引漢濟渭輸水隧洞巖爆處置研究

王 新，李彥雄

（1.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安710100；2.陜西裕力騰建設工程有限公司，陜西 榆林719000）

引漢濟渭輸水隧洞巖爆處置研究

王 新1，李彥雄2

（1.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安710100；2.陜西裕力騰建設工程有限公司，陜西 榆林719000）

引漢濟渭工程秦嶺隧洞地應力環境復雜，巖爆成為了阻礙隧洞順利施工以及威脅施工安全的一大障礙。以嶺南4號支洞的開挖段為試驗段，采集開挖過程中發生巖爆的信息，對發生巖爆的規模進行劃分，提出輕微、中等以及強烈巖爆下的支護參數以及應力解除爆破參數。研究表明：微震監測技術在本隧洞的預測準確率達64%。柔性鋼絲網、漲殼式預應力注漿錨桿以及仿纖維噴射混凝土對巖爆的控制具有良好的效果。

輸水隧洞；巖爆；施工方法；支護參數

Abstract:The stress of Qinling tunnel is complicated and the rockburst is a major obstacle to the smooth construction of the tunnel and the safety of the construction.The excavation section of Lingnan No.4 is the experimental section,and the information of rockburst during excavation is collected.The scale of rockburst is divided,and the supporting parameters and stress relief under mild,medium and strong rockburst are proposed.Blasting parameters.The results showthat the accuracy of microseismic monitoring technology in the tunnel is 64%.Flexible steel wire mesh,shell-type prestressed grouting anchor and imitation fiber shotcrete have good effect on rockburst control.

Keywords:Water supplytunnel,rock burst,the construction method and the support parameters

0 引言

秦嶺輸水隧洞是引漢濟渭工程的唯一輸水工程。秦嶺隧洞總長98 km，越嶺段約40 km為TBM施工，其余支洞、主洞均為傳統的鉆爆法施工。隧洞最大埋深2012 m,地應力環境復雜。王慶武[1]、吳德興[2]、呂慶[3]、徐則民[4]等學者均指出巖爆成為了阻礙深埋隧洞順利施工以及威脅施工安全的一大障礙。

巖爆下的隧洞的施工方法引起了大量學者的關注。張然[5]針對米糧倉公路隧道的施工情況，提出了其隧道的巖爆預測方法與預防建議。劉學增[6]對隧道巖爆等級的量化進行了研究。岳英武[7]，陳紅江[8]針對不同類型的巖爆提出了防治措施。邱道宏[9]，黃成俊[10]針對秦嶺終南山隧道的巖爆進行了分類與防治研究。

本文以引漢濟渭的秦嶺輸水隧洞為工程依托，在隧洞主洞大埋深段施工前，以嶺南工程4號支洞做為試驗段，總結巖爆的規律和經驗。

1 工程背景

引漢濟渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程4號支洞位于秦嶺嶺南高中山區，山高坡陡，工點范圍內地形起伏不平，最大高差約760 m。支洞洞身埋深250～1430 m，最大埋深位于樁號斜47+20位置。圍巖以Ⅱ類花崗巖為主，巖體單軸抗壓強度較高，地下水不發育。

支洞自樁號斜40+00后，巖爆規模及頻率有明顯提高，巖爆對施工造成較大影響，經參建四方討論確定巖爆試驗段長度為200 m，選定樁號為斜

43+05～斜45+05段（垂直埋深 1200～1296 m）。該段巖性為印支期花崗巖，巖石弱風化，長大節理發育，巖體干燥，巖爆等級強烈且頻發。4號支洞其余段地質狀況和試驗段相類似。

2 巖爆規律與等級劃分

試驗段施工中，緊跟掌子面開挖和后方100m左右范圍內巖爆產生的悶爆聲一直存在，或大或小，強烈的悶爆聲猶如放炮，較輕微的悶爆聲猶如電雷管被激發。以下列舉幾處具有代表性的巖爆段施工情況進行說明。

斜43+60～斜43+67段發生輕微-中等程度巖爆，巖爆發生在左側墻底板至拱腰位置，伴有掉塊、剝落現象，掉塊和剝落后形成塌腔，塌腔尺寸=7.00 m×3.40 m×0.27 m（長×寬×高），塌腔體積約6.42 m3。并造成正在施鉆的多臂鑿巖臺車受損，恢復臺車用時2 d。為確保現場施工安全，對該段采取錨網噴加強支護措施進行施工。

斜43+77～斜43+83段發生滯后性較為強烈巖爆，間歇性悶爆聲較大，拱部180°范圍及右側邊墻上部整體垮塌，垮塌后間歇性掉塊及悶爆聲仍持續不斷，直至次日2時才基本穩定。坍塌、掉塊形成大的塌腔：長×寬×高=10.68 m×6.0 m×3.3 m，塌腔體積約211.5 m3。并導致樁號斜43+74～斜43+77段拱部120°范圍內巖石剝落、掉塊現象嚴重。將試驗段發生的巖爆情況統計并分級如表1所示。

表1 試驗段巖爆統計分級表

3 巖爆段施工方法

3.1 微震監測巖爆預測

該技術通過對檢測到的微震數量、等級以及能量大小進行分析。能夠準確確定掘進前方地應力集中位置。根據試驗段微震監測實施效果來看，總共發送17份微震監測預報報告，預測準確率約64%。

3.2 應力解除爆破

巖爆段的應力集中，從產生位置以及匯聚的能量大小來看具有不統一性，現場根據不同程度的巖爆按照相應的施工參數對未開挖區域實施應力解除爆破將集中應力提前釋放。

3.3 噴水軟化消除應力釋放

在隧洞出渣完成后，開挖前向掌子面噴射純凈水。其可以降低巖石單軸抗壓強度,降低巖爆發生的幾率和等級。此外及時噴灑冷水,可以降低周邊圍巖的地溫場，控制巖石在開挖后的過度膨脹，保障了掌子面在開挖過程的安全。

3.4 超前支護

試驗段使用3.5 m的砂漿錨桿做超前支護，對下循環開挖斷面的拱部范圍內做預加固，仰角控制在15°左右，與隧洞軸線夾角約27°。其降低了地質構造弱面的擾動，保證開挖成型，避免了石塊墜落。

3.5 開挖成型控制

現場通過每循環動態優化光面爆破的施工參數，遵循弱爆破、短進尺、勤支護、勤量測的隧洞施工原則，良好的控制了開挖成型，降低隧洞超欠挖，成型效果較之前相比有一定的改觀，巖爆頻次以及規模也有所減弱。

3.6 加強支護

對于巖爆段開挖前除了采取必要的應力釋放孔、超前應力解除爆破、超前支護外，圍巖開挖揭示后，施加不同的加強支護。環節最為重要，通過與參見各方商討和施工現場摸索巖爆段與非巖爆的支護參數見表2。

表2 設計與實際支護參數對照表

4 施工中新工藝、新材料的應用

4.1 柔性鋼絲網

200 m巖爆試驗段采用了對隧洞拱部180°范圍內掛設柔性鋼絲網進行加強支護，它是由多張鋼絲繩網組成一張巨型大網將整個隧洞出露巖面包裹，通過現場觀察得出：輕微、中等巖爆產生落石、剝落也只能在柔性鋼絲網內運動，均勻地傳遞并受力以充分發揮整個系統的防護能力，即局部受載，整體作用，從而使系統能承受較大的荷載并降低單根錨桿的錨固力要求。

4.2 漲殼式預應力注漿錨桿

試驗段的應用中，漲殼式預應力注漿錨桿與砂漿錨桿相比，有它特有的優勢，大幅度縮短錨桿支護時間，現場作業人員短時間內即可完成錨桿支護環節，在巖爆發生之前施加預應力，可有效的較少因巖爆造成的掉塊、剝落現象，同時也遏制了巖爆程度向不良的趨勢發展，在輕微-中等巖爆中能夠發揮很好的作用。

4.3 仿纖維噴射混凝土

試驗段采用跨越型-2000仿纖維噴射混凝土，其仿纖維噴射混凝土回彈率減少至15%（原噴射混凝土回彈率為20%），可以短時間內實現噴射混凝土厚度大幅增加，輕微巖爆破壞噴層掉塊、剝落的現象也大大減少，噴射混凝土與周圍巖石的粘結強度大大提高，綜合回彈率為8%左右，噴射混凝土支護可在2分鐘內終凝，20分鐘內產生其強度，1天強度達到16 MPa，一次噴射厚度可達35 cm以上。

5 巖爆支護參數建議

5.1 輕微巖爆

（1）開挖外輪廓線外擴5 cm。

（2）應力解除爆破：孔徑89 mm，孔深5.0 m，拱部120°范圍內布設，孔間距1.2 m，7個/循環；孔位與周邊眼相同，孔向：仰角15°；單孔藥量800 g。

（3）節理發育時施做超前錨桿，直徑22 mm，長度3.5 m。

（4）初噴納米仿纖維噴射混凝土5 cm，復噴至10 cm。

（5）使用直徑22 mm的砂漿錨桿，長度2.5 m，間距1.5 m×1.5 m（環×縱）；錨桿墊板15 cm×15 cm，厚度 8 mm。

（6）孔徑42 mm的徑向應力釋放孔，孔深2.0 m。

5.2 中等巖爆

（1）開挖外輪廓線外擴10 cm。

（2）應力解除爆破：孔徑89 mm，孔深5.0 m，拱部120°范圍內布設，孔間距0.9 m，9個/循環；孔位與周邊眼相同，孔向：仰角 20°；單孔藥量 1000 g。

（3）施做超前錨桿，拱部120°范圍內布設，長度3.5 m，單循環7根，間距1.2 m。

（4）初噴納米仿纖維噴射混凝土8 cm，復噴至15 cm。

（5）拱部使用直徑φ25漲殼式預應力中空注漿錨桿，長度3 m，間距 1.2 m×1.2 m（環×縱）；錨桿墊板 20 cm×20 cm，厚度10 mm；側墻22 mm砂漿錨桿，L=2.0 m。

（6）拱部180°鋪設直徑4mm的柔性鋼絲網，網格間距15 cm×15 cm。

（7）孔徑42 mm的徑向應力釋放孔，孔深2.0 m，間距：拱部 180°范圍內，間距 1.2 m×1.2 m。

5.3 強烈巖爆

（1）開挖外輪廓線外擴25 cm。

（2）應力解除爆破：孔徑89 mm，孔深5.5 m，拱部180°范圍內布設，孔間距0.94 m，13個/循環；孔位與周邊眼相同，孔向：仰角30°；單孔裝藥 1.2 kg。

（3）施做超前錨桿，拱部150°范圍內布設，長度3.5 m，單循環10根，間距1.05 m。

（4）初噴納米仿纖維噴射混凝土10 cm，復噴至25 cm。

（5）安設I16型鋼拱架，拱架間距1.0 m/榀；22 mm連接筋環向間距100 cm；拱墻鋪設8 mm圓鋼網片，網格間距25 cm×25 cm；單榀拱架鎖腳錨桿8根，L=2.5 m，22 mm螺紋鋼砂漿錨桿。

6 結論

（1）試驗段與主洞地質狀況相似，根據試驗段情況可將本工程巖爆分為：輕微、中等和強烈三類。

（2）微震監測技術在本隧洞的預測準確率達64%，可以較為有效的進行巖爆的準確預測。

（3）新材料對巖爆防治能起到關鍵性作用：仿纖維噴射混凝土在對裸露圍巖進行及時封閉，防止巖體進一步剝落、掉塊起到了很大的遏制效果；柔性鋼絲網能夠在很大程度上有效攔截由于二次巖爆剝落的石塊、石渣等；φ25漲殼式預應力中空注漿錨桿在中等巖爆中能夠快速、高效地進行支護，為盡早封閉圍巖贏得了充足的時間。

[1]王慶武，巨能攀，杜玲麗，黃健，胡勇.深埋長大隧洞巖爆預測與工程防治研究[J].水文地質工程地質，2016，(06)：88-94+100.

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[10]黃成俊.秦嶺終南山特長公路隧洞鉆爆法快速施工技術探討[D].西南交通大學,2003.

Study on Rock Burst Disposal of Water Conveyance Tunnel of Hanjiang River

Wang Xin,Li Yanxiong

（Shaanxi Province,cited the Yangtze River EngineeringConstruction Co.,Ltd Xi’an 710100,Shaanxi Shaanxi Yu Li TengConstruction EngineeringCo.,Ltd Yulin 719000,Shaanxi）

U458.1

A

1673-9000（2017）05-0115-03

2017-06-21

王新(1980-)，男，陜西富平人，工程師，主要從事水利水電工程建設管理工作。