超深埋隧道高地應(yīng)力巖爆地段施工技術(shù)

摘要：總結(jié)泥巴山特長(zhǎng)公路隧道巖爆段施工經(jīng)驗(yàn)，介紹了在隧道高地應(yīng)力地段的巖爆處治施工技術(shù)，通過(guò)對(duì)巖爆發(fā)生和發(fā)展規(guī)律的分析，對(duì)巖爆烈度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并從“防”巖爆及“治”巖爆的角度，確定合理的“防”、“治”措施。將巖爆對(duì)施工生產(chǎn)所帶來(lái)的損害降至最低，解決了深埋特長(zhǎng)公路隧道高地應(yīng)力巖爆應(yīng)對(duì)難題，擴(kuò)展、豐富了隧道施工領(lǐng)域，為今后類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：深埋高地應(yīng)力 隧道 巖爆 施工技術(shù)

1 概述

國(guó)際社會(huì)對(duì)巖爆的研究由來(lái)已久，各國(guó)在巖爆的類型、產(chǎn)生原因、烈度等級(jí)、巖爆的工程問(wèn)題的預(yù)測(cè)及治理等方面的研究屢創(chuàng)新高。復(fù)雜多變的巖體性質(zhì)和工程地質(zhì)條件，為巖爆研究帶來(lái)了諸多不變，對(duì)巖爆的預(yù)測(cè)預(yù)防方法還很不完善。巖爆問(wèn)題是一種具有實(shí)際工程背景的巖石力學(xué)問(wèn)題，因此可以說(shuō)，巖爆工程的研究是巖爆研究的另一個(gè)主要方面。在工程建設(shè)中，工程研究方法主要集中在巖爆類型及烈度等級(jí)研究、巖爆的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)研究和巖爆防治的工程措施等幾個(gè)方面。

2 工程概況

新建雅瀘高速公路為國(guó)高網(wǎng)北京至昆明高速公路（G5）在四川省境內(nèi)的重要路段，雅瀘路全線控制性泥巴山特長(zhǎng)隧道位于四川省漢源縣境內(nèi)，為雙線分離式隧道，設(shè)計(jì)車速80km/h。隧道左線全長(zhǎng)9962m，右線全長(zhǎng)10007m，單口掘進(jìn)5130m，為目前國(guó)內(nèi)單口掘進(jìn)長(zhǎng)度最長(zhǎng)的隧道，隧道最大埋深1648m，為國(guó)內(nèi)之最。

隧道地質(zhì)情況極其復(fù)雜多變，隧道深埋段極易產(chǎn)生高（極高）地應(yīng)力，繼而引發(fā)巖爆地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)施工人員及生產(chǎn)帶來(lái)極大的安全隱患。文章中介紹的巖爆段施工技術(shù)，有效加快了施工進(jìn)度，減少了資源浪費(fèi)，降低了安全隱患。

3 施工技術(shù)

3.1 技術(shù)原理。現(xiàn)階段，大部分施工單位主要通過(guò)弱化圍巖或改善圍巖應(yīng)力條件來(lái)防治巖爆。本文將借助醫(yī)學(xué)理論具體探析“防、治”巖爆的方法。

“防”巖爆的方法主要有：采用短臺(tái)階、超前小導(dǎo)洞開挖法；施工爆破中優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)；隧道掌子面和洞壁噴水或鉆孔注水；提前釋放高地應(yīng)力；噴射鋼纖維混凝土等施工方法。

“治”巖爆的方法主要有：采用新型退火鋼絲網(wǎng)；邊墻應(yīng)力釋放；局部打設(shè)脹殼式錨桿等施工方法。

3.2 技術(shù)方案。施工中通過(guò)對(duì)高地應(yīng)力環(huán)境下圍巖的地應(yīng)力及巖體強(qiáng)度檢測(cè)，對(duì)不同埋深條件下地應(yīng)力分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)巖爆烈度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

實(shí)際操作中采用脹殼式錨桿支護(hù)，使錨桿與不規(guī)則鉆孔面密貼，可以徹底鎖定圍巖。在噴射混凝土中外摻超細(xì)沸石粉，使混凝土在快速終凝，起到早強(qiáng)支護(hù)效果。同時(shí)將巖爆地段劃分為四個(gè)時(shí)間區(qū)段，針對(duì)不同時(shí)間區(qū)段采取有效防治措施。具體如下：

施工中對(duì)巖爆認(rèn)真研究，分析其發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律，確定合理的“防”、“治”措施。

3.2.1 施工中所采取“防”巖爆的方法

①對(duì)巖爆的“防”：目前，大部分施工單位均通過(guò)臺(tái)階法或超前導(dǎo)洞法來(lái)防止巖爆現(xiàn)象產(chǎn)生。按彈性理論計(jì)算，因開挖引起的高應(yīng)力不會(huì)過(guò)度擾動(dòng)圍巖。圍巖中應(yīng)力最集中的區(qū)域是r/ro≈1.5，其中ro代表隧道。分步開挖時(shí)，如果嚴(yán)格控制開挖半徑ro，就能有效縮減影響區(qū)域，進(jìn)而圍巖中釋放彈性能的區(qū)域也會(huì)隨之縮減，這對(duì)防止巖爆或控制巖爆程度非常有利。分部開挖和超前導(dǎo)洞法能夠有效防止嚴(yán)重程度較低的巖爆問(wèn)題發(fā)生，而且大量工程實(shí)踐證明，該方法對(duì)輕微巖爆具有良好的防治作用。

②光面爆破技術(shù)中的“防”：按工程要求設(shè)計(jì)爆破方案，縮短孔間距，將炮眼間距控制在50cm以內(nèi)，使用Φ20小藥卷不偶合裝藥，起爆雷管數(shù)量可適當(dāng)增多，但要嚴(yán)格控制同段起爆藥量，提高光爆效果，實(shí)施爆破的過(guò)程中，不宜過(guò)度擾動(dòng)圍巖。組織參見人員參與事前培訓(xùn)活動(dòng)，并進(jìn)行安全技術(shù)交底，確保隧道開挖四周圓順，避免應(yīng)力高度集中。施工中要注意一點(diǎn)，我國(guó)現(xiàn)階段的生產(chǎn)力水平低，人工費(fèi)低廉，大部分隧道鉆眼和爆破均通過(guò)人力完成，其職業(yè)素質(zhì)將直接影響光面爆破效果，由此加強(qiáng)隧道施工工人的作業(yè)素質(zhì)是十分必要的。

③在隧道掌子面及洞壁鉆孔注水或直接噴水：掌子面、頂拱、邊墻開挖成型后盡快對(duì)其噴水養(yǎng)護(hù)，既能除掉構(gòu)件表面的灰塵，也可以降低構(gòu)件的脆性，提高構(gòu)件抵御應(yīng)力變形的能力，防止巖爆。大量節(jié)理的非連續(xù)介質(zhì)共同作用才能形成整塊巖體，節(jié)理面是結(jié)構(gòu)弱面，順著這些節(jié)理鉆孔高壓注水便能滲進(jìn)巖體內(nèi)部，使巖體內(nèi)部的彈性應(yīng)力釋放出來(lái)，同時(shí)使洞壁圍巖最大切向應(yīng)力逐步移向巖體深處。劈裂注水可產(chǎn)生新的張裂隙并促使原有裂隙持續(xù)向巖體內(nèi)部延伸，從而對(duì)巖體中儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能的總量進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

④超前應(yīng)力解除爆破：通過(guò)采取應(yīng)力釋放來(lái)應(yīng)對(duì)烈度較大巖爆問(wèn)題。應(yīng)力釋放就是在工程建設(shè)過(guò)程中，在解除應(yīng)力的同時(shí)持續(xù)掘進(jìn)，施工前提前釋放巖體中存在的應(yīng)力能，從而避免施工中巖體內(nèi)部產(chǎn)生較高的應(yīng)力，以期在開挖后對(duì)圍巖應(yīng)力進(jìn)行嚴(yán)格的控制。工藝流程是：從掌子面開始向前沿拱部四周打設(shè)超前斜孔，實(shí)施孔底爆破，使巖體形成人工破碎帶，洞壁要保持厚度一定的完整巖層作為安全距離。在一些巖爆烈度較大施工段，可鉆孔注水或直接噴水以加速圍巖軟化，由此控制圍巖應(yīng)力，對(duì)巖爆的危險(xiǎn)程度實(shí)施控制。

⑤噴射混凝土或噴射纖維混凝土：該操作主要是對(duì)圍巖實(shí)施徑向約束，使洞室四周的圍巖狀態(tài)由平面應(yīng)力加速轉(zhuǎn)為三維應(yīng)力狀態(tài)，從而有效防止巖爆問(wèn)題出現(xiàn)。

⑥待避：之前采取一系列防止巖爆發(fā)生的施工措施未起到良好的預(yù)防作用，一旦有巖爆現(xiàn)象產(chǎn)生，施工人員必須立即執(zhí)行停機(jī)、待避等安全操作，嚴(yán)密監(jiān)控工作面，同時(shí)全面記錄巖爆頻次等相關(guān)情況，認(rèn)真排查對(duì)邊墻、拱頂和掌子面的質(zhì)量問(wèn)題，并適當(dāng)加固。

⑦工作面內(nèi)所有參建人員的安全防護(hù)措施：危險(xiǎn)期所有參建人員一律穿戴防砸鞋、防砸背心和安全帽，以免被小石塊擊傷，施工部門要指派現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)員全程監(jiān)督施工過(guò)程，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況組織人員撤離工作面。

3.2.2 施工中所采取“治”巖爆的方法。

①新型退火鋼絲網(wǎng)：在一定條件下，新型退火鋼絲網(wǎng)可以代替“防”的辦法，進(jìn)而達(dá)到預(yù)期的效果，通過(guò)懸掛新型退火鋼絲網(wǎng)結(jié)合噴射超細(xì)沸石粉混凝土的方式對(duì)巖爆影響的深度較深的情況進(jìn)行處理。

②邊墻應(yīng)力釋放孔：通過(guò)采用在邊墻打設(shè)應(yīng)力釋放孔的方法，解決其他巖爆防治手段不能滿足巖爆防治的要求，邊墻打設(shè)應(yīng)力釋放孔的方法能夠有效的治理巖爆，在理論和實(shí)踐中都得到驗(yàn)證。

③局部打設(shè)脹殼式錨桿：對(duì)于危石部位存在的巖爆

段，為了防止巖爆產(chǎn)生振動(dòng)進(jìn)而造成危石的掉落，加固方式通過(guò)采用脹殼式錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行膨脹鎖定，使巖爆產(chǎn)生的附屬影響降到最低。

4 施工注意事項(xiàng)

4.1 認(rèn)真觀測(cè)并詳盡記錄每次的巖爆情況，事后進(jìn)行匯總分析，以準(zhǔn)確把握巖爆規(guī)律，為其它施工段防治巖爆問(wèn)題提供參考依據(jù)。

4.2 基于巖爆產(chǎn)生的規(guī)律，實(shí)施爆破后必須在巖爆現(xiàn)象相對(duì)穩(wěn)定后再繼續(xù)施工。若施工時(shí)突發(fā)巖爆問(wèn)題，及時(shí)撤離作業(yè)人員至安全地段待避，巖爆穩(wěn)定后，方可進(jìn)行作業(yè)。

4.3 為保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)施工人員和機(jī)械設(shè)備，提高隧道作業(yè)的安全系數(shù)，施工中可將鐵絲帷幕掛設(shè)在掌子面及其周圍的巖爆地段。

4.4 基于安全因素的考慮，現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)具設(shè)備必須安裝防護(hù)頂棚。

4.5 如果在隧洞內(nèi)開展施工活動(dòng)，必須指派專人值班警戒，對(duì)人員密集地段或易爆地段實(shí)施重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并在巖爆危險(xiǎn)地段設(shè)立警告牌。

4.6 為準(zhǔn)確判斷巖爆發(fā)生的可能性及其危險(xiǎn)程度，放炮時(shí)工程人員可在掌子面對(duì)巖爆發(fā)生前的聲響實(shí)施監(jiān)聽。

4.7 宜在巖爆危害程度小的地段布設(shè)人行道和管線設(shè)備。

4.8 施工前，對(duì)所有參建人員進(jìn)行安全技術(shù)交底，明確安全操作規(guī)程和安全注意事項(xiàng)，確保人員安全。

5 結(jié)論及體會(huì)

本文結(jié)合對(duì)泥巴山特長(zhǎng)公路隧道高地應(yīng)力巖爆段的施工處治，證實(shí)了本施工技術(shù)的可行性，對(duì)隧道巖爆易發(fā)生段，能有效地避免工序返工的發(fā)生，降低安全隱患，提高隧道施工進(jìn)度，降低施工成本，實(shí)現(xiàn)了安全、快速施工。對(duì)今后類似工程的處治施工提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]王桂堯，孫宗頎，卿篤干.隧洞巖爆機(jī)理與巖爆預(yù)測(cè)的斷裂力學(xué)分析[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，1999（04）.

[2]張春宇，張鐵柱.綏芬河市新華街隧道圍巖穩(wěn)定分析[J].價(jià)值工程，2012（05）.

[3]程黎明.淺談深部掘進(jìn)巷道巖爆防治技術(shù)[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2012（06）.

[4]王利，廖明成，楊建輝，芮大虎.高謙隧洞巖爆應(yīng)變能釋放機(jī)理研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2012（01）.

[5]劉曉昕.錦屏二級(jí)水電站引水隧洞巖爆分析及防治措施[J].黑龍江科技信息，2008（13）.