白馬鐵礦1600主平硐深埋段巖爆特征與施工對策

向 世 東

(攀鋼集團工程技術有限公司，四川 攀枝花　617000)

白馬鐵礦主平硐位于四川省攀枝花市米易縣彎丘鄉境內,隧洞全長4 738 m,隧洞開挖斷面為44.166 m2～63.119 m2。這里山勢雄偉,地質條件復雜。經地質勘察，隧洞分別穿過黃龍斷層，萬年溝斷層，并在隧洞深埋段存在巖爆的可能。1600主平硐2003年12月19日開工，于2005年5月14日開挖至ZK2+385 m段發生巖爆。

1　1600主平硐巖爆現象及特征

1.1　巖爆現象

2005年5月14日，1604主平硐開挖至ZK2+385 m段時發生巖爆現象，拱部出現劈劈啪啪的爆裂聲，隨即片狀巖塊崩出，并沿巖層層面大面積脫落，側幫也隨后出現片落現象，巖爆片呈舌頭狀、不規則的片狀物，中間厚，周邊薄，脫落多與巖壁平行，隧道拱頂脫落后的巖面呈筍狀或河流狀，巖石稠密，周邊鋒利。

1.2　巖爆特征

1600主平硐最大埋深約600 m，在發生巖爆地段，隧道穿越以強度高、巖石較完整的硬質巖為主，巖爆從主平硐ZK2+385 m開始，至ZK2+398 m本段巖爆結束，巖爆較為連續，后又在隧洞掘進過程中，又陸續出現多段巖爆，強弱不同，總體來說，1600主平硐的巖爆現象主要有以下特征：

1)巖爆均發生在角閃正長巖體內，圍巖類別為Ⅱ級、Ⅲ級，巖石強度高，完整性較好。地表埋深400 m～600 m，屬深埋隧洞段。

2)巖爆在未發生前無明顯征兆，也無空響聲。一般巖爆發生在掌子面5 m～8 m范圍內，是在該位置掘進開挖后的一段時間內發生，距齊頭8 m最為強烈，一般是在3 h～12 h內，也有滯后1 d～2 d的，隨著地應力值的增加而增強，延續數天時間。

3)巖爆在平硐掌子面與側壁均有發生，在1600主平硐中，巖爆開始和結束地段以輕微巖爆為主，發出較為清脆“啪、啪”的聲響，中間段巖爆較為強烈，發出的聲響較為沉悶，伴隨著“嘭、嘭”的聲響并夾有其他聲響。

4)巖爆呈劈裂破壞及剪切破壞兩種，總體有爆裂和彈射兩種現象，在1600主平硐中，以彈射這種現象居多，根據現場觀察，其拱部和兩側邊墻部多有巖爆破壞，拱肩部位也時有發生。

5)巖爆區段一般發生在隧洞深埋地段，巖石作業面干燥，巖質較硬，可能有巖爆現象發生，如裂隙發育、斷層帶、地下水出露的地方，無巖爆發生。

2　巖爆原因分析

巖爆經常出現在完整性較好；巖質較硬的隧道中，作為一種地質災害對圍巖結構進行破壞，在施工過程中帶來很大的安全隱患。巖爆包括靜力破壞和片剝兩種基本形式。

在隧道工程中巖爆的產生需要具備：一是圍巖中須存在高儲能體，且其應力與圍巖強度接近，是巖爆產生的內在原因，另外存在一些附加荷載是巖爆產生的外在原因。1600主平硐巖爆地段表埋深400 m～600 m，說明該地段有較高的地應力，有高儲能體的存在，而且巖體強度等級較大，一旦其內應力超過或接近巖體強度，與開挖出現的自由臨空面時，引起應力的重新分布，巖爆隨即誘發，是巖爆發生的內因。而由于圍巖類別為Ⅱ級、Ⅲ級，巖石強度高，完整性較好，巖石堅硬稠密，使在施工過程中，爆破藥量增加，且不斷施加到巖體上，導致開挖過程中會不斷改變原有的應力分布狀態，圍巖便以巖爆的形式失穩，是產生巖爆的外因。

當1600主平硐巖爆段隧洞周邊圍巖開挖后，其側壓被卸除，造成巖石重新分布地質應力，一旦重新分布的地質應力達到巖體極限地質應力狀態時，大量的巖質較硬的脆性巖體，隨著隧道開挖，使得地質應力分布，圍巖的地質應力及能量進一步集中，隨即產生巖石地質應力釋放，圍巖被巖爆破壞，導致劈烈破壞和剪切破壞兩種圍巖失穩機制，巖爆于是產生。

3　1600主平硐巖爆施工對策

針對巖爆發生的原因，同時結合1600主平硐施工條件、圍巖地質條件、隧道埋深等因素，在隧道施工可能產生巖爆的地段，提前采取積極有效的預防措施和隧道安全支護措施，以確保隧道巖爆地段施工安全，最終將巖爆發生的危害性及可能性降到最低。在1600主平硐巖爆地段采取巖爆施工對策如下：

1)在施工巖爆地段前，針對已有水文、地質資料，加以分析，首先確定1600主平硐區域較大地質應力的數量、等級，其次確定施工過程中易出現巖爆現象的部位及地段，通過對隧道開挖施工工藝、支護型式以及施工順序進行優化，為隧道施工巖爆的提前預防、治理提供相應的依據。

2)在隧道施工過程中，為確定圍巖地質應力的大小以及巖爆發生的可能性，尤為重要的是超前地質探測、預報，對隧道超前地質探測過程形成的地質編錄，以及巖石特性描述進行詳細的分析，以判別巖爆高地質應力可能發生地段、范圍，并在施工中通過監控測量工作，以及對圍巖和支護結構的現場觀察，用于指導開挖和支護施工，以確保施工安全。

3)降低圍巖地質應力。

避免隧道巖爆的發生，可以通過降低圍巖地質應力，使圍巖地質應力小于巖體強度。在隧道施工中通常采取：一是在隧道洞身開挖爆破過程中，采用“短掘短襯”，控制掘進鉆孔深度在2.5 m以下，嚴格控制爆破技術，盡量減少對圍巖的擾動，同時在開挖過程中采用拱部掘進，以改善圍巖的應力狀態。二是在預測巖爆發生地段，對導致巖體應力集中的地段進行破壞，主要有對圍巖超前鉆孔、巖石松動爆破作業，以在圍巖內部形成地質應力釋放帶，降低隧洞側壁和掌子面地質應力，使圍巖較高地質應力在深部發生，其采取的措施一般是在掌子面向前鉆5個～6個，孔徑45 mm～70 mm，深度為15 m～20 m的鉆孔，若預測地質應力較高，應及時進行松動爆破，以達到提前降低或釋放巖體內部應力的效果。

4)改善巖爆地段圍巖特性。

在隧道開挖過程中，為消除或減緩巖爆程度，一般采取在隧道工作面附近巖壁噴水或鉆孔注水的方法，可以改善圍巖、軟化圍巖；通過加強隧道通風，可以降低工作面的溫度，但對圍巖的穩定有一定的影響。

5)加強巖爆地段隧道支護。

通過隧道支護，可以改變圍巖地質應力分布，使隧道洞壁應力發散分布，以降低隧道掌子面以及兩側邊墻、拱頂圍巖應力大小。即在爆破開挖后，先向掌子面及1～2洞徑段內圍巖噴射3 cm～5 cm厚C20混凝土封閉巖面，并加設錨桿及鋼筋網，必要時加設鋼花拱進行噴射混凝土施工，或者在支護過程中采取跳段作業。在開挖過程一定要減少巖石暴露時間，開挖后立即進行初期支護作業，以減少巖層接觸空氣時間。

巖爆地段施工人員和設備進行必要的防護，保證施工安全。

4　結語

白馬鐵礦1600主平硐在業主、設計、監理、施工等各參建單位的大力配合和緊密合作下，深埋高地應力巖爆段施工已全部按照控制目標安全完成。雖然，在施工白馬鐵礦1600主平硐巖爆段施工中積累了一定的經驗，但現有的預測及防治工作與生產實際還有一定的差距。由于深埋高地應力段巖爆問題本身的復雜性與多樣性，且在長大隧道地質災害中具有普遍性，加大對這類隧道發生巖爆機理及施工對策研究具有重大的現實意義。

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