山嶺隧道高地應力巖爆處置分析

袁威

摘 要：目前，國內外山嶺隧道高地應力巖爆的研究還存在部分不足，特別是高地應力的劃分方式和方法，各個國家之間尚未有明確的規定，部分專家學者雖然進行了相關的研究，但對于不同地形地勢的圍巖應力研究較為復雜，本文通過文獻調研總結山嶺隧道高地應力巖爆處置分析，為隧道開挖災害防治提供幫助。

關鍵詞：山嶺隧道;高地應力;巖爆

0 引言

近20多年來，我國山嶺隧道施工飽受巖爆侵害，其中由中鐵十二局二公司承建的川藏鐵路拉薩到林芝地段為一級高風險隧道，與此同時巴玉隧道目前是世界上巖爆最強掘進距離最長埋深最大的高原鐵路隧道。隧道內巖爆的強度和頻率很高，爆炸時間一般為2至6小時，最長持續時間為一周以上，甚至巖爆后幾個月還會出現二次巖爆。因此，隧道施工必須防患于未然，爆破破壞的石塊可能會松動，從主巖中投擲不同的石塊，直接威脅到施工人員、設備和地下工程的安全，嚴重影響工程進度。為保證隧道工程的長期穩定、安全、正常運行，在施工過程中提前確定高地應力和預測有十分重要的意義。

1 高地應力定義

高地應力界定是針對初始地應力場而言，巖體高地應力問題是工程巖體安全的主導因素[1]，巖體的初始地面應力狀態與巖體在施工過程中的變形和破壞特性有關，地下工程的地面應力水平可以通過三種方式確定：根據埋深、經驗公式或地下工程所在的構造環境，初步確定近似應力水平;基于勘探或施工過程中周圍巖石的物理現象、變形或破壞的定性評價;根據工程或工程部位的地應力實測資料定量評判。

存在高地應力狀態的地質標志：圍巖產生巖爆脫落現象;圍巖收斂變形大;軟弱夾層擠出;鉆孔出現餅狀巖芯;開挖無滲水現象;開挖過程有瓦斯突出。除此之外高地應力也還有一些定性判斷，其中包括巖體結構致密、滲透性極差、巖體彈性模量約等于巖體彈性模量的實驗值、巖石新鮮無風化等。

2 山嶺隧道高地應力巖爆現象及分類

2.1 巖爆發生的現象

伴隨有地震發生并以突然或猛烈發聲方式對地下開挖的破壞;只要巖體破壞時有聲響，產生片幫、爆裂剝落甚至彈射等現象[2];產生彈射、拋擲性破壞稱為巖爆，無動力彈射現象的破裂歸屬于靜態下的脆性破壞;圍巖堅硬、質脆，巖爆巖石單軸抗壓強度Rb大于50 kPa[3];巖爆洞段巖體表面較為干燥，有地下水存在或斷裂部位不發生巖爆;巖爆洞段的埋深可大可小，埋深不是判定巖爆發生的重要依據。

2.2 巖爆的分類

微弱巖爆是一種微弱的、無聲的或在周圍巖石表面看不見變化的現象，它通常規模較小，不易察覺，表現為巖坑較淺，通常對施工影響較小。中等巖爆與微弱巖爆相比現象更為明顯，是一種肉眼可見的爆裂脫落巖石剝離的危害，在圍巖脫落的過程中碎石彈出，同時伴隨著清脆響聲，爆坑較大，坑徑深一般不超過2 m，巖石下落規模較大。強烈巖爆發生時具有銳利的巖石和碎片不斷地飛出，巖爆產生的爆坑在圍巖上連續的分布，坑深2 m以上，爆裂脫落碎石尺寸較大數量多，嚴重時將使圍巖大面積的開裂使其喪失其穩定性。劇烈巖爆可能發生爆炸以及巖石的彈射性破壞，在爆炸發生的同時伴隨巨響，劇烈巖爆發生迅速，并逐漸向更深處傳遞，影響深度可超過2 m以上，情況嚴重時可能摧毀工程，劇烈巖爆產生并釋放的能量相當于200多噸TNT炸藥，目前我國已經發現的巖爆像小地震一樣，當其巖爆發生后可在發源地以外的100多公里測到，最大震級為4.6級，影響及其嚴重。

3 巖爆的影響因素

國內外的調查結果表明，產生巖爆的原因很多，其影響因素有巖石巖性、隧道初始應力狀態、埋深、地表地形、開挖斷面形式及開挖方式等，但在諸多因素中，地層的巖性條件和地應力的大小是產生巖爆與否的兩個決定性因素。巖爆是巖體內積聚的彈性應變能的突然釋放。影響因素包括地應力、巖性、巖體結構、埋深與地形、人為開挖[4]。

一般情況下，在隧道開挖后巖爆陸續出現，大量巖爆在24小時內最為明顯，在開挖后十小時內巖爆次數最多，這種現象通常延續1～2個月，有的延長一年以上[5]。如二郎山隧道巖爆多發生在放炮后2～8小時內，也有滯后1～2天的，有些段滯后1～2個月或幾個月后發生，較嚴重的巖爆段在第一次開挖錨噴支護達到穩定并經過兩年后處理大規模欠挖時仍時有巖爆發生[6]。

巖爆發生的次數與掌子面的距離有很大的關系，在洞軸線上分為巖爆洞段和無巖爆洞段。巖洞的橫截面是指巖洞的巖石分布，巖爆頻率和到掌子面的距離之間存在一定的關系。以二郎山隧道為例，當巖爆與掌子面相距為20 m之內時，通常情況下巖爆次數最高可達40余次，巖爆發生的部位多數位于起拱線以上和邊墻靠近低部區域。巖爆在橫斷面上的分布具有對稱性，如福堂水電站引水隧洞施工中巖爆均發生在圓形洞室拱頂偏河床側10°～70°范圍內和洞室斷面下部靠山側，與之對稱的部位[7]。

4 巖爆的預防及處置

4.1 微弱巖爆處置

微弱巖爆指巖石個別有松脫和破裂的巖爆，主要集中在隧道壁面附近的淺層部位，厚度通常小于20 cm[8]。損害很小，可以采取以下措施降低破壞影響：

開挖后采用5L/S的水槍對掌子面和洞壁進行噴水2 min，冷卻軟化周圍巖石，改善圍巖的穩定性;由于巖爆產生的巖石破裂，拱頂頂部脫落松散的石塊要及時的清理，對巖爆坑采用混凝土噴射覆蓋，同時用3 cm～5 cm的混凝土噴射掌子面;打設兩倍循環進尺深度長的膨脹錨桿，對下一循環巖體進行預加固。

4.2 中等巖爆處置

中等巖爆表現為巖石板的松脫和彈射現象，周圍的巖體出現變形并有發展跡象，巖體有可能出現強烈的爆裂，主要破壞位置集中在圍巖20 cm～70 cm的松弛區域，空洞本身較穩定。施工時可采取以下措施：

在施工過程中減小掘進深度，控制在1.5 m范圍內;在掌子面和洞壁對角線位置打上斜孔，同時在斜孔內高壓注水10 min～30 min，緩解壓力，改變圍巖的性質;最初，采用鋼纖維混凝土，鋼筋纖維混凝土足夠靈活，可以承受更強的變形而不破壞表面;布置系統屈服膨脹錨桿，掌子面錨桿長度為錨的兩倍，在錨基座和巖面之間建立一個模板，以吸收圍巖偏移。

5 總結與體會

突破傳統認識誤區，轉換巖爆防治思想;進行超前“預爆”，確保施工安全;加強監控量測，指導工程實施。

參考文獻：

[1]徐林生，唐伯明，慕長春，等.高地應力與巖爆有關問題的研究現狀[J].公路交通技術，2002（4）：48-51.

[2]王成虎，郭放良，丁立豐，等.工程區高地應力判據研究及實例分析[J].巖土力學，2009，30（8）：2359-2364.

[3]鄧建輝，陳菲，魏進兵，等.略論國內外地應力分級方案的適用性[C].流域水電開發重大技術問題及主要進展——雅礱江虛擬研究中心2014年度學術年會論文集，鄭州：黃河水利出版社，2014.

[4]薛璽成，郭懷志，馬啟超.巖體高地應力及其分析[J].水利學報，1987（3）：52-58.

[5]中華人民共和國國家標準.GB50021-94巖土工程勘察規范[S].北京：中國建筑工業出版社，1995.

[6]中華人民共和國行業標準.DL/T5368-2007水電水利工程巖石試驗規程[S].北京：中國水利水電出版社，2007：215.

[7]白世偉，李光煜.二灘水電站壩區巖體地應力場研究[J].巖石力學與工程學報，1982，1（1）：45-56.

[8]孫廣忠.工程地質與地質工程[M].北京：地震出版社，

1993.