高地應(yīng)力深埋隧道超前預(yù)應(yīng)力釋放卸壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

蘇 小 明，方 中 楊，徐 應(yīng) 中，陳 行

(1.中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072；2.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

1 概 述

對(duì)于巖爆，眾多學(xué)者早有研究。王蘭生將因開(kāi)挖卸荷引起周邊圍巖產(chǎn)生應(yīng)力分異作用造成巖石內(nèi)部破裂和彈性應(yīng)變能的釋放引起的破裂松動(dòng)、剝離、彈射甚至拋擲性破壞現(xiàn)象統(tǒng)稱(chēng)為巖爆[1]。汪澤斌(1988)根據(jù)國(guó)內(nèi)外34個(gè)地下工程的巖爆特征,將巖爆劃分為破裂松脫型、爆裂彈射型、爆炸拋突型、沖擊地壓型、遠(yuǎn)圍巖地震型和斷裂地震型六大類(lèi)[2]。1988年,我國(guó)巖爆專(zhuān)家譚以安博士率先依據(jù)巖爆發(fā)生時(shí)的力學(xué)和聲學(xué)特征、破壞方式及其危害程度將巖爆烈度劃分為弱、中等、強(qiáng)烈、極強(qiáng)四級(jí)[3]。另外，陶振宇在前人研究的基礎(chǔ)上并結(jié)合國(guó)內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)提出：當(dāng)σc/σ1>14.5，不會(huì)發(fā)生巖爆；當(dāng)σc/σ1≤14.5，會(huì)發(fā)生巖爆，并將巖爆分為4級(jí)(吳德興，等，2005)，如表1所示(σc，σ1分別為巖石單軸抗壓強(qiáng)度和最大主應(yīng)力)[4]。

根據(jù)挪威赫古拉公路隧道和我國(guó)岷江太平驛水電站引水隧洞等地下工程施工取得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，巖爆地段應(yīng)盡量采用鉆爆法施工[5]。即利用以鉆爆手段達(dá)到超前預(yù)應(yīng)力解除、減少?lài)鷰r表層應(yīng)力集中現(xiàn)象的思想使巖體應(yīng)力降低，從而達(dá)到預(yù)防巖爆的目的。筆者針對(duì)拉林地區(qū)某隧道施工中巖爆頻發(fā)現(xiàn)象進(jìn)行了超前預(yù)應(yīng)力釋放現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，所取得的研究結(jié)果可為川藏線后續(xù)類(lèi)似工程提供參考。

表1 陶振宇提出的巖爆分級(jí)表

該隧道進(jìn)口里程為DK173+655，出口里程為DK190+104，全長(zhǎng)16 449 m，其中單線隧道長(zhǎng)14 890 m，隧道最大埋深約1 347 m。隧道圍巖主要為花崗巖及微變質(zhì)的片麻巖，強(qiáng)度最高達(dá)210 MPa。因構(gòu)造作用及埋深大影響，該段隧道所經(jīng)地區(qū)工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜，為巖爆高發(fā)區(qū)。

該隧道斜井自XDK0+810開(kāi)始掌子面開(kāi)挖時(shí)出現(xiàn)爆裂聲，發(fā)生巖塊崩落；至XDK0+610后，掌子面爆裂聲強(qiáng)度增加、巖體崩落次數(shù)增加，爆坑深度為50 cm左右，面積達(dá)2～4 m2。 XDK0+280至當(dāng)前掌子面里程XDK0+170(Ⅱ級(jí)圍巖，巖體密度為2.66 g/cm3，強(qiáng)度210 MPa，埋深800 m)發(fā)生了強(qiáng)烈、劇烈?guī)r爆情況：開(kāi)挖后巖體劈裂聲、悶響聲劇烈，突發(fā)性巖體大量彈射、拋射，主要發(fā)生部位在拱部、拱腰以及掌子面掏槽處，巖爆爆坑深度可達(dá)2 m以上。距掌子面20 m處仍存在明顯的巖體爆裂聲響。針對(duì)以上實(shí)際情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)巖爆研究試驗(yàn)。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的選址及爆破設(shè)計(jì)

根據(jù)以上情況，將試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)選擇在距發(fā)生過(guò)劇烈?guī)r爆的斜井附近的主洞高應(yīng)力洞段。為減小開(kāi)挖對(duì)應(yīng)力重分布的影響，選擇在一側(cè)預(yù)留的避車(chē)洞里作為應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)和卸壓爆破試驗(yàn)地點(diǎn)，樁號(hào)為正洞DK186+020.94(應(yīng)力測(cè)試孔中心位置)，該處巖體為Ⅱ級(jí)圍巖，巖體密度為2.66 g/cm3，強(qiáng)度為143.8 MPa，埋深850 m。選擇該處做為試驗(yàn)場(chǎng)地避免了試驗(yàn)與主洞開(kāi)挖施工的相互影響。

為了在炮孔周?chē)a(chǎn)生裂縫、形成一個(gè)與洞壁有一定安全距離和厚度的人工破碎帶。爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)的各個(gè)參數(shù)為：炮孔數(shù)量7個(gè)、炮孔深度5 m、炮孔直徑50 mm、不耦合系數(shù)為1、起爆方式為反向起爆、單孔裝藥量為1.2 kg、與應(yīng)力測(cè)試孔的間距為1 m。

卸壓爆破孔位布置情況和側(cè)視圖見(jiàn)圖1、2。

圖1 卸壓爆破孔位布置圖

圖2 卸壓爆破孔位側(cè)視圖

2.2 應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)及卸壓爆破試驗(yàn)設(shè)備

本次應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)設(shè)備采用澳大利亞ES&S空心包體應(yīng)變計(jì)，型號(hào)為CSIRO HID，該應(yīng)變計(jì)共三個(gè)應(yīng)變花，每個(gè)應(yīng)變花有4個(gè)應(yīng)變片，可以在一個(gè)鉆孔中測(cè)取三維地應(yīng)力值。

爆破試驗(yàn)設(shè)備及材料：高能起爆器2臺(tái)、風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)(型號(hào)T26)兩臺(tái)、取芯鉆機(jī)(型號(hào)XY-2型回鉆鉆機(jī))1臺(tái)、乳化炸藥8 kg、空壓機(jī)1臺(tái)。

2.3 卸壓爆破試驗(yàn)步驟

(1)鉆爆破孔。用氣腿式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆炮眼，孔徑50 mm，深5 m，孔數(shù)7個(gè)，炮眼間距1 m。

(2)驗(yàn) 孔。由爆破隊(duì)長(zhǎng)指派的驗(yàn)孔人員按照爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行逐孔驗(yàn)收；對(duì)于不合格的孔，要依據(jù)工程技術(shù)人員的意見(jiàn)及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

(3)裝 藥。裝藥時(shí)應(yīng)規(guī)范，按技術(shù)設(shè)計(jì)要求操作，在裝藥過(guò)程中，邊裝藥邊用(木、竹)炮棍或炮繩進(jìn)行藥高測(cè)量，避免出現(xiàn)下部堵孔現(xiàn)象。

(4)填 塞。裝藥完畢，采用鉆孔周?chē)你@渣實(shí)施炮孔填塞，不應(yīng)使用石塊和易燃材料填塞。

(5)起 爆。起爆工作由爆破隊(duì)長(zhǎng)指定的、經(jīng)驗(yàn)豐富的爆破員擔(dān)任。起爆前，對(duì)起爆器等器材再次進(jìn)行詳細(xì)檢查，確保起爆的順利實(shí)施。起爆實(shí)施人在接到警戒負(fù)責(zé)人口令并確認(rèn)安全可靠后實(shí)施起爆。

(6)爆后檢查。爆后檢查工作由爆破隊(duì)長(zhǎng)與經(jīng)驗(yàn)豐富的爆破員負(fù)責(zé)，待起爆煙塵散盡后進(jìn)行檢查。

3 爆破前后的結(jié)果及對(duì)比

在爆破孔鉆眼前，先用XY-2型回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施作應(yīng)力測(cè)試孔，深度為5 m，安裝空心包體進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，地應(yīng)力測(cè)試計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 爆破前地應(yīng)力測(cè)試成果表

注：主應(yīng)力方向?yàn)橹鲬?yīng)力的投影方向，以象限角表示；傾角“-”表示俯角，正角為仰角。

應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)采樣抗壓強(qiáng)度σc為143.8 MPa，爆前判別系數(shù)σc/σ1=4.68，屬于中等巖爆等級(jí)。經(jīng)過(guò)卸壓爆破后，爆前判別系數(shù)σc/σ1=12.5，屬于低巖爆等級(jí)。

根據(jù)爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況，對(duì)于今后情況類(lèi)似隧道的爆破卸壓參數(shù)設(shè)計(jì)可以考慮為：炮孔直徑D為50～70 mm、炮孔長(zhǎng)度為5～8 m。炮孔間距最好為：20 cm≤d≤70 cm。不耦合系數(shù)適宜取值區(qū)間為：1

5 結(jié) 語(yǔ)

由上述對(duì)比參數(shù)可以得到以下結(jié)論：

(1)爆破前最大主應(yīng)力為30.7 MPa，爆破后最大主應(yīng)力值為11.5 MPa，最大應(yīng)力降低幅度達(dá)63%，爆破對(duì)最大主應(yīng)力的降低起到了明顯效果。

(2)爆破前測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力σ1的方向?yàn)?50°，爆破后測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力σ1的方向?yàn)?75°，說(shuō)明爆破卸壓對(duì)圍巖最大主應(yīng)力方向有所影響，但影響較小。