鐵路高原巖爆隧道施工技術(shù)研究

王志強WANG Zhi-qiang

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原 030000）

1 工程概況

某高原鐵路隧道，起止里程DK261+268～DK268+420，全長7278.322m，隧道位于四川盆地與青藏高原過渡的西南緣。所經(jīng)處地勢陡峻，地表高程2710～4120m。

隧道最大埋深1185m，地質(zhì)作用強烈，地震活動頻繁，地區(qū)應(yīng)力高，根據(jù)地應(yīng)力合公式推測，最大埋深處最大水平主應(yīng)力量值可達(dá)91MPa，隧道深埋段巖性為粗粒二長花崗巖，構(gòu)造應(yīng)力突出。通過采用強度應(yīng)力比法、地質(zhì)綜合法進行綜合預(yù)測，本隧道存在巖爆長度為825m，占比11.3%。以輕微、中等巖爆為主，部分段落為強烈?guī)r爆。

因高地應(yīng)力引發(fā)的巖爆成為本隧道施工中的重要工程技術(shù)難題。

2 巖爆情況及原因分析

2.1 巖爆發(fā)生狀況

當(dāng)隧道出口工區(qū)施工至DK267+190～+260 段時，在隧洞掘進過程中，洞身拱部、頂部連續(xù)出現(xiàn)清脆的爆裂聲，并伴有小片狀巖塊崩落，可初步認(rèn)可為輕微巖爆現(xiàn)象。當(dāng)隧道出口工區(qū)施工至DK267+260～+310 段時，在隧洞掘進過程中，洞身拱部、頂部連續(xù)出現(xiàn)輕微、中等巖爆。

隨著掘進長度的增加，巖爆的頻率及烈度呈不斷加強的整體趨勢。

2.2 原因分析及后續(xù)施工隧道段落的巖爆評估

本隧道出現(xiàn)輕微、中等巖爆處的洞身埋深均超過600m，該段圍巖以粗粒二長花崗巖為主，該區(qū)域地質(zhì)作用強烈，地震活動頻繁，圍巖構(gòu)造應(yīng)力突出，且該段基本無地下水活動，隧洞巖體干燥。經(jīng)對圍巖巖體抗壓試驗強度在80～120MPa 范圍內(nèi)。

在爆破掘進開挖圍巖后，圍巖的高應(yīng)力處于重新分布及平衡過程中，因圍巖整體性好且強度、硬度大，應(yīng)力無法通過自身變形、壓縮，或是通過節(jié)理、裂縫進行調(diào)整及釋放[1]。由于爆破后巖面不規(guī)則，出現(xiàn)應(yīng)力集中處，當(dāng)應(yīng)力集中力超過巖體所能承受的應(yīng)力值后，產(chǎn)生不同程度的巖塊崩裂（巖爆）現(xiàn)象。

由于隧道埋深隨著掘進長度的加大而加深，故上述隧道巖爆的頻率及烈度呈不斷加強的整體趨勢。DK267+310段的隧道洞埋深約為750m，尚距本隧道的最大埋深1185m 還有相當(dāng)大的差距，預(yù)計隨著隧道的掘進，以中等巖爆為主，出現(xiàn)強烈?guī)r爆也為大概率事件。為確保安全及巖爆地段的施工進度，本項目開始進行高原巖爆隧道施工技術(shù)的研究。

2.3 本隧道巖爆的主要特征

①巖爆發(fā)生段落的圍巖為硬脆性較高的花崗巖。圍巖以爆裂、彈（拋）射現(xiàn)象出現(xiàn)，同時伴有響聲，具有較大的突變性和破壞性。

②通常在拱頂及兩側(cè)邊墻的巖爆較為強烈，導(dǎo)致通風(fēng)管道及輸電線路遭受較大損壞。同時，對施工人員造成傷害的風(fēng)險也大。

③巖爆發(fā)生最為頻繁處為距掌子面20～30m 段，距離掌子面越遠(yuǎn)，發(fā)生巖爆的頻率越少。距離掌子面最遠(yuǎn)巖爆約190m。由圖1 的巖爆發(fā)生滯后掘進時間的曲線圖可看出，本隧道的巖爆既有即時型，也有滯后型。在掘進后的2～24h 內(nèi)為巖爆的集中發(fā)生時段，故在各工序施工時段均需密切關(guān)注圍巖出現(xiàn)微震、聲響及開裂等巖爆發(fā)生的前奏情況，并爭取于掘進后2h 內(nèi)完成整治巖爆的措施。

圖1 巖爆發(fā)生次數(shù)與滯后掘進時間關(guān)系曲線

④發(fā)生巖爆地段的地下水不發(fā)育，巖面呈干燥狀況。有地下水活動之處則不會產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象。

3 基于高原及巖爆特征所采取的綜合防治措施

為整治巖爆，制定了“機械為主、預(yù)警先行、提前預(yù)防、根源整治、妥善防護”等原則。結(jié)合以往隧道巖爆整治經(jīng)驗、最新研究成果及技術(shù)創(chuàng)新。主要采取以下措施：

3.1 采取機械配套施工

針對高原缺氧，人工效率降低，安全風(fēng)險高等特點，本隧道實行機械配套化生產(chǎn)線施工作業(yè)。由全電腦三臂鑿巖臺車鉆孔、履帶式扒渣機扒渣、大運量北方奔馳自卸車出渣、普次邁期濕噴機械手噴砼、高效輪式液壓錨桿鉆孔機等配套設(shè)備組成生產(chǎn)線。

隧道施工機械的配套化不僅能夠提高效率，加快進度，且減少了作業(yè)人員和勞動強度，即最大限度地減少了作業(yè)人員及工作時長，加快了巖爆整治措施的施做，有效確保了人生安全及施工進度。

3.2 預(yù)警先行

巖爆隧道施工遵循“預(yù)警先行”的原則，本隧道形成了由超前地質(zhì)預(yù)報、微震監(jiān)測系統(tǒng)等形成的綜合巖爆預(yù)報預(yù)測系統(tǒng)。

3.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報

采用地質(zhì)雷達(dá)根據(jù)電磁波的反射情況，預(yù)測掌子面前方50m 范圍內(nèi)的水文地質(zhì)及圍巖構(gòu)造情況。TSP 法根據(jù)反射的地震波，預(yù)測掘進掌子面前方300m 范圍內(nèi)的水文地質(zhì)及圍巖構(gòu)造情況。并結(jié)合地質(zhì)情況，分析圍巖的完整性、地下水發(fā)育情況及開挖面巖體構(gòu)造，工程師基于經(jīng)驗對掌子面前方各里程發(fā)生巖爆的可能性及強度進行預(yù)測。

3.2.2 巖爆微震監(jiān)測

以往的巖爆經(jīng)驗表明，巖爆出現(xiàn)前通常伴隨著較為頻繁的微震現(xiàn)象，可利用上述規(guī)律預(yù)測巖爆，若某區(qū)域有微震在短時間內(nèi)不斷出現(xiàn)，則表明此處大概率會出現(xiàn)巖爆[2]，安全風(fēng)險高。

本項目通過微震監(jiān)測（如圖2 所示）發(fā)現(xiàn)巖爆與微震在時間、空間及強度分布上存在明顯存在關(guān)聯(lián)性，且微震現(xiàn)象具有超前特性。微震一般情況下能提前1～3d 預(yù)測巖爆，使我們能夠有足夠時間采取相關(guān)防護措施，消除或控制巖爆破壞程度，避免造成人員傷亡、機械損壞。

圖2 技術(shù)人員進行微震監(jiān)測

3.3 圍巖加固措施

3.3.1 圍巖加固措施

①巖爆區(qū)域噴砼改普通砼為高性能鋼纖維砼（C30），鋼纖維的摻入使砼具有較佳的柔性和強大的承拉能力。確保可在更大變形及荷載作用下砼表面不會開裂。將因巖爆而松動的石塊清理干凈后，噴射鋼纖維砼填補巖爆坑，達(dá)到減弱巖爆的烈度，以保護人員及設(shè)備，防止錨桿之間的巖塊碎片爆出，并將未能清理的松動塊石粘結(jié)，避免落下傷人。施工實踐表明，在噴砼厚度足夠時，能夠有效避免巖塊繼續(xù)剝落。

②設(shè)置漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿。漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿前端裝有漲殼結(jié)構(gòu)，通過漲殼漲開而卡緊在洞壁上。并可通過墊板施加預(yù)應(yīng)力形成錨桿對圍巖的預(yù)加壓力而增強圍巖的抗破壞性能，并可將高壓水泥漿從錨桿中空中注入孔洞及周邊的圍巖中，使巖體抗破壞性能得到進一步的加強[3]。錨桿插入，施加預(yù)應(yīng)力使?jié)q殼漲開，錨桿即可受力，在第一時間起到穩(wěn)固圍巖的效果，后期適時再注漿，不耽誤施工進度。本隧道使用的φ32mm 漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿，根據(jù)具體情況，布置長度6.0～9.0m。巖爆部位系統(tǒng)布置間距為0.5～1.0m。

③設(shè)置消能防護網(wǎng)，支撐鋼架。采用消能防護網(wǎng)或支撐鋼架配合錨噴支護，以加固圍巖。消能防護網(wǎng)采用成品的布魯克網(wǎng)，支撐鋼架采用格柵鋼架。在巖爆強烈且頻繁部位，在塌坑處掛設(shè)布魯克消能網(wǎng)，或加支撐鋼架，布魯克與錨桿端頭焊接。隨后噴射鋼纖維砼，形成保護殼體的同時，使地應(yīng)力重分布，減輕巖爆的烈度。布魯克具有強度高、重量輕、掛設(shè)迅速等優(yōu)點。

3.3.2 分級采取圍巖加固措施

輕微巖爆段落噴射C30 高性能鋼纖維砼，打設(shè)低預(yù)應(yīng)力漲殼式中空注漿錨桿。

中等巖爆段落噴射C30 高性能鋼纖維砼，打設(shè)低預(yù)應(yīng)力漲殼式中空注漿錨桿，設(shè)置消能防護網(wǎng)，必要時增設(shè)鋼架。

強烈?guī)r爆段落噴射C30 高性能鋼纖維砼，打設(shè)低預(yù)應(yīng)力漲殼式中空注漿錨桿，設(shè)置消能防護網(wǎng)，安設(shè)鋼架。

3.4 應(yīng)力調(diào)整、解除法

3.4.1 噴灑高壓水降低圍巖應(yīng)力

爆破后，立即將高壓水噴灑向掌子面及附近隧洞壁面，洞壁噴灑長度離掌子面超100m 以上，按間隔時間為5～10min 灑水3 次。安裝錨桿后，利用中空錨桿向圍巖深處壓注水，軟化巖體，降低脆性，能有效減弱巖爆的發(fā)生及烈度。

3.4.2 超前應(yīng)力解除

超前應(yīng)力解除法有兩種方式：①鉆設(shè)超前孔釋放應(yīng)力；②鉆設(shè)超前孔應(yīng)力釋放孔，且在孔內(nèi)實施松動爆破，形成低彈性層。兩種方式的做法如下：

1）鉆設(shè)超前孔釋放應(yīng)力。

該法的目的是使圍巖高應(yīng)力得以解除或是降低，應(yīng)力釋放超前孔除了釋放地應(yīng)力外，還具有超前地質(zhì)預(yù)報、注水孔、松動爆破孔等多種作用。超前應(yīng)力釋放孔的布置方式、孔徑根據(jù)巖爆強度及地質(zhì)情況進行選擇。本隧道中級巖爆的應(yīng)力釋放孔（如圖3 所示）沿隧道外緣環(huán)向布置，孔間距1.5m，深3～5m，孔徑φ50mm。強烈?guī)r爆孔距為1.2m，其余參數(shù)不變。

圖3 超前應(yīng)力解除孔布置示意圖

2）設(shè)置低彈性破碎帶。

鉆設(shè)超前孔應(yīng)力釋放孔，且在孔內(nèi)實施松動爆破。在圍巖內(nèi)部爆破后形成破壞帶（低彈性層），轉(zhuǎn)移巖體高地應(yīng)力往深處。從掌子面開始，向掘進的前方鉆設(shè)超前孔，與洞壁保持一定距離H，實施炸藥爆破制造厚度為δ 的松動圈（如圖4 所示），降低巖體的切向應(yīng)力。因是堅硬巖體中的內(nèi)部爆破，除了鉆設(shè)爆破孔外，還需鉆設(shè)容積補償孔（非裝藥孔）才能形成松動圈。松動圈的厚度通過裝藥量來控制，具體參數(shù)試驗確定。該法通常用于中等及以上巖爆，實際施工效果表明該法能夠極為改善巖爆強度，甚至消除巖爆。

圖4 設(shè)置低彈性破碎帶

3.5 膨脹錨桿防護掌子面

由于工期緊，不能因為處理巖爆而延誤掘進，掌子面需在盡短的時間內(nèi)完成下一掘進循環(huán)的準(zhǔn)備工作。采用膨脹錨桿對掌子面巖爆實施控制。在隧道掘進每循環(huán)為1.5m 時，在掌子面上均勻布設(shè)24 根4.5m 長的膨脹錨桿，即每循環(huán)掘進后1.5m 錨桿被截斷，但仍有3.0m 錨桿存留在掌子面巖體內(nèi)，還能有效加固巖體，約束巖爆。實踐表明膨脹錨桿是一種迅速承力、科學(xué)有效的巖爆控制技術(shù)。

4 人員、機械設(shè)備安全保障措施

①機械化施工以減少施工人員，設(shè)置防護臺架，掌子面附近人員穿防彈背心、戴安全帽防護；機械設(shè)備設(shè)置防護網(wǎng)罩、頂部加裝鋼板等防護措施。對大型機械盡可能改裝成遠(yuǎn)程操控，人員位于安全區(qū)域。

②大型機械設(shè)備考慮高原工效降低系數(shù)，同時盡可能采用高原型設(shè)備。建立大型機械設(shè)備易損配件儲存?zhèn)}庫，創(chuàng)辦大型機械設(shè)備操作人員培訓(xùn)基地，各工點配置專業(yè)機械維修車間，配備專業(yè)維修人員保證機械設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。與其它隧道的機械設(shè)備型號盡可能一致，以保證配件供給、維護成本最低，并保證最快速度解決機械設(shè)備故障。

③洞內(nèi)作業(yè)設(shè)專人值班警戒，并在巖爆危險段增加照明，設(shè)置設(shè)警告牌。加強巖爆預(yù)測，當(dāng)圍巖裂開、有聲響（悶雷般）時，停機待避。

④施工作業(yè)中發(fā)生巖爆時，停止作業(yè)，人員待避。確認(rèn)安全后再進行作業(yè)。

⑤做好發(fā)生巖爆的時間、位置、強度、類型及數(shù)量等記錄總結(jié)巖爆規(guī)律指導(dǎo)后續(xù)施工。

⑥巖爆地段施工采取“短進尺、密鉆眼、強光面、弱爆破”的施工方法，循環(huán)進尺與圍巖分級及巖爆強度相適應(yīng)，控制裝藥量，減少對圍巖的擾動。

5 結(jié)束語

隧道發(fā)生巖爆的突發(fā)性及強動能給隧道施工帶來了嚴(yán)重威脅，雖然本項目在高原巖爆隧道施工中采取的系列綜合措施行之有效，確保了隧道巖爆段安全及順利的掘進。但工程界尚未完全了解隧道巖爆的形成機理。且?guī)r爆還具有隱蔽性、復(fù)雜性和突發(fā)性等特征，現(xiàn)有巖爆預(yù)測技術(shù)、整治措施尚未完善，需各位工程建設(shè)者作一步的技術(shù)研究及經(jīng)驗的總結(jié)、積累，真正獲得科學(xué)、完善的巖爆災(zāi)害治理措施。