大鼓山隧道巖爆特征及防治措施

（福建省高速公路有限責任公司泉州管理分公司，泉州362000）

大鼓山隧道巖爆特征及防治措施

■潘文棟

（福建省高速公路有限責任公司泉州管理分公司，泉州362000）

根據(jù)在大鼓山隧道施工中發(fā)生的巖爆，通過現(xiàn)場觀測資料，具體分析了其形成的規(guī)模、位置、誘發(fā)因素及地質條件，介紹了該隧道巖爆的產(chǎn)生和發(fā)展特征，探討了巖爆發(fā)生的原因，并針對性地提出了后續(xù)施工中的處治預案和防治措施。

隧道工程巖爆防治措施特征分析

1 引言

巖爆隧道是指施工過程中有巖爆現(xiàn)象發(fā)生的隧道。在高應力堅硬的巖體內開挖隧道時，因開挖卸荷引起周邊圍巖產(chǎn)生應力分異作用，儲存于圍巖洞壁內的彈性應變能突然釋放且產(chǎn)生爆裂松脫、剝離、彈射甚至拋擲性等破壞現(xiàn)象的動力失穩(wěn)地質災害稱之為巖爆。巖爆一般是突發(fā)性的，一旦發(fā)生巖爆會破壞已建成的隧道結構和機械設備，直接威脅施工人員、設備的安全。

2 大鼓山隧道巖爆發(fā)生情況及特征分析

2.1 隧道概況

大鼓山隧道右洞起訖樁號為YK41+065～YK44+108；本隧道隧址區(qū)屬構造剝蝕低山、丘陵地貌，地形起伏大，局部地段地形較陡，進口段坡度較大，坡度為35～40°；出口坡度較小，一般在25～30°。進出口均與山間溝谷盆地相連，切割深達20～50m，線路經(jīng)過山頂最高標高約1200m，最低標高約610m，相對高差約590m。隧道出口段有感化溪流過；隧址區(qū)地表多茶園種植區(qū)，多溝渠、小陡坎。根據(jù)野外地質調查、鉆探及物探資料，隧址區(qū)地層巖性較復雜，上覆殘積砂質粘性土(局部為粉質粘土)，沿山坡及隧道洞身表層局部分布；下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)南園組全-中風化凝灰?guī)r(J3nb)、燕山早期侵入全-中風化花崗巖(γ52(3)c)，燕山晚期侵入強-微風化次石英斑巖、花崗閃長巖(λπ53(1)d)。

隧道中部YK41+880～YK43+400段1520m為Ⅱ級圍巖，圍巖主要為微風化次石英斑巖及花崗閃長巖，塊狀構造。節(jié)理裂隙弱發(fā)育，巖體完整呈塊狀，工程性質好，地下水以基巖風化裂隙水為主，水量小，潮濕或雨滴狀滲水為主。施工中采用光面爆破，初期支護、襯砌工作緊跟開挖工序進行，施工期間采用GPR(探地雷達)進行超前地質預報。

2.2 巖爆發(fā)生過程

2012年12月25日，大鼓山隧道右線出口段開挖至YK43+180，設計圍巖級別為Ⅱ級，洞身圍巖主要由微風化次石英斑巖、花崗閃長巖組成，巖質新鮮堅硬，裂隙弱發(fā)育，巖體完整，以塊狀、巨塊狀為主，圍巖穩(wěn)定性較好。采用全斷面鉆爆法開挖，施工進度較快，一天兩個循環(huán)，日進尺7～10m。1月4日開挖至YK43+100，期間巖性變化頻繁，次石英斑巖和花崗閃長巖交替出現(xiàn)，呈微風化，巖質堅硬強度高，巖體表面干燥，拱部巖體多處破裂剝落，伴有清脆爆裂聲，偶有巨響，掌子面巖體碎石自行彈出，并有較大尺寸巖塊脫落，坑深約1m，最大塊約2m，人員、機械設備立即撤離現(xiàn)場，暫停掌子面施工。持續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)，開挖后2h內反應強烈，剝落面積增大，聲音加強。直至1月6日掌子面仍有零星掉塊和少許響聲，且YK43+180～YK43+100段初期支護施作已完成局部拱部仍有大塊巖體破裂剝落。經(jīng)分析判斷為巖爆現(xiàn)象，左洞開挖至該里程段時也發(fā)生巖爆現(xiàn)象。

2.3 巖爆發(fā)生的規(guī)律和特征

本次隧道巖爆的特點從發(fā)生無明顯征兆、圍巖類型、空間位置、時間區(qū)段、含水狀態(tài)和形式規(guī)模等方面考察，可概括如下：

(1)巖爆具有突發(fā)性。在巖爆未發(fā)生前，并無明顯的征兆。在通常認為不會掉落石塊的地方，突然發(fā)生爆裂聲響，石塊有時應聲落下，有時并不落下。

(2)巖爆只發(fā)生在高應力脆性圍巖中。堅硬的脆性圍巖和高地應力(與圍巖強度相當?shù)牡貞?是巖爆發(fā)生的必要條件、基本條件。

(3)巖爆主要發(fā)生在隧道側壁切(環(huán))向應力較大部位。巖爆發(fā)生的地點多在新開挖的工作面附近，個別也有距新開挖工作面比較遠，常見巖爆部位側壁與拱腰。這是隧道巖爆的空間特點。

(4)巖爆主要發(fā)生在圍巖應力的劇烈調整期。巖爆在開挖后陸續(xù)出現(xiàn)，多在爆破后的2～4小時，24小時內最為明顯，延續(xù)時間一般1～2個月。這是隧道巖爆的時間特點。

(5)巖爆圍巖通常完整極少含水。地層含水意味著圍巖內有裂隙，裂隙便為應力釋放提供了空間，所以，含水量高的圍巖極少發(fā)生巖爆，反之發(fā)生巖爆的圍巖則極少含水。

(6)巖爆坑多呈“鍋底形”。巖爆時圍巖破壞的規(guī)模，小者幾厘米，大者可多達幾十噸。工程中危害最大的是彈射而出的石塊。這些彈出的石塊多為中間厚，周邊薄，不規(guī)則的巖片。巖片脫落后在隧道壁面上通常會留下“鍋底形”痕跡。

3 巖爆原因分析

3.1 巖爆發(fā)生的條件

隧道產(chǎn)生巖爆的條件是多方面的，大量的隧道工程實踐證明，巖爆發(fā)生主要有5個方面的條件。

(1)巖石的強度Rb≥80MPa；

(2)圍巖初始應力σ0≥(0.15～0.2)Rb；

(3)圍巖的級別：Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ級；

(4)隧道的埋深H≥50m；

(5)巖石干燥無水，呈脆性，節(jié)理基本不發(fā)育。

一般來說，發(fā)生巖爆的隧道基本上能同時滿足這5個條件，但是，也有極少數(shù)隧道在并未完全滿足這5個條件的情況下，也出現(xiàn)了巖爆。因此，為了更具普遍性，只要滿足其中任意三項指標時，即可判定巖爆的存在。本隧道通過設計文件和超前地質預報情況，YK43+180～YK43+ 100段微風化次石英斑巖、花崗閃長巖巖石飽和單軸抗壓強度標準值Rc=58.82MPa，未做地應力測試，判定圍巖級別為Ⅱ級，隧道埋深210m左右，巖石干燥無水，呈脆性，節(jié)理基本不發(fā)育，滿足其中三項指標，可判定存在巖爆。

3.2 巖爆發(fā)生的原因分析

巖爆的發(fā)生主要受如下兩方面的影響。一方面是，該段隧道巖體由于埋深較大，巖體中本身蓄存有較高地應力，受隧道開挖影響，尤其是靠近掌子面附近區(qū)域巖體的受力情況出現(xiàn)變化；另一方面，該段巖體的礦物結構密度致密，巖體堅硬度較高，因為只有巖石堅硬,才具有較高的彈性模量,才能積聚較高的彈性應變能(地應力)。能否積聚較高的彈性應變能,這取決于該地的地形地質背景。當?shù)貞ψ銐虼髸r,巖石愈堅硬,巖爆愈強烈,巖爆的動力地質現(xiàn)象如彈射、山鳴等愈嚴重、突出。

4 巖爆防治措施

巖爆防治應遵循“以防為主，防治結合，分段分級，綜合治理”原則，結合工程具體情況，綜合考慮安全、成本、功效與可操作性，提出針對性的施工期隧道巖爆防治對策，以避免和減少隧道巖爆的發(fā)生。巖爆的治理是解決巖爆問題的最終目的，巖爆治理的好壞直接關系隧道作業(yè)人員安全和設備安全。結合本工程，已開挖段YK43+180～YK43+100段巖爆烈度中等，且尚未穩(wěn)定，立即采取了加強支護的措施。

4.1 巖爆治理措施

(1)對巖爆區(qū)段YK43+180～YK43+100段按照設計給定的巖爆處置預案設計(二)進行施作，具體施工參數(shù)為：采用直徑22cm、長度2.5m的錨桿，間距為1m×1.2m梅花型布置，并采用Ф8cm鋼筋網(wǎng)25cm×25cm網(wǎng)眼單層滿鋪，C20噴射砼12cm厚進行初支防護，支護范圍為兩側起拱線以上部位(如圖1所示)。

圖1 Ⅱ級巖爆段襯砌預案設計(1∶100)

(2)K43+100掌子面開挖時，采用超前地應力解除爆破：應力調整爆破的主要施工工藝包括超前應力解除炮孔的布置和裝藥量設計。一般來說，要求炮孔在掌子面較均勻布置，炮孔間距離2m左右，鉆孔深度按單循環(huán)進尺的2倍進行控制，角度控制在5～10°為宜；應力解除孔布置在巖石完整的部位，有結構面的部位嚴禁布置單孔；孔裝藥長度1.5～2.0m，裝藥量1～2kg，實際施工以爆破能形成將巖體致裂而不破碎為宜，且先于爆破孔爆破。應力解除孔爆破可采取微差實現(xiàn)(間隔時間大于150ms)，也可單獨與掘進孔分開爆破。

(3)優(yōu)化光面爆破設計與實施控制:選用與硬巖相匹配的高猛度、高威力的水膠炸藥。周邊眼間距較無巖爆地段適當加密，周邊眼采用Φ20小藥卷不耦合裝藥，以盡可能減少爆破對圍巖的影響。加強光面爆破技術管理，以達到開挖周邊輪廓線圓順光滑，避免表面凹凸不平造成應力集中。開挖進尺控制在2m以內，全斷面開挖，必要時可選取臺階法施工。

(4)高壓噴水:高壓噴水在地下工程開挖爆破后及時實施，噴射距離大于10m。施工時、在隧道邊墻左右側一定高度(設置高度以爆破石碴堆積高度以上lm為宜)設置兩個噴嘴，與后方高壓水管相連，在爆破后，及時開啟水龍頭，向掌子面噴、灑水，噴水角度以盡量濕潤巖面為宜，噴射時間10～30min。之后為避免噴水對出碴造成影響，可改為霧狀噴水。

(5)高壓注水孔(必要時)：在邊墻及拱部，打設注水孔，并向孔內灌注高壓水，軟化圍巖，加快圍巖內部應力釋放。

4.2 巖爆防范措施

(1)超前地質預報單位繼續(xù)做好圍巖各種參數(shù)收集，及時對巖爆程度及等級做出評價。

(2)施工、監(jiān)理單位加強現(xiàn)場安全管理，帶班人員及安全員三班倒24小時值班，嚴格執(zhí)行領導帶班制度。

(3)施工單位成立技術攻關組，綜合分析地質情況、收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)、巖爆記錄表等資料，對巖爆等級進行評判，制定相應的防治措施，實施過程中根據(jù)防治效果及時調整防治措施。

(4)加強爆破人員素質培訓：光面爆破效果對于巖爆發(fā)生的可能性及強度影響較大，而目前的施工狀況是，光面爆破效果完全由施工工人決定，因為炮眼鉆設的深度、位置、角度及裝藥量完全由施工工人決定，因此為了達到更好的開挖效果，必須對開挖工人進行素質教育，其素質的高低直接影響光面爆破的效果。

(5)制定巖爆地段處理預案，并嚴格執(zhí)行，確保人員、機械設備安全。

在采取上述處治措施后，雖然隧道拱頂部位巖石開裂和剝落的現(xiàn)象未能得到徹底制止，但會大大縮小剝落的范圍，將剝落的范圍集中在下層鋼筋網(wǎng)的混凝土保護層內，為隧道后續(xù)施工提供了安全保障。

5 結語

通過對大鼓山隧道的巖爆研究、分析及處理,結合已有工程經(jīng)驗和理論研究，根據(jù)大鼓山隧道的工程實際提出了隧道巖爆施工的方法，較好地通過了巖爆段,沒有發(fā)生人員傷亡事故。經(jīng)施工過后對巖爆段進行的觀察,洞壁未再產(chǎn)生各種類型的巖爆,所噴的混凝土未發(fā)生開裂、剝落,鋼拱架也未產(chǎn)生明顯的變形,圍巖收斂變形基本穩(wěn)定,對巖爆段的處理是比較成功的，對今后類似工程具有一定的指導意義。

[1]張國云.地下工程巖爆資料匯編[R].鐵道部隧道工程局科研所情報室.

[2]徐林生,王蘭生.二郎山公路隧道巖爆特征與防治措施研究.中國公路學報，2003,16(1).

[3]關寶樹,張志強.隧道發(fā)生巖爆的基本條件研究.鐵道工程學報，1998，15(增).

[4]歐陽孝忠.深埋隧洞巖爆特征及規(guī)律成因淺析.貴州水力發(fā)電，1996，4.

[5]李忠,汪俊民.重慶陸家?guī)X隧道巖爆工程地質特征分析與防治措施研究.巖石力學與工程學報，2005,24(18).

[6]中交第二公路勘察設計研究院有限公司.福建省莆田至永定(閩粵界)高速公路永春至永定泉州段A7合同段大鼓山隧道地質詳勘報告.2010.