峨漢高速公路大峽谷隧道巖爆處治技術*

向 龍，林國進，唐 協，王 俊，李華明，方 勇

(1.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041； 2.四川樂漢高速公路有限責任公司，四川 峨眉山 614200； 3.西南交通大學，四川 成都 610031)

0 引言

巖爆指在高地應力條件下，地下工程開挖過程中形成臨空面，硬脆性圍巖卸荷，儲存于巖體中的能量突然釋放，周邊圍巖應力分布發生突變，使隧道周邊切向應力或掌子面壓應力達到臨界狀態，在高能量(高應力)下圍巖巖體破壞失穩，轉換為沖擊動能而產生的爆裂聲響、爆裂松脫、剝離彈射甚至拋出的地質災害。目前國內研究主要將巖爆分為輕微巖爆、中等巖爆、強巖爆及劇烈強巖爆。巖爆判別方法主要將地應力、巖石強度及巖體脆性作為主要判別指標，將巖體完整性、干燥程度、地溫等作為次要判別指標，包括Hoek方法、Russense方法、Turchaninov方法、Kidvbinski方法、侯發亮方法、陶振宇方法等。可在勘察階段通過隧道圍巖埋深、巖石強度、地應力、地熱等地質及力學信息，綜合判定隧道是否存在巖爆風險，并對巖爆進行等級劃分；也可基于現場實測結果對巖爆進行預測，方法包括微震監測法、回彈法、聲波發射法、電磁波輻射法及微重力法等。另外，基于巖爆影響因素的巖爆綜合預測方法具有發展前景，其中，基于巖爆指標判據的預測方法主要包括物元可拓法、模糊綜合評判法等，基于巖爆工程實例數據的預測方法包括支持向量機法、決策樹法、貝葉斯判別法等。

巖爆處治方式主要包括：①通過改善圍巖條件解除部分圍巖應力或截斷應力傳遞路徑；②采取合理的施工方法及工序，減少對圍巖的擾動，降低圍巖應力的釋放，降低巖爆發生概率；③選擇合理的主動及被動防護方式，對圍巖施加支護反力，形成三維受力狀態，在不影響工期的情況下合理選擇巖爆處治措施。

本文首先總結國內典型隧道巖爆處治方法，然后依托峨漢高速公路大峽谷隧道，結合隧道巖爆特點，提出巖爆處治措施，以期為類似工程提供參考。

1 典型隧道巖爆處治方法

國內外隧道工程界學者對巖爆處治方法進行了積極探索，本文對國內典型隧道巖爆處治方法進行總結，如表1所示。

表1 國內典型隧道巖爆處治方法

1.1 合理開挖

弱～中巖爆隧道開挖進尺一般控制在2～3m，盡可能全斷面開挖，以減少圍巖應力平衡狀態破壞次數。中～強巖爆隧道開挖進尺一般控制在1.5～2m，必要時可采用上下臺階法或中導洞方式開挖(超前導洞長30～50m，直徑一般≤5m，宜根據地應力等綜合確定)，減少臨空面，增加圍巖周邊約束，避免應力一次釋放。TBM施工發生巖爆的概率更大，且巖爆更強烈，這可能是因為TBM施工速度快，振動擾動小，周邊集中應力得不到釋放，可知爆破振動對巖爆應力集中具有一定擾動和釋放作用，對周邊圍巖具有一定破裂作用。

1.2 超前支護

在巖爆處治過程中，超前支護具有一定釋放掌子面圍巖壓力的作用，同時可保護拱頂圍巖，避免發生掉塊現象。對于弱～中巖爆，建議采用φ22mm錨桿，可不注漿。對于中～強巖爆，可采用φ42mm小導管，管中填充水泥砂漿，增加剛度，根據情況可不注漿。

1.3 應力釋放

隧道開挖后巖爆發生在巖石暴露面，巖爆按發生位置主要分為環向周邊圍巖巖爆和掌子面部位巖爆，環向周邊圍巖巖爆主要通過周邊切向應力與巖石強度控制，掌子面部位巖爆主要通過壓應力控制。

1)掌子面應力釋放孔

對于以壓應力為主、掌子面發生巖爆較多的地段，應結合巖爆規律及地應力測試結果在掌子面上有針對性地施作應力釋放孔。對于弱～中巖爆發生區段，鉆爆施工時可在拱角、邊墻及頂部加深鉆周邊眼炮眼孔。掌子面施作超前應力釋放孔，其數量根據巖爆情況確定，進行中深孔卸壓爆破，以達到釋放圍巖應力、降低沖擊地壓頻率的目的。對于中～強巖爆發生區段，可在掌子面鉆掘進炮孔，并加鉆較掘進炮孔深10m左右、僅在末端裝炸藥的應力解除(釋放)孔及直徑>110mm、不裝炸藥的容積補償孔(應力釋放孔)，利用爆破解除應力，提前釋放部分可能導致強巖爆的能量，然后向眼孔內噴灌高壓水，對圍巖進行軟化，從而提前加快圍巖的應力釋放。

2)周邊應力釋放孔

當巖爆主要發生在周邊圍巖時，需對隧道最大切向應力位置進行分析，結合現場巖爆發生位置，在隧道周邊拱腰等位置處鉆應力釋放孔，如初期支護施工完成后施作周邊應力釋放孔，每循環沿隧道環向布置1排卸壓孔，縱向間距為1m，環向間距為2m，呈倒三角形布置，進行中深孔卸壓爆破，降低沖擊地壓頻率，保障結構及施工安全。應結合隧道自身應力條件及巖爆特點確定應力釋放孔布置方案。

3)松動爆破

對于強巖爆及劇烈巖爆發生區段，應采用周邊松動爆破方式，截斷應力路徑。應根據地層巖性、微震監測數據、地應力測試結果及現場巖爆規律等采取有針對性的強巖爆處治措施。當隧道周邊切向應力與掌子面壓應力過大時，會造成較強巖爆。如果隧道周邊切向應力過大，主要發生洞周圍巖巖爆。如果掌子面壓應力過大，主要發生掌子面部位巖爆。深層圍巖松動爆破可有效截斷圍巖壓力路徑，對強巖爆或劇烈巖爆具有明顯的抑制作用。

1.4 強化支護參數

提高圍巖自承能力，開挖后需及時施作錨噴支護，盡早形成圍巖承載環，提高環向和切向承載力，主要以柔性鋼纖維混凝土及鋼架支護為主。采用噴漿法進行處治，噴漿厚度一般為5～10cm。采用強度等級較高的混凝土，將隧道表層破裂巖體聯固。對于隧道內速爆型巖爆發生區段，主要采用噴射混凝土或鋼纖維混凝土與布設系統錨桿的方式進行處治，系統錨桿長2m，間距1～2m，呈梅花形布置，錨桿需穿過圍巖損傷破裂區。噴射混凝土或鋼纖維混凝土時，一般噴射3次，噴射厚度為15～20cm。

1)噴射混凝土 噴射混凝土主要以纖維混凝土為主，錦屏隧道采用CF30雙摻無機納米材料+鋼纖維混凝土，取得了較好的效果。部分巖爆隧道中按3次噴射混凝土，其中初次噴射尤為重要，可減少巖體應力集中，并使結合面上產生抗力，填充圍巖裂隙，使圍巖膠結為整體。

2)錨桿 錨桿有效長度、抗巖爆沖擊能力等應滿足要求。錨桿需穿過圍巖損傷破裂區，能夠有效限制圍巖破裂裂隙擴展，以加固巖體，提高巖體和結構面的抗剪強度，改善結構面附近的應力分布，具有一定抗剪能力。錨桿施作應具備及時性，能夠及時、迅速發揮作用，保證施工進度和安全，水脹式錨桿與脹殼式預應力中空注漿錨桿較常用。

3)鋼架 鋼架在巖爆處治中具有較明顯的作用，鋼架及鋼筋網片可有效降低巖爆落石風險，噴射混凝土與鋼架可有效提供反力，形成三維受力狀態，對巖爆具有一定抑制作用。

4)二次襯砌 巖爆常導致初期支護出現剝落現象，對后期施工安全造成一定影響，需盡快施作二次襯砌，可采用跳倉方式施工。

5)主動柔性網 主動柔性網結合噴射混凝土的方式在米倉山隧道巖爆處治中取得了顯著效果，主動柔性網可采用大網格+小網格的形式，對巖爆彈射、掉塊傷人具有較好的防護作用，具有一定推廣應用價值。

2 工程概況

峨眉山至漢源高速公路(峨漢高速公路)東接國家高速公路網成渝地區環線的樂雅高速公路、樂峨連接線高速公路和成樂高速公路，西接京昆高速公路。從國家高速公路網層面來看，本工程連接了2條國家高速公路，是重要的備用通道；從四川省高速公路網層面來看，本工程屬于《四川省高速公路網規劃(2008—2030年)》東西向布局的“第4橫線”漢源至自貢高速公路的組成部分，項目建成后將直接與成樂高速公路、樂雅高速公路、樂峨高速公路、樂自高速公路、樂宜高速公路等交叉相連，使區域高速公路銜接成網。本工程路線全長123.468km，主線采用4車道高速公路技術標準建設，設計速度80km/h，全線共布置23座隧道，共長73 908.5m。其中大峽谷隧道長12.1km，為峨漢高速公路控制性工程，隧道最大埋深為1 944m，為目前國內埋深最大的高速公路隧道，其中10km深度范圍為近似水平白云巖層，呈薄層至厚層狀。大峽谷隧道開挖過程中頻繁發生的巖爆對施工進度和安全造成了影響。

大峽谷隧道近似與區域F15爾古灘斷層走向平行，位于爾古灘斷層下盤，為沖斷層。隧道進口段穿越F12斷層，出口段通風井穿越F15斷層，出口外分布有F14斷層。隧道進口段主要以板巖、碳質板巖及流紋巖為主，長度約2.1km，出口段主要以燈影組白云巖為主，長度約10km，白云巖形態以近似水平為主。

隧道洞身主要斷層為：①F12金口河斷層 北東向延伸，傾向南東，傾角70°～80°，為逆斷層，長度>19km，上盤由前震旦系峨邊群變質巖組成，下盤為震旦系地層。斷層破碎帶擠壓嚴重，呈碎粒狀，具碳化、片理化。F13為其支斷層，斷于震旦系燈影組內。②F15爾古灘斷層 北西西走向，長度>10km，西側越過馬托—俄落斷層，東側過古爾灘后至金口河斷層，斷層面向南陡傾，北盤(下盤)為上震旦統燈影組和古生界地層，南盤(上盤)為上震旦統，為沖斷層。

3 大峽谷隧道巖爆處治

3.1 地應力測試

3.1.1勘察階段地應力測試

勘察階段采用水壓致裂法進行地應力測試，其中，XK3-3鉆孔樁號為ZK75+572m，孔深466.5m，中風化板巖，通過該孔分別對136.6，159.8，297.5，325.1，334，370.2，418.8m深度處地應力進行測試，測試水位約108.000m。測得最大水平主應力為6.8～13.4MPa，最小主應力為3.9～9.6MPa，鉛直應力為3.6～11.1MPa，沿最大水平主應力方向的側壓力系數為1.1～1.9，平均值為1.4，測孔深部應力場主要呈最大水平主應力>鉛直應力>最小主應力特征，地應力場以水平應力為主導，最大水平主應力方向穩定在北北西向。單軸飽和抗壓強度為58.63MPa，巖石強度應力比為4.68，地應力屬高應力水平。

XK3-4鉆孔樁號為K85+758m(右14m)，孔深590m，中風化白云巖，通過該孔分別對218.3，264.0，356.0，385.0，416.0，428.0，493.7，537.5m深度處地應力進行測試，測試水位約135.000m。測得最大水平主應力為6.9～16.4MPa，最小主應力為4.7～11.7MPa，鉛直應力為6.1～15.0MPa，沿最大水平主應力方向的側壓力系數為0.9～1.2，平均值為1.1，地應力場以水平應力為主導，壓裂隙方向獲得的最大水平主應力方向穩定在北北西向。單軸飽和抗壓強度為140MPa，巖石強度應力比為8.64，地應力屬中等應力水平。

XK3-3，XK3-4鉆孔最大測試深度分別為418.8，537.5m，遠小于隧道最大埋深，根據埋深推測，大峽谷隧道圍巖具有硬質、脆性的特點，當隧道圍巖埋深<320m時，施工期不會發生巖爆；當隧道圍巖埋深為320～485m時，可能發生弱巖爆；當隧道圍巖埋深為485～886m時，可能發生中等巖爆；當隧道圍巖埋深>886m時，可能發生強巖爆。

3.1.2施工階段地應力測試

采用空心包體應力解除法，對大峽谷隧道施工階段地應力進行多次測試，結果如表2所示。測試范圍內隧道地應力屬高～極高地應力，最大主應力方向均與隧道軸向大角度相交。

表2 大峽谷隧道施工階段地應力測試結果

3.2 巖爆特點分析

施工過程中，大峽谷隧道進口段2km主要以板巖為主，巖爆在出口段相對集中，本文以出口段巖爆為例，對巖爆特點進行分析。

當隧道出口段左洞開挖4 005m、右洞開挖4 426m時，共發生221次巖爆，連續發生巖爆的洞段共14段，累計長度達2 125m，其中主洞部分長達1 511m，斜井部分長達614m。根據巖爆發生規律，可知大峽谷隧道巖爆多為弱～中巖爆，后續施工過程中可能發生局部強巖爆，巖爆主要特點如下。

1)隧道圍巖埋深達320m左右時首次出現弱巖爆，主要發生在掌子面拱腰位置，主要導致圍巖剝離掉塊，塊體彈射距離為2～10m，巖爆區段長，持續時間長(1～7h)。

2)隧道圍巖主要為沉積水平巖層，在高地應力條件下，最大主應力方向與隧道軸向大角度相交，隧道拱頂掉塊成為巖爆主要表現形式之一，施工風險高。地應力存在滯后現象，初期支護施工完成后多次出現拱頂掉塊現象。

3)隨著埋深的增加，隧道內溫度不斷升高，埋深達1 000m后溫度最高為35.36℃，處于高地溫環境，隧道圍巖干燥。斜井貫通后，自然風降溫作用明顯。

4)出口段巖爆區域存在地下水，有水雖不是巖爆的必要條件，但有水時一般存在裂隙，裂隙可截斷應力路徑。

5)大峽谷隧道地應力高、巖石強度高、巖體脆性指標高，但隧道圍巖主要為沉積水平巖層，巖層之間存在微小裂隙，雖加劇了隧道頂部剝離掉塊情況，但可在一定程度上降低巖爆發生概率。

3.3 處治措施

結合大峽谷隧道高地應力、巖層條件、巖爆特點等，對巖爆進行處治。

3.3.1弱巖爆處治

1)開挖采用光面爆破，全斷面開挖，進尺2～3m。

2)初次噴射4cm厚混凝土。采用I12.6加強支護，工字鋼間距為1.2m。掛設φ6mm鋼筋網片，孔距為25cm。

3)初期支護采用φ22mm藥卷錨桿，長2.5m，間距1.2m。超前支護采用φ22mm藥卷錨桿。

4)噴射4～6cm厚混凝土，進行掌子面封閉、反壓。

3.3.2中等巖爆處治

1)開挖采用光面爆破，采用臺階法施工，進尺1.5～2.5m。

2)初次噴射4cm厚混凝土。采用I14加強支護，工字鋼間距為1～1.2m。掛設φ8mm鋼筋網片，孔距為20cm。

3)初期支護采用φ22mm藥卷錨桿，長2.5m，間距1.2m。

4)超前支護采用φ22mm藥卷錨桿或φ42mm小導管。

5)根據巖爆情況在鋼架背后設置鋼筋排或加密、加粗鋼筋網片，避免水平巖層頂部剝離掉塊。

6)噴射6～8cm厚混凝土，進行掌子面封閉、反壓。

7)巖爆主要發生在掌子面，因此在掌子面上鉆6～10個φ110mm應力釋放孔，長10～20m。

支護參數需根據現場實際情況進行動態調整，超前支護可不注漿或滯后注漿，便于周邊眼釋放圍巖壓力，且可避免拱頂掉塊傷人。

3.3.3強巖爆預處治

1)開挖采用光面爆破，采用臺階法施工，進尺0.8～1.6m，上下臺階盡量拉長。

2)超前支護采用φ42mm小導管，長4.5m。

3)初次噴射4cm厚C25鋼纖維混凝土，采用I16加強支護，工字鋼間距為0.8m。掛設φ8mm鋼筋網片，孔距為20cm，補噴18cm厚C25鋼纖維混凝土。

4)初期支護采用φ25×5脹殼式預應力中空注漿錨桿，長3.0m，間距0.8m。

5)二次襯砌采用鋼筋混凝土，設置φ18螺紋鋼，縱向間距20cm。

6)根據巖爆情況在鋼架背后設置鋼筋排或加密、加粗鋼筋網片，避免水平巖層頂部剝離掉塊。

7)噴射8～10cm厚鋼纖維混凝土，進行掌子面封閉、反壓，如有需要，在掌子面布設錨桿，加固掌子面圍巖。

8)根據巖爆情況在掌子面或側壁上鉆φ110mm應力釋放孔，并進行預裂松動爆破。

4 結語

本文對國內典型隧道巖爆處治經驗進行總結，并結合大峽谷隧道高地應力、巖層條件、巖爆特點等，針對不同巖爆發生區段提出有針對性的處治措施。

1)在勘察階段應結合地應力測試結果及巖石強度等參數，根據隧道埋深對巖爆發生區段進行劃分，同時結合施工期間微震監測、原位地應力測試及現場巖爆發生規律，對不同巖爆發生區段采取有針對性的處治措施。

2)大峽谷隧道圍巖埋深大，地應力高，圍巖主要為水平巖層，為沉積巖。在沉積巖形成過程中，存在微小裂隙，可避免發生強巖爆，但由于極高地應力，巖爆發生區段占比達20%，隨著施工的進行，巖爆可能進一步加強。

3)大峽谷隧道圍巖為水平巖層，在高地應力或極高地應力下，隧道拱頂巖層易出現剝離掉塊等現象，易導致拱頂巖層塌方，施工風險高。為此，在施工過程中設置鋼架、拱頂錨桿、超前支護錨桿或超前小導管，以保證施工進度和安全。

4)大峽谷隧道軸向與最大主應力方向大角度相交，巖爆主要導致掌子面塊體彈射，對于弱～中巖爆發生區段，噴射4～8cm厚混凝土進行掌子面封閉、反壓，巖爆處治效果顯著，減少了塊體彈射等現象，縮短了巖爆回避等待時間，加快了施工進度。