公路深埋隧道項目巖爆防控技術分析

陳照海

摘要 公路隧道工程地質狀況復雜、隱蔽性強、施工難度大，極易產生施工安全事故，尤其對于深埋隧道而言，巖爆等地質災害頻發，嚴重威脅施工安全，施工中加強巖爆防控尤為重要。鑒于此，文章針對公路深埋隧道巖爆防控技術展開綜合探究，闡述了巖爆類型、機制、評價預警與防控原則，提出了巖爆的主動防控和被動防控技術措施。主動防控技術措施主要有鉆孔應力釋放、超前應力解除爆破、設置先導洞、高壓噴水、鉆孔注水、超前錨桿和預應力錨桿支護等。被動防控技術措施有噴錨支護、鋼支撐、柔性鋼絲網等。文章針對巖爆風險較高的隧道工程，提出了主動+被動聯合防控措施，具有重要的參考意義。

關鍵詞 公路隧道項目；深埋隧洞；巖爆防控；防控技術要點

中圖分類號 TV554文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0093-03

0 引言

近年來，隨著科技的不斷進步，公路隧道項目建設取得突出成就，運營里程越來越長，埋置深度越來越大，有效推動了交通運輸行業的發展。但由于深埋隧道地質狀況復雜，受高地應力、高地溫、地下水及施工影響較大，極易產生地質災害，其中以巖爆最為典型，嚴重影響施工安全。現階段，大部分深埋隧道施工時，結合自身實際特征，采取了科學有效的巖爆防控技術，且取得了顯著成效。但實際施工中，各隧道工程地質、水文、環境及施工方式存在顯著差異，巖爆情況也各不相同，因此，對深埋隧道巖爆防控技術實施全面分析，具有十分重要的實踐意義。

1 巖爆類型、機制、評價預警

1.1 巖爆類型和孕育機制

按照巖爆出現的時間不同，可將其劃分成即時型巖爆和時滯型巖爆兩種類型。按照產生機理不同，又分為應變型、斷裂滑移型2類。按照破壞程度不同，劃分為輕微、中等、強烈、極強等4個等級。

應變型巖爆實質是指巖體脆性破壞，其孕育機制為隧道圍巖在開挖過程中產生應力集中現象，形成裂縫并逐漸發展、延伸，最終造成巖體破壞，當巖體內部彈性應變能高于圍巖破壞釋放能量時，殘余能量將破碎石塊彈射出去，形成巖爆。而斷裂滑移型巖爆實質是圍巖剪切滑移破壞，因圍巖結構及力學特性較為復雜，當前對于此種類型巖爆的孕育機制尚不明確[1-3]。

1.2 巖爆風險評價與監測預警

隧道工程設計環節對巖爆風險實施綜合評估，并在施工階段對巖爆實施動態監測預警，能有效提升隧道項目巖爆防控的科學性和有效性，保證隧道施工的順利進行。

巖爆風險評估是根據巖爆強度理論、剛度理論及能力理論等，提出針對性風險評估指標，主要包含經驗指標與數值指標。而巖爆監測預警則是根據實際檢測方法，對風險實施預警，主要方法包括微震法、聲發射法、電磁波檢測法等。當前使用最為普遍的方法是微震法，通過對微震情況實施全面分析，得到圍巖破壞時機、部位、能量等相關指標，從而對圍巖狀態及破壞情況實施評估。

2 巖爆防控原則

通過對巖爆風險評估，科學判定巖爆可能出現的部位及危害程度，從而采取科學有效的防控技術，以有效降低巖爆危害。巖爆防控原則包含釋放巖體內部應力作用、改善巖體力學特性、對圍巖實施加固處理等。此外，在巖爆高發區段施工時，應結合實際情況對施工工藝、參數等實施優化，以有效提升巖爆防控成效，例如采取“短進尺、多循環”掘進方式，或采用水壓爆破等先進技術，合理控制爆破深度，提高爆破成型質量[2-6]。

根據上述風險評估、監測預警及防控技術等各方面分析結果，得到深埋隧道巖爆防控整體框架，具體如圖1所示。

3 巖爆的主動防控和被動防控

巖爆防控主要包括主動防控和被動防控兩個方面。其中，主動防控主要是在隧道施工前或施工初期采取的預防措施，通過改變巖體應力狀態及力學特性，或采取超前支護等控制手段，達到消除巖爆的目的。而被動防控則是在隧道施工過程中實施防控，主要是通過設置支護體系，提高隧道圍巖穩定性及抗沖擊能力，達到控制巖爆目的[7-10]。

3.1 巖爆的主動防控技術

3.1.1 鉆孔應力釋放和超前應力解除爆破

鉆孔應力釋放主要是在隧道開挖過程中，通過在洞體側壁或開挖面設置孔洞，消除圍巖內部應力。超前應力解除爆破則是在鉆孔達不到巖爆要求的應力釋放標準時，在鉆孔釋放前提下采取的爆破降壓措施。

（1）鉆孔應力釋放技術原理是利用鉆孔變形釋放隧洞巖體內部應力及應變能，并使巖體應力逐步轉移至內部巖體中。因應力釋放程度較低，該方法通常應用于輕微－中等巖爆防控處理，實際防控成效與鉆孔深度、孔徑、布設間距等密切相關，以孔徑影響最為顯著。

（2）超前應力解除爆破技術原理主要是在開挖面前方區域設置破碎帶，有效消除掌子面周圍應力作用，并使應力逐漸轉移至巖體最深處。該技術能顯著降低圍巖內部壓力、應力，常用于強烈、極強巖爆防控，能有效消除應力集中部位圍巖應力，效果顯著。

3.1.2 先導洞

先導洞是隧道施工前，利用鉆爆法在開挖面前方預先開設的小型作業面。先導洞通常直徑比較小，因此洞體較為穩定，產生巖爆的風險較低，能有效釋放掌子面前方巖體內部應力，并且可用作超前探洞。

先導洞技術原理與鉆孔應力釋放基本相同，由于其洞徑較大，因此應力釋放效果更加顯著。

3.1.3 高壓噴水和鉆孔注水

隧道開挖過程中，對側壁高壓噴水或鉆孔注高壓水，能夠使隧道巖體軟化，改善巖體力學性能，從而有效防止巖爆產生。

高壓注水會形成水楔效應，有效減弱巖體表面強度，并且水體能夠加速巖體內部應力釋放，消除殘余應變能，防止產生應力集中現象。

3.1.4 超前錨桿和預應力錨桿支護

超前錨桿支護主要是在隧道爆破施工前，在開挖面前方巖層中提前打入錨桿，從而起到加固圍巖的作用。目前，常用的超前支護措施主要有超前小導管、超前管棚等，而對于水工隧道施工，超前支護為超前錨桿。預應力錨桿支護則是利用錨頭形成的錨固力對隧道巖體加以約束，提高圍巖穩定性。

超前錨桿與預應力錨桿工作原理：①錨孔具有釋放圍巖內部應力的作用；②隧道開挖后，能夠迅速完成應力轉移；③能夠有效發揮對隧道巖體的加固補強作用，提高圍巖穩定性、承載性能及抗沖擊能力。

3.2 巖爆的被動防控技術

3.2.1 噴錨支護

噴錨支護在隧道支護及巖爆防控中較為常用，采取噴射混凝土+錨桿支護方式，聯合完成對隧道巖體的加固，包含初期支護、二次襯砌支護等。主要工作原理為通過設置錨桿并噴射混凝土，形成共同承載系統，提高隧道圍巖整體穩定性和承載性能，降低巖爆等級及危害程度。

對于各種強度等級的巖爆，應采取不同種類的混凝土與錨桿。針對輕微－中等巖爆的防控，選用常規混凝土及砂漿錨桿進行支護加固。而對于強烈－極強巖爆地段，對混凝土及錨桿性能要求較高，混凝土必須具備較強的韌性及抗壓強度，因此，混凝土應選用鋼筋混凝土、鋼纖維混凝土等性能優良的復合型混凝土；錨桿則選用具有較強變形特性的消能錨桿，如水脹式錨桿等。

3.2.2 柔性鋼絲網

柔性鋼絲網是較為常用的巖爆柔性防控措施，主要工作原理如下：采取錨桿+掛網+噴射混凝土的方式，形成聯合支護系統，共同完成對圍巖的支撐、緩沖及消能，達到防控巖爆的目的，具體工藝流程如圖2所示。

3.2.3 鋼支撐

鋼支撐在隧道初期支護中應用較為普遍，是永久支護的重要組成部分，對巖爆造成的圍巖坍塌具有良好的防護效果，主要包含鋼拱架和鋼格柵兩種類型。其中鋼拱架具有剛度大、支護能力強等優點，通過在隧洞內設置鋼拱架，為洞體圍巖提供較強的環向支撐，有效防止洞體變形，增強隧道圍巖穩定性，提高承載能力。相較于鋼拱架，鋼格柵為柔性支護，能有效釋放圍巖初期變形，施工簡便，成本低，但承載能力較差。

3.3 主動+被動聯合防控

通過上文對巖爆主動防控及被動防控措施的分析能夠看出，主動防控主要包括兩個方面：①對隧道巖體自身的防控處理。如鉆孔應力釋放、鉆孔注水等；②對隧道巖體加固處理。如超前錨桿支護等。被動防控主要依據隧道開挖后洞體結構變形、破壞采取的加固措施，如噴錨支護、柔性防護、鋼支撐等。鋼支撐按照剛度大小采用的防護材料差異，可分為剛性支護與柔性支護兩種形式。巖爆主動、被動典型防控措施如圖3所示。

通常狀況下，巖爆主動防控措施對工期影響較大，因此對于巖爆風險較低的項目，僅需實施被動防控即可。而對于巖爆風險較高的項目，應采取主動+被動相結合的方式進行防控，采用鉆孔應力釋放降低巖爆風險，并通過支護提高隧道圍巖穩定性和抗沖擊性能。科學有效的應力釋放能顯著提升巖爆防控效率，同時完善的支護體系能充分發揮主動、吸能作用，增強巖爆防控效果。

4 結論

綜上所述，巖爆作為深埋隧道施工較為常見的地質災害，加強巖爆防控對保證隧道施工安全具有重要作用。該文基于巖爆類型、孕育機制及防控原則，系統分析了巖爆防控技術，得出如下結論：

（1）巖爆防控主要包括主動防控和被動防控兩個方面，針對巖爆風險較高的項目，應采取主動+被動相結合的方式進行防控，有效降低強烈－極強巖爆危害程度。

（2）主動防控技術包括鉆孔應力釋放、超前應力解除爆破、設置先導洞、高壓噴水、鉆孔注水、超前錨桿和預應力錨桿支護，其中超前應力解除爆破應用最為普遍。

（3）被動防控技術包括噴錨支護、鋼支撐、柔性鋼絲網等，目前較為常用的支護體系為“復合型混凝土+吸能錨桿+柔性鋼絲網”，效果顯著。

參考文獻

[1]林道遠. 基于能量耗散機制的深埋隧洞巖爆防控技術研究[D]. 大連：大連理工大學， 2022.

[2]趙毅. TBM強巖爆掘進段小導洞超前應力釋放施工技術[J]. 隧道與地下工程災害防治， 2022（1）： 78-85.

[3]鞏江峰， 田四明， 楊治剛. 我國高地應力區隧道巖爆研究現狀及分析[J]. 鐵道標準設計， 2022（5）： 95-99+105.

[4]汪珂. 深埋隧道巖爆預測及防治技術現狀綜述[J]. 隧道建設（中英文）， 2021（2）： 212-224.

[5]杜立杰， 洪開榮， 王佳興， 等. 深埋隧道TBM施工巖爆特征規律與防控技術[J]. 隧道建設（中英文）， 2021（1）： 1-15.

[6]劉寧， 張春生， 單治鋼， 等. 巖爆風險下深埋長大隧洞支護設計與工程實踐[J]. 巖石力學與工程學報， 2019（S1）： 2934-2943.

[7]井錦旭. 隧洞工程鉆爆法和TBM法的造價編制和比選[J]. 廣西水利水電， 2021（1）： 64-67.

[8]周韋. 小斷面長隧洞掘進鉆爆法通風技術研究[C]//上海筱虞文化傳播有限公司， 中國智慧工程研究會智能學習與創新研究工作委員會. Proceedings of 2022 Shanghai Forum on Engineering Technology and New Materials（ETM2022）（VOL. 3），

2022： 187-188.

[9]楊春燦， 謝強， 鄧選滔， 等. 深埋隧洞盾構接收施工技術[C]//《施工技術》雜志社， 亞太建設科技信息研究院有限公司. 2022年全國土木工程施工技術交流會論文集（中冊）， 《施工技術（中英文）》編輯部， 2022： 27-32.

[10]田林昌. 深埋軟巖隧洞圍巖及襯砌變形規律和應力特點研究[J]. 水利科技與經濟， 2023（3）： 64-67+88.