高地應力隧道巖爆特征及綜合施工控制技術

■陳彩霞

（龍巖漳永高速公路有限責任公司，龍巖 364000）

1 概述

巖爆是高地應力區地下洞室開挖過程中巖體突發性破壞的一種自然災害。巖爆發生時，常常伴有人耳可聞的響聲，巖片剝落，嚴重片幫，往往給人員、設備和建筑的安全帶來巨大損失，所以巖爆現象早已引起工程科技人員的重視，并在機理研究、預報技術及巖爆條件下的施工技術等方面開展大量研究，但是由于產生巖爆的影響因素較復雜，巖爆的發生機制還不完全清楚。高地應力隧道是指隧道固巖中原始地應力大于某一限值的隧道，通常發生在隧道埋深較大（大于1000m）的地層中。這一限值在《公路隧道設計規范》（JTG D70-2004）中有明確規定：Rc/δmax=4～7 時為高地應力、Rc/δmax≤4 時為極高地應力（Rc為巖石單軸飽和抗壓強度，δmax為巖體中垂直洞軸線方向的最大主應力）。

官田隧道位于福建省海西高速公路網漳州至永安聯絡線高速公路龍巖境內，全長6151m，為高速公路分離式雙向四車道特長隧道，凈空半徑R=546m，單洞當量面積63.70m2。隧址區屬低山地貌，地形起伏較大，隧道最大埋深達695m，隧道洞身范圍圍巖主要為全風化～微風化砂巖、粉砂巖，以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主。隧道中部K52+900～K55+620，埋深370m～695m，洞身圍巖主要為Ⅲ級微風化砂巖、粉砂巖，設計地勘數據顯示為高地應力-極高地應力區，施工過程中遇到輕微-較強烈程度巖爆，巖爆是此隧道施工主要的地質災害之一。本文以該項目為工程依托，就巖爆地段采取的施工監測、鉆爆設計、超前支護及安全防護等方面開展研究。

2 高地應力區的分布和特點

官田隧道中部K53+450 ～K55+390，埋深430m ～695m，為高地應力～極高地應力區，開挖過程中遇到輕微-較強烈程度巖爆，具體分布情況如表1 所示。

表1 官田隧道巖爆段落分布表

在官田隧道中，巖爆的分布有以下幾個特點：

（1）巖爆大多發生在干燥無水的微風化砂巖、粉砂巖，地質構造為褶皺的圍巖地段，這類地段集聚了高水平的地應力，巖質較堅硬、干燥、脆性高。脆性硬質巖石及高地應力是巖爆發生的主要條件。

（2）巖爆一般發生在巖體最大主應力方向上，本隧道巖體最大主應力方向為鉛直方向，巖爆多發生在隧道斷面拱部120°范圍。

（3）在未發生前，無明顯的征兆，雖經過仔細尋找，并無空響聲，一般認為不會掉落石塊的地方也會突然發生巖石爆裂聲響，石塊應聲而下；有時能聽到巖石被擠壓和折斷的聲音，但并未出現爆裂，暫不墜下，極具危險性。這種現象與理論上巖爆發生的三個變形破壞階段，即張性劈裂階段、破裂成塊階段和巖塊彈裂階段的結論是一致的。

（4）巖爆時圍巖破壞多呈層片狀剝離，脫落面多與巖壁平行，經多次剝落，逐漸形成三角狀或梯形爆坑。

（5）巖爆多發生在新開挖的掌子面及距離掌子面1～3 倍洞徑范圍內，個別的也有距新開挖工作面較遠的情況；巖爆在開挖后陸續出現,多在爆破后2～3h，24h內最為明顯，延續時間可持續1～3 天。圖1 為隧道現場拍攝的巖爆后的圍巖表面，圖2 為巖爆產生的剝落巖石。

圖1 巖爆后的圍巖表面

圖2 巖爆產生的剝落巖石

3 巖爆地段施工技術

官田隧道施工中所采用的防治巖爆的措施是在施工階段中進行的，以減輕或避免巖爆對人員和機械的傷害及導致圍巖大面積失穩為目的，按照"先鉆孔、控爆破、短進尺、強支護、噴注水"的施工原則，采取加強初期支護、優化隧道開挖方法、打設圍巖應力釋放孔等一系列技術措施，在不同階段針對巖爆程度的輕重采取相應的施工技術和安全保障措施，取得了較好的效果。

3.1 施工準備

調查實地地質情況，并收集已有的勘測資料，總體認識隧址區地形地貌及褶皺等地質構造特征；注意收集開挖過程中的巖爆地質資料，包括巖爆類型、規模、分布里程與巖爆具體位置，判定巖爆等級，并建立風險管理體系，優化鉆爆設計，采取積極主動的預防措施和強有力的支護方案。

在洞口設置危險源警示牌，并對工人進行巖爆施工安全知識培訓，使施工、技術、管理人員等充分理解巖爆的特點及其危害的嚴重性，以促使全體施工人員思想上高度重視，確保巖爆地段的施工安全。

3.2 施工監測

施工中根據有無地下水、地應力方向（巖爆多發生在主應力方向上）、巖體穩定性、巖石軟硬、巖性及地質構造進行初判，通過對巖石裂縫的發展、巖體內的聲音、暴露時間的長短判別是否會落石傷人。

進行圍巖和支護狀況的現場觀察并結合施工監控量測，通過分析拱頂下沉、周邊收斂以及錨桿測力計、多點位移計等監測結果的變化規律，可以預測滯后發生的深部沖擊型巖爆，以指導開挖和支護施工。

通過一聽響聲、二看位置、三看方向觀察，如通過敲擊壁面，若發出"空、空"的聲音，則需及時采取加強支護措施；如巖層內突然發出沉悶的聲響時，施工人員、設備要及時撤離，找出巖爆發生的前兆及位置，逐步積累經驗，開展巖爆預報，最大限度減少巖爆產生的危害。

3.3 超前鉆孔及超前支護

對于烈度中等以上巖爆地段，可采取打設超前孔鉆預先釋放部分掌子面未開挖的高地應力。為防止掉塊危及施工人員安全，也可同時配合打設鋼支撐、超前錨桿，主動防護。

官田隧道施工中，對于較強烈巖爆地段，進行了超前支護及打設超前應力釋放孔，有效降低巖爆烈度，保證了施工人員、機械的安全。具體參數如下：

①超前錨桿：沿拱部打設φ22 超前錨桿，外插角10～15°，4m/根，環向間距40cm，縱向間距2m/環，32根/環。②應力釋放孔：開挖前沿拱部打設，外插角30～45°，孔徑Φ50mm，孔深4m，環向間距1m，13 孔/環，縱向間距2m/環。

3.4 優化鉆爆設計

為降低爆破震動應力場的疊加，防止因爆破震動誘發已初期支護段落發生再次巖爆坍塌；同時為保證洞周圓順以改善洞壁應力條件，防止因開挖斷面不規則而造成局部應力集中，加劇巖爆烈度，施工過程中通過計算、結合經驗進行充分的鉆爆優化設計，包括對周邊眼間距，藥卷大小，裝藥間距，裝藥量等參數盡心論證，以提高光爆效果，改善巖爆烈度，降低巖爆產生的危害。

3.5 嚴進尺、快噴錨

對于輕微～中等巖爆段，每循環開挖進尺控制在2.5 m 以內；對于中等～強烈巖爆段，每循環開挖進尺控制在2.0m 以內。

對于輕微～中等巖爆段其工序為爆破后送風、噴水、找頂后即出碴、噴錨作業；對中等～強烈巖爆段爆破后不馬上出碴，先利用通風時間躲避，待巖爆減弱后噴水、找頂、從安全地帶噴混凝土封閉巖面，然后打設系統錨桿、掛設鋼筋網等，再復噴，最后出碴。

3.6 強支護早襯砌

爆破后應盡快清理巖爆部位活動巖石、掛網、打錨桿、噴C25 混凝土30～50mm 進行封閉，以盡可能減少新鮮圍巖的暴露時間；必要時還要架設鋼格柵并輔以超前錨桿支護；襯砌要緊跟開挖工序進行，以盡可能減少巖層暴露的時間，減少巖爆的發生和確保人身安全。受條件限制，必要時可采取跳打襯砌的方式。

3.7 安全防護措施

巖爆的發生往往具有突然性，往往給人員、設備及結構的安全造成巨大的危害，也帶來不良的社會影響。所以工程實踐中，加強必要的安全防護措施也顯得非常關鍵。

（1）給施工人員配發鋼盔等勞動保護用品，對鉆眼臺車進行加固改造，在臺車上方及側面設立鋼筋防護網，必要時掌子面處也設立鋼筋防護網。

（2）在掌子面作業區設專職安全員3 名，24 小時輪班，隨時觀察圍巖及支護狀態，發現異常，及時匯報以采取措施，必要時立即組織人員、機械撤離暫時躲避。

（3）巖爆非常劇烈時，為了安全，應在安全距離范圍以外，躲避一段時間，直到巖爆平靜為止。

（4）加強巡回找頂，及時清除爆裂的危石，確保施工人員、機械安全。

（5）準備好臨時鋼木排架等，必要時對可能發生巖爆的部位進行臨時支護，然后在臨時支護的掩護下進行打錨桿、掛網等支護作業，可有效避免大的落石傷人事故。

4 結語

官田隧道施工中不斷遇到巖爆的威脅，巖爆強度從輕微至較強烈程度不等。以該項目為依托工程開展巖爆施工技術研究，施工中通過不斷總結經驗和教訓，以錨、網、噴聯合支護手段為主，必要時增設鋼格柵，結合超前支護、打設應力釋放孔、噴水溫潤巖面等多種防治措施，最大限度的減少了巖爆對人員、機械設備的損害，安全順利通過高地應力巖爆區，順利完成施工。施工過程中總結了一些寶貴的經驗，可為類似地質條件工程提供一定參考。但對于巖爆發生機理復雜，現有的預測和防治措施在實施過程中仍存在一定問題，仍需作進一步的研究和經驗積累，方能制訂更為主動、科學、實用的采用鉆爆法施工的巖爆災害治理技術。

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