. 12 Test section of flexible protection net of Micangshan Tunnel

表6 每循環各工序耗時

4 結論與建議

本文提出了一種針對硬巖隧道巖爆段的快速施工支護技術，首先通過巖爆綜合預測劃分巖爆強弱區段，然后通過松動圈測試確定錨桿長度，并采用柔性網試驗確定柔性網的參數，最后利用噴射混凝土、預應力錨桿和柔性防護網快速支護巖爆段圍巖，特別是中等巖爆區段。

1)通過陶振宇判據和Turchaninov判據可以較準確地進行巖爆預測及強度區域劃分。本文針對米倉山隧道分別將埋深小于400 m區段、400～700 m區段、700～1 000 m區段和大于1 000 m區段劃分為無巖爆區域、輕微巖爆區域、中等巖爆區域和強烈巖爆區域。

2)利用松動圈測試結果能大致判斷圍巖破裂區域的深度。本文利用RSM-RCT(B)聲波測試儀，通過超聲波波速的突變確定米倉山隧道圍巖松動圈深度為1.4～1.8 m，其中拱頂位置損傷深度稍大于邊墻和拱肩。

3)采用噴射混凝土+漲殼式預應力錨桿+柔性防護網的快速支護技術，施工速度快，預制化、機械化程度高，可為企業、社會帶來明顯的經濟效益和社會效益。

4)本文提出的柔性支護快速施工技術多限于理論層面，目前并未得到大規模推廣使用，實踐驗證方面有所欠缺。下一步的研究重點將轉向工程領域的應用研究，例如“柔性支護技術對巖爆災害的防護效果”、“柔性支護技術的支護強度和耐久性”以及“柔性支護技術對于不同圍巖巖爆隧道的適用性”，并應對柔性網與噴射混凝土組成的復合材料的力學性能與防護效果進行進一步研究。