深埋隧道巖爆預測和防治措施

張 波

(福建路橋建設有限公司 福建福州 350014)

1 花瓶山隧道概況

1.1 工程概況

位于福州市馬尾區亭江鎮白眉村花瓶山隧道長4376.5m，埋深最大達410m(圖1)，左右洞隧道出口段V、IV級圍巖為小凈距，其余為分離式。隧道進口段位于直線上，洞身位于半徑2560m和2600m的平曲線和直線段上，出口位于半徑2500m和3100m平曲線上。隧道縱坡均為2%，路面橫斷面不設超高。隧道襯砌內輪廓凈空采用曲墻三心圓，隧道建筑界線:行車寬度:3×3.75m;左右側向寬度為左0.5m、右0.75m;檢修道寬度為2×0.75m;隧道凈寬14m，建筑限界凈高為5m，檢修道凈高為2.5m(圖2)。隧道開挖凈寬15.912m，凈9.07m;主要工程數量:開挖土石方:1050779m3;混凝土:209359m3;鋼筋 5089056kg;防水板258566m2。巖爆的劇烈程度與洞室埋深基本對應，花瓶山隧道右洞巖爆較嚴重地段樁號為YK22+016及YK22+612距洞口距離為1257m、1853m，相對應埋深為214m、315m。花瓶山隧道左洞巖爆較嚴重地段樁號為ZK22+050及ZK22+616m，相對應埋深為216m、317m。

圖1 花瓶山隧道縱斷面圖

圖2 花瓶山隧道橫斷面一般布置圖

1.2 地質、水文情況

花瓶山隧道區屬低山丘陵地貌，山體走向大致呈南北向，地表植被發育，地形起伏變化大，下緩上陡。根據地址調繪及鉆探結果，隧道洞身圍巖主要由燕山晚期侵入花崗巖及其風化層，微風化花崗巖，屬堅硬巖，巖體較完整，洞身整體圍巖的級別以Ⅱ～Ⅲ級，部份為Ⅳ～Ⅴ級，對隧道洞身圍巖的穩定較有利。進出口端節理裂隙密集處及構造破碎帶圍巖的級別以Ⅳ～Ⅴ級，對圍巖穩定不利。隧道最大埋深約410m，深部圍巖為微風化花崗巖，為堅硬巖，巖體裂隙稍發育～不發育，巖體較完整～完整，巖體呈塊狀～大塊狀。

花瓶山隧道位于當地侵蝕基準面之上，山坡坡體較陡，未見大地地表水經過，地表水總體較貧乏。隧道K21+000右側500m～1000m見呈條狀狹長的白眉水庫，本隧道洞底標高大于該水庫水面標高20m以上，水庫對本隧道無影響。主要地下水為:

(1)基巖風化網狀裂隙水:賦存于第四系坡殘層底部及砂土狀-碎塊狀強風化巖層的網狀裂隙中，受大氣降水的影響，對隧道進、出口圍巖及施工有影響。

(2)基巖裂隙水:洞身圍巖主要為微風化巖，風化節理不發育，與洞身水力聯系小。地下水微具腐蝕性。設計該隧道單洞正常涌水量為2798.61m3/d，最大涌水量為5662.17m3/d。

2 巖爆成因及物理特征

2.1 巖爆成因

深埋隧道圍巖較完整、堅硬，處在高應力區，當隧道掘進時，由于圍巖應力會突然釋放，巖體自選破裂并拋出，即稱之為巖爆現象，對現場施工人員和機械設備存在較大的安全威脅，并會對隧道初期支護造成破壞。花瓶山隧道深埋段圍巖為花崗巖，最大埋深H=410m，容重γ=26kN/m3，單軸飽和抗壓強度σc=90MPa。最大豎向主應力σmax=γH=10.7MPa。測區最大水平主應力側壓系數為1.25，最小水平主應力側壓系數為1.1，水平最大主應力 σh=1.25MPa，σmax=13.4MPa，水平最小主應力σh=1.1 MPa，σmax=11.8MPa。為堅硬巖，巖體較完整～完整，巖體呈塊狀 ～大塊狀，水平最大主應力 σmax=13.4MPa，接近0.15σc=0.15×90=13.5MPa，此外，深埋圍巖各向同性差形成的應力多變性、深切溝谷處可能存在應力集中，以及本隧道工程的開挖凈空較大等因素，是花瓶山隧道可能發生巖爆的主要成因。

2.2 巖爆的物理特征

(1)巖爆多發生在掌子面及1～3倍洞徑范圍，距齊頭20m左右最為強烈，也有滯后200m的;爆裂的石塊需經過一段時間后才從母巖彈射或自由下落，石塊較大，形狀呈中間厚、四周薄的貝殼狀，其長與寬的尺寸相差并不懸殊，周邊厚度則參差不齊。常見于導坑的頂部，也有在兩側壁發生的。拱部和兩側邊墻部位相對居多，其次是拱肩，與巖體應力狀況有關。

(2)斷裂帶兩側或軟弱結構面附近往往形成局部應力集中區，故兩側硬巖中巖爆現象較為明顯，而斷層帶部位一般不發生巖爆。在不同巖性軟硬相間的巖層中，硬質巖容易發生巖爆。巖爆區段一般較為干燥，有地下水出露的地方不容易發生巖爆。

3 對隧道巖爆采取的預防和應對措施

3.1 超前地質預報

3.1.1 超前探孔

采用超前鉆探方法，沿掘進方向布置扇形超前鉆孔，在隧道掌子面開挖地面以上1.5m位置，左右兩側各鉆1孔，中間各鉆3孔(圖3)，探孔直徑Ф90mm，孔深度5～6m，每2次循環交替鉆進，通過探明前方圍巖地質狀況，對照隧道地質勘察報告的巖石特性，通過觀察(一聽響聲，二看位置，三看方向)找出可能發生巖爆的前兆，總結本工程圍巖在鉆探過程中的物理響應，形成較準確的掌子面前方巖爆存在與否的預測。

圖3 花瓶山隧道超前地質預報鉆眼分布圖

3.1.2 地質素描

對已開挖的掌子面和左右邊墻揭示的圍巖產狀、巖性等進行觀察、地質素描，分析判斷前方10～20m范圍的圍巖情況，以判斷是否可能存在巖爆。每一個開挖循環都要作地質素描，以確保分析判斷的連續性。

3.2 應力集中解除方法

3.2.1 消除圍巖集中應力

在掌子面上利用地質鉆機或液壓鉆孔臺車施打超前鉆孔，鉆孔直徑為45mm，每循環布置4～8個孔，深度5～10m。必要時也可以增設拱頂徑向應力釋放孔，鉆孔方向應垂直巖面，間距數十厘米，深度1～3m不等。若預測到的地應力較高，可在超前探孔中進行松動爆破或將完整巖體用小炮震裂，或向孔內壓水，以消除擬掘進行圍巖范圍的應力集中現象。

3.2.2 噴注高壓水

(1)在掌子面或附近洞壁上打孔，利用炮眼和錨桿孔向巖層表面噴水和深部巖體注水，使水滲到巖體的內部空隙中，人為改變圍巖的強度和彈性模量，從而提高巖體塑性變形能力，減緩巖爆。

(2)爆破后立即向掌子面及未清除的巖石堆內毛洞周邊噴射高壓水，以改變巖石表面物理力學性質，降低巖石脆性、增強塑性，達到減弱巖爆烈度的目的。另外將圍巖表面沖洗干凈也便于進行檢查和降塵，此法一般用于輕微或中等程度巖爆。

(3)對已開挖成形的邊墻和頂拱，噴護的混凝土和開挖成形掌子面必須及時噴灑水，以降低其脆性，增強抵抗地應力變形的能力，以避免巖爆發生。

3.3 施工工藝的優化

(1)采用光面爆破掘進施工中，對地應力較高、可能出現巖爆的地段，要遵循"短進尺、弱爆破"的原則，盡量降低對圍巖的撓動，以確保巖爆地

段的施工安全。加強監測，采取增加向掌子面噴水次數、鉆地應力釋放孔、增設錨桿、掛網、噴射混凝土等措施，盡快穩定圍巖。

(2)在巖爆嚴重地段，將全斷面一次開挖改為分步開挖，可以使應力逐步釋放。采用光面爆破技術，遵循“短進尺，弱爆破”。周邊眼間距控制在25cm以內，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。避免凹凸不平造成應力集中，以達到減弱巖爆發生的強度。嚴格控制裝藥量，根據圍巖情況和爆破效果及時調整爆破參數，減小炮眼間距和裝藥量，平均單眼裝藥量控制在0.55～0.65 kg/m3，確保爆破效果，降低對圍巖的擾動。對光面爆破造孔質量，要嚴格控制，降低局部地段突變發生的可能，達到改善圍巖應力條件的目的，嚴防破壞性巖爆的發生。

(3)加強初期支護:

a)輕微巖爆區實施全斷面光面爆破開挖，循環進尺不得超過3m，爆破、通風、找頂后洞壁、掌子面應灑水三遍，每遍相隔5～10分鐘，使開挖面充份濕潤，灑水噴頭水柱不小于10m。打洞壁環向應力釋放孔:孔徑Φ45mm，深3m，間距1.5×1.5m，掛網噴射混凝土初期支護，打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壓住在噴射混凝土上。

b)中等巖爆區實施全斷面光面爆破開挖，循環進尺不超過3m。必要時作超前30～50m導洞，導洞直徑不大于5m，可起到巖爆超前預報和釋放地應力的作用。初期支護與輕微巖爆區實施全斷面光面爆破開挖相同。

c)對于中等以上的巖爆洞段，在鉆爆時，可在拱角、邊墻及頂部加深鉆打周邊眼，然后向眼孔內噴灌高壓水，對圍巖進行軟化，從而人為提前加快圍巖的應力釋放。

(4)監控量測:通過對圍巖和初期支護的監控量測，分析拱頂下沉、凈空收斂、錨桿測力計以及多點位移計讀數的變化，可以量化預測滯后發生的深層巖爆，用于指導開挖和支護的施工，并提前做出安全預警。

4 施工安全措施

4.1 防護措施

(1)巖爆一般在爆破后1h左右比較激烈，以后則逐漸趨于緩和，多數發生在1～3倍洞室直徑范圍以內，所以躲避也是一種行之有效的方法;對無法移動的設備，則應進行必要的遮擋防護。如:臺車和其他設備上安裝防護網、防護棚架，在開挖工作面及附近的巖爆部分加掛鐵絲網，防止巖爆出現時發生彈射和巖石塊墜落傷人和損壞機具設備事件。

(2)在巖爆易發地段，爆破后一段時間，要停機回避。觀察掌子面的巖爆位置、強度、類型、數量及聲響等，要在專職安全員確認安全后，人員和設備方可進入作業。作業過程中若聽到有異響或看到巖屑掉落等，要馬上將人員和設備撤離到安全地帶待避。

(3)巖爆頻發地段應采用帶蓬簡易臺架作業，掘進作業要機動靈活，要事先規劃好緊急情況下人員、設備的撤離路線，所有作業、檢查人員必須全部配備勞保用品。

4.2 安全培訓及預案

(1)安全總監要督促工程技術人員，對巖爆段施工做出專項安全技術交底，對全體施工人員進行巖爆段施工安全知識培訓，嚴格按安全技術交底的要求組織施工。專職安全員要在施工現場監督作業人員嚴格執行有關技術和安全操作規程。

(2)制定巖爆段施工安全應急預案，備足搶險物資，危險地段增設照明并設醒目標志，標明逃生路線，并定期組織演練。

(3)加強現場安全巡檢，組織巖爆預防、搶險小組，派有經驗的技術工人跟班監察掌子面前后50 m范圍內巖爆險情，發現異常及時發出警報，有序撤離作業人員和機械設備。

5 結束語

本人在參與花瓶山隧道全過程施工技術管理中，在施工開挖過程中產生不同程度強度等級的巖爆，施工安全、工程質量、工期和環境有重大影響，對巖爆的預測、防治和安全措施是本工程的重點和難點。對穿越深埋隧道巖爆段取得了較全面的施工經驗，特別對巖爆的超前地質預報;消解圍巖內的應力集中;隧道施工工藝的優化和安全防護措施等方面，積累了一些施工經驗，現歸納總結成文，供各位同仁在參與類似工程建設中參考。

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