秦嶺7號洞主洞巖爆區施工技術

高 曉 雷

(中鐵十七局集團第二工程有限公司，陜西 西安 710043)

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秦嶺7號洞主洞巖爆區施工技術

高 曉 雷

(中鐵十七局集團第二工程有限公司，陜西 西安 710043)

摘要：結合引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞7號洞主洞開挖過程中發生的巖爆現象，從開挖方法、初期支護、轉移圍巖應力釋放等方面著手，闡述該隧洞巖爆防治的具體施工措施及取得的效果。

關鍵詞：隧洞；巖爆；防治；施工措施

0引言

巖爆是深埋地下工程在施工過程中常見的動力破壞現象，當巖體中聚積的高彈性應變能大于巖石破壞所消耗的能量時，破壞了巖體結構的平衡，多余的能量導致巖石爆裂，使巖石碎片從巖體中剝離、崩出。發生巖爆的原因是巖體中有較高的地應力，并且超過了巖石本身的強度，同時巖石具有較高的脆性度和彈性。這時一旦地下工程破壞了巖體的平衡，強大的能量把巖石破壞，并將破碎巖石拋出[1]。

巖爆往往造成開挖工作面的嚴重破壞、設備損壞和人員傷亡，成為巖石地下工程和巖石力學領域的世界性難題之一[2]。本文結合引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞(越嶺段)7號洞主洞K69+536—K69+400段巖爆的具體特征，分析了巖爆產生的原因，并根據現場實際針對性地提出并成功應用了相關的巖爆防治措施。

1工程概述

引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞(越嶺段)7號洞主洞全長8 122m，比降1/2 530，其中，向上游延伸3 569m，向下游延伸4 553m；7號斜井總長1 877m，比降5.73%。主洞斷面尺寸6.76m×6.76m，曲墻平底斷面。主洞工區位于秦嶺嶺北中低山區，多為V字型峽谷，山高坡陡，高程范圍750—1 750m，洞室最大埋深約1 230m。工區范圍內主要涉及地層為三疊系及石炭系變砂巖、下古生界變砂巖、千枚巖及角閃石英片巖，中下元古界云母片巖、綠泥片巖、炭質片巖及片麻巖，燕山期花崗閃長巖，加里東晚期花崗巖、花崗閃長巖、花崗斑巖，及斷層帶物質。

上游K69+536—K69+180段，埋深約975—1 035m，開挖巖性為加里東期花崗巖。本段受地質構造影響輕微，節理裂隙不發育，巖體較完整，地下水不發育。開挖完成8—10h后，邊墻及拱部零星發生巖爆，導致邊墻及拱部圍巖開裂、剝落，并間斷伴隨清脆聲，應力釋放后，邊墻發育長大節理閉合狀態由密閉逐漸發育至張開，隨后有大塊巖石剝落，可見厚約1m長約5m的巨石。K69+536—K69+470段巖爆主要集中在邊墻，K69+470—K69+400段逐漸發展至拱部，K69+400往小里程方向巖石剝落、掉塊現象增強。

2秦嶺7號洞主洞巖爆的特點

根據現場觀察及施工記錄，從巖爆發生前、發生過程中以及巖爆后的情況分析，秦嶺7號洞主洞K69+536—K69+180段的巖爆具有以下主要特點：

(1)巖石以花崗巖為主，干燥無水，巖層相對較完整、堅硬。在未發生前，無明顯的征兆，爆破后雖然經過仔細找頂,并無空響聲，一般認為不會掉落石塊的地方，會突然發生巖石爆裂聲響，石塊一般應聲而下。

(2)巖爆發生地點多在新開挖的掌子面及其附近，有的距掌子面較遠,初期支護之后仍然發生，以拱部或邊墻部位居多。巖爆在開挖后陸續出現，多在爆破后的5—10h，24h內最為明顯。

(3)巖爆時圍巖破壞的規模，有體積較大的塊體，也有體積較小的薄片。薄片的形狀呈中間厚、四周薄的貝殼狀，周邊厚度方向參差不齊，厚度一般為5—10cm。塊體的厚度一般在50cm范圍內，最厚可達1—2m。

(4)巖爆圍巖的破壞過程，一般新鮮堅硬巖體均先產生聲響，伴隨片狀剝落的裂隙出現，裂隙一旦貫通就產生剝落。

(5)巖爆發生時的爆裂聲音有強有弱，聲響沉悶的巖爆一般規模較大,而聲響清脆的規模較小。絕大多數巖爆破壞與聲響同步，即使在施工機械設備聲音的干擾下,也能聽到圍巖內部的爆裂聲。

(6)巖爆會重復發生，在第一次發生巖爆后，還能發生第二次甚至多次巖爆。

3防治巖爆的主要施工措施

在巖爆洞段掘進施工，采取主動防治與被動防治相結合的方式，即遵循“先預防、早支護、強支護”的總體施工原則，以最大程度規避巖爆發生或降低巖爆發生等級[3]。采用的主要技術措施為：

(1)在開挖過程中采用“短進尺、多循環”，開挖進尺控制在2.5m以內。開挖采用光面爆破技術，提高光爆效果，改善洞壁應力條件，控制線裝藥密度及單耗，降低爆破動應力場的疊加，盡量減少對圍巖的擾動，改善圍巖的應力狀態。

(2)開挖前，在掌子面施工一定數量的應力釋放孔，孔徑50mmm，間距2—3m左右，孔深5m，提前對圍巖應力進行調整，釋放圍巖積蓄的能量。鉆孔以10—15°的角度向外扇形分布，孔底接近但不超過開挖邊界，以避免爆破后對開挖邊界造成破壞，如圖1所示。開挖后，在環向布置一定數量的應力釋放孔。

(3)爆破后立即向開挖面噴射高壓水，以達到軟化圍巖、增加巖體塑性、降低巖體脆性的目的，并向爆破孔、錨桿孔、應力釋放孔等進行高壓注水，以獲得更好的效果。

(4)灑水后及時噴混凝土進行封閉，成拱支持，盡可能減少圍巖暴露時間，并起到了初期支護的作用。

(5)在噴射混凝土封閉完成后，及時進行初期支護，以確保圍巖穩定，局部地段增加錨桿支護及鋼支撐支護，達到既改善了掌子面及附近圍巖的應力狀態，又改善了應力的分布的目的。

4巖爆實例分析及具體措施應用

4.1K69+470—K69+400段巖爆

K69+470—K69+400段，巖性為加里東期花崗巖，埋深約1 035—999m。本段節理裂隙不發育—發育，主要測得三組節理，J1產狀：N70°E/60°S，間距0.2—0.5m，延伸大于6m；J2產狀：N50°W/40°S，間距0.3—0.6m，延伸大于6m；J3產狀：N20°E/45°N，間距0.3—0.5m，延伸2—4m，巖體較完整，地下水不發育。開挖完成8—10h后，邊墻及拱部零星發生圍巖開裂，呈片狀脫落，脫落面多與巖壁平行，往掘進方向巖爆及巖石剝落、掉塊現象增強。

本段巖爆發生后，根據現場勘查，分析后認為其原因如下：

(1)洞內開挖一定時間后，由于卸荷圍巖產生松弛變形。

(2)該段內發育有三組傾角節理，應力釋放導致節理進一步發育，結構面張開，產生了傾倒或剪切滑移失穩，使邊墻失穩。

(3)開挖爆破也是誘發巖爆塌方的原因之一，爆破振動產生的沖擊波，導致本段應力重新調整分布，進一步加大了巖爆發生的可能性。

巖爆塌方發生后采取的措施如下：

(1)盡快對塌方部位復噴C20素混凝土進行封閉，以盡可能減少新鮮圍巖的暴露時間。

(2)巖爆部位拱部120°范圍增加?22砂漿錨桿，長2.5m，間距1m×1m。

(3)增加?8@20cm×20cm鋼筋網，并通過?22網格型鋼筋與系統錨桿焊接進行加固，復噴8—10cm厚C20混凝土。

(4)開挖進尺控制在2.5m，減少一次用藥量。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，控制爆發裂隙的生成，避免由于爆破誘發巖爆，從而降低巖爆頻率和強度。

(5)在掌子面布置應力釋放孔，爆破后立即向開挖面噴射高壓水。

4.2K69+400—K69+386段巖爆

K69+400—K69+386段，巖性為加里東期花崗巖，埋深約999—975m。本段受地質構造影響輕微，節理裂隙不發育，巖體較完整，圍巖干燥無水。開挖完成5—8h后，邊墻及拱部圍巖開裂、剝落，并間斷伴隨清脆聲，應力釋放后，發育的長大節理閉合狀態由密閉逐漸發育至張開，隨后有大塊巖石剝落，可見厚約1m、長約5m的巨石。

本段巖爆發生后，根據現場勘查，分析后認為其原因如下：

(1)本段屬高應力區，洞室開挖應力經過多次調整，圍巖卸荷回彈，形成應力松弛圈，導致圍巖結構面張開。

(2)雖然開挖后采取了噴射混凝土制止巖爆的措施，但由于趕工期的原因，未及時進行系統錨桿和鋼筋網片的施工，即進一步支護的力度不夠，是導致此次巖爆發生的另一個原因。

本段巖爆塌方發生后采取的措施如下：

(1)對此段進行擴挖，循環進尺1.2m，擴挖寬度26cm，支護結束后進行下一循環擴挖。

(2)擴挖后，在確保安全的前提下及時對巖爆塌方部位噴射5cm厚的C20混凝土進行封閉，以盡可能減少圍巖暴露時間。

(3)擴挖復噴后增加I16型鋼鋼架，間距1.2m；在鋼架的保護下打設3m長?22砂漿錨桿，間距1.2m×1m；掛設?8@20cm×20cm鋼筋網，復噴21cm厚C20混凝土。

(4)嚴格控制擴挖爆破參數，減少裝藥量。

(5)在施工期加強圍巖觀測和變形觀測，以便及時采取相應措施。

4.3K69+245—K69+180段巖爆

K69+245—K69+180段，巖性為加里東期花崗巖，埋深約845—907m。本段節理裂隙不發育—較發育,主要測得三組節理,J1產狀：N25°W/40°N,間距0.3—0.5m,延伸1—6m;J2產狀：N65°W/25°S，間距0.2—0.4m，延伸大于6m；J3產狀：N30°E/75°N，間距0.1—0.2m，延伸大于5m，巖體較完整，地下水不發育。該段開挖完成6—8h后，隨圍巖開裂、剝落間斷伴隨清脆聲，應力釋放后，發育的長大節理閉合狀態由密閉逐漸發育至張開，隨后有大塊巖石剝落，K69+210—K69+180段較K69+245—K69+210段巖爆現象嚴重。

本段巖爆發生后，根據現場勘查，分析其原因為：該段發育有J1、J2及J3三組裂隙，應力釋放導致裂隙進一步發育，結構面張開，產生了傾倒或剪切滑移失穩，使邊墻失穩。

巖爆塌方發生后，對K69+210—k69+180段采取的措施如下：

(1)盡快對塌方部位復噴C20素混凝土進行封閉，以盡可能減少新鮮圍巖的暴露時間。

(2)巖爆部位拱部150°范圍增加?22砂漿錨桿，長2.5m，間距1m×1m。

(3)增加?8@20cm×20cm鋼筋網，鋼筋網通過?22網格型鋼筋與系統錨桿焊接進行加固，復噴15cm厚C20混凝土。

(4)開挖進尺控制在2.5m，嚴格控制擴挖爆破參數，減少裝藥量；開挖后及時封閉圍巖暴露面。

5結語

對于巖爆這種高危地質災害，要了解其地質特征，針對可能出現巖爆的地段采取積極主動的預防措施和強有力的支護方案，確保巖爆地段的施工安全，將巖爆發生的可能性及危害程度降到最低。通過秦嶺7號洞主洞的施工，并經過不斷總結分析，對巖爆有了初步的認識，總結出了巖爆地段施工中的一些施工經驗，為類似工程的施工提供了參考和借鑒。

參考文獻：

[1]葉康.公路隧道巖爆風險分析[J].華東公路，2010，(1).

[2]張鏡劍,傅冰駿.巖爆及其判據和防治[J].巖石力學與工程學報，2008，(10).

[3]楊更社.我國巖石力學的研究現狀及其進展[J].西安礦業學院學報，1999，(S1).

責任編輯：尚爾輝

中圖分類號：TU745.9

文獻標志碼：A

文章編號：1674-6341(2016)01-0028-03

作者簡介：高曉雷(1983—)，男，遼寧朝陽人，工程師。研究方向：隧道施工。

收稿日期：2015-12-15

doi:10.3969/j.issn.1674-6341.2016.01.011