大鼓山隧道巖爆特征及防治措施

（福建省高速公路有限責(zé)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(zé)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(chǎng)觀測(cè)資料，具體分析了其形成的規(guī)模、位置、誘發(fā)因素及地質(zhì)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(duì)性地提出了后續(xù)施工中的處治預(yù)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(yīng)力堅(jiān)硬的巖體內(nèi)開挖隧道時(shí)，因開挖卸荷引起周邊圍巖產(chǎn)生應(yīng)力分異作用，儲(chǔ)存于圍巖洞壁內(nèi)的彈性應(yīng)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(dòng)力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害稱之為巖爆。巖爆一般是突發(fā)性的，一旦發(fā)生巖爆會(huì)破壞已建成的隧道結(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)備，直接威脅施工人員、設(shè)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(hào)為YK41+065～YK44+108；本隧道隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕低山、丘陵地貌，地形起伏大，局部地段地形較陡，進(jìn)口段坡度較大，坡度為35～40°；出口坡度較小，一般在25～30°。進(jìn)出口均與山間溝谷盆地相連，切割深達(dá)20～50m，線路經(jīng)過山頂最高標(biāo)高約1200m，最低標(biāo)高約610m，相對(duì)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(zhì)調(diào)查、鉆探及物探資料，隧址區(qū)地層巖性較復(fù)雜，上覆殘積砂質(zhì)粘性土(局部為粉質(zhì)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(fēng)化凝灰?guī)r(J3nb)、燕山早期侵入全-中風(fēng)化花崗巖(γ52(3)c)，燕山晚期侵入強(qiáng)-微風(fēng)化次石英斑巖、花崗閃長(zhǎng)巖(λπ53(1)d)。

隧道中部YK41+880～YK43+400段1520m為Ⅱ級(jí)圍巖，圍巖主要為微風(fēng)化次石英斑巖及花崗閃長(zhǎng)巖，塊狀構(gòu)造。節(jié)理裂隙弱發(fā)育，巖體完整呈塊狀，工程性質(zhì)好，地下水以基巖風(fēng)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(hù)、襯砌工作緊跟開挖工序進(jìn)行，施工期間采用GPR(探地雷達(dá))進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

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(shè)計(jì)圍巖級(jí)別為Ⅱ級(jí)，洞身圍巖主要由微風(fēng)化次石英斑巖、花崗閃長(zhǎng)巖組成，巖質(zhì)新鮮堅(jiān)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(jìn)度較快，一天兩個(gè)循環(huán)，日進(jìn)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(zhǎng)巖交替出現(xiàn)，呈微風(fēng)化，巖質(zhì)堅(jiān)硬強(qiáng)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(jī)械設(shè)備立即撤離現(xiàn)場(chǎng)，暫停掌子面施工。持續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)，開挖后2h內(nèi)反應(yīng)強(qiáng)烈，剝落面積增大，聲音加強(qiáng)。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(hù)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(shí)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(diǎn)從發(fā)生無(wú)明顯征兆、圍巖類型、空間位置、時(shí)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(wú)明顯的征兆。在通常認(rèn)為不會(huì)掉落石塊的地方，突然發(fā)生爆裂聲響，石塊有時(shí)應(yīng)聲落下，有時(shí)并不落下。

(2)巖爆只發(fā)生在高應(yīng)力脆性圍巖中。堅(jiān)硬的脆性圍巖和高地應(yīng)力(與圍巖強(qiáng)度相當(dāng)?shù)牡貞?yīng)力)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(cè)壁切(環(huán))向應(yīng)力較大部位。巖爆發(fā)生的地點(diǎn)多在新開挖的工作面附近，個(gè)別也有距新開挖工作面比較遠(yuǎn)，常見巖爆部位側(cè)壁與拱腰。這是隧道巖爆的空間特點(diǎn)。

(4)巖爆主要發(fā)生在圍巖應(yīng)力的劇烈調(diào)整期。巖爆在開挖后陸續(xù)出現(xiàn)，多在爆破后的2～4小時(shí)，24小時(shí)內(nèi)最為明顯，延續(xù)時(shí)間一般1～2個(gè)月。這是隧道巖爆的時(shí)間特點(diǎn)。

(5)巖爆圍巖通常完整極少含水。地層含水意味著圍巖內(nèi)有裂隙，裂隙便為應(yīng)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(shí)圍巖破壞的規(guī)模，小者幾厘米，大者可多達(dá)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(huì)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(shí)踐證明，巖爆發(fā)生主要有5個(gè)方面的條件。

(1)巖石的強(qiáng)度Rb≥80MPa；

(2)圍巖初始應(yīng)力σ0≥(0.15～0.2)Rb；

(3)圍巖的級(jí)別：Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ級(jí)；

(4)隧道的埋深H≥50m；

(5)巖石干燥無(wú)水，呈脆性，節(jié)理基本不發(fā)育。

一般來(lái)說(shuō)，發(fā)生巖爆的隧道基本上能同時(shí)滿足這5個(gè)條件，但是，也有極少數(shù)隧道在并未完全滿足這5個(gè)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(xiàng)指標(biāo)時(shí)，即可判定巖爆的存在。本隧道通過設(shè)計(jì)文件和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況，YK43+180～YK43+ 100段微風(fēng)化次石英斑巖、花崗閃長(zhǎng)巖巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值Rc=58.82MPa，未做地應(yīng)力測(cè)試，判定圍巖級(jí)別為Ⅱ級(jí)，隧道埋深210m左右，巖石干燥無(wú)水，呈脆性，節(jié)理基本不發(fā)育，滿足其中三項(xiàng)指標(biāo)，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(yīng)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(jié)構(gòu)密度致密，巖體堅(jiān)硬度較高，因?yàn)橹挥袔r石堅(jiān)硬,才具有較高的彈性模量,才能積聚較高的彈性應(yīng)變能(地應(yīng)力)。能否積聚較高的彈性應(yīng)變能,這取決于該地的地形地質(zhì)背景。當(dāng)?shù)貞?yīng)力足夠大時(shí),巖石愈堅(jiān)硬,巖爆愈強(qiáng)烈,巖爆的動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象如彈射、山鳴等愈嚴(yán)重、突出。

4 巖爆防治措施

巖爆防治應(yīng)遵循“以防為主，防治結(jié)合，分段分級(jí)，綜合治理”原則，結(jié)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(duì)性的施工期隧道巖爆防治對(duì)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(guān)系隧道作業(yè)人員安全和設(shè)備安全。結(jié)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(qiáng)支護(hù)的措施。

4.1 巖爆治理措施

(1)對(duì)巖爆區(qū)段YK43+180～YK43+100段按照設(shè)計(jì)給定的巖爆處置預(yù)案設(shè)計(jì)(二)進(jìn)行施作，具體施工參數(shù)為：采用直徑22cm、長(zhǎng)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(jìn)行初支防護(hù)，支護(hù)范圍為兩側(cè)起拱線以上部位(如圖1所示)。

圖1 Ⅱ級(jí)巖爆段襯砌預(yù)案設(shè)計(jì)(1∶100)

(2)K43+100掌子面開挖時(shí)，采用超前地應(yīng)力解除爆破：應(yīng)力調(diào)整爆破的主要施工工藝包括超前應(yīng)力解除炮孔的布置和裝藥量設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，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(jìn)尺的2倍進(jìn)行控制，角度控制在5～10°為宜；應(yīng)力解除孔布置在巖石完整的部位，有結(jié)構(gòu)面的部位嚴(yán)禁布置單孔；孔裝藥長(zhǎng)度1.5～2.0m，裝藥量1～2kg，實(shí)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(yīng)力解除孔爆破可采取微差實(shí)現(xiàn)(間隔時(shí)間大于150ms)，也可單獨(dú)與掘進(jìn)孔分開爆破。

(3)優(yōu)化光面爆破設(shè)計(jì)與實(shí)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(wú)巖爆地段適當(dāng)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(duì)圍巖的影響。加強(qiáng)光面爆破技術(shù)管理，以達(dá)到開挖周邊輪廓線圓順光滑，避免表面凹凸不平造成應(yīng)力集中。開挖進(jìn)尺控制在2m以內(nèi)，全斷面開挖，必要時(shí)可選取臺(tái)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(shí)實(shí)施，噴射距離大于10m。施工時(shí)、在隧道邊墻左右側(cè)一定高度(設(shè)置高度以爆破石碴堆積高度以上lm為宜)設(shè)置兩個(gè)噴嘴，與后方高壓水管相連，在爆破后，及時(shí)開啟水龍頭，向掌子面噴、灑水，噴水角度以盡量濕潤(rùn)巖面為宜，噴射時(shí)間10～30min。之后為避免噴水對(duì)出碴造成影響，可改為霧狀噴水。

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

4.2 巖爆防范措施

(1)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)單位繼續(xù)做好圍巖各種參數(shù)收集，及時(shí)對(duì)巖爆程度及等級(jí)做出評(píng)價(jià)。

(2)施工、監(jiān)理單位加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)安全管理，帶班人員及安全員三班倒24小時(shí)值班，嚴(yán)格執(zhí)行領(lǐng)導(dǎo)帶班制度。

(3)施工單位成立技術(shù)攻關(guān)組，綜合分析地質(zhì)情況、收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、巖爆記錄表等資料，對(duì)巖爆等級(jí)進(jìn)行評(píng)判，制定相應(yīng)的防治措施，實(shí)施過程中根據(jù)防治效果及時(shí)調(diào)整防治措施。

(4)加強(qiáng)爆破人員素質(zhì)培訓(xùn)：光面爆破效果對(duì)于巖爆發(fā)生的可能性及強(qiáng)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?yàn)榕谘坫@設(shè)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(dá)到更好的開挖效果，必須對(duì)開挖工人進(jìn)行素質(zhì)教育，其素質(zhì)的高低直接影響光面爆破的效果。

(5)制定巖爆地段處理預(yù)案，并嚴(yán)格執(zhí)行，確保人員、機(jī)械設(shè)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(huì)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(hù)層內(nèi)，為隧道后續(xù)施工提供了安全保障。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)大鼓山隧道的巖爆研究、分析及處理,結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)和理論研究，根據(jù)大鼓山隧道的工程實(shí)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(duì)巖爆段進(jìn)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(duì)巖爆段的處理是比較成功的，對(duì)今后類似工程具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]張國(guó)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(bào)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(guó)公路學(xué)報(bào)，2003,16(1).

[3]關(guān)寶樹,張志強(qiáng).隧道發(fā)生巖爆的基本條件研究.鐵道工程學(xué)報(bào)，1998，15(增).

[4]歐陽(yáng)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(zhì)特征分析與防治措施研究.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005,24(18).

[6]中交第二公路勘察設(shè)計(jì)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(zhì)詳勘報(bào)告.2010.