官田隧道巖爆及鄰近區(qū)段突水處理方案

■陳大琪

（龍巖漳永高速公路有限責任公司，龍巖 364000）

1 工程概況

官田隧道位于福建省漳永高速公路龍巖段境內(nèi)，起訖樁號：左線ZK50+552～ZK56+691,長6139 m；右線K50+544～K56+695,長6151m，屬特長分離式隧道。該隧道區(qū)屬低山地貌，地形起伏較大，最大埋深695m。隧址區(qū)上覆粉質(zhì)黏土、含粒粉質(zhì)黏土、碎石等，下伏基巖為三疊系上統(tǒng)文賓山組（T3w）砂巖、粉砂巖、三疊系下統(tǒng)溪口組（T1x）砂巖及侏羅系上統(tǒng)南園組（J3n）凝灰熔巖、燕山期（γ52（3）c）花崗巖等。隧址區(qū)地表水主要為沖溝地段中的水，受季節(jié)控制明顯；地下水主要為基巖中的裂隙水，下伏基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，多呈閉合狀，連通性較差，多充填泥質(zhì)。由于隧道較長，山體較高，匯水面積大，地下水水量較豐富。

官田隧道于2013 年2 月正式開工。2014 年3 月15日左洞開挖施工至ZK52+257 時，發(fā)生中等-強烈程度巖爆（見圖1）。而不久后的3 月25 日，右洞開挖施工至K52+265 時，掌子面發(fā)生突水（見圖2），水壓力及水流量較大，水流自裂隙噴出瞬間最大距離達20m。值得一提的是，發(fā)生巖爆、突水現(xiàn)象的兩個隧道間距僅24.4m，兩個區(qū)段直線距離甚至不超過30m，兩個近距離隧道可謂“水火相容”。

圖1 左洞ZK52＋257 巖爆現(xiàn)象

圖2 右洞K52+265 突水現(xiàn)象

2 巖爆、突水現(xiàn)象分析

根據(jù)設計勘察資料，結合兩個區(qū)段相對復雜的地質(zhì)條件，施工過程加強重視這兩個區(qū)段的超前地質(zhì)預報工作。具體地質(zhì)情況如下：

2.1 設計勘察總體情況

（1）地應力條件：據(jù)測試結果，周邊鉆孔巖石容重取為26.5kN/m3。在435～495m 測深范圍內(nèi)最大水平主應力σH 為9.2 ～12.8MPa，最 小 水 平 主 應 力σh 為6.4 ～9.1MPa，鉛直應力σz 為11.5～13.1MPa。總體上，應力特征表現(xiàn)為σz>σH>σh。該隧道圍巖以硬質(zhì)砂巖為主，巖體應力量級為中等應力水平。最大水平主應力方向的側壓系數(shù)（σH/σz）為0.77～1.01。除個別測點側壓系數(shù)大于1 外，其他側壓系數(shù)均小于1，說明該測試區(qū)域巖體應力場以自重應力場為主導。主應力方向為N70oE～N76oE 之間。

（2）涌水量預測：從安全考慮，設計最大涌水量采用古德曼經(jīng)驗式計算值，其中左線隧道最大涌水量Q0L=17575(m3/d)，右線隧道最大涌水量Q0R=18796(m3/d)。隧址區(qū)受斷裂構造、不整合接觸帶、且?guī)r層傾向接觸帶影響，地下水發(fā)育，可能出現(xiàn)突水、突泥。

2.2 左洞ZK52＋257 巖爆區(qū)段

（1）地質(zhì)預報：根據(jù)掌子面開挖到ZK52+140 時，采用地震波TGP206 探測法并結合地質(zhì)分析法綜合預報，預報范圍為ZK52+140～ZK52+300，其中ZK52+236-ZK52+300 段,通過分析縱橫波對比速度及反射符號分布曲線圖，縱波速度、橫波波速均起伏變化，整體上升，泊松比變化不大，縱波速度約為5150m/s,縱波主要反射界面水平夾角和垂直傾角分別為52°和35°。橫波主要反射界面水平夾角和垂直傾角分別為47°與40°。預報里程段圍巖主要為微風化砂巖，單塊巖石強度高，屬于較堅硬巖，圍巖節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整，呈塊狀結構，圍巖穩(wěn)定性較好，拱頂易發(fā)生掉塊，地下水不發(fā)育，呈點滴狀出水，建議圍巖級別為Ⅲ級。

（2）實際情況：開挖至ZK52+257 時，隧道埋深約360m，圍巖主要為微風化砂巖，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖質(zhì)堅硬，巖體較完整，拱墻干燥無水。3 月15 日開挖工班進行鉆眼作業(yè)時發(fā)現(xiàn)掌子面后方ZK52+252～ZK52+257 段拱部有“啪、啪”的異響聲，并伴隨有少量片狀石塊剝落，遂暫停鉆眼作業(yè)，進行二次找頂排險，經(jīng)觀察無異常現(xiàn)象后方繼續(xù)鉆眼作業(yè)，于13∶50 放炮，隨后出碴。出碴過程中發(fā)現(xiàn)拱部有巖石爆裂聲響，并伴隨有片狀石塊剝落，15∶25 響聲加大，伴隨巖石劈裂的聲響，不斷有邊緣薄中間厚的層片狀石塊從拱頂剝落，人員、機械撤離現(xiàn)場，暫停掌子面施工，持續(xù)觀察，時有聲響并伴隨掉塊，持續(xù)時間長達48h，直到17 日晚仍有響聲及零星掉塊。于ZK52+255～ZK52+260 段拱部形成縱向長度約5m，環(huán)向?qū)挾燃s3.5m，徑向最大深度達1.3m的三角狀坑，經(jīng)分析判斷為巖爆現(xiàn)象。

2.3 右洞K52+265 突水區(qū)段

（1）地質(zhì)預報：根據(jù)右洞掌子面開挖到K52+260，采用地震波TGP206 探測法并結合地質(zhì)分析法綜合預報，預報范圍為K52+260～K52+420，通過分析縱橫波對比速度及反射符號分布曲線圖，縱波速度、橫波速度均起伏變化，整體上上升，泊松比變化不大，縱波速度約為4000m/s,縱波主要反射界面水平夾角和垂直傾角分別為72°和40°。橫波主要反射界面水平夾角和垂直傾角分別為65°和48°。預報里程段圍巖主要為中風化砂巖，單塊巖石強度一般，圍巖屬較堅硬巖；圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較完整～較破碎，呈塊狀鑲嵌結構，圍巖穩(wěn)定性較差，預報里程段地下水發(fā)育，主要呈淋雨狀-線狀出水，局部呈股流-涌流狀出水；施工過程中拱頂易出現(xiàn)坍塌、掉塊等現(xiàn)象，建議圍巖級別為Ⅳ級偏差。

（2）紅外探水：鑒于該區(qū)段的地震波TGP206 探測預報，發(fā)生巖爆的鄰近區(qū)段較為異常，此段專門增做了紅外線超前探水預報。其基本原理：當開挖掌子面前方20m 范圍內(nèi)存在含水構造或溶洞時，災害源產(chǎn)生的紅外異常場，必然會涉及到臨近異常場的隧道已經(jīng)開挖的部分，因而在隧道開挖部分的邊墻上能提前發(fā)現(xiàn)災害源產(chǎn)生的紅外異常場（也稱災害場）。本次探測采用兩種方法進行超前探水預報。

第一種方法為掌子面布點探測法，共在掌子面上布設4 行6 列24 個點。探測數(shù)據(jù)填入表1，并要計算出每一行任意兩數(shù)值間的最大差值，還要計算出每一列任意兩數(shù)值間的最大差值，同樣填入表1。第二種方法為開挖區(qū)段布點探測法，即由掌子面向已開挖部分YK52+205～YK52+260，以5m 點距，布12 個探測點（即60m 范圍內(nèi)布設12 個監(jiān)測斷面），分別對左墻角、左拱角、拱頂、右拱角、右墻角及底中進行布點，布設6 條測線。探測數(shù)據(jù)填入表2。由于紅外探測是以正常場作為對比基準，所以對一條探測成果的曲線圖的基本要求是：曲線的前段（即前30m）應能給出紅外正常場，而曲線后段和尾部特別是尾部，或者正常、或者下降、或者升高。現(xiàn)場具體布置圖詳見下圖3、圖4 及圖5。

圖3 掌子面測點示意圖

圖4 激光定點紅外探測示意圖

圖5 縱向探點示意圖

表1 掌子面紅外探測數(shù)據(jù)表

表2 沿隧道走向布點探測數(shù)據(jù)表

圖6 開挖區(qū)段紅外探測法成果圖

從掌子面紅外探測數(shù)據(jù)表可以明顯看出，場強橫向最大差值、縱向最大差值、整個掌子面最大差值均在3～9 之間，數(shù)值跳躍性變化不大。由此推斷掌子面前方圍巖含水量豐富，且分布相對較均勻（見表1）；從探測區(qū)段YK52+205～YK52+260 紅外探測成果圖可以看出，整體里程段段曲線呈明顯下降趨勢，紅外場強明顯下降，由此推斷掌子面前方20m 范圍內(nèi)，圍巖含水量將維持現(xiàn)狀掌子面賦水程度（見表2 和圖6）。以上兩種探測方法探測結果一致,探測里程段掌子面前方20m內(nèi)圍巖賦水極為豐富，呈股流-涌流狀出水。

（3）實際情況：洞身開挖至里程K52+265，圍巖主要為中風化砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較完整-較破碎，掌子面發(fā)生突水，經(jīng)相關資質(zhì)部門測量日涌水量達25900m3。

2.4 綜合分析

從上述的地質(zhì)勘察、地質(zhì)預報及施工實際狀況可以看出：該隧道相鄰區(qū)段發(fā)生巖爆、突水現(xiàn)象有著其共通性及其特殊性。

（1）兩種現(xiàn)象的特性。①巖爆：通常認為巖爆發(fā)生的主要條件是地應力和圍巖力學特性，其他影響因素主要有圍巖細微觀結構特征及其次生變化、地下水情況、地溫高低、隧道洞壁形態(tài)和施工工藝等。通常來講，發(fā)生巖爆的巖體是非常干燥的，含水量極少。②突水：在基巖地下水富集的諸多因素中，地層巖性是地下水賦存的基礎；地質(zhì)構造是控制地下水埋藏、分布和運動的主導因素；地貌、水文、氣候等則是影響地下水補給、徑流、排泄的重要條件。

（2）兩種現(xiàn)象的相互影響。該區(qū)段巖爆現(xiàn)象除受地應力及巖性特征外，地下水及施工工藝的擾動影響不可忽視。而同樣的非可溶巖巖性特征及地質(zhì)構造又形成了區(qū)段內(nèi)施工時發(fā)生的突水現(xiàn)象。可見在中高應力區(qū)段發(fā)生交替的巖爆、突水現(xiàn)象不可忽視。特別在巖爆發(fā)生后的突水現(xiàn)象更應重視防患：尤其在巖體應力釋放后產(chǎn)的的節(jié)理裂隙在水壓作用下可能進一步發(fā)展垮塌、崩塌破壞。

3 處理方案措施

針對預報顯示的上述兩種病害，隧道施工制定了相應的處理方案：

3.1 巖爆區(qū)段

（1）做好開挖方案選擇及開挖質(zhì)量的控制。在隧道開挖前，加強地質(zhì)超前預報，必要時進行超前地質(zhì)鉆探，查明隧道內(nèi)地應力情況，并制定必要結構加固方案及合理的施工方案。并且根據(jù)設計圖紙要求結合掌子面地質(zhì)情況，對圍巖進行應證和糾正；并不斷提高預測水平。隧道開挖進尺控制在2m，采用全斷面開挖方案，巖爆強度較大時為加快進度可采用臺階法施工。

（2）調(diào)整鉆爆設計，采用“短進尺，弱爆破”。采用光面爆破技術，巖爆區(qū)周邊眼間距控制在25cm 以內(nèi)，采用隔眼裝藥，堵塞炮泥，增加光爆效果，以達到開挖輪廓線圓順。盡量避免凹凸不平造成應力集中，以達到減弱巖爆的發(fā)生。采用淺孔爆破，縮短循環(huán)進尺，減少一次用藥量。拱部采用小藥卷光面爆破措施，拉大不同部分炮眼的雷管段位間隔，從而延長爆破時間，減少對圍巖的爆破擾動，減少爆破動應力的疊加，控制爆發(fā)裂隙的生成，避免由于爆破誘發(fā)巖爆，從而降低巖爆頻率和強度。同時預先在工作面有可能發(fā)生巖爆的部位有規(guī)則地打一些空眼，不設錨桿而注水，以便釋放應力，阻止圍巖達到極限應力而產(chǎn)生巖爆。

（3）巖爆預防的具體措施：隧道開挖、出渣后，直接在開挖外露面噴灑高壓水以軟化巖面，促使巖層原始應力釋放調(diào)整，同時可以降低因巖爆導致空間中粉塵含量；及時采用5cm 噴射混凝土對圍巖掌子面進行封閉，以對開挖形成巖面進行找平，改善圍巖受力情況、避免應力集中；對巖面上的不穩(wěn)定巖石及時清除，對于體積較大及清除后可能影響洞壁穩(wěn)定的巖石，應采用錨桿進行加固，確保施工安全。

（4）對于不同巖爆區(qū)域，應采取不同的初期支護加強。

①輕微巖爆區(qū)：實施全斷面光面爆破開挖，循環(huán)進尺不得超過4m，爆破、通風、找頂后洞壁、掌子面撒水三遍，每遍相隔5～10min，使開挖面充份濕潤，撒水噴頭水柱不小于10m。打設洞壁環(huán)向應力釋放孔：孔徑Φ50mm，深3m，間距1.5×1.5m，掛網(wǎng)噴砼初期支護，打設Φ25×5mm 漲殼式預應力中空注漿錨桿(長2m)，預應力50kN，錨桿間距1.2×1.2m，錨桿強度180kN。安裝時，錨桿墊板要將鋼筋網(wǎng)壓住在噴射砼上。

②中等巖爆區(qū)：實施全斷面光面爆破開挖，循環(huán)進尺不超過4m。必要時作超前30～50m 導洞，導洞直徑不大于5m，可作為巖爆超前預報和釋放地應力；爆破、通風、找頂后洞壁、掌子面撒水三遍，每遍相隔5～10min，使開挖面充份濕潤，撒水噴頭水柱不小于10m。打設洞壁環(huán)向應力釋放孔：孔徑Φ50mm，深3m，間距1.5×1.5m。掛網(wǎng)噴砼初期支護，打設Φ25×5mm 漲殼式預應力中空注漿錨桿(長2m)，預應力50kN，錨桿間距1.2×1.2m，錨桿強度180kN。安裝時，錨桿墊板要將鋼筋網(wǎng)壓住在噴射砼上。

③對于中等以上的巖爆洞段，在鉆爆施工時，可在拱角、邊墻及頂部加深鉆打周邊眼，然后向眼孔內(nèi)噴灌高壓水，對圍巖進行軟化，從而人為提前加快圍巖的應力釋放。眼孔超前深度可取2m。

（5）加強現(xiàn)場安全防護措施，保障施工安全。

①給施工人員配發(fā)鋼盔、防彈背心；對主要施工設備安裝防護棚架；掌子面架設移動防護架，防止巖塊飛出傷人，有效地保護人員及設備安全。

②加強現(xiàn)場巖爆監(jiān)測、警戒及巡回找頂，必要時及時躲避。組織專門人員全天候巡視警戒及監(jiān)測。巖爆一般在爆破后2 h 左右比較激烈，以后則趨于緩和，多數(shù)發(fā)生在0～50 m 范圍和掌子面處。從地質(zhì)方面來看，巖爆發(fā)生的地段有其相似的地層條件和共性條件，使短距離的預報成為可能。聽到圍巖內(nèi)部有沉悶的響聲時，應盡快撤離人員及設備。特別是強烈?guī)r爆地段，每次爆破循環(huán)后，作業(yè)人員及設備均應及時躲避一段時間，待巖爆基本平靜后，立即灑水噴混凝土封閉巖面，以保證后序作業(yè)。巡視、警戒人員要對巖爆段，特別是強烈?guī)r爆段巖石的變化仔細觀察，發(fā)現(xiàn)異常及時通知，撤離施工人員及設備，以保證安全。

③加強對施工人員巖爆知識教育。強化作業(yè)人員安全紀律教育以及巖爆常識、防護知識的學習；嚴格執(zhí)行有關技術和安全操作規(guī)程；危險地段增設照明并設醒目標志。

3.2 涌水、突水區(qū)段

根據(jù)勘踏及分析研究結果，對官田隧道進口右洞K52+265～K52+300 段加強支護，并采取防、排結合的輔助施工措施，具體如下：

（1）防、排水措施：采用超前水平鉆孔排水，于掌子面開挖輪廓線內(nèi)打設，孔徑φ130mm，鉆孔深度50m，共布設5 孔；加密環(huán)向及橫向排水管，環(huán)向φ50HDPE 排水管、橫向φ100HDPE 排水管布設間距由原設計10m 調(diào)整為5m；布設雙層防水層，嚴防富水地段二襯滲漏水。

（2）支護措施：采用I18 型鋼鋼架，縱向間距100cm/榀；φ6.5 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距15cm×15cm；φ25中空注漿錨桿，3.5m/根，按環(huán)向間距1.0m×縱向間距1.0m 布設；C25 噴射混凝土厚度24cm；拱墻C25 鋼筋混凝土襯砌厚45cm，不設仰拱，僅施做找平層。

（3）輔助施工措施：沿拱部打設Φ50×5 超前鋼管，外插角10～15°，4.5m/根，環(huán)向間距40cm，縱向間距3m/環(huán)，33 根/環(huán)。

（4）初期支護完成后，根據(jù)出水情況，視需要進行徑向注漿堵水。先采用低標號混凝土設止?jié){墻，在裂隙、孔口約3m 范圍內(nèi)，設徑向小導管注漿封堵。導管采用Φ50×5mm 鋼管，長5m，梅花型布設，間距100cm。漿液采用水泥-水玻璃，配比及注漿壓力根據(jù)實際情況適當調(diào)整。

4 結語

隧道高應力區(qū)段發(fā)生巖爆、突水現(xiàn)象均有嚴重危害性，而其突發(fā)性、交替性往往更讓人意想不到。官田隧道施工過程中重視地質(zhì)超前預報工作，借鑒多種預報方法，采取有效預防措施，嚴格控制施工方案，保證了人員、設備的安全，工程進度順利推進。

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