超深埋隧道高地應力巖爆施工技術分析

韋 猛，李勁鋒，童 源

（成都理工大學，四川 成都 610059）

我國建設工程在對巖爆產生的類型、原因、激烈強度、等級、預防治理等都有一定的研究成果。當前在隧道工程施工中，施工方經常會面臨復雜多變的工程地質條件和巖體性質，這會對超深埋隧道高地應力巖爆施工造成諸多不便。為此，研究巖爆問題的過程中要基于實際工程背景進行項目研究，此次研究便結合北京—昆明高速公路中的一段隧道施工，系統地探討了該隧道施工中巖爆的預測研究和巖爆防治工程措施。

1 超深埋隧道高地應力巖爆施工工程概況

該高速公路隧道位于北京—昆明高速路段，為雙線分離式隧道，隧道的工程理論設計車速為80km/h，當前隧道的左線總長度為9800m，右線總長度為10007m，隧道在施工過程中可采用單口掘進的方式，向前開拓約5000m。當前該隧道是亞太地區單口掘進長度最長的隧道之一，隧道在施工過程中的最大埋深達到1648m，為中國之最。但在該隧道的施工過程中，施工方發現隧道施工中地質情況極容易產生異變，隧道埋深段在施工中易產生高地應力，這給施工帶來了一定的安全隱患。

2 超深埋隧道高地應力巖爆施工技術

2.1 超深埋隧道高地應力巖爆施工技術原理

超深埋隧道高地應力巖爆施工中主要是通過弱化周邊圍巖應力條件，防止在施工中出現巖爆事件。防止巖爆的主要方法如下：超前小導洞開挖法、短臺階施工法、優化爆破設計、動臂噴水或鉆孔注水、提前釋放高地巖體應力、隧道內部噴射鋼纖維混凝土等。

2.2 超深埋隧道高地應力巖爆施工技術方案

在超深埋隧道高地應力巖爆施工中，施工方首先需要測試高地應力環境下的圍巖地應力和巖體的強度，在不同的超深埋隧道高地應力巖埋深條件下進行巖體壓力檢測，進而預判巖爆的程度。施工方在實際的操作中可以采用脹殼式錨桿支護結構，通過該結構與不規則鉆孔面結合施工，將圍巖區域徹底鎖死。同時在施工中還可以采用噴射混凝土的方式，向巖體噴涂超細沸石粉，使混凝土可以在第一時間快速凝結，進而起到支護作用。

3 超深隧道高地應力巖爆施工中防巖爆方法

3.1 臺階法或超前導洞法

當前在我國軌道交通施工中大部分施工單位均通過臺階法或超前導洞法防止巖爆現象的發生，在施工中采用該方法可以避免隧道開挖引起的高應力，且不會對周邊圍巖造成影響。根據有關調查數據顯示，隧道開發施工中圍巖中的應力最集中區域為隧道中心區域，因而在分部開挖的過程中，施工方需要嚴格控制隧道的開發半徑，有效減小開發過程中所影響的圍巖區域，同時也可以減小圍巖中所釋放的彈性性能區域，防止巖爆現象發生。當前大量的工程實踐證明，采用超前導洞法對輕微巖爆具有良好的防控作用。

3.2 光面爆破技術

在超深埋隧道高地應力巖爆施工中采用光面爆破技術需要設計科學合理的爆破方案，通過縮短孔間距，將爆破炮眼的間距控制在50cm以下，并將爆破藥卷的直徑控制在20cm，對于爆破過程中的起爆雷管數量，可以根據工程的實際應用適量增多，嚴格控制爆破過程中所采用的爆藥量，避免在爆破過程中對周邊的圍巖產生干擾。同時施工方還需要對參與爆破工作的施工人員進行事前培訓活動，在培訓中需做好安全交底工作，強化隧道施工人員的作業素質。

4 超深隧道高地應力巖爆施工質量控制措施

4.1 改善地層的力學性質

在超深埋隧道高地應力巖爆施工中，施工方想要改變施工區域自然沉積土的某一力學性質，就需要采用灌漿技術來改變施工區域的自然沉積土力學性質。如施工方在超深埋隧道高地應力巖爆的挖掘過程中遭遇了大面積的粉細砂巖地層，而粉細砂巖地層會對施工中的挖掘工作產生不良的影響，不及時處理會造成整體工程的進展滯后。施工方通過灌漿技術改變粉細砂巖的力學性質，在具體的施工中施工方通過分析西單地鐵車站的構造結構，推斷出粉細砂巖地層的覆蓋厚度在5.2～6.7m。若該車站屬于繁華商業區施工的超淺埋暗挖車站，施工人員為了保護地鐵挖掘過程中地面上方的建筑物不會受到地鐵挖掘過程中的影響，避免發生地面沉降的事故，可在地鐵挖掘的施工中采用雙側壁施工工藝，通過大管棚和小導管進行超前灌注施工，使施工區域的土層固結度達到0.57～0.82MPa。同時施工方還可在滲透系數為3.1×103～4.4×103cm/s的粉砂地質層注入適量的水玻璃、工業硫酸、水碳酸氫鈉混合漿液，通過將這樣的漿液注入粉砂地質層，使粉砂地質層在15～45min開始凝固，這樣不僅可以有效提升施工區域地質層的強度和硬度，同時還可以將施工區域地面的沉降控制在3～15cm以下。

4.2 對流沙層進行灌漿施工

當超深埋隧道高地應力巖爆施工中出現流沙層時，如施工方不及時處理流沙層，則容易造成超深埋隧道高地應力巖爆開挖洞口的塌陷。為此，在施工過程中，施工方需要對超深埋隧道高地應力巖爆施工中的流沙層進行灌注漿施工，這樣可以有效防止流沙層在施工中發生坍塌事故。例如：在我國合肥的地鐵2號線施工過程中，位于大東門的地鐵站共有上下4層，其中地下的3層與主隧道站臺緊緊聯系在一起，施工方在施工過程中采用南北斜隧道為單動馬蹄形的結構進行開挖。在進行隧道開挖的過程中，由于隧道多為平直斷，因此開發過程中沒有遇到其他問題，開挖至隧道斷面呈上半層時，發現了一條寬為1.7m的細粉沙帶地質層。這條地質層中含水量豐富同時與周邊的地表水有著密切的聯系，在開發過程中一旦將該地質層挖斷，就會發生涌砂現象，從而導致地質層整體發生坍塌事故。施工方為了保證施工過程的安全性，需要對該地質層進行灌漿施工。在施工過程中對流沙層采用超前小導管灌漿，在灌漿的過程中現場人員通過將水泥漿與水玻璃進行1.5∶1的比例配合，然后將配置好的漿液灌入流沙層中，該漿液在3～5min便會發生凝結，可以確保在隧道的施工中不會發生涌砂現象，同時通過灌漿技術還可以進一步穩固施工區域的土質，這樣可明顯提升施工區域中的土層承受地面車輛荷載能力，從而保障超深埋隧道高地應力巖爆施工中的安全性。

4.3 提高錨桿抗拔力

在超深埋隧道高地應力巖爆施工中，通過灌漿施工技術可以有效提高隧道施工中的錨桿抗拔力。目前在國內外工程界為了增大超深埋隧道高地應力巖爆施工中錨桿錨固段的直徑，施工方通常會采用爆破擴樁法、機械擴樁法和灌漿法，通常錨桿的固體直徑直接取決于灌漿量的大小程度。有關調查顯示，灌漿量在0.2m3時，相應的擴散半徑可以達到8.4cm，注漿壓力為0.25MPa，錨桿抗拔力為375kN；灌漿量在0.25m3時，相應的擴散半徑可以達到9.3cm，注漿壓力為0.25MPa，錨桿抗拔力為396kN；灌漿量在0.3m3時，相應的擴散半徑可以達到10.4cm，注漿壓力為0.42MPa，錨桿抗拔力為465kN等。由此可見，超深埋隧道高地應力巖爆施工中錨桿的抗拔力會隨著灌注漿量的增大而隨之增大，同時隨著灌注銷量的增大，有效半徑的面積也會隨之增大。但在實際施工中，靠近灌注泥漿區域的漿液擴散主要以滲透為主，而在漿液擴散較大范圍內的地層固結度顯著偏低。例如：在我國成都地鐵4號線江南西車站出入口進行施工的過程中，施工方為了保證基坑靠近建筑物一側的邊坡具較高的穩定性，施工方在靠近建筑物的邊坡附近設置了相應的錨索。其中，在施工過程中設置南站廳基坑維護樁底部直徑為5mm，預應力錨索長度為1.5m，該預應力錨索所在施工中的角度為15～30°，錨索的鉆孔直徑達到130mm。在施工中施工方采用靜壓注漿法，通過注入大量的水泥砂漿，可將基坑邊沿最大地表下沉量控制在8mm以下，進而有效保證地鐵站區域大樓的安全。

5 結束語

文章通過研究北京—昆明高速公路區域的超深埋隧道高地應力巖爆施工處置措施，證明了在超深埋隧道高地應力巖爆施工中光面爆破作業、超前導洞法、臺階法在應用中的可行性。此外，通過對隧道巖爆易發生段開展實地調研活動，可以避免在超深埋隧道高地應力巖爆施工中出現工序返工問題，降低在超深埋隧道高地應力巖爆施工中生長的安全風險和施工成本，從而保障隧道施工中超深埋隧道高地應力巖爆施工作業可以安全、高效、快速完成，進而促進我國區域經濟的發展。