黑石嶺公路隧道巖爆防治關鍵技術

翟玉華

（張石高速公路張家口管理處，河北 張家口 075100）

0 引言

巖爆是地下工程開挖過程中常見的動力破壞現象，是在高地應力條件下，硬脆性圍巖因開挖卸載導致洞壁應力分異，儲存于巖體中的彈性應變能突然釋放，而產生爆破松脫、剝落、彈射甚至拋擲現象的一種動力破壞地質災害[1-3]。

黑石嶺隧道地處張家口蔚縣、保定淶源縣的交界處，隧道分左、右線，左線長3 720m，右線長3 870m。隧道左、右線在Ⅲ級圍巖開挖施工過程中，在LK73+630～LK73+755和RK73+610～RK73+739區間時常發生巖爆。巖爆發生部位均在拱頂6m的局部范圍內。巖爆發生時，有爆裂聲，并伴隨著巖塊的墜落，爆落的巖塊呈板狀、片狀及碎屑狀，板狀巖塊尺寸較大，厚達幾十厘米，嚴重處甚至達1.0m左右，由此形成的巖爆坑橫斷面形狀呈“A”字形或鍋底形，邊緣多呈階梯狀，爆落的巖石曾砸壞挖掘機和鉆孔臺車，嚴重威脅到施工人員安全，影響施工進度。

結合現場巖爆特點，本文提出在隧道掘進過程中采用沿掌子面上邊線密集打孔爆破技術、圍巖加固的自鎖錨桿技術、分層多次高壓注漿預應力錨固技術等巖爆發生綜合控制技術。監測表明，在隧道開挖過程中，其成功地遏制了巖爆頻繁發生的施工難題。

1 隧道爆破卸壓作用機理

爆破卸壓是通過爆炸作用弱化圍巖的結構，使設計部位小部分巖體的剛度降低。爆破影響范圍內，巖體變為弱的傳力介質，變形加大，能量釋放，使整個圍巖內的能量分布狀態重新調整，支撐壓力峰值向深部轉移，應力場得到改善，從而達到防止巖爆的目的[4-6]。

當在隧道掌子面布置多個水平炮孔實施爆破卸壓時，所產生的爆炸動應力與靜態地層應力之間的關系如圖1（a）所示，其A-A視圖為爆破后形成的卸壓區（如圖1（b）所示。對于單個炮孔來講，當裝藥在隧道巖體內部爆炸時，將形成以爆點為中心的由近及遠的壓縮區、裂隙區和彈性振動區，如圖1（c）所示。

圖1 爆破卸壓結構與參數圖

1.1 壓縮區

裝藥爆炸產生的沖擊波作用到炮孔壁上，從而使周圍巖石被壓縮成致密、堅固的硬殼。同時爆炸瞬間產生的高溫、高壓氣體的絕熱膨脹作用會在巖體中形成空腔。爆擴空腔的最終半徑R1（見圖1（b））為：

式中：rb為炮孔半徑；P0為膨脹開始時的爆生氣體壓力，耦合裝藥時 P0=0.5ρ0D2/(1+λ)，其中 ρ0為裝藥密度，D為炸藥的爆速；λ為側向壓力系數，λ=，在工程爆破加載范圍內，μ=0.8μ0，μ0為巖石的靜態泊松比；Pk為爆生氣體等熵絕熱膨脹時的臨界壓力；Ps為爆擴過程中的圍巖壓力，Ps=Patm+σs+γmW，Patm為大氣壓力，σs=為多向應力條件下巖石極限抗壓強度（ρm為巖石密度）；CP為巖石中的聲速；γm為巖石的重度；W為抵抗線。

1.2 破裂區

沖擊波通過壓縮區后，向外層巖石傳播，衰減為應力波，其強度已低于巖石的動態抗壓強度。此時，壓縮區外層的巖石因遭到強烈的徑向壓縮而產生徑向擴張和切向拉伸應變，形成徑向裂隙。裂隙區半徑R2（見圖1（b））為：

式中：α、β分別為沖擊波壓力和應力波壓力衰減指數，α=3，或 α=2+，β=2-；σcd、σ1d分別為巖石的單軸動態抗壓強度和單軸動態抗拉強度；A為與巖石性質有關的常數，Pd為耦合裝藥時柱狀藥包爆炸后投射入孔壁巖石的沖擊波初始壓力，其算式為：

式中：γ為爆轟產物的膨脹絕熱指數，一般取γ=3。

1.3 彈性振動區

裂隙區以外的巖體中，因應力波引起的應力狀態和爆生氣體建立的準靜態應力場只能引起巖石質點做彈性振動，從而形成彈性振動區。

從爆破卸壓作用過程可知，爆擴空腔和裂隙區，形成深度為R、長度為實施爆破段隧道長度的卸壓區域，使高地應力轉移到距隧道斷面更遠的圍巖深部（見圖1（b））。由圖1（b）和圖1（c）可知，卸壓區的深度為R=H+R2，H為炮孔深度。

2 爆破卸壓方案與參數確定

黑石嶺隧道在巖爆發生段預先采用了常規的卸壓孔設計方案，即將卸壓孔布置在掌子面范圍內，但現場開挖后仍有巖爆發生，可見采用常規的卸壓孔設計方案不能達到卸壓效果。為此，結合現場實際情況，對常規卸壓孔設計方案進行了改進，即在掌子面邊緣外側以一定角度布設卸壓孔，同時為了更好地改善掌子面應力狀態，在掌子面底部中間位置布設楔形掏槽孔。

2.1 爆破卸壓孔設計參數的確定

爆破卸壓孔設計參數主要由壓縮區和破裂區半徑控制，因此根據隧道爆破卸壓機理，結合黑石嶺隧道實際情況選取壓縮區和破裂區所需基礎參數，如表1所示。

將表1所列基礎數據代入式（1）～式（3），計算得出壓縮區半徑為8.3cm，破裂區半徑為38cm。

結合爆破卸壓影響因素分析，最終確定爆破卸壓方案參數為：卸壓孔直徑8cm，長10.7m，間距1m；掏槽孔直徑4.2cm，長3m。

2.2 爆破卸壓設計方案

2.2.1 爆破卸壓孔設計

黑石嶺隧道巖爆高發區段爆破進尺為3m，為保證掌子面掘進方向始終保持不小于5m的爆破卸壓區，設計取10m，卸壓孔在掌子面邊緣外側以20°角度布設，因此卸壓孔長10.7m。設計參數如圖2所示。

圖2 卸壓孔設計圖（單位：cm）

根據現場調查，巖爆高發區域位于掌子面拱腰和側墻處。因此，根據前文巖爆預測位置和區域，在兩側拱腰各布置5個卸壓孔，兩側墻各布置3個卸壓孔，孔間距1m。在距掌子面底部1m處布設6個掏槽孔。設計參數如圖3所示，圖中1、2、3為微差起爆順序。

圖3 爆破卸壓設計圖（單位：cm）

2.2.2 掏槽孔設計

掏槽眼采用垂直楔形掏槽方式，每對掏槽眼頂部間距為220cm，底部間距為20cm，掏槽眼與工作面的交角為70°，設計參數如圖4所示。

圖4 爆破卸壓設計圖（單位：cm）

2.2.3 裝藥量與起爆順序

（1）裝藥量

掏槽眼每孔裝藥5卷（水膠炸藥，藥卷直徑為35mm，每卷0.5kg，長0.4m），封泥長度1.0m。卸壓孔每孔裝藥量為36捆，每捆2卷（水膠炸藥，藥卷直徑為35mm，每卷0.5kg，長0.4m），封泥長度3.5m。

（2）起爆順序

起爆順序如上圖3所示，微差起爆數序為：掏槽眼1→兩側墻卸壓孔2→兩拱腰卸壓孔3。

（3）起爆方式

掏槽眼采用正向起爆方式，卸壓孔采用反向起爆方式。

3 爆破卸壓負面效果分析與措施研究

3.1 負面效果分析

卸壓孔在充分改善圍巖應力的同時，弱化了圍巖。這雖然有效地控制了巖爆的發生，但隨著掌子面的開挖，必將影響到圍巖的穩定性，帶來負面效果，如圖5所示。

圖5 爆破卸壓負面效果圖

3.2 控制措施研究

破裂區圍巖因爆破作用造成裂隙發育，提高其圍巖強度最有效地控制措施是壓力注漿。因此，現場爆破卸壓后，在巖石碎裂區域重新打孔埋設注漿管，進行壓力注漿。此措施有效地控制了爆破卸壓帶來的負面效果。

4 隧道巖爆支護控制措施研究

4.1 支護方式

由于硬脆性巖體破壞前總變形量不大，為使較大范圍內圍巖的能量得以釋放，需允許圍巖發生一定程度的損傷。支護結構的作用是使圍巖在控制的條件下逐步破壞，使其產生一定的塑性變形，從而消耗掉部分能量，進而降低巖爆發生的風險性，達到“以柔克剛”的目的。以錨桿、噴射混凝土和鋼筋網為主的柔性支護系統是控制巖爆破壞最合適的支護類型。

4.2 支護參數選擇

當圍巖發生巖爆時，圍巖表面位移量很大，為保證在較大位移量下支護的可靠性，摩擦式錨桿是較好的選擇，其在位移量很大時仍有較大的承載能力。黑石嶺隧道支護錨桿采用梅花型布置，其長度不宜過長，且應當大于巖石最大拋出深度。支護錨桿深度可根據計算得到的能量釋放率最大處的圍巖深度確定，一般為2.5～4m；縱橫間距密度加大（密錨），一般為0.5m×1.5m～1.5m×2.0m，隨著巖爆烈度的增加，縱橫間距隨之減小，密錨便于掛網，可以防止大塊巖爆巖石剝離掉塊和彈射等現象的發生，而且便于與噴網形成系統組合，起到充分加固圍巖的作用。

噴射混凝土宜采用可明顯提高噴層的抗拉和抗剪強度5～15cm厚的C30強度等級混凝土，也可采用柔性大且能承受較大變形而不使表面開裂的材料，如塑料纖維混凝土，泡沫混凝土、鋼纖維混凝土、納米材料混凝土等，其在巖爆的沖擊載荷作用下仍能承受一定的外力。

鋼筋網在打完系統錨桿后應立即安設，直徑為6～8mm，間距為20cm×20cm，盡量用掛“整體網”的方法，緊貼周圍巖石布置。這種方法有助于噴、錨、網形成渾然一體的整體組合作用，相輔相成，進而起到防止巖爆或降低巖爆發生的作用。

5 黑石嶺隧道巖爆防治措施工程實踐

張承高速公路黑石嶺隧道開挖采用從南北兩端向中部同時掘進的方式。隧道的巖爆主要發生在整體結構、塊狀結構等巖體中，以片狀或塊狀剝落為主，局部伴有少量彈射。當埋深較大或受到隧道淺表生作用時，巖爆發生的部位主要分布在開挖掌子面和隧道拱墻及拱腰處；巖爆發生的活躍期通常在掘進后的幾小時內，距掌子面1～2倍洞徑范圍內；隨著掌子面的推進，巖爆的持續期一般在24h內，巖爆波及深度大小不一，大多數為5～30cm，規模較大的巖爆坑最深可達70～150cm。

為減小和抑制巖爆發生的頻率和強度，經研究，采用在掌子面處打12個爆破卸壓孔進行爆破卸壓的防治措施。此措施有效地消除或減輕了掌子面巖爆烈度；在開挖爆破后，及時采用噴射混凝土封閉圍巖，也在一定程度上抑制了開挖后圍巖巖爆的范圍；對一些發生過較大規模巖爆的部位采用掛“整體網”的措施，有效地防止了巖爆的進一步擴大。實踐證明，防治措施已有效控制了黑石嶺隧道的巖爆，避免和減小了巖爆對現場人員和機械安全的威脅。

6 結論

綜合以上分析，可得出如下結論：

（1）結合黑石嶺隧道實際情況，改進了爆破卸壓方案設計，即在掌子面邊緣外側以一定角度布設卸壓孔，同時為更好地改善掌子面應力狀態，在掌子面底部中間位置布設楔形掏槽孔；

（2）對于爆破卸壓帶來的負面效應，現場爆破卸壓后在巖石碎裂區域重新打孔埋設注漿管，進行壓力注漿，有效地控制了爆破卸壓帶來的負面效果；

（3）防治方案實施現場表明，黑石嶺隧道巖爆防治措施有效控制了隧道的巖爆發生，避免和減小了巖爆對現場人員和機械安全的威脅。

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