雅安市烏斯河隧道巖爆的施工及質量控制措施

賴楊

（四川公路橋梁建設集團有限公司，四川成都 610000）

0 引言

烏斯河隧道位于四川省雅安市漢源縣烏斯河鎮境內，屬于山區。它位于四川盆地西部邊緣，是盆地向東過渡的青藏高原地帶。隧道穿越的山體渾厚，山勢陡峻，峽谷縱橫，大渡河在路線左側由西向東流過。該隧道橫貫的山區地形特征顯著，其最高點海拔為2584m，而隧道的入口處，即大渡河附近，海拔則大約為657m。兩者之間的相對高差達到了驚人的1927m，展現了該地區典型的高中山峽谷地貌特征。隧道全長6027m，最大埋深1479m，本段隧道埋深較大，且以硬巖為主，隧道在完整性較好且局部地下水貧乏閃長巖段，巖石堅硬且埋深較大，地應力較高時，具備巖爆發生的條件。施工中發生弱～中等巖爆。

1 巖爆概述

巖爆現象通常發生在高地應力環境下的地下工程挖掘作業中。在這種條件下，堅硬而脆弱的巖石圍巖因為挖掘作業而釋放原有的負荷，導致洞壁承受的應力出現差異。這種差異使得巖石中累積的彈性潛能得到迅速釋放，引發了一系列如巖石爆裂、脫落、彈出甚至被拋出的動態地質事件，這些現象統稱為巖爆，是一種由動力失衡引起的地質災害[1]。當巖爆發生時，通常會伴隨著響聲和震動。一部分的潛能在釋放過程中被消耗，而剩余的能量則轉化為動能。巖石圍巖由原本的靜態平衡狀態轉變為動態失衡，導致巖石塊體從巖體中分離，有時甚至以劇烈的方式向空間方向拋射，這一過程包括了巖石劈裂、剪斷和彈射3 個連續的階段[2]。

在高地應力的硬巖環境中開挖地下洞室時，施工活動會干擾原有的地應力狀態，為地應力的重新分布創造了條件。當高地應力作用于洞室的巖石壁面時，常常會誘發巖石的脫落、彈出和拋射等現象，這些現象通常伴隨著聲響，形成了巖爆。巖爆的出現對施工人員和設備構成了嚴重的安全威脅。在面對高地應力硬巖環境下的地下洞室施工時，常見的做法是結合被動防護和主動避讓策略。這包括施工人員穿戴專門的防護裝備，施工機械裝備防護板，以及在開挖完成后等待巖爆活動結束再繼續后續工序。這些措施雖然能夠讓巖爆自然發生并采取一定的防護措施，但仍然存在較大的安全風險，并且由于等待時間的不確定性，施工進度也難以控制。

2 巖爆安全施工措施

2.1 開挖方法

在挖掘作業中，采用“短進尺，多循環”的策略，并結合光面爆破技術，縮短周邊眼間距，嚴格管制藥量，以盡可能降低爆破對周圍巖石的沖擊，盡可能使開挖斷面規整，簡言之就是采用光面爆破技術，以達到對圍巖少擾動、周圍圓滑為原則，縮小出現局部應力集中的可能性。在巖爆地段的開挖進尺嚴格控制在2.5m 以內，周邊眼間距40cm，盡量縮小對圍巖的爆破擾動。假如進一步加劇巖爆，現場準備采用臺階法開挖，以進一步降低開挖爆破對圍巖形成的擾動。光面爆破施工工藝流程如圖1 所示。

圖1 光面爆破施工工藝流程

2.2 灑水降溫

開挖爆破后，要及時向掌子面噴水，對巖面進行濕潤處置。經過噴霧灑水降低掌子面溫度，使圍巖變軟，促使原始應力在巖層釋放調節的同時，有效減少爆破過程中空氣中產生的粉塵量。

巖石浸水后力學特殊性質改變，巖石強度和彈性模量減小，提升塑性變形的性能和增加橫向變形的系數能夠在一定程度上減輕巖爆的發生。在巖爆發生較為劇烈的區域，通過設置超前孔作為注水點，注入高壓水流以軟化圍巖，并促進其內部應力的快速釋放。

2.3 加強支護

為了增強隧道掌子面的穩定性，采取了一系列加固措施，包括使用鋼纖維增強的混凝土、?6 規格的鋼筋網以及?25 的巖爆隧道錨桿與鋼架的組合來鞏固圍巖。

2.3.1 鋼纖維混凝土

鋼纖維的加入顯著提升了混凝土的抗剪和抗彎性能，相比普通混凝土更具優勢。在開挖作業后，施工團隊使用鋼纖維混凝土對整個開挖區域（包括掌子面）進行初步封閉，初步噴涂厚度控制在5cm，以預防巖爆時巖石碎片的彈射。在安裝完鋼支撐和錨桿之后，再進行一次噴涂以達到預定的設計厚度。

2.3.2 鋼筋網

施工中使用的鋼筋網采用?6 鋼筋，網格尺寸為25cm×25cm。鋼筋網需緊貼圍巖鋪設，并與錨桿緊密結合，共同作用以減緩和控制巖爆的產生。

2.3.3 錨桿應用

錨桿作為深入巖層的拉力構件，一端與結構物連接，另一端錨固于巖層之中。錨桿分為自由段和錨固段兩部分：自由段負責傳遞錨桿頭部的拉力至錨固體，起到施加預應力的作用，對隧道的穩定支撐至關重要[3]。

在遇到強烈巖爆的區域時，采用4m 長的?25 漲殼式中空預應力錨桿進行圍巖加固。這種中空預應力錨桿能夠迅速為圍巖提供支撐力，克服了傳統砂漿錨桿強度增長緩慢的問題。

在鋼纖維混凝土噴涂完成掌子面封閉后，現場施工人員會安裝?25 錨桿以固定掌子面圍巖，防止巖爆時的碎片迸射。現場研制使用快速安裝的巖爆隧道錨桿，內部中空，外部連接有活動連接器和拱形墊板，以及固定連接的套體。所有錨桿尾部均裝有尺寸為150mm×150mm×6mm 的墊板。可快速安裝?25 巖爆隧道錨桿如圖2 所示。

圖2 可快速安裝?25 巖爆隧道錨桿

2.3.4 鋼架

烏斯河隧道常見巖爆類型為弱～微巖爆，巖爆聲響為清脆爆裂聲，剝離現象嚴重，少量彈射，巖爆持續較長，斷口呈弧形凹腔，巖板呈棱板狀，為了應對格柵鋼架可能出現的較大形變，通常需要采取更換拱形結構或增加拱形支撐的措施。鑒于此，施工現場選擇使用型鋼鋼架來提供加固支撐，根據不同的巖爆強度，微巖爆采用錨噴支護，弱、中巖爆分別采用I12.6 工字鋼間距120cm 和I14 工字鋼間距100cm 布置。工地巖爆的初期支護方法，除了要提供足夠高的支撐力以抵擋周圍潛在的圍巖壓力外，還需要在這種破壞方式下抵擋沖擊變形，也就是要有能量的吸收能力。因此，采用錨網噴射系統支護的系統性和聯合承載力，保證鋼筋網、錨桿和噴射混凝土形成一個避免相互獨立作業的完整結構系統。通過這種方式，不僅能有效避免因劈裂導致的巖爆風險，還能為圍巖提供必要的支撐力。這使得圍巖在三軸壓縮應力狀態下保持穩定，從而降低了因剪切破壞引發的巖爆風險。

2.4 超前錨桿

以該隧道項目為例：實施了?32 的超前錨桿來固定掌子面前端的圍巖，錨桿長度設定為4.5m，外插角10°～14°，拱部90°范圍內布置，循環進尺3m，根據現場巖爆實際情況進行調整。保證在一個循環爆破后，仍有一部分錨桿留在巖體內，對巖體起到加固作用。預防拱頂圍巖因巖爆掉落。超前錨桿布置方法如圖3 所示。

圖3 超前錨桿布置

2.5 超前應力釋放孔

預應力釋放孔的設計宗旨在于積極為巖體創造變形條件，以便釋放其內部累積的高應力[4]。

在地下洞室的開挖進程中，爆破開挖形成的臨空面會改變洞室周圍的初始地應力狀態。在地下洞室開挖前，施工團隊在掌子面后1m 處的洞壁上，沿洞室徑向鉆設應力釋放孔。這些孔在洞壁與開挖面交匯點以45°和60°的角度向前斜打，孔的深度達到隧道徑向的3m 位置。在每個預定點，分別在水平方向、向下45°和向上45°的方向鉆設3 個孔。在這些孔的底部，安裝100g 的2 號巖石乳化炸藥和雷管，然后在孔口部分用黏土炮泥堵塞0.4m，通過這種方式進行預先爆破，旨在釋放應力，使孔周圍的巖石產生微裂縫。這一過程使得巖石中積累的彈性潛能區域向遠離洞室主體的方向延伸，同時將最大應力轉移到圍巖的更深層。這樣，在隨后的開挖循環中，洞壁的臨空圍巖就不太可能因受拉而破壞，有效避免了巖爆的發生[5]。應力釋放孔布置如圖4 所示。

圖4 應力釋放孔布置

具有高初始地應力的硬巖開挖爆破后，由于應力重分布，在洞周產生應力集中區，當作用在圍巖上的應力大于圍巖抗拉強度時，會產生巖石剝落、彈射、拋擲等現象，并伴隨顯著聲響，造成巖爆。巖爆的發生對施工人員和設備構成嚴重的安全威脅，處置不當會造成人員傷亡及機械的損壞。因此，該方法可從源頭上解決地下洞室開挖后的巖爆問題。

烏斯河隧道現場實際施工工程中，采用多功能鉆機鉆設泄壓孔，既能提高鉆孔效率又能起到機械化減人的目的。平均每孔鉆設時間縮短3min，整體時間減少54min。同時，多功能鉆機可使用遙控器控制，操作人員距掌子面較遠，更能保證人員安全。

3 質量控制措施

（1）對掌子面、拱部和兩側邊墻進行2～3 次精確的找平。嚴格執行現場監控制度，杜絕冒險操作。

（2）運用光面爆破技術，嚴格控制炸藥用量，以減少對圍巖的沖擊。

（3）精心調配鋼纖維噴射混凝土的配比，并通過工藝試驗確保工程質量。

（4）強化支護措施，爆破后迅速對拱部和側壁進行噴射混凝土，初步噴涂厚度為5cm，隨后安裝錨桿和網片，并及時施工能有效承載的摩擦型錨桿作為施工支撐。

（5）在強烈巖爆區域的二次襯砌完成后，加強對襯砌變形的監測，必要時提升二次襯砌混凝土等級至鋼筋混凝土。

（6）基于過往施工經驗，記錄并總結現場巖爆的特點，以便更好地指導施工。

4 安全防護措施

巖爆可能在爆破后立即發生，或有延遲。延遲的巖爆通常是深層巖體應力釋放的結果，巖石在應力釋放過程中沿節理面進一步松弛，有時沿節理面掉落，這種災害更隱蔽，難以預防。為此，采取以下措施。

（1）巖爆后立即停止作業并避險，記錄巖爆的詳細情況，包括位置、落石數量、彈射速度和距離等，并評估巖爆強度。

（2）為施工人員提供頭盔和防彈衣，為關鍵施工設備安裝防護鋼板，在掌子面設置移動防護架，保護人員和設備免受飛石傷害。在臺車上作業時，前方可設置攔截網，降低飛石傷害風險。

（3）在巖爆施工區域設置警示標志，配備安全防護用品箱，提醒進洞人員佩戴防護裝備。

（4）加強現場監測、警戒和定期檢查，必要時及時避讓。

（5）加強施工人員防沖擊培訓；強化操作員安全紀律和爆破、防護知識學習；嚴格執行技術和安全規程；在危險區域增設照明和醒目標志。

（6）加強監測，中等巖爆區域每10m、強烈巖爆區域每5m 設置監測點，按規范執行測量頻率，及時處理數據，指導施工。

（7）襯砌工作要緊跟開挖工序，減少巖層暴露時間，降低巖爆風險，確保安全。

5 結語

通過超前應力釋放孔的設置，從根本上預防了巖爆問題，通過提前解除應力，轉移彈性應變能，避免了巖爆的發生，確保了高地應力硬巖地下洞室施工中的人員和設備安全，同時節省了工期，提升了作業效率。烏斯河隧道施工中同時運用了其他巖爆安全施工措施及防護措施，在工期緊張的情況下，做到零傷亡的同時完成了貫通任務，為峨漢高速建成通車奠定堅實基礎。