公路隧道項目層狀巖體的巖爆機理及防控探討

任開富

摘要 隧道巖體結構面的存在，對巖體力學特性產生了直接影響，使其結構完整性、巖體強度明顯降低，并與巖爆產生有密切關系。某山嶺隧道圍巖有大量產狀近水平的結構面，受地應力影響巖爆多發。基于此，文章以子母巖隧道工程的巖爆案例為依托，提出了層狀巖體脆斷失穩臨界應力計算公式，并借助能量理論對層狀巖體巖爆產生的力學機制加以分析，并結合誘因采取了積極的解決方案。

關鍵詞 隧道工程項目；層狀巖體；巖爆機理；巖爆防控措施

中圖分類號 U451.2文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）11-0149-03

0 引言

充分認識巖爆產生機理，了解巖體結構面與巖爆內在關聯，結合誘因采取合理控制措施，以提高隧道施工質量及安全。巖爆力學機制復雜，一般認為高地應力圍巖在隧道施工過程中應力蓄積至一定水平后，突然爆發應力能為主要誘因。該文基于子母巖隧道拱頂巖層巖爆實例，對隧道巖爆力學機制加以分析，以能量理論為基礎對巖爆防控措施進行了深入研究。

1 工程概況

子母巖隧道位于道真縣洛龍鎮境內。為分離式特長隧道，起點樁號為ZK29+240（YK29+223），終點樁號為ZK42+635（YK42+596）全長7 390 m（7 407 m）。分為重慶段及貴州段，貴州段起點樁號為ZK37+287（YK37+203），終點樁號為ZK42+635（YK42+596）長5 348 m（5 393 m）。隧道左幅進口端平面線形位于曲線上，圓曲線半徑為R=961 m，渝黔交接處為直線，出口端平面線形位于直線上。右幅進口端平面線形位于曲線上，圓曲線半徑為R=959 m，渝黔交接處位于直線上，出口端平面線形位于直線上。隧道左右幅均為單面坡，左幅縱坡為1.77%，右幅縱坡1.75%。左洞超過500 m上埋深段落長度923 m，頂板最大埋深694.9 m。右洞超過500 m上埋深段落長度897 m，頂板最大埋深701.7 m。

現場實測鉆孔395.19～516.78深度范圍內最大水平主應力為14.08～17.71 MPa，最小水平主應力為9.15～10.89 MPa，垂直主應力范圍8.72～11.38 MPa，以水平主應力為主。現場實際施工在200 m埋深時便發生了巖爆，如圖1所示。

2 層狀巖體巖爆機理分析

以隧址區地質條件為基礎，結合巖爆區域、巖體力學指標，隧址鉆孔實測結果顯示，最大主應力為水平主應力P1，最小主應力為豎向應力值P3，兩者關系如圖2所示。

隧道地應力環境下開挖隧道的洞壁徑向應力值σr和剪切力τ均為0，切向應力值σθ在巖體不同斷面水平有所差異[1]。如圖2所示A點為洞壁拱頂即洞壁最大切向應力P1出現點，最大主應力值P1與最小主應力P3平行，拱頂和邊墻的切向應力分別用下式表示：

水平方向地應力水平大于豎向地應力值，隧道開挖過程中地應力作用下拱頂切向應力水平最大，導致拱部易出現巖爆現象。拱頂部位層狀巖體平均厚度為t，厚度極限值為Et，層面產狀接近于水平，導致隧道開挖過程中拱頂巖體部分虛空，無支撐段的長度為l，詳見圖3。為便于計算，對巖層受力情況加以簡化，厚度記為t，無支撐段的巖層水平應力為P，則由于層狀薄板厚度小，較高水平應力值P影響下，無支撐段巖層易出現斷裂崩落。根據彈性力學理論推算層狀巖體失穩狀態下的臨界應力σcr計算公式如下：

現場調研結果顯示巖層巖爆崩落巖板長度和寬度水平基本相同，結合上述公式可知：

由上述公式可知隨著巖板厚度t值和泊松比v的增大，巖板脆斷失穩的臨界應力σcr增大，隨著無支撐段長度l值增大巖板脆斷失穩的臨界應力σcr減小。分析巖爆過程可知，水平應力作用下圍巖豎向黏合力逐漸被抵消并導致拱頂圍巖逐步分離。

3 層狀巖體巖爆防控技術

3.1 總體施工方案

采用多種措施加強超前地質預報，探明掌子面前方地質情況，根據隧址地質資料及現場實際地質情況，對隧道巖爆等級進行評估，借鑒該隧道及其他隧道巖爆處理經驗采取有效處理措施。該隧道巖爆處理措施主要包括：在爆破鉆孔作業時，加密隧道輪廓線位置炮眼，同時間隔加深炮孔，加深部分不裝炸藥，提高光面爆破質量，保證巖壁光滑，同時提前釋放地應力。變更加強隧道初期支護，保證巖爆崩落巖體不破壞初期支護，確保已施工段落下方施工人員安全。爆破后等待1～2 h，然后采用高壓水噴灑掌子面巖壁，充分釋放巖爆應力，設置防護臺架對施工人員及機具進行保護，保證后續施工安全。

3.2 超前地質預報

采用TRT隧道地質預報系統進行長距離地質預報，采用地質雷達進行短距離預報，結合掌子面超前探孔多種手段探明掌子面前方地質情況。采用微震監測系統對巖爆隧道段進巖爆監測預警，結合地質預報結論，提前預測巖爆發生位置及時間。施工人員及機械設備在巖爆發生前提前撤離，避免巖爆產生安全事故，最大限度地降低經濟損失[2]。

3.3 光面爆破

（1）控制掌子面周邊眼間距在30 cm以內，采用不耦合裝藥，減小爆破能量對巖層的破壞，保證開挖輪廓線圓順，避免開挖面應力集中，控制巖爆產生的危害程度。

（2）優化爆破方案，縮短隧道開挖每循環進尺在2 m左右，減少每次炸藥總用量。采用電子數碼雷管，精確控制每炮爆破時間間隔，控制爆破時間滿足實際地質要求，避免爆破能量集中疊加誘發巖爆。

（3）在掌子面拱頂鉆一些空炮眼，不裝炸藥，提前釋放圍巖地應力。

3.4 加強初期支護

3.4.1 輕微巖爆區

隧道掌子面爆破后，等待2 h待巖爆減弱后，在安全地帶用高壓水對開挖面洞壁進行噴水，充分淋濕開挖面，再進行危石排除，然后進行初期支護施工作業。初支作業時，設專人觀察拱頂圍巖及掌子面情況，發現異常情況及巖爆情況時，及時通知施工作業人員撤離至安全區域，待圍巖穩定，不發生巖爆，確認安全后再繼續施工[3]。

3.4.2 中等巖爆區

針對中等巖爆區，先按輕微巖爆區處理措施實施噴水后，噴射5 cm厚C20早強混凝土封閉掌子面，采用雙臂鑿巖臺車在掌子面按圖4鉆應力釋放孔，孔徑?70 mm，深6 m，環向及徑向間距1 m，封閉孔口，高壓注水，加快釋放地應力。待圍巖應力充分釋放后再施工初期支護，根據實際情況，調整初期支護型鋼拱架間距、大小、超前支護小導管等參數加強初期支護。

4 巖爆防護措施

根據巖爆地段實際情況在隧道初期支護，炮眼鉆孔作業時設置臨時防護臺架（詳見圖5所示）。防護臺架采用開挖臺車改裝，增加縱向滑道、頂升系統及拱頂弧形防護棚[4]。防護臺架對施工人員和設備進行有效防護，防止巖爆飛石傷人和砸壞機具，以保證施工安全。

5 結論

綜上所述，薄層巖層脆性斷裂是引發公路隧道巖爆的主要誘因，基于力學機制分析，拱頂圍巖破裂形成的巖板厚度與巖爆劇烈程度關系密切，且地應力水平保持不變的情況下，結構面間距與巖爆強度之間關系密切。基于項目實際地質特征，可采取光面爆破、加強初期支護、鉆應力釋放孔及設置防護臺架等處理措施，有效控制巖爆發生頻率，降低其危害程度，被動防護，保證隧道施工安全。

參考文獻

[1]王登科， 駱建軍， 文紹全， 等. 巖層傾角對層狀偏壓隧道圍巖穩定性影響分析[J]. 北京交通大學學報， 2022（3）： 95-102.

[2]沙鵬， 趙逸文， 高書宇， 等. 隧道層狀巖體質量評價的BQ分級改進[J]. 工程地質學報， 2020（5）： 942-950.

[3]姚錫偉， 周辀， 陶盛宇. 雙弱面層狀巖體本構模型及其工程應用[J]. 公路交通科技， 2020（8）： 81-89.

[4]唐勇， 孫智慧. 層狀軟巖隧道開挖穩定性及錨桿非對稱支護方式研究[J]. 重慶交通大學學報（自然科學版）， 2020（4）： 52-60.