巴玉隧道施工中巖爆風險動態管控措施

韓侃 楊文斌 陳賢豐 王秉勇

（1.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730000；2.中鐵十二局集團第二工程有限公司，太原 030000；3.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070；4.中國中鐵科學研究院有限公司，成都 611731）

1 工程概況

巴玉隧道位于藏南谷地，隧址區地面標高3 260～5 500 m，高差達2 300 m，為典型的高山峽谷地貌。隧道起訖里程為DK190+388—DK203+461，巴玉隧道為重難點控制性工程，全長13 073 m。隧址區地層以花崗巖、閃長巖等堅硬巖石為主，地質構造復雜，最大埋深2 080 m，存在巖爆、放射性、危巖落石、凍害等不良地質，特別是巖爆問題突出，施工安全風險極大，屬于Ⅰ級風險隧道。

巴玉隧道正洞預測巖爆段共計12 242 m，占其長度的94%，其中輕微巖爆段4 106 m，中等巖爆段5 922 m，強烈巖爆段2 214 m。巖爆發生的強度、持續時間、頻率不一，形態多樣，在世界隧道施工史上均屬罕見。為有效應對隧道巖爆，對掌子面前方的地應力、巖爆預警和預防、巖爆等級進行深入分析，探討高原隧道巖爆施工風險動態管控措施。

2 隧道巖爆定義、分類及危害

2.1 巖爆的定義、分類

巖爆是高地應力區隧道開挖后巖體內部存儲的應變能突然釋放，或者是原本處于極限平衡狀態的巖體由于外部擾動，開挖臨空面巖塊劇烈彈射或脫離母巖的動力學現象。隧道開挖前后，圍巖處于高應力狀態，當應力超過巖石強度時巖爆現象會突然發生［1］。

依據巖石單軸抗壓強度Rc、最大主應力σ1和洞壁最大切向應力σmax，將巖爆劃分為4個等級：輕微巖爆、中等巖爆、強烈巖爆、劇烈巖爆［2］。巖爆預判標準見表1。

表1 巖爆預判標準

隧道掌子面的巖性條件和巖層地應力的大小是產生巖爆的2個決定性因素。巖爆的發生必須在巖體中先存儲能量再釋放能量，直到巖體最終被破壞并脫離母巖。因此，巖爆是否發生及其表現主要取決于巖體中是否儲存有足夠的能量，是否具有釋放能量的條件和方式［3］。

2.2 巖爆發生位置、危害及等級判定

2.2.1 巖爆發生位置

巖爆在未發生前并無明顯的預兆，但在隧道開挖施工時突然發生，大部分巖爆發生在掌子面及后方2～3 個洞徑范圍內，有時在掌子面后方幾百米處仍會發生。巖爆發生時間主要集中在爆破后2～6 h。巖爆發生時巖石呈棱片狀、薄片狀、塊狀和板狀，伴隨著劈啪聲和清脆的爆裂聲，巖體深處偶有悶雷聲傳出，零星間斷或持續時間較長（有的巖爆持續數天）。巴玉隧道隨著掘進的進行，埋深越來越大，正洞各掌子面均已進入中等或強烈巖爆區域，施工中巖爆頻發，嚴重影響施工生產安全與進度［4］。

通過對已發生巖爆事件的大量統計，巴玉隧道巖爆常發生在地質結構較完整的Ⅱ級和Ⅲ級圍巖段和構造應力較集中的破碎帶。據現場統計，巖爆發生部位以拱腰為主，占比75%以上，邊墻、掌子面、拱頂發生概率較小。

2.2.2 巖爆的危害

①巖爆彈射的石塊對施工現場作業人員的身體和心理都會造成傷害；②對大型機械設備如鉆孔臺車、濕噴機、挖掘機、裝載機、自卸車等施工機械造成損壞，維修和更換設備的頻率增加；③中等及強烈巖爆地段，伴隨著拱頂、拱腰垮塌，施工安全風險增加；④巖爆發生時，作業人員及機械設備需要停機等待，造成工效嚴重降低，工期不可控；⑤巖爆產生的爆坑，引發的垮塌區域，需要鋼拱架、鋼筋網片、混凝土等填充，造成材料浪費成本增加［5］。

2.2.3 巖爆等級的判定

施工過程中對硬巖段的巖性、巖石的物理力學性能、地應力、開挖、爆破方式等因素進行綜合分析，綜合考慮巖爆的發生范圍、影響深度、巖石形態及運動特征、持續時間、危害程度等多方面因素，參考微震監測數據及現場地質條件，結合已有的巖爆判據判定巖爆等級［6］。

3 隧道巖爆段施工措施

3.1 輕微巖爆段

在巴玉隧道進口DK190+997—DK191+047，DK191+237—DK191+287 等段落，經巖爆預測發生輕微巖爆的概率為88.1%，無巖爆的概率為11.9%，說明有輕微巖爆的風險。

開挖至DK191+020—DK191+030 和DK191+248—DK191+275 段時，掌子面發出輕微噼啪聲、撕裂聲，巖體表面出現分層、松脫、剝離現象，持續時間短，對施工干擾小，人員機械停機，等待應力釋放。

現場采取的措施：①開挖每循環不得超過3 m，盡可能全斷面開挖，一次成型，減小對圍巖的擾動。②及時在掌子面和洞壁噴灑高壓水，灑水量在0.8～1.2 m3∕m，降低圍巖應力。③在巖爆發生段落拱墻布設長2 m?22的砂漿錨桿，環向和縱向間距均為1.5 m。錨桿注漿材料使用普通硅酸鹽水泥或者硅酸鹽和砂子（要求粒徑小于2.5 mm），水灰比0.38～0.45，膠骨比1∶0.5～1∶1，且砂漿強度等級不應小于M20。④在巖爆發生段落拱墻布設?6 鋼筋網，網格間距25 cm×25 cm。采用厚8 cm 錨網噴射混凝土支護，混凝土必須滿足設計的強度、厚度及其與巖面黏結力要求。

采取錨網噴支護后，由于加入了鋼纖維，初噴混凝土強度和整體性得到了提高，有利于抵抗輕微巖爆造成的破壞，深入巖層的系統錨桿可將巖體黏結起來，增加巖體強度，抵抗巖體張裂破壞［7-8］。

3.2 中等巖爆段

在巴玉隧道進口DK191+439—DK191+489、出口DK201+443—DK201+493 等段落，經巖爆預測發生強烈巖爆、中等巖爆、輕微巖爆的概率分別為0.5%，55.3%，28.1%。無巖爆的概率為16.1%，說明有中等巖爆的風險。

開挖至DK191+445—DK191+478 和DK201+460—DK201+480 段時發生中等巖爆，掌子面發出清脆的爆裂聲，巖體表面松脫、剝離嚴重，巖爆持續時間長，有隨時間推移向深處發展的趨勢。剝落巖體呈透鏡狀、棱板狀。爆坑最大深度0.7 m，巖塊彈射最大距離3 m。現場采取的施工措施：①掌子面初噴10 cm 厚CF25 鋼纖維混凝土封閉，進尺控制在2.5 m 以內，盡可能全斷面開挖，一次成型，減小對圍巖的擾動。②及時在掌子面和洞壁噴灑高壓水，灑水量為1.0～1.5 m3∕m。采用超前鉆孔應力解除法釋放部分圍巖應力。③爆破后開挖面及時初噴5 cm 厚CF25 鋼纖維混凝土，鋼纖維混凝土用量為1.0 m3∕m，采用?6鋼筋網，網格間距25 cm×25 cm。打設長3 m?25 漲殼式中空注漿錨桿，錨桿間距1.0 m × 1.0 m，梅花形布置。安裝時錨桿墊板要將鋼筋網壓住后再復噴C25 混凝土5 cm，混凝土用量為1.0 m3∕m。

通過加密加深漲殼式錨桿，增加鋼纖維混凝土初噴厚度，達到快速支護效果，基本控制了中等巖爆。

3.3 強烈巖爆段

在巴玉隧道進口DK193+569—DK193+599、出口DK201+490—DK201+525 等段落，經巖爆預測發生強烈巖爆、中等巖爆、輕微巖爆的概率分別為65.5%，25.5%，7.2%，無巖爆的概率為1.8%，說明有強烈巖爆的風險。

開挖至DK193+570—DK193+588 段時發生強烈巖爆，掌子面大量巖體碎塊出現彈射現象，巖體深處發出強烈的巖爆聲，持續時間長且具有延續性，并且巖爆迅速向深部擴展。巖爆巖體呈塊狀、板狀，巖體中出現較大的弧形凹坑，影響深度達2 m。

現場采取的施工措施：①掌子面初噴CF25 鋼纖維混凝土封閉，進尺控制在2 m，盡可能全斷面開挖，一次成形，減少對圍巖的擾動。②及時在掌子面和洞壁噴灑高壓水，灑水用量1.2～1.8 m3∕m。③為提前釋放應力和降低圍巖應力，在掌子面沿拱墻開挖輪廓線施作?76 超前應力釋放孔，環向、縱向間距分別為1.5，20.0 m，單孔長25 m。④施作?25 超前錨桿，環向、縱向間距分別為0.5，2.0 m，單根長3.5 m。⑤在超前錨桿（或系統錨桿）孔、超前應力釋放孔及炮孔進行高壓注水，或在松動圍巖應力釋放孔內裝藥爆破來提前釋放應力。⑥爆破后開挖面初噴5 cm 厚CF25 鋼纖維混凝土，鋼纖維混凝土用量為1.0 m3∕m；采用?6鋼筋網，網格間距25 cm×25 cm。打設長4.0 m?25漲殼式中空注漿錨桿，錨桿間距1.0 m × 1.0 m，梅花形布置。架設12 cm×12 cm格柵鋼架，縱向間距1 m，復噴厚15 cm的C25混凝土。

通過施作超前應力釋放孔、施作超前錨桿及掌子面噴灑高壓水，提前釋放了巖體儲存應力，快速錨網支護形成穩定結構后再增設型鋼支護，有效防止了應力二次釋放［9］。

3.4 劇烈巖爆段

巖爆預測結果表明4 處有發生劇烈巖爆的風險，但現場開挖后實際發生的是中等～強烈巖爆。巖爆預警區域與實際發生區域均一致。

現場采取的施工措施：隧道開挖前在掌子面和洞壁噴灑高壓水，并在掌子面上打超前應力釋放孔（見圖1（a））。開挖后采取噴射鋼纖維混凝土、施作預應力漲殼式錨桿（見圖1（b））、全環鋪掛鋼筋網等措施，強烈巖爆段架設I18工字鋼等加強支護。

圖1 巖爆防護措施

4 巖爆隧道機械化配套施工

高原地區隧道鉆爆法施工總體上遵循“多電少油，多機少人”的原則［10］，綜合考慮隧道的地質條件、施工長度、斷面大小、輔助坑道設置、工期要求和施工裝備對高原施工環境的適應性，進行機械化配置。

針對高原地區地質條件復雜，氣候環境惡劣，施工風險大的特點，巴玉隧道推行機械化配套施工作業，見圖2。開挖生產線采用三臂鑿巖臺車進行鉆孔作業；出渣生產線采用裝載機、挖掘機扒渣裝渣，北方奔馳大容量自卸運輸車出渣；初期支護生產線采用普茨邁斯濕噴機械手進行噴射混凝土作業。

圖2 機械化配套施工

鑒于巴玉隧道工程地質及施工條件的特殊性，在其機械化配套施工時還應注意：①掌子面所有施工及管理人員佩戴防爆服及防爆頭盔。對主要施工設備采取設置防護網、防護鋼板等安全防護措施。②臺架安裝防護網或鋼板，或設置移動防護棚架防止巖塊飛落，有效保障施工人員及設備的安全。③嚴格控制每循環進尺，加強鉆爆控制；盡可能采用全斷面開挖，一次成形。嚴格控制超欠挖，保證開挖面的圓順和平整度，減少臨空面，降低巖爆發生的概率。④加強超前地質預報和地應力測試工作，現場配備專業地質工程師，準確判別掌子面前方圍巖特性，力爭提前預判巖爆等級，采取針對性措施。⑤開挖采用直眼掏槽和水壓爆破工藝，一方面提高光爆效果，降低對圍巖的擾動；另一方面水壓爆破產生的水汽有助于軟化圍巖，降低圍巖應力，減少巖爆發生［11］。

采用機械化配套施工不但加快了施工進度，提高了施工效率，而且減輕了勞動強度，減少了人員投入，確保了隧道施工安全。

5 巖爆隧道施工管理

針對現場技術人員和作業人員，應從如下幾方面加強施工管理：①設置專職安全人員全天候巡視警戒及監測（見圖3），當聽到圍巖發出類似悶雷的聲音時，盡快撤離施工人員和設備；②加強對施工人員的安全紀律教育，加強施工人員關于巖爆的常識和防護知識的學習；③嚴格執行相關技術和安全操作規程，危險區域增加照明設施并設置明顯的警告標志；④每個工作面安裝監控攝像裝置，清晰記錄巖爆發生情況，為后續巖爆機理研究積累素材；⑤每次巖爆發生時，作業人員及設備均應及時躲避一段時間，待巖爆平靜后方可施工；⑥加強機械化配套施工，減少作業人員，降低安全風險；⑦施工前全面做好應急演練，施工現場做好應急物資儲備工作。

圖3 巡視警戒及監測

6 結論

巴玉隧道的工程地質環境、地應力條件、巖體的儲能和釋放能量的差異，決定了其有輕微～強烈的巖爆傾向。結合巖爆預測結果，現場采用以下措施對巖爆區段施工風險進行動態防控：

1）采用“三步走”策略，即優化工程布置和開挖參數，減少開挖引起的巖體內部能量集中程度；采用應力釋放措施，釋放和轉移儲存在巖體中的部分能量；利用支護系統，吸收巖體釋放的能量。

2）主動預防和被動防護相結合。提前釋放圍巖應力，同時采取噴射鋼纖維混凝土、施作預應力錨桿、全環鋪掛鋼筋網等被動防護措施。

3）采用直眼掏槽和水壓爆破工藝，提高光爆效果，降低對圍巖的擾動；水壓爆破產生的水汽有助于軟化圍巖，降低圍巖應力，減少巖爆發生。

4）隧道巖爆段采用機械化配套施工，既可加快施工進度，提高施工效率，又可最大限度地減少施工作業人數，確保隧道施工安全。