大峽谷高速公路隧道內巖爆的特點及施工對策

賈益柱

(四川公路橋梁建設集團有限公司機械化施工分公司，四川 成都 610200)

1 工程概況

大峽谷隧道位于峨眉至漢源高速公路，大峽谷隧道出口位于烏斯河對面涼山彝族自治州甘洛縣烏史大橋鄉爾苦灘村邊坡上，左線長度為6 169 m、右線長度為6 170 m，最大埋深分別為1 944 m和1 932 m。洞門形式為端墻式，隧道共設車行橫通道6個，人行橫通道7個。隧道設置一座斜井，斜井樁號為BSK0+000～BSK2+046，長度為2 046 m。隧道近似與區域F15爾古灘斷層走向平行，位于F15爾古灘斷層的下盤，為沖斷層；進口段穿越F12斷層，出口漢源端通風井穿越F15斷層；出口外分布有F14斷層。隧道存在斷層破碎帶、巖溶、巖爆、放射性、高地溫、大變形。隧道基本情況如表1所示。

表1 大峽谷隧道出口端基本概況

2 巖爆的成因和特點

國內隧道工程施工實例和經驗標準，在隧道施工判斷巖爆的主要指標有5個，包括巖石強度不低于80 MPa；初始地應力不低于12～16 MPa；隧道圍巖級別為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級；隧道埋設超過50 m；隧道巖石干燥無水，并且呈現出脆弱性和節理基本不發育。一般情況下，產生巖爆的隧道都要同時滿足以上5個基本條件，為更好地保證施工的安全性，只要滿足其中任意3個指標就可以判斷存在巖爆。按照上述指標，再結合大峽谷隧道的實際情況，在背斜核部的灰巖、白云質灰巖等質地比較堅硬的巖體中，因為巖體局部構造發生變化而引起的小范圍應力增高，也有發生輕微巖爆的可能。

根據以上指標，同時結合大峽谷隧道的具體情況，在背斜核部的灰巖、白云質灰巖類較硬巖中，因局部構造發生變化而引起的小范圍應力增高，可能會產生輕微的巖爆。

在大峽谷高速公路隧道中常見的巖爆可劃分為破裂松脫型巖爆、爆裂彈射型巖爆、爆炸拋石型巖爆3大類。這幾種巖爆類型，主要體現巖爆發生的程度上，但所具有的特點的相同，主要具有以下特點。

1)巖爆在未發生之前，并沒有明顯的征兆，普遍認為不會掉塊的地方，也會出現巖石爆裂聲音。石塊有時會應聲而落，有時暫時不會掉落。在沒有良好支撐的條件下，會對隧道施工中的人員、設備造成嚴重威脅。巖爆落石和常見的松動落石現象有很大區別。

2)巖爆在發生時，石塊通常由母巖彈出，多為中間厚、邊緣薄，且不規則的片狀。

3)發生巖爆的地點多位于新開挖的工作面或者新開挖工作面的附近。

4)巖爆發生試件，多在爆破之后的2～3 h。

5)含水量大、溶孔多的巖體，通常情況下不會發生巖爆。

3 不同巖爆類型的施工對策

3.1 破裂松脫型巖爆施工對策

對破裂松脫型巖爆而言，在具體施工中，為降低巖爆對施工造成的不良影響，可采取以下施工對策。

1)嚴格堅持“中等進尺”的開挖原則。在隧道施工中開挖進尺深度要控制在3 m以下，尤其是在全斷面隧道開挖中，在滿足施工進度的要求下，盡量采取臺階法開挖施工技術。

2)光面爆破。如果施工工期短，必須使用爆破施工技術，則要采取爆破振動比較小的光面爆破技術，并選擇和巖爆區域硬巖相互匹配的高猛度、高威力水膠炸藥。爆破參數需要按照施工爆破效果的要求，采取動態爆破設計，以便不斷優化爆破參數，各級圍巖光面爆破施工參數如表2所示。

表2 光面爆破參數表

在光面爆破施工中周邊眼要采取小直徑藥卷不耦合間隔裝藥，通過導爆索來傳爆，其他炮眼可采取一般藥卷集中裝藥。但每個裝藥炮眼都需要用炮泥堵塞嚴厲，堵塞長度不小于25 cm。同時還要加大對光面爆破施工技術的管理力度，以保證爆破之后輪廓線圓順光滑，避免表面凹凸不平引起應力集中問題。

3)噴水軟化圍巖。基于巖爆的特點，通過噴水軟化能夠調整巖層原始應力的釋放，同時降低因為爆破引起的粉塵含量。

4)濕噴混凝土。針對已經開挖形成洞室，需要采取濕噴混凝土工藝，在巖爆圍巖之上噴射一層厚度在5 cm左右的混凝土，以便及時封閉圍巖和前方的掌子面，以降低巖爆對隧道施工造成的不良影響[1]。

5)搭設錨桿。每次鉆爆、排煙之后及時清除危石，針對挖掘機無法達到的位置，不能及時清理掉，但又存在危險性的落石或者其他不穩定的巖體，可采取臨時錨桿進行加固處理，最好采取水脹式錨桿進行加固以提升隧道施工的安全性。

3.2 爆裂彈射型巖爆施工對策

爆裂彈射型巖爆屬于中等強度的巖爆，在此種巖爆地段施工中，可采取以下施工對策來保證施工的安全性。

1)注重超前地應力解除爆破。主要是通過調整和優化爆孔的布設情況、裝藥量、主要結構、起爆網絡等達到解除巖爆地應力的目的。就案例工程而言，為降低爆裂彈射型巖爆造成的不良影響，炮孔在掌子面上均勻布置，控制炮孔之間的間距在2 m左右，炮孔的深度為單循環進尺深度的3倍左右，炮孔鉆孔傾斜度控制在5°～10°。應力解除炮孔要盡量布置在巖石完整的區域，避開破碎帶和節理發育帶，裝藥的長度要控制在1.5～2.0 m，以達到巖體致裂，但不破碎的爆破效果。本工程在應力解除中采取了微差爆破技術，爆破時間間隔控制在150 ms以上，為提升爆破效果，在施工條件和施工進度允許的情況下可進行單孔單獨爆破，具體的炮孔布置示意圖見圖1。

圖1 微差爆破炮孔布置示意圖

當完成巖爆地應力解除爆破之后，巖爆地段中的主要應力會從破裂圍巖周邊開始，分解為徑向用力和切向應力。此外，巖爆地區中的原始的應力集中區也會因為爆破振動而得到調整，圍巖的整體應力也會隨之得到改善，從而降低巖爆對隧道施工造成的不良影響。

2)控制好進尺的深度。在爆裂彈射型巖爆地段施工中，必須嚴格控制好隧道開挖進尺的深度。就案例工程而言，為保證施工的安全性，將開挖進尺深度控制在2 m以內，如果采取了全斷面開挖方法，則需要采取臺階法開挖[2]。

3)高壓噴水。爆裂彈射型巖爆屬于中度危險巖爆類型，噴水后可降低巖爆事故發生的概率。因此，當隧道開挖爆破完成后必須及時進行高壓噴水處理，控制噴射距離在10 m以上。但本工程在具體施工中，隧道截面積比較大，為提升高壓噴水的全面性，在隧道邊墻的一定高度范圍內，布設2個噴嘴，噴嘴布設高度要以爆破石渣堆積高度1 m以上為最佳，噴嘴和后方高壓水管相互連接。爆破施工完成后要及時開展水龍頭，及時向掌子面上噴水、灑水，噴水的角度需要以盡量潤濕巖面為宜。為降低水對出渣造成的不良影響，噴水10～30 min之后，及時改為霧狀噴水。

4)打設注漿小導管。為降低巖爆對隧道施工造成的不良影響，還需要在隧道邊墻之上打設注漿小導管，此種方法，既有助于巖爆地段應力的釋放，也可以加固圍巖，以提升圍巖的穩定性，為隧道工程施工營造一個安全穩定的環境。嚴格按照設計規范的要求布設錨桿，本工程圍巖的硬度比較大，手持風鉆鉆孔難度大，為保證鉆孔深度和質量，采取了錨桿臺車鉆孔的方法成孔，錨桿臺車無法達到的位置用鑿巖機鉆孔，鉆孔完成之后及時用高壓水進行清孔，清孔后將安裝好錨頭的中空注漿錨桿插入孔底，安裝上止漿塞、墊板、螺母等設備后，連接上注漿管，通過注漿泵向孔內注漿[3]。漿液要采取純水泥漿液，逐漸壓力要控制在0.3～1.0 MPa，按照從下到上的順序逐根注漿，注漿全部完成后，用止漿塞嚴密塞堵鉆孔后，及時通過速凝水泥封孔，具體的施工示意圖見圖2。

圖2 注漿導管施工示意圖

3.3 爆炸拋石型巖爆施工對策

爆炸拋石型巖爆屬于危害比較大的巖爆，會對隧道施工造成嚴重的影響，為降低爆炸拋石型巖爆造成的不良影響，可從以下幾個方面同時入手。

1)在隧道圍巖之上打設膨脹錨桿，在隧道掌子及掘進方向搭設超前錨桿進行加固處理，為提升加固效果，所選錨桿的長度不能低于爆破進尺深度的2倍。在一個循環爆破施工完成后，依然需要有一部分錨桿存留在巖體中以便更好地加固掌子面。此外，膨脹錨桿自身也具有良好的膨脹效果，會對掌子面產生良好的約束效果，能夠更好地加固隧道圍巖，又能防止來自掌子面上劇烈巖塊的彈射。本工程在掌子面開挖施工中選擇用24根長度為4 m錨桿安設在掌子面上，每循環鉆爆進尺深度為1.5 m，當錨桿被爆破截斷之后，依然有2/3的桿體存留在巖體中有效保證了掌子面的穩定性，而且下一循環的鉆眼作業也不會受到爆破的影響，具體的施工示意圖如圖3所示。

圖3 膨脹錨桿施工示意圖

2)超前地應力解除爆破。其施工方法和爆裂彈射型巖爆超前地應力解除爆破相同，主要區別在于爆破孔布置不同。在爆炸拋石型巖爆解除地應力爆破施工中，拱頂距離邊界線約1.2 m的范圍內需要加設外插角為5°的炮孔，此種施工方法能夠更加顯著地改善圍巖整體地應力分布情況，降低整體應力，更好地保證施工質量[4]。

3)短進尺。在爆炸拋石型巖爆地段施工中開挖進尺深度要控制在2 m以下，在發生巖爆概率比較大的地段，需要采取導坑法開挖施工技術，以降低對開挖施工對圍堰造成的擾動。

4)濕噴混凝土。在爆炸拋石型巖爆地段濕噴混凝土時，混凝土噴射厚度需要控制在15～20 cm，在配制混凝土時需要加入適量的緩凝劑和沸石粉，以提升混凝土的強度，控制混凝土裂縫。

4 保障大峽谷高速公路隧道內巖爆施工安全的措施

巖爆對隧道施工的安全性會造成嚴重影響，因此，在存在巖爆地段的隧道工程施工中，必須采取一系列行之有效的安全措施來保證施工的安全性。在案例工程施工中采取如下措施，可有效保證施工的安全性。

1)針對巖爆發生的難以預測性，在施工中需要遵循“預防為主，防治結合”的原則，在施工前提前做好巖爆預測預報工作，針對開挖面可能發生的巖爆，及時采取施工對策。巖爆發生后，要詳細研究巖爆的規律，并制定有效的對策[5]。

2)大峽谷高速公路隧道內巖爆地段施工中，要控制好循環開挖的進尺深度，每循環進尺深度控制在1～2 m。采取爆破效果好，爆破振動可控的光面爆破技術，以降低對圍巖造成的擾動和影響。

3)如果在隧道施工中已經出現了巖爆，需要立即停機待避，并用摩擦型錨桿進行支護，并噴射厚度在50～80 mm的鋼纖維混凝土。及時采取有效的技術措施，釋放圍巖內部應力。

5 結語

本文結合工程實例，分析了大峽谷高速公路隧道內巖爆的特點及施工對策。分析結果表明，巖爆是隧道工程施工中比較常見的不良地質，對隧道施工造成的影響比較大，巖爆類型不同，造成的影響和危害也不相同，需要采取有針對性的對策和措施來處理巖爆，并加強預防和圍巖加固，最大限度降低巖爆對隧道施工造成的不良影響，為隧道施工營造一個安全的施工環境，保障施工任務的順利完成。