隧道工程巖爆預測及防治對策

凌 佳 王岳岳

(1.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133;2.貴州煤設地質災害治理工程有限責任公司，貴州 貴陽 550025)

0 引言

巖爆是地質災害現象的一種，其發生原因及過程非常復雜，切對隧道工程等有著嚴重影響。多年來，國際學者對其進行了長期不懈的研究，從多種角度對巖爆的發生進行了預測方法的探索。到目前，預測方法總結起來可以分為巖石力學判據法、現場探測法和現代數學理論預測法等。在隧道的設計和施工中，對掌子面前方圍巖巖爆的發生預測對安全施工，施工方案優化，保證工程質量等都有著重要意義。本文將對巖石力學判據法中的兩種，地質分析預測法和應力強度比法進行闡述，并對巖爆的防治提出對策。

1 巖爆的產生和特點

1.1 巖爆的產生

巖爆是隧道圍巖的一種劇烈脆性破壞，它的發生伴有大量潛能的釋放。在產生原因方面上，巖爆發生的最根本原因亦內因是高儲能體的存在，并且其應力接近于巖體的強度。而其次原因亦外因是某些因素的觸發效應使巖爆產生。較大的潛能通常以彈性應變能的形式儲聚于圍巖內的高應力集中區內。

綜合來看，巖爆產生的條件大多地概括為三個：第一是具備高地應力環境;第二是存在高應變能的儲存環境，例如強度大且整體性好的巖體;第三是滿足了應變能的釋放要求，例如爆破開工等帶來的能量的釋放機會。

1.2 巖爆的特點

隧洞內巖爆的特點如下：

巖爆發生前沒有典型征兆，即使經過認真查找，并沒有空響聲音，一般情況下石塊即使未掉下的位置，也可能突然出現巖石碎裂的聲音，石塊有時伴聲而下，有時暫不下落。

②容易發生巖爆的部位中，多數在剛開始挖的施工處周圍，拱部和拱腰部位更容易，距剛開始挖施工處較遠的地段發生的情況極少。

③巖爆發生時圍巖出現小者幾厘米厚，大者幾十噸重的破壞。石塊由母巖彈出，小者的脫落面大多和巖壁平行，脫落的石塊常呈現出中間厚于邊緣的不規則片形狀。

④表面巖爆時，大多數情況新鮮堅硬的巖體會先發出聲響，同時出現片狀剝落的裂隙，裂隙貫通后出現剝落或者彈出;深部沖擊型巖爆在低強度的巖體中，并且通常發生在離掌子面向里側若干距離處。

2 巖石力學判據預測方法

2.1 地質分析法

高地應力條件能夠利用地質現象分析、地應力實測和量化判據相的辦法組合使用作出評價。在已經展開了地應力的實際測量的情況下，可用如下兩種定量判據對高地應力進行判別。

(1)根據地應力的實際正值作為判別依據，若主應力的峰值達到20-30MPa，則認為該巖體正符合高地應力情況。

(2)已知巖石單軸抗壓強度Rb和主應力峰值σ1情況下，劃分地應力的等級時，根據巖石強度應力比Rb/σ1進行劃分，比值Rb/σ1在4～7時，認為其符合高地應力情況;Rb/σ1＜4時，則已經達到極高應力情形。

圍巖的等級、巖體的完整程度和強度、水的存在影響等是圍巖應變能存儲的重要研究的對象。根據經驗可以知道高應變能幾乎全部在高強度、高彈性模量的完整度高的巖體內儲存，亦在I-II類巖體內，如果巖體強度低、易活動或者地下水活躍，這些地段基本不存在高應變能。

完成以上分析后，就能利用下面的公式進行計算，從而進行定量預測巖爆的發生了。結合工程地質類比和Hcr后，計算公式為：

式中：Hcr為最小埋深(巖爆臨界深度);Rb為單軸抗壓強度;μ為巖石泊松比;γ為單位體積巖石的重量。

2.2 應力強度比法

該方法具有使用簡易、實用性強、意義表達清晰的特點，它是當今國際界關于隧道工程巖爆預測方面普遍應用的方法。方法的具體原理是采用最大隧道內壁切向應力σθmax和圍巖單軸飽和抗壓強度Rb的比值(σθmax/Rb)進行預測。近些年，在我國西部多個深埋特長隧道的建設中，通過不斷地對巖爆現象、烈度和預測的進行總結探討，最終獲得了該方法下的預測的判據，見下表。

數值模擬計算法、現場應力解除、彈性力學解析法和應力恢復測試法是洞壁最大切向應力σθmax的獲得4種主要方法。Rb可以通過室內試驗得到，通過現場點荷載強度測試的換算也可以求得。

3 隧道巖爆防治對策

為了避免和減少隧道巖爆的發生，根據經驗首先確定以“利用自然因素和調整人工因素”的主要思想方針展開防治策略的提出，防治對策包括針對從設計、施工、支護加固處理措施到質量管理。

3.1 隧道設計的巖爆防治對策

(1)若隧址的選擇有利，可以直接避開有巖爆威脅的主應力區，所以應盡量選擇此類地址，不能避開這類地址時，考慮到隧道軸線的影響，為了達到巖爆的防治，可從有利的隧道軸線設計出發，同樣的道理，斷面設計考慮也應該考慮在內。

(2)隧道內結構的受力情況影響著巖爆，隧道軸線的方向選擇應與主應力峰值的方向構成平行，從而改善受力情況，使隧道結構合理受力，避免或減少產生圍巖拉應力，且隧道周圍壓應力的分布使切向壓應力達到最小值，不出現應力集中過大的現象。

3.2 施工階段巖爆防治對策

(1)利用分步施工，多處開挖的方法有利于抑制巖爆和降低其程度。

(2)優化爆破設計，盡量減少誘發巖爆的因素。

(3)為減小施工對圍巖的振動，盡量使用TBM技術，以減少巖爆觸發因素;如不能使用TBM，宜采用光面爆破，得到圓順開挖面，避免了局部的應力集中。

(4)在巖爆強烈發生地帶可采取應力釋放措施。

(5)為減少巖體暴露時間和暴露面積，施工時應適當前挖、循環作業、及時支護，這樣可有效防止或減少巖爆發生。

(6)施工中應注意巖爆征狀，一旦發現則進行噴錨網噴支護，做到加強初期支護。

(7)為了增加作業安全，掌子面和附近巖爆地帶要加裝鐵絲幕。

(8)通過結合超前地質預報技術加強監測控量測。

3.3 強化質量管理對策

(1)最佳的質量管理是攻克技術的難關，所以聘請專家，成立科研組等，可以幫助合理調整施工工藝，保證工程質量。

(2)超前地質預報在質量管理中的地位頗為重要，所以要堅持將其作為一道必要工序，清楚細致地預報隧道前方地層巖石產狀、地下水含量以及地應力等情況，以制定合理的施工方案。

(3)初期支護要第一時間進行，同樣要強化系統錨桿的質量，完成快速封閉、加強支護的施工目標。

(4)減弱炎爆措施要做到方案化標準化并嚴格按照其執行。

(5)施工方案的更改要符合施工紀律要求，保證符合技術交底的要求。

(6)強化施工人員的技術掌握，施行定期培訓的制度，使之對工藝要求和質量標準掌握準確。

4 結束語

隧道巖爆直接威脅著施工人員和設備的安全，更嚴重時同樣會導致地震的發生，造成巨大的人員傷亡和經濟損壞。在多種巖爆預測方法中，地質分析法和應力強度比法是較為基本的方法，也是所有采用地球物理探測方法進行隧道施工地質預報的基礎，直觀可靠、應用廣泛等特點提高了地質預測準確程度。根據隧道巖爆的特點，從隧道設計、施工、支護加固處理措施到質量管理都應做到防范有道，防治對策到位就可以有效避免和減少隧道巖爆的發生。

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