北武夷山隧道巖爆判定與施工控制

黃維鋒

?

北武夷山隧道巖爆判定與施工控制

黃維鋒

中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司

通過對京福高鐵北武夷山隧道巖層應力和結構分析，結合以往巖爆理論和控制經驗，對隧道實際開挖時巖爆發生情況，制定隧道巖爆的預防和施工措施，在開挖過程中逐步修正，保證了隧道開挖時巖爆的預防和安全控制，滿足了隧道開挖支護的安全性和有效性。

隧道 巖爆判定 措施方案 控制

1 工程概況

北武夷山隧道位于福建省武夷山市北側約29km處，進口位于江西省上饒縣，穿越福建與江西交界分水嶺——武夷山脈，出口位于福建省武夷山市，是京福高鐵的控制性工程之一。隧道進出口里程分別為：DK520+283.91、DK534+913，全長14629.09m，最大埋深1100m，開挖最大斷面為寬14.1m、高10.6m，斷面開挖面積為125.47m2，為雙向列車隧道。

2 北武夷山隧道發生巖爆的地質特征

發生巖爆的位置主要在正洞DK525+810～DK529+580段，屬極高應力區，按巖石的堅固性分級為Ⅱ級圍巖，開挖過程中發生大小不等巖爆。其地質特征：J3n流紋質晶屑凝灰熔巖及花崗巖，巖質堅硬，巖體完整，凝灰熔巖單軸飽和抗壓強度Rc=74.86MPa，γ=28kN/m3，花崗巖單軸飽和抗壓強度Rc=70.9MPa，γ=28kN/m3。

2.1 巖爆發生特征

在隧道開挖爆破后，發生巖爆沒有明顯的預兆，通過找頂作業后沒有巖裂響聲。在認為不會發生巖石掉塊時，一些部位突然巖石爆裂，石塊有時應聲而下或松動掛在洞壁上，巖爆崩石彈力較大，在沒有支護的情況下，對施工安全威脅極大。

巖爆發生地段圍巖較硬，洞內非常干燥、無水，圍巖較多為片層狀和大塊狀錘擊聲脆。巖爆時，一般石塊由母巖彈出，呈現中間厚、周邊薄、不規則的片狀。

巖爆發生的地點：一般在掌子面附近，由于開挖時，洞內溫度較高、干燥，沒來得及支護，發生巖爆，主要是松動、剝離。也有個別發生在距開挖工作面較遠處，一般發生在爆破后2～3h內；有的部位還可產生二次巖爆，一般在爆破后10～12h內。

依據巖爆發生的時間，隧道巖爆可分為瞬時巖爆和滯時巖爆。隧道爆破開挖后3～20h的時間內最為活躍，滯時巖爆可能推進到數天或數月后發生，支護的部位可能再次剝落。

2.2 巖爆剝落的位置

針對北武夷山隧道高應力巖爆發生情況進行統計（按500m試驗段），巖爆發生剝落彈射的部位大致分布如下幾個：

北武夷山隧道巖爆掉塊最多的是拱頂線左右4m圓弧范圍，圍巖以片層狀，掉塊，沒明顯癥狀（見圖1）。

在邊墻與拱頂圓弧交接線左右容易發生石塊彈射，發生時洞壁輕微石裂響聲，彈射力較大，給施工作業帶來較大安全隱患（見圖2）。

在滑層或大塊石斷層等地段容易發生巖爆，以掉塊以主，往往滑層位置有大塊石下墜或慢慢下滑（見圖3）。

圖1 拱頂巖爆

圖3 滑層巖爆掉塊

3 北武夷山隧道巖爆的分析和等級劃分

3.1 巖爆的強度分析

對武夷山深埋隧道巖爆發生時間情況分為瞬時巖爆（最大應力水平遠遠大于巖體強度）、滯后巖爆（最大應力水平接近于巖體強度），兩者都要經歷巖爆應力和板裂結構演化過程。演化圖如圖4、圖5所示。

圖4 巖爆應力演化過程圖

圖5 巖爆板裂結構演化過程圖

由于隧道開挖后，對原狀態的圍巖造成破化，應力發生變化，整個空間結構發生變化，特別是高應力區的圍巖，隧道內開挖往往發生等級不同的巖爆。根據北武夷山隧道高應力的地質情況，圍巖為Ⅱ級圍巖花崗巖，利用圍巖強度應力比Rb/óm值、隧道臨界埋深《水利水電工程地質勘察規范（50287-2006）》判定為依據，匯總列于表1。

表1 不同等級的巖爆判別表

表2 幾種巖石的泊松比值表

其中：臨界埋深Hcr根據下式計算：

Hcr=0.318 Rb(1-μ)/(3-4μ)γ

式中：Hcr為臨界埋深、Rb 為巖石飽和單軸抗壓強度、μ為巖石泊松比、γ為巖石重力密度（kN/m3）。北武夷山隧道圍巖中，Rb=70.9MPa、γ=28 kN/m3，故Hcr計算所知，在北武夷山隧道埋深遠遠超過臨界埋深300m。

3.2 確定巖爆的等級

按巖爆等級表及隧道內發生巖爆的特點對照，北武夷山隧道巖爆主要以輕微巖爆(Ⅰ級)為主，部分發生中等巖爆(Ⅱ級)，預防強烈巖爆（Ⅲ級）。

4 制定北武夷山隧道巖爆的預防和施工措施

隧道巖爆是施工過程中的控制難點，直接影響到施工的安全和工期，處理巖爆的基本原則：以防為主、防治結合，先防后治。根據影響巖爆的因素：地應力條件（重力、構造應力、工程擾動應力等），巖體強度和結構，工程斷面尺寸效應和形狀效應，開挖方式與開挖速度，支護類型與施工質量，確定防治巖爆發生的主要措施為弱化圍巖和強化圍巖。

4.1 巖爆弱化圍巖措施

采用全斷面爆破開挖，以“短進尺、弱爆破”的施工方式，切實提高光爆效果，保證洞室輪廓規則圓順，同時嚴格控制爆破的炸藥用量，盡可能減少對圍巖的影響，避免應力集中。

爆破開挖后，采用高壓水槍立即對開挖面周圍高壓沖水，降低洞室的溫度，軟化巖面，減弱巖爆的強度。同時對開挖面的找頂作業，清除危石。

對巖爆集中區或中等強度的可以采用錨桿和鉆孔壓力注水，及時用水脹式錨桿加固巖體，改善圍巖應力。也可以采用超前鉆孔，用高壓水槍向孔內注水，緩解應力集中。

采用應力釋放法，在施工中可采用松動爆破法、超前鉆孔預爆、超前小導坑掘進法、打應力釋放孔等方法，將巖石原始應力提前釋放。

4.2 巖爆強化圍巖措施

巖爆強化圍巖的措施主要是對不同等級的巖爆采用不同巖面加固措施。一般是在開挖后找頂作業完實施，主要用噴射混凝土或噴鋼纖維混凝土、打錨桿或錨桿網與鋼筋網聯合噴漿支護、加設鋼拱架（嚴重時采用）等措施對圍巖面進行封閉，使圍巖的應力改變，延緩或抑制巖爆的發生。

4.3 北武夷山隧道巖爆的防治措施

根據對巖爆的強、弱化圍巖措施，結合現場實際開挖巖爆防治試驗，制定了北武夷山隧道巖爆的防治措施：

4.3.1 輕微巖爆（Ⅰ級）、中等巖爆（Ⅱ級）防治措施

（1）采用全斷面光面爆破開挖，將深孔改為淺孔爆破，嚴格斷面炮眼的距離，控制一次性爆破炸藥量，拉大不同部位炮眼的雷管段位間隔，延長爆破時間，以減輕爆破對圍巖應力的影響。

（2）控制開挖進尺距離，一般為2～3m，盡可能一次性全斷面成形，以減少圍巖應力平衡狀態的破壞。

（3）爆破開挖后采用高壓水槍及時在作業面噴水，盡量使巖面濕潤，同時采用機械找頂，清理危石。

（4）對輕微巖爆（Ⅰ級）部位采用初噴5cm厚的CF30鋼纖維混凝土，防止洞內圍巖表面的剝離，對巖爆掉塊較大、滑層或斷層位置采用錨桿加鋼筋網噴CF30鋼纖維混凝土封閉，對存在二次巖爆的部位，二次噴射混凝土厚8cm。

（5）中等巖爆（Ⅱ級）集中段，可采用超前鉆孔應力解除法釋放部分應力，在靠掌子面5m范圍的拱頂和拱腰部位打徑向應力釋放孔。應力釋放孔為不裝錨桿?42mm空孔，孔深2m，間距2～3m，數量根據實際需求布置。對一些巖爆連續發生段，在施工后可以進行待避，等高峰期過后再進行作業（見圖6）。

圖6 巖爆處理示意圖

（6）中等巖爆（Ⅱ級）的巖面，邊拱頂采用錨噴支護法：噴厚7cm的CF30鋼纖維混凝土(或納米混凝土)+掛網?6.5@15×15cm，錨桿采用?25、L=3.5m長漲殼式預應力錨桿或水脹式錨桿，間距按1.5m×1.5m布置。后期邊拱頂范圍，二次噴混凝土C25厚8cm。

4.3.2 強烈巖爆（Ⅲ級）預防措施

對強烈巖爆（Ⅲ級）也必須制定防治措施，避免在開挖施工中出現強烈巖爆無措施可行，造成不必要的損失。

（1）開挖采用光面爆破為主，在巖爆烈度大、連續距離長的地段采用預裂爆破，局部采用應力解除，多循環作業。在打鉆的同時對巖爆多發的起拱線部位，在掌子面相鄰兩周邊眼中間沿隧道縱向打應力釋放孔，孔深4.5～5m，（間距40～50cm，外插角25°～35°），炮眼間隔裝藥（見圖7）。

圖7 應力解除法

（2）開挖進尺控制在2m以下，采用打超前鉆孔，提前釋放應力，降低圍巖面的能量。作業臺車及裝渣機械、運輸車輛頂部加裝防護鋼板，避免巖爆時危石彈射砸壞機械和砸傷作業人員。

（3）爆破作業后，及時用高壓水槍對掌子面和洞壁均勻噴水，以降低巖體的強度，也可以鉆超前注水孔，超前注水孔布置在邊墻及拱部開挖斷面輪廓線外10～15cm范圍內，并向孔內灌注高壓水，軟化圍巖，加快圍巖內的應力釋放。

（4）采用邊拱頂網錨噴支護法，噴厚7cm的CF30鋼纖維混凝土(或納米混凝土) +掛網?8@15×15cm，錨桿采用?32、L=4.5m長漲殼式預應力錨桿或水脹式錨桿，間距按1.0m×1.0m布置。視巖爆強度隨機增設鋼筋拱肋。后期邊拱頂范圍，二次噴混凝土C25厚8cm。

5 北武夷山隧道巖爆防治措施現場實施情況

根據隧道開挖方法及發生巖爆的可能性分析，本隧道圍巖為Ⅱ級，采用全斷面光面爆破，全斷面共布置了31把風鉆，斷面爆破設計256個炮眼，炮眼間距在40～50cm之間，平均每平方米2.04個炮眼。每循環開挖進尺為3.0m左右，爆破方量約375m3，裝藥量為473.5kg，平均單耗藥量1.26kg/m3（見圖8）。

圖8 炮眼布置圖

對開挖臺車、噴漿臺車及作業車輛頂部加裝防護鋼板，在發生巖爆時避免危石彈射或掉落的破壞。

每一個作業循環必須做到：爆破后立即向工作面及工作面后方20m范圍內的巖面，用高壓水槍噴水以降低巖石的脆性，減弱巖爆的強度，灑水工作不間斷，保持洞室內的濕度。

認真做好開挖的圍巖觀察，加強現場巖爆監測、警戒。爆破1h后等圍巖穩定，再進行掌子面的找頂作業，必須用機械臂來回找頂，保證危石清理徹底，才能進行下一工序作業。找頂時，圍巖內部如有悶響，必須停止作業及時撤離到安全地點內，查明情況后再決定是否繼續進作業。

對掌子面周圍進行噴鋼纖維混凝土作業，厚5cm進行巖面封閉，對巖爆后拱頂彈射的坑槽、滑層、斷層的交界巖面打錨桿+鋼筋網固定，噴射鋼纖維混凝土封閉。

現場如發生中等巖爆，邊拱頂采用錨噴支護法：噴厚7cm的CF30鋼纖維混凝土+掛網?6.5@15×15cm，錨桿采用?25、L=3.5m長漲殼式預應力錨桿，間距按1.5m×1.5m布置。后期邊拱頂范圍，二次噴混凝土C25厚8cm。

作業工藝流程圖如圖9所示。

圖9 作業工藝流程圖

6 結語

依據對北武夷山隧道巖爆的分析和等級判定，結合相關規范要求，確定了巖爆的防治方案，在發生輕微巖爆（Ⅰ級）和中等巖爆（Ⅱ級）時，采用強化圍巖和弱化圍巖的措施，能夠有效維持圍巖的完整性和穩定性，防止或延緩巖爆的發生，保證了隧道施工的安全和質量要求，對隧道爆破巖爆防治類似工程有一定借鑒意義。

[1] 劉漢東. 巖體力學參數優選理論及應用[M].鄭州：黃河水利出版社, 2004.

[2] 徐則民, 黃潤秋, 范柱國, 等. 長大隧道巖爆災害研究進展[J]. 自然災害學報，2004(2):16-24.

[3] 朱永全, 宋玉香. 隧道工程[M]. 北京：中國鐵道出版社，2005.

[4] 宋秀清, 劉杰. 隧道施工[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[5] 高速鐵路隧道工程施工技術指南, 鐵建設［2010］241號.