西南地區硬巖隧道巖爆處治技術及應用

樊永泰FAN Yong-tai

（中鐵十二局集團有限公司，太原 030024）

0 引言

在我國西南地區的隧道建設期，硬巖隧道經常會發生各種等級的巖爆，因地質情況的復雜性，巖爆一直是一大施工難題。根據常規的巖爆等級劃分及相應表現，并不能很好地解決巖爆給施工安全及施工質量帶來的危害，巖爆發生規律的探尋與總結，也是隧道施工領域一直探索的難題。[1]根據常識，對于硬巖隧道，隧道埋深是決定是否發生巖爆的主要因素，但是在西南地區，可能在幾百米的埋深情況下，就會發生巖爆。設計地質勘測資料，也會給出圍巖隧道圍巖應力分布、分段圍巖巖爆分級、處治措施等資料，施工中應結合施工圍巖應力實測結果進行綜合判斷，采取對應有效措施，以保障施工安全。本文依托西南地區某巖爆隧道，對隧道典型特征進行了總結分析，提供了一套巖爆處治技術，可為今后類似工程的施工提供一定的參考和經驗。

1 工程概況

某高原隧道位于四川甘孜州，海拔約2200m，隧道最大埋深約1750m，隧道圍巖以花崗巖為主，微～中風化，圍巖節理裂隙稍發育，實測圍巖最大主應力22MPa，穿越多條地質斷裂構造帶。設計文件中，對于弱巖爆，采用錨桿+鋼筋網+噴射混凝土柔性支護，通過設置錨桿以錨固圍巖，防止其脫落；中等巖爆則通過設置格柵鋼架進行柔性支護，防止較大面積巖體脫落；強烈巖爆則采用型鋼鋼架進行剛性支護。

2 巖爆典型特征分析[2，3]

2.1 巖爆發生部位

在隧道施工過程中，掌子面巖爆在爆破后最為活躍，多集中在拱部，邊墻次之，底板巖爆也有發生。

2.2 巖爆發生形式

輕微巖爆呈薄片狀剝落，甚至發生彈射，中等～強烈巖爆，拱部呈較大深度穹狀剝落，圍巖應力及原生節理的發育情況，很大程度上決定了巖爆爆坑范圍及深度。典型穹狀巖爆爆坑見圖1。

圖1 典型穹狀巖爆爆坑

2.3 巖爆滯后性

施工期間，地應力調整、集聚、重新分布時間長，一般情況下在5 個小時內為巖爆活躍期，局部段落發生巖爆滯后期為1～2 天，個別段落巖爆在二襯施工前的初支段落仍有發生。滯后發生的巖爆一般在縱向一定長度內集中突然釋放，所形成的沖擊力將已經完成的初期支護混凝土沖落。

2.4 巖爆不可預測性

地應力分布復雜，發生的部位、時間、程度很難準確、及時定性、量化，造成在支護參數的選擇上不易把握，多次發生已經完成的初期支護被破壞，掌子面停工，回頭處理的情況，嚴重影響工期進度。

3 巖爆處治技術

3.1 防護措施

對施工作業的挖掘機、裝載機駕駛室前擋玻璃設置鋼筋網，防止彈射巖塊傷害司機，設備頂部設置鋼板，保護其在出渣、排險過程中免遭剝落巖塊破壞。

加強個體防護，在掌子面及附近周邊，采用液壓防護棚架，對液壓移動式被動網防護棚架的液壓油缸設置鋼板罩，防止落石沖擊破壞，同時，對液壓管加裝保護管，避免飛石擊打損壞。

施工作業人員應佩戴高強度頭盔，系牢下頜帶，必要情況下佩戴護目鏡、防彈背心。

3.2 地應力測試

隧道巖爆集中發生后，應于隧道邊墻位置實施圍巖應力實測，通過實測獲得圍巖應力數據，以指導施工，防止在盲目的情況下，造成施工安全事故。

施工期間，對地應力進行了測試，測試部位巖性為淺紅色花崗巖，巖體較為完整，主要受結構面控制，裂隙不發育，圍巖最大主應力22MPa，花崗巖單軸抗壓強度為79～80MPa，計算RC/σmax≈4，處于較高地應力區。

分段落對地應力進行實測實量，通過科學數據判斷巖爆情況。[4]

3.3 巖爆處治技術

3.3.1 爆破技術

在采取單循環短進尺爆破的同時，為避免圍巖爆破后應力集中而誘發巖爆的發生，采用光面爆破技術，短進尺、弱爆破，減少藥量、爆破頻次，經實踐，光面爆破質量可有效減小應力集中，對巖爆有一定削減作用，但不能完全阻止圍巖應力釋放及重分布，掉塊及巖爆崩落無法完全避免。[5]全斷面光面爆破參數見圖2。

圖2 全斷面光面爆破參數

對于強烈巖爆地段應采用預裂爆破，盡量減少開挖爆破作業對圍巖的擾動。采用全斷面開挖，以減少圍巖表層出現應力集中。

加強光面爆破現場管理與技術指導，以取得良好光爆效果。

3.3.2 待避期

總結巖爆發生規律，加強個體防護，巖爆活躍期進行待避。

總結巖爆發生時間、活躍期、發生部位、破壞方式及聲響特征等，確定合理的待避時間，該時間段是圍巖應力重分布時期，不可貿然施工，待巖爆頻次、強度降低后，方可進行施工。

3.3.3 改善圍巖物理力學性質

向掌子面及洞壁噴灑高壓水，或利用炮眼及錨桿孔向巖體深部注水，以降低圍巖強度，增強其塑性，減弱其脆性，最終降低巖爆的劇烈程度。

掌子面爆破待避期后，首先對開挖面進行高壓灑水，每次灑水時間約10～30 分鐘。

3.3.4 強支護技術

花崗巖脆性大，圍巖呈板狀、大塊狀發育，圍巖層間結合很差、鑲嵌程度低，掉塊很大，發生巖爆時將圍巖爆松，降低對錨桿的包裹力及摩擦力，錨桿的抗拔能力降低甚至失效。[6]

因巖爆發生的不確定性，在裸露的圍巖下實施錨桿鉆孔、安裝作業，作業時間長，存在極大的安全風險，有拱架段，甚至發生噴射混凝土后，初期支護被巖爆嚴重破壞的情況，無拱架段落，則發生撕裂噴射混凝土的現象。需要處理破損的初支層，實施二次初支施工，嚴重影響施工進度，施工安全風險高。

隧道巖爆段施工期間，輕微巖爆，采用三角格柵鋼架進行快速支護，中等～強烈巖爆段，采用截面抗彎能力、防地應力沖擊能力更強的型鋼鋼架代替格柵拱架，實現快速強支護，以縮短作業時間。另外，可以施作超前鋼管支護，為下一循環形成頂部作業防護，保證作業人員安全。[7，8]

3.3.5 鋼纖維噴射混凝土技術

初期支護是對巖爆最直接的防治措施，而普通噴射混凝土具有脆性特征，對于巖爆的防治針對性差，而鋼纖維噴射混凝土的強度及耐沖擊性能均較普通噴射混凝土好，抵抗沖擊性能高，耐應勞性強，抗裂性能強，可以極好地增強初期支護的整體強度。

3.3.6 巖爆爆坑處治技術

巖爆段落由于爆坑深度較大，現場采用彎折的φ6 鋼筋網堆疊放置在鋼拱架背后，作為后續爆坑處理的主骨架。巖爆爆坑處治鋼筋網設置見圖3。

圖3 巖爆爆坑處治鋼筋網設置

初支噴射混凝土施工前，在鋼架一側固定設置預留φ100 管，底部伸出噴射混凝土下表面，頂部距離爆坑底50cm 設置，用于初支背后爆坑處治。初支完成后，通過φ100 管分次泵送混凝土填塞爆坑。巖爆爆坑處治示意圖見圖4。

圖4 巖爆爆坑處治示意圖

3.3.7 總結巖爆規律[9，10]

為總結巖爆發生規律，降低巖爆段施工風險，指導后續巖爆段施工，編制了巖爆統計觀察記錄表，通過現場觀察總結規律。

記錄表內容包括：巖爆發生時間、里程、地質狀況、斷面部位、巖爆前的聲響、巖爆數量等信息。

巖爆處治技術措施匯總表見表1。

表1 巖爆處治技術措施匯總表

3.3.8 安全技術措施

加強巖爆教育，對進洞施工人員進行巖爆普及知識和安全須知的教育；對臨時進洞人員也向其交代安全注意事項。每次放炮派專人到掌子面監聽巖爆發生前的聲響，以此來分析其巖爆的可能性和嚴重性，決定是否停工撤人。

4 結束語

在各種不同進尺情況下，巖爆均有發生，且受地應力及結構面綜合影響爆坑深度無法預判，各進尺條件下待避時間也受巖爆及掉塊外部持續時間特征而定。結合施工安全與進度考慮，在輕微巖爆段每循環進尺3m，是保證安全及施工進度較為合理的進尺指標；在中等巖爆段每循環進尺控制在1.5m～2.5m 較為合理；強烈巖爆段按單榀拱架間距控制，以減少爆坑深度及范圍。

巖爆段施工，應加強工序銜接、加強安全防護措施、合理調整待避時間，依據施工經驗，對支護類型標準化、流程化，綜合工程造價、工期考慮，減少方案討論時間。

為最大限度保障施工及結構安全、加快施工進度、控制投資，參建各方在施工過程中，通過規范程序、加強對巖性的認識，不斷分析、摸索、總結，有效地治理了目前所出現的不同等級巖爆，隧道歷經半年多的巖爆段施工，雖因滯后巖爆對初支造成一定情況的破壞，但未發生一起安全事故，實現了安全生產，對類似隧道工程施工具有一定的借鑒意義。