公路隧道項(xiàng)目層狀巖體的巖爆機(jī)理及防控探討

任開(kāi)富

摘要 隧道巖體結(jié)構(gòu)面的存在，對(duì)巖體力學(xué)特性產(chǎn)生了直接影響，使其結(jié)構(gòu)完整性、巖體強(qiáng)度明顯降低，并與巖爆產(chǎn)生有密切關(guān)系。某山嶺隧道圍巖有大量產(chǎn)狀近水平的結(jié)構(gòu)面，受地應(yīng)力影響巖爆多發(fā)。基于此，文章以子母巖隧道工程的巖爆案例為依托，提出了層狀巖體脆斷失穩(wěn)臨界應(yīng)力計(jì)算公式，并借助能量理論對(duì)層狀巖體巖爆產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)制加以分析，并結(jié)合誘因采取了積極的解決方案。

關(guān)鍵詞 隧道工程項(xiàng)目；層狀巖體；巖爆機(jī)理；巖爆防控措施

中圖分類號(hào) U451.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）11-0149-03

0 引言

充分認(rèn)識(shí)巖爆產(chǎn)生機(jī)理，了解巖體結(jié)構(gòu)面與巖爆內(nèi)在關(guān)聯(lián)，結(jié)合誘因采取合理控制措施，以提高隧道施工質(zhì)量及安全。巖爆力學(xué)機(jī)制復(fù)雜，一般認(rèn)為高地應(yīng)力圍巖在隧道施工過(guò)程中應(yīng)力蓄積至一定水平后，突然爆發(fā)應(yīng)力能為主要誘因。該文基于子母巖隧道拱頂巖層巖爆實(shí)例，對(duì)隧道巖爆力學(xué)機(jī)制加以分析，以能量理論為基礎(chǔ)對(duì)巖爆防控措施進(jìn)行了深入研究。

1 工程概況

子母巖隧道位于道真縣洛龍鎮(zhèn)境內(nèi)。為分離式特長(zhǎng)隧道，起點(diǎn)樁號(hào)為ZK29+240（YK29+223），終點(diǎn)樁號(hào)為ZK42+635（YK42+596）全長(zhǎng)7 390 m（7 407 m）。分為重慶段及貴州段，貴州段起點(diǎn)樁號(hào)為ZK37+287（YK37+203），終點(diǎn)樁號(hào)為ZK42+635（YK42+596）長(zhǎng)5 348 m（5 393 m）。隧道左幅進(jìn)口端平面線形位于曲線上，圓曲線半徑為R=961 m，渝黔交接處為直線，出口端平面線形位于直線上。右幅進(jìn)口端平面線形位于曲線上，圓曲線半徑為R=959 m，渝黔交接處位于直線上，出口端平面線形位于直線上。隧道左右幅均為單面坡，左幅縱坡為1.77%，右幅縱坡1.75%。左洞超過(guò)500 m上埋深段落長(zhǎng)度923 m，頂板最大埋深694.9 m。右洞超過(guò)500 m上埋深段落長(zhǎng)度897 m，頂板最大埋深701.7 m。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)鉆孔395.19～516.78深度范圍內(nèi)最大水平主應(yīng)力為14.08～17.71 MPa，最小水平主應(yīng)力為9.15～10.89 MPa，垂直主應(yīng)力范圍8.72～11.38 MPa，以水平主應(yīng)力為主。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工在200 m埋深時(shí)便發(fā)生了巖爆，如圖1所示。

2 層狀巖體巖爆機(jī)理分析

以隧址區(qū)地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，結(jié)合巖爆區(qū)域、巖體力學(xué)指標(biāo)，隧址鉆孔實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，最大主應(yīng)力為水平主應(yīng)力P1，最小主應(yīng)力為豎向應(yīng)力值P3，兩者關(guān)系如圖2所示。

隧道地應(yīng)力環(huán)境下開(kāi)挖隧道的洞壁徑向應(yīng)力值σr和剪切力τ均為0，切向應(yīng)力值σθ在巖體不同斷面水平有所差異[1]。如圖2所示A點(diǎn)為洞壁拱頂即洞壁最大切向應(yīng)力P1出現(xiàn)點(diǎn)，最大主應(yīng)力值P1與最小主應(yīng)力P3平行，拱頂和邊墻的切向應(yīng)力分別用下式表示：

水平方向地應(yīng)力水平大于豎向地應(yīng)力值，隧道開(kāi)挖過(guò)程中地應(yīng)力作用下拱頂切向應(yīng)力水平最大，導(dǎo)致拱部易出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。拱頂部位層狀巖體平均厚度為t，厚度極限值為Et，層面產(chǎn)狀接近于水平，導(dǎo)致隧道開(kāi)挖過(guò)程中拱頂巖體部分虛空，無(wú)支撐段的長(zhǎng)度為l，詳見(jiàn)圖3。為便于計(jì)算，對(duì)巖層受力情況加以簡(jiǎn)化，厚度記為t，無(wú)支撐段的巖層水平應(yīng)力為P，則由于層狀薄板厚度小，較高水平應(yīng)力值P影響下，無(wú)支撐段巖層易出現(xiàn)斷裂崩落。根據(jù)彈性力學(xué)理論推算層狀巖體失穩(wěn)狀態(tài)下的臨界應(yīng)力σcr計(jì)算公式如下：

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果顯示巖層巖爆崩落巖板長(zhǎng)度和寬度水平基本相同，結(jié)合上述公式可知：

由上述公式可知隨著巖板厚度t值和泊松比v的增大，巖板脆斷失穩(wěn)的臨界應(yīng)力σcr增大，隨著無(wú)支撐段長(zhǎng)度l值增大巖板脆斷失穩(wěn)的臨界應(yīng)力σcr減小。分析巖爆過(guò)程可知，水平應(yīng)力作用下圍巖豎向黏合力逐漸被抵消并導(dǎo)致拱頂圍巖逐步分離。

3 層狀巖體巖爆防控技術(shù)

3.1 總體施工方案

采用多種措施加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，探明掌子面前方地質(zhì)情況，根據(jù)隧址地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況，對(duì)隧道巖爆等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，借鑒該隧道及其他隧道巖爆處理經(jīng)驗(yàn)采取有效處理措施。該隧道巖爆處理措施主要包括：在爆破鉆孔作業(yè)時(shí)，加密隧道輪廓線位置炮眼，同時(shí)間隔加深炮孔，加深部分不裝炸藥，提高光面爆破質(zhì)量，保證巖壁光滑，同時(shí)提前釋放地應(yīng)力。變更加強(qiáng)隧道初期支護(hù)，保證巖爆崩落巖體不破壞初期支護(hù)，確保已施工段落下方施工人員安全。爆破后等待1～2 h，然后采用高壓水噴灑掌子面巖壁，充分釋放巖爆應(yīng)力，設(shè)置防護(hù)臺(tái)架對(duì)施工人員及機(jī)具進(jìn)行保護(hù)，保證后續(xù)施工安全。

3.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

采用TRT隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)距離地質(zhì)預(yù)報(bào)，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行短距離預(yù)報(bào)，結(jié)合掌子面超前探孔多種手段探明掌子面前方地質(zhì)情況。采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)巖爆隧道段進(jìn)巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警，結(jié)合地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論，提前預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生位置及時(shí)間。施工人員及機(jī)械設(shè)備在巖爆發(fā)生前提前撤離，避免巖爆產(chǎn)生安全事故，最大限度地降低經(jīng)濟(jì)損失[2]。

3.3 光面爆破

（1）控制掌子面周邊眼間距在30 cm以內(nèi)，采用不耦合裝藥，減小爆破能量對(duì)巖層的破壞，保證開(kāi)挖輪廓線圓順，避免開(kāi)挖面應(yīng)力集中，控制巖爆產(chǎn)生的危害程度。

（2）優(yōu)化爆破方案，縮短隧道開(kāi)挖每循環(huán)進(jìn)尺在2 m左右，減少每次炸藥總用量。采用電子數(shù)碼雷管，精確控制每炮爆破時(shí)間間隔，控制爆破時(shí)間滿足實(shí)際地質(zhì)要求，避免爆破能量集中疊加誘發(fā)巖爆。

（3）在掌子面拱頂鉆一些空炮眼，不裝炸藥，提前釋放圍巖地應(yīng)力。

3.4 加強(qiáng)初期支護(hù)

3.4.1 輕微巖爆區(qū)

隧道掌子面爆破后，等待2 h待巖爆減弱后，在安全地帶用高壓水對(duì)開(kāi)挖面洞壁進(jìn)行噴水，充分淋濕開(kāi)挖面，再進(jìn)行危石排除，然后進(jìn)行初期支護(hù)施工作業(yè)。初支作業(yè)時(shí)，設(shè)專人觀察拱頂圍巖及掌子面情況，發(fā)現(xiàn)異常情況及巖爆情況時(shí)，及時(shí)通知施工作業(yè)人員撤離至安全區(qū)域，待圍巖穩(wěn)定，不發(fā)生巖爆，確認(rèn)安全后再繼續(xù)施工[3]。

3.4.2 中等巖爆區(qū)

針對(duì)中等巖爆區(qū)，先按輕微巖爆區(qū)處理措施實(shí)施噴水后，噴射5 cm厚C20早強(qiáng)混凝土封閉掌子面，采用雙臂鑿巖臺(tái)車在掌子面按圖4鉆應(yīng)力釋放孔，孔徑?70 mm，深6 m，環(huán)向及徑向間距1 m，封閉孔口，高壓注水，加快釋放地應(yīng)力。待圍巖應(yīng)力充分釋放后再施工初期支護(hù)，根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整初期支護(hù)型鋼拱架間距、大小、超前支護(hù)小導(dǎo)管等參數(shù)加強(qiáng)初期支護(hù)。

4 巖爆防護(hù)措施

根據(jù)巖爆地段實(shí)際情況在隧道初期支護(hù)，炮眼鉆孔作業(yè)時(shí)設(shè)置臨時(shí)防護(hù)臺(tái)架（詳見(jiàn)圖5所示）。防護(hù)臺(tái)架采用開(kāi)挖臺(tái)車改裝，增加縱向滑道、頂升系統(tǒng)及拱頂弧形防護(hù)棚[4]。防護(hù)臺(tái)架對(duì)施工人員和設(shè)備進(jìn)行有效防護(hù)，防止巖爆飛石傷人和砸壞機(jī)具，以保證施工安全。

5 結(jié)論

綜上所述，薄層巖層脆性斷裂是引發(fā)公路隧道巖爆的主要誘因，基于力學(xué)機(jī)制分析，拱頂圍巖破裂形成的巖板厚度與巖爆劇烈程度關(guān)系密切，且地應(yīng)力水平保持不變的情況下，結(jié)構(gòu)面間距與巖爆強(qiáng)度之間關(guān)系密切。基于項(xiàng)目實(shí)際地質(zhì)特征，可采取光面爆破、加強(qiáng)初期支護(hù)、鉆應(yīng)力釋放孔及設(shè)置防護(hù)臺(tái)架等處理措施，有效控制巖爆發(fā)生頻率，降低其危害程度，被動(dòng)防護(hù)，保證隧道施工安全。

參考文獻(xiàn)

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