隧道工程中巖爆的防治與應(yīng)對(duì)

周永林

(京福閩贛鐵路客運(yùn)專線有限公司)

在巖石地下工程中，比較常見的一類地質(zhì)災(zāi)害就是巖爆，就巖爆的狹義概念來講，主要是由于高地應(yīng)力區(qū)地下洞室在進(jìn)行挖掘的過程中，巖體應(yīng)力會(huì)進(jìn)行釋放，這個(gè)時(shí)候巖塊就會(huì)從地下洞口飛射出去。而巖爆的廣義意義指的是一種地質(zhì)災(zāi)害，這種地質(zhì)災(zāi)害是出現(xiàn)在硬巖的隧道施工中，包括的形式有動(dòng)力破壞和靜力破壞，一般情況下，動(dòng)力破壞比靜力破壞的破壞程度更大。就全球范圍內(nèi)來看，巖爆的突發(fā)性和高發(fā)性嚴(yán)重影響著地下施工，不但嚴(yán)重影響著施工的進(jìn)度，同時(shí)會(huì)對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)造成相應(yīng)的威脅，所以引起了廣泛的關(guān)注，故筆者針對(duì)隧道工程中巖爆的防治與應(yīng)對(duì)策略進(jìn)行相應(yīng)的闡述，論述內(nèi)容如下:

1 巖爆的特征以及產(chǎn)生的條件

巖爆是出現(xiàn)在隧道施工中圍巖層的破壞現(xiàn)象，一般情況下伴有劇烈的響聲以及巖體碎塊的震動(dòng)、反射等，出現(xiàn)這種狀況的原因有兩點(diǎn)，這兩點(diǎn)分別是內(nèi)因和外因，其中內(nèi)因包括山體的本身有著比較高的地應(yīng)力，這樣巖體的本身就儲(chǔ)存了比較大的應(yīng)變能。或者是由于圍巖本身比較完整，但有一些裂縫，這些裂縫中儲(chǔ)存了大量的能量，很容易引起巖體本身的變形，導(dǎo)致破壞。其中外因指的是巖體具有足夠的上巖厚度，或者是巖體環(huán)境中沒有地下水，會(huì)導(dǎo)致巖體的干燥，再有就是進(jìn)行挖掘的過程中，由于斷面形狀不規(guī)則，局部的應(yīng)力就會(huì)集中。以上是導(dǎo)致巖爆的條件。

表1 巖爆強(qiáng)度綜合分級(jí)表

筆者參與施工的京福鐵路北武夷山隧道北武夷山隧道DK528+580～DK530+610、DK530+680～ +940、DK531+380～+900、DK532+320～570地段為高應(yīng)力區(qū);DK528+450～DK529+580極高應(yīng)力區(qū)，開挖過程中出現(xiàn)巖爆。

2 巖爆的機(jī)理

在進(jìn)行巖爆機(jī)理的研究過程中，中外專家沒有得到共識(shí)，所以筆者從兩方面上進(jìn)行分析，這兩方面主要是靜力學(xué)理論和動(dòng)力學(xué)理論。

2.1 靜力學(xué)理論

在進(jìn)行隧道施工的過程中，遇到高地應(yīng)力或者是硬脆性的環(huán)境，其穩(wěn)定性趨于失衡的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致巖爆的形成，主要指的是切應(yīng)力無限接近于圍巖的壓縮強(qiáng)度，在進(jìn)行隧道的施工中，經(jīng)常會(huì)用這一點(diǎn)用作判斷的依據(jù)。

(1)強(qiáng)度理論觀點(diǎn)

這里所說的強(qiáng)度理論觀點(diǎn)主要是指圍巖承受過大的應(yīng)力，在過大應(yīng)力的作用下失穩(wěn)的一種狀態(tài)，這個(gè)現(xiàn)象可以運(yùn)用格里菲斯的理論進(jìn)行解釋，同時(shí)也可以運(yùn)用摩爾—庫倫準(zhǔn)則進(jìn)行相應(yīng)的解釋。

(2)能量學(xué)觀點(diǎn)

從能量學(xué)的角度來進(jìn)行考慮，巖爆的發(fā)生主要是圍巖中聚集了太多的能量，當(dāng)承受不住的時(shí)候，產(chǎn)生了釋放，也就說其彈性應(yīng)變能的釋放，對(duì)于彈性應(yīng)變能，進(jìn)行判斷的依據(jù)主要是彈性應(yīng)變的指數(shù)。

(3)斷裂以及損傷理論

針對(duì)巖體的材質(zhì)而言，比較容易出現(xiàn)裂縫以及損傷，而巖爆的出現(xiàn)與這一點(diǎn)也是有著密切的關(guān)系，所以早已存在的小斷面也較容易出現(xiàn)巖爆。

2.2 動(dòng)力學(xué)理論

動(dòng)力學(xué)理論主要是指通過人為開挖而出現(xiàn)的一種地質(zhì)災(zāi)害，并不是自然災(zāi)害，在進(jìn)行開挖的過程中，由于每個(gè)圍巖的環(huán)境不一樣，所以出現(xiàn)的情況也不一樣。

在進(jìn)行鉆爆法進(jìn)行開挖的過程中，要運(yùn)用各炮層的順序進(jìn)行起爆以及周邊眼起爆之后進(jìn)行開挖，與此同時(shí)，瞬間的大幅卸載以及巖爆事件的本身也會(huì)產(chǎn)生一種疊加效應(yīng)，其中最為顯著的是處于一種雙向受壓和一側(cè)臨空的情況，有巨大破壞潛力的擾動(dòng)，這樣，圍巖就非常容易發(fā)生變動(dòng)，這些應(yīng)力的波動(dòng)會(huì)隨著環(huán)境的變動(dòng)而不斷的惡化，一旦受到外界的刺激，就會(huì)發(fā)生大規(guī)模瞬間的動(dòng)力擴(kuò)展，圍巖失穩(wěn)，這點(diǎn)就是圍巖的動(dòng)力學(xué)理論機(jī)制。

圖1

3 巖爆的防治與應(yīng)對(duì)

3.1 隧道巖爆的預(yù)測(cè)

巖爆主要是基于高應(yīng)力的條件下出現(xiàn)的一種破裂現(xiàn)象，所以可以根據(jù)所開發(fā)地段的地應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估，在實(shí)際的評(píng)估過程中，可以運(yùn)用的理論比較多，主要可以分為兩種方法，一種是理論法，這種方法是經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的理論基礎(chǔ)沉積下來的，例如應(yīng)力判據(jù)法和脆性指標(biāo)法等。第二種方法為實(shí)測(cè)法，顧名思義，這種方法主要是運(yùn)用實(shí)際的儀器對(duì)將要開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，例如超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法等。但是在實(shí)際的應(yīng)用中，兩種方法都有缺陷，筆者介紹的方法是根據(jù)圍巖的切向應(yīng)力，運(yùn)用數(shù)據(jù)來進(jìn)行計(jì)算。

3.2 關(guān)于巖爆的預(yù)防措施

在進(jìn)行隧道開挖的過程中，應(yīng)該主要以順應(yīng)自然環(huán)境為主，進(jìn)行人為的調(diào)整相關(guān)因素，從加工以及設(shè)計(jì)等加強(qiáng)巖爆的防范，這樣可以在一定程度上減輕巖爆的發(fā)生率。

(1)從隧道的設(shè)計(jì)上進(jìn)行防范

對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)該主要側(cè)重于防治，在選擇隧道地址的方向上，應(yīng)該首先要避免有巖爆傾向的地段，在選好地址的時(shí)候，應(yīng)該從隧道軸線以及斷面的設(shè)計(jì)上進(jìn)行預(yù)防，主要將隧道的軸與最大主應(yīng)力的方向平行，這么做的好處可以有效的改善隧道的結(jié)構(gòu)受力條件。

(2)在施工過程中對(duì)于巖爆的防治

①改善圍巖的物理力學(xué)的性能

在具體的施工過程中，通過隧道的掌子面以及洞璧的噴水或注水可以有效的促進(jìn)巖壁的軟化，讓圍巖沒有那么干燥，有效降低危險(xiǎn)表層的強(qiáng)度與能量，注水的同時(shí)也可以有效的使裂縫進(jìn)行擴(kuò)展，降低其彈性應(yīng)變能的能力。

②人為的提供給圍巖變形的空間

在實(shí)際的開挖過程中，為了有效的降低其高應(yīng)力，可以提供給圍巖一定的空間，例如分部開挖，這樣可以有效的解除應(yīng)力。通過打設(shè)超前鉆孔或在超前鉆孔中進(jìn)行松動(dòng)爆破，在圍巖內(nèi)部造成一個(gè)破壞帶，即形成一個(gè)低彈區(qū)，從而使洞壁和掌子面應(yīng)力降低，使高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圍巖深部，施工時(shí)可在掌子面上打設(shè)5～6個(gè)超前鉆孔，深15～20 m左右，既可以起到超前鉆探地質(zhì)的作用，又可以起到釋放掌子面應(yīng)力的作用。在實(shí)際的施工過程中，可以有效的進(jìn)行巖爆的防治，但是在實(shí)際的工作中，要根據(jù)具體的情況進(jìn)行具體的分析，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖的質(zhì)地以及地應(yīng)力的大小來進(jìn)行決定。

③運(yùn)用合理的開挖方式

在進(jìn)行開挖的過程中，對(duì)于爆破的方法要及時(shí)的進(jìn)行優(yōu)化，采用適當(dāng)?shù)乃幜浚⑶疫M(jìn)行間隔性的裝藥，增加起爆雷管的數(shù)量的同時(shí)減少藥量，用“短進(jìn)尺、多循環(huán)”，這樣可以有效的提高光爆的效果。再有一點(diǎn)，就是要經(jīng)常性的組織挖掘人員的培訓(xùn)，在培訓(xùn)的過程中有效的提高人員的素質(zhì)，這樣也可以在很大程度上減少巖爆的發(fā)生。在實(shí)際的工作中，有條件的情況下，最好是運(yùn)用TBM來代替鉆爆，這樣可以從減少震動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行爆破。

(3)加固隧道的支護(hù)設(shè)施

合理的運(yùn)用錨噴支護(hù)可以及時(shí)的對(duì)圍巖面進(jìn)行加護(hù)，在一定程度上提高圍巖體自身的強(qiáng)度，讓圍巖體與加護(hù)設(shè)備結(jié)合成一個(gè)共同體，共同來抵御巖爆的發(fā)生。

4 簡(jiǎn)述巖爆的防治

(1)在工程勘測(cè)階段首先應(yīng)該進(jìn)行細(xì)致的地應(yīng)力的測(cè)量，通過詳細(xì)的計(jì)算分析所處環(huán)境的具體情況，對(duì)巖爆做到早期的并且主動(dòng)的預(yù)防，這是預(yù)防巖爆最基礎(chǔ)的措施。

(2)分別從宏觀和微觀的角度對(duì)地質(zhì)遺跡力學(xué)進(jìn)行研究，分別分析巖石單軸的過程和低圍壓下三軸的試驗(yàn)，這樣做的目的是揭示巖爆的機(jī)理，讓施工人員了解其具體情況，可以為下一次的隧道施工積累重要的經(jīng)驗(yàn)。

(3)要想測(cè)定巖爆的具體規(guī)律，可以運(yùn)用進(jìn)行施工的巖爆超前預(yù)測(cè)報(bào)來進(jìn)行評(píng)定和預(yù)測(cè)，有助于掌握巖爆的情況。

(4)最后就是加強(qiáng)支護(hù)，對(duì)于這一點(diǎn)是防止巖爆的重要一點(diǎn)，這樣做的目的主要是為了優(yōu)化所處洞室的不規(guī)則形狀，并且可以有效的改善周圍巖體的狀態(tài)，有效的改善其較大的地應(yīng)力。

5 討論

由于巖體本身的性質(zhì)決定了巖爆發(fā)生的概率，而巖爆的發(fā)生也具有高發(fā)性和突發(fā)性等特點(diǎn)，所以在實(shí)際的隧道施工中，應(yīng)該盡可能的減少巖爆發(fā)生的概率，深刻以及全面了解導(dǎo)致巖爆發(fā)生的誘因，理論與實(shí)際緊密的結(jié)合起來，從隧道的設(shè)計(jì)開始，到每一部工程的建設(shè)，將防治落實(shí)到實(shí)處，提高施工者的素質(zhì)。在技術(shù)支持上，有條件的情況下，最好要運(yùn)用損傷性比較小的設(shè)備，爆破的藥物也要少量多次，提高隧道工程施工的安全性。在實(shí)際施工過程中，巖爆在隧道施工中經(jīng)常發(fā)生，巖爆的動(dòng)力學(xué)理論，由于缺乏相關(guān)深入的研究，所以還沒有提出相對(duì)有效的超前預(yù)報(bào)方法和控制措施，所以對(duì)于巖爆而言，研究相應(yīng)的圍巖動(dòng)力學(xué)機(jī)制，是未來巖爆研究中的熱點(diǎn)。

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