高地應力隧道施工安全預防處理

王應權

（中鐵十七局集團有限公司，山西 太原030006）

巖爆是指在深埋地下施工過程中一種常見的動力破壞現象，當物體受到了大量的高彈性應變時，會破壞巖體結構的平衡導致巖爆出現，使得巖石脫落噴出，這是較難預測的，也具有非常強大的破壞性。會給施工人員和機械設備造成巨大的安全風險。因此，巖爆現象也會對類似交通水利礦山等地下工程建設帶來危害，影響發展。本文將分析巖爆的發生和形態，并結合具體的施工措施以及預防措施進行分析。

1 地層應力分析

首先對地層條件的應力進行分析，隧道的主要應力是由構造應力和自重應力相結合，與隧道夾角約為53 度，利用應力測試結果得到應力分布的回歸方程，并估算了相應的隧道應力大小。由于復雜的結構和壓力容易發生巖爆，有一個清晰的聲音為巖塊和區域巖石脫落，這會導致早期的開裂，尤其在相交處的復合應力非常大，所以巖爆經常會發生，一般表現為巖體脫落。巖爆彈射巖體聲音比較大，沒有相應的措施將會對施工產生較大的影響。

從工程地質研究的角度來看，從巖爆的工程實際統計，巖石破裂容易引發在新鮮和完整的紋理上。紋理樣貌相對復雜，含水量較少，且具有非常少的裂縫。例如砂巖、花崗巖、閃長巖、石灰巖等，同時具有良好的儲能條件，當爆破時，其彈性形變量將會更大，發生巖爆的可能性也會越大，這樣的情況往往會發生在高埋深地下工程上。

2 導致塌方原因

隧道塌方是指隧道施工掌子面開挖后，在重力作用下，部分或全部巖體發生塌方的一種地質災害現象。通過調查，將隧道塌方風險分為地形、地質因素、設計因素、開挖因素、施工因素和監測因素等六種因素。惡劣的地形地質條件，隧道工程地質條件復雜地層覆蓋較薄的斷面，通過有地表水源如水庫、水庫、溝、溝等地區，當巖體、膨潤土層、淺埋段、流砂層和嚴重偏壓段長期受地下水浸泡時，開挖后極易發生塌方。

目前普遍認為，巖爆坍塌是在隧道開挖后，原始圍巖的完整性被人為破壞，原有的機械平衡系統被破壞，形成了“圍巖”空化后，圍巖應力分布引起圍巖應力調整，調整后的圍巖應力超出其極限承載力極易形成巖爆。除了巖體的初始應力外，圍巖的巖性和產狀也決定了崩塌風險的發生。近年來的資料，對隧道施工塌方的統計數據發現，一般隧道巖爆塌方與施工條件及設計提供的處置方法是相關的。

3 巖爆條件

一般的巖爆風險都發生在深埋地區或者是高低應力地區，在圍巖中，其飽和抗壓極限小于30 兆帕，在力學性能方面，圍巖強度可以承受的重量而引起形變，或者能夠抵抗圍巖的破壞，圍巖一般不會出現大變形。隧道圍巖中的某些礦物與水發生反應后發生膨脹，這也就造成了隧道大變形的一個重要原因。其次是支撐條件，在一般情況下，隧道支護結構不足以提供相應的支護力，無法獲得較好的形變，而當有效的束縛沒有時，巖體就開始發生形變，因此必須采用正確的支撐結構。防護支撐的質量和及時的支護也可以在很大程度上科學地進行控制，而相反支護措施如果不利的話，施工方法不科學，支撐質量不達標，即使在較好的地質條件下也不容易保證安全，反而更容易產生較大的圍巖形變，所以如果支撐太少或者支撐不及時，支撐應用不科學的工法時，這將不能夠保證足夠的支撐力，從而使圍巖變形，不能得到及時的控制而造成大形變的災害。

沖擊是由巖體強度、巖體狀態或者巖體應力組成的，其狀態形變特征、巖石結構、地層巖性強度、地下工程布置以及施工等因素綜合產生的結果。而隧道施工過程中巖爆風險主要產生滿足兩個條件，第一個是有足夠的形變力，第二則是有足夠的應力集中。

4 巖爆預測方法

在我們的施工過程中，我們必須要進行圍巖的量測檢測。例如形變檢測、應力檢測等等，采集巖爆前后巖石的各個物理參數，并進行總結分析。而對于傳統的地質預測手段，例如紅外探測、地質雷達等，由于目前工作設備的限制不能很好地反映巖體的情況，再結合其他類似的工程，如采用先進的微震監測、地質預測方法，這樣就可以實現對前方圍巖應力的檢測。在發生巖爆的概率位置和大小進行分析，以便提前采取措施，保證工程的安全可靠進行。

微震監測系統主要通過聲學、地震學、地球物理學以及強大的計算機計算功能，對微震事件進行準確的定位分析。對于該系統來說，其工作原理是在外界的作用下，在彈性材料的內部進行檢測，由于彈性材料內部產生局部彈性能，伴隨著彈性的發生就會有彈力波和應力波，這樣我們就可以實時地利用繪圖機和在三維空間中進行實時的顯示。

5 巖爆的治理措施

為了保證高地應力隧道施工的安全可靠，進行巖爆隧道施工應堅持以下幾個原則。要提前預防采取積極的措施進行建設。確保巖爆地區的施工是安全可靠的，并且降低巖爆的危害。巖爆隧道的施工過程中，首先，需要提前進行灑水來降溫釋放形變能。將最大形變力傳遞深部，用高壓注水來降低和軟化巖體。高壓注水產生了新的裂痕，這樣就可以降低巖體儲存的應變力。其次是改善圍巖物理的性能，經常性在施工掌子面和巖石壁上噴灑冷水，這樣會降低巖體表面的強度。

施工前期，首先我們需要進行培訓并對培訓效果進行鑒定以及檢查相應的應急預案。其次對機械裝備的適應性以及操作規程進行相應的檢查。第三對現場施工人員需要進行崗前培訓實行，持證上崗，并配備必要的安全防護用具。

在開挖時，對于開挖的方式以及爆破的方法要嚴格控制，要隨時做好巖爆情況監控。及時核對施工區域與設計文件的符合性情況進行鑒定。在工程監控量測方面要掌握掌子面的穩定情況，測量器材的布置以及測量的頻率要求。

監控量測制度以及信息反饋等要及時處理，量測人員必須要按照規定進行量測，并做好相應的辨識分析，為控制巖爆施工災害提供依據。

6 結論

目前的高地應力（巖爆）工程施工與安全問題已經得到了廣泛的關注。為了保證施工安全，要提高地應力隧道施工規避風險能力，需要通過綜合各種技術手段來實現。文章中對巖爆隧道的風險安全與現場管理進行了一定的技術分析，對施工中災害產生的原因也提出了相關防范措施的建議。目前對巖爆產生的機理及防護措施雖然有了一定的認識，但還需要進一步的研究和深入分析，以及大量的工程實踐來綜合制定防范措施。