隧道工程巖爆預(yù)測(cè)及防治對(duì)策

凌 佳 王岳岳

(1.中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133;2.貴州煤設(shè)地質(zhì)災(zāi)害治理工程有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

巖爆是地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的一種，其發(fā)生原因及過(guò)程非常復(fù)雜，切對(duì)隧道工程等有著嚴(yán)重影響。多年來(lái)，國(guó)際學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)期不懈的研究，從多種角度對(duì)巖爆的發(fā)生進(jìn)行了預(yù)測(cè)方法的探索。到目前，預(yù)測(cè)方法總結(jié)起來(lái)可以分為巖石力學(xué)判據(jù)法、現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)法和現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論預(yù)測(cè)法等。在隧道的設(shè)計(jì)和施工中，對(duì)掌子面前方圍巖巖爆的發(fā)生預(yù)測(cè)對(duì)安全施工，施工方案優(yōu)化，保證工程質(zhì)量等都有著重要意義。本文將對(duì)巖石力學(xué)判據(jù)法中的兩種，地質(zhì)分析預(yù)測(cè)法和應(yīng)力強(qiáng)度比法進(jìn)行闡述，并對(duì)巖爆的防治提出對(duì)策。

1 巖爆的產(chǎn)生和特點(diǎn)

1.1 巖爆的產(chǎn)生

巖爆是隧道圍巖的一種劇烈脆性破壞，它的發(fā)生伴有大量潛能的釋放。在產(chǎn)生原因方面上，巖爆發(fā)生的最根本原因亦內(nèi)因是高儲(chǔ)能體的存在，并且其應(yīng)力接近于巖體的強(qiáng)度。而其次原因亦外因是某些因素的觸發(fā)效應(yīng)使巖爆產(chǎn)生。較大的潛能通常以彈性應(yīng)變能的形式儲(chǔ)聚于圍巖內(nèi)的高應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)。

綜合來(lái)看，巖爆產(chǎn)生的條件大多地概括為三個(gè)：第一是具備高地應(yīng)力環(huán)境;第二是存在高應(yīng)變能的儲(chǔ)存環(huán)境，例如強(qiáng)度大且整體性好的巖體;第三是滿足了應(yīng)變能的釋放要求，例如爆破開工等帶來(lái)的能量的釋放機(jī)會(huì)。

1.2 巖爆的特點(diǎn)

隧洞內(nèi)巖爆的特點(diǎn)如下：

巖爆發(fā)生前沒(méi)有典型征兆，即使經(jīng)過(guò)認(rèn)真查找，并沒(méi)有空響聲音，一般情況下石塊即使未掉下的位置，也可能突然出現(xiàn)巖石碎裂的聲音，石塊有時(shí)伴聲而下，有時(shí)暫不下落。

②容易發(fā)生巖爆的部位中，多數(shù)在剛開始挖的施工處周圍，拱部和拱腰部位更容易，距剛開始挖施工處較遠(yuǎn)的地段發(fā)生的情況極少。

③巖爆發(fā)生時(shí)圍巖出現(xiàn)小者幾厘米厚，大者幾十噸重的破壞。石塊由母巖彈出，小者的脫落面大多和巖壁平行，脫落的石塊常呈現(xiàn)出中間厚于邊緣的不規(guī)則片形狀。

④表面巖爆時(shí)，大多數(shù)情況新鮮堅(jiān)硬的巖體會(huì)先發(fā)出聲響，同時(shí)出現(xiàn)片狀剝落的裂隙，裂隙貫通后出現(xiàn)剝落或者彈出;深部沖擊型巖爆在低強(qiáng)度的巖體中，并且通常發(fā)生在離掌子面向里側(cè)若干距離處。

2 巖石力學(xué)判據(jù)預(yù)測(cè)方法

2.1 地質(zhì)分析法

高地應(yīng)力條件能夠利用地質(zhì)現(xiàn)象分析、地應(yīng)力實(shí)測(cè)和量化判據(jù)相的辦法組合使用作出評(píng)價(jià)。在已經(jīng)展開了地應(yīng)力的實(shí)際測(cè)量的情況下，可用如下兩種定量判據(jù)對(duì)高地應(yīng)力進(jìn)行判別。

(1)根據(jù)地應(yīng)力的實(shí)際正值作為判別依據(jù)，若主應(yīng)力的峰值達(dá)到20-30MPa，則認(rèn)為該巖體正符合高地應(yīng)力情況。

(2)已知巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rb和主應(yīng)力峰值σ1情況下，劃分地應(yīng)力的等級(jí)時(shí)，根據(jù)巖石強(qiáng)度應(yīng)力比Rb/σ1進(jìn)行劃分，比值Rb/σ1在4～7時(shí)，認(rèn)為其符合高地應(yīng)力情況;Rb/σ1＜4時(shí)，則已經(jīng)達(dá)到極高應(yīng)力情形。

圍巖的等級(jí)、巖體的完整程度和強(qiáng)度、水的存在影響等是圍巖應(yīng)變能存儲(chǔ)的重要研究的對(duì)象。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以知道高應(yīng)變能幾乎全部在高強(qiáng)度、高彈性模量的完整度高的巖體內(nèi)儲(chǔ)存，亦在I-II類巖體內(nèi)，如果巖體強(qiáng)度低、易活動(dòng)或者地下水活躍，這些地段基本不存在高應(yīng)變能。

完成以上分析后，就能利用下面的公式進(jìn)行計(jì)算，從而進(jìn)行定量預(yù)測(cè)巖爆的發(fā)生了。結(jié)合工程地質(zhì)類比和Hcr后，計(jì)算公式為：

式中：Hcr為最小埋深(巖爆臨界深度);Rb為單軸抗壓強(qiáng)度;μ為巖石泊松比;γ為單位體積巖石的重量。

2.2 應(yīng)力強(qiáng)度比法

該方法具有使用簡(jiǎn)易、實(shí)用性強(qiáng)、意義表達(dá)清晰的特點(diǎn)，它是當(dāng)今國(guó)際界關(guān)于隧道工程巖爆預(yù)測(cè)方面普遍應(yīng)用的方法。方法的具體原理是采用最大隧道內(nèi)壁切向應(yīng)力σθmax和圍巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rb的比值(σθmax/Rb)進(jìn)行預(yù)測(cè)。近些年，在我國(guó)西部多個(gè)深埋特長(zhǎng)隧道的建設(shè)中，通過(guò)不斷地對(duì)巖爆現(xiàn)象、烈度和預(yù)測(cè)的進(jìn)行總結(jié)探討，最終獲得了該方法下的預(yù)測(cè)的判據(jù)，見下表。

數(shù)值模擬計(jì)算法、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力解除、彈性力學(xué)解析法和應(yīng)力恢復(fù)測(cè)試法是洞壁最大切向應(yīng)力σθmax的獲得4種主要方法。Rb可以通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)試的換算也可以求得。

3 隧道巖爆防治對(duì)策

為了避免和減少隧道巖爆的發(fā)生，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)首先確定以“利用自然因素和調(diào)整人工因素”的主要思想方針展開防治策略的提出，防治對(duì)策包括針對(duì)從設(shè)計(jì)、施工、支護(hù)加固處理措施到質(zhì)量管理。

3.1 隧道設(shè)計(jì)的巖爆防治對(duì)策

(1)若隧址的選擇有利，可以直接避開有巖爆威脅的主應(yīng)力區(qū)，所以應(yīng)盡量選擇此類地址，不能避開這類地址時(shí)，考慮到隧道軸線的影響，為了達(dá)到巖爆的防治，可從有利的隧道軸線設(shè)計(jì)出發(fā)，同樣的道理，斷面設(shè)計(jì)考慮也應(yīng)該考慮在內(nèi)。

(2)隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)的受力情況影響著巖爆，隧道軸線的方向選擇應(yīng)與主應(yīng)力峰值的方向構(gòu)成平行，從而改善受力情況，使隧道結(jié)構(gòu)合理受力，避免或減少產(chǎn)生圍巖拉應(yīng)力，且隧道周圍壓應(yīng)力的分布使切向壓應(yīng)力達(dá)到最小值，不出現(xiàn)應(yīng)力集中過(guò)大的現(xiàn)象。

3.2 施工階段巖爆防治對(duì)策

(1)利用分步施工，多處開挖的方法有利于抑制巖爆和降低其程度。

(2)優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，盡量減少誘發(fā)巖爆的因素。

(3)為減小施工對(duì)圍巖的振動(dòng)，盡量使用TBM技術(shù)，以減少巖爆觸發(fā)因素;如不能使用TBM，宜采用光面爆破，得到圓順開挖面，避免了局部的應(yīng)力集中。

(4)在巖爆強(qiáng)烈發(fā)生地帶可采取應(yīng)力釋放措施。

(5)為減少巖體暴露時(shí)間和暴露面積，施工時(shí)應(yīng)適當(dāng)前挖、循環(huán)作業(yè)、及時(shí)支護(hù)，這樣可有效防止或減少巖爆發(fā)生。

(6)施工中應(yīng)注意巖爆征狀，一旦發(fā)現(xiàn)則進(jìn)行噴錨網(wǎng)噴支護(hù)，做到加強(qiáng)初期支護(hù)。

(7)為了增加作業(yè)安全，掌子面和附近巖爆地帶要加裝鐵絲幕。

(8)通過(guò)結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)控量測(cè)。

3.3 強(qiáng)化質(zhì)量管理對(duì)策

(1)最佳的質(zhì)量管理是攻克技術(shù)的難關(guān)，所以聘請(qǐng)專家，成立科研組等，可以幫助合理調(diào)整施工工藝，保證工程質(zhì)量。

(2)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在質(zhì)量管理中的地位頗為重要，所以要堅(jiān)持將其作為一道必要工序，清楚細(xì)致地預(yù)報(bào)隧道前方地層巖石產(chǎn)狀、地下水含量以及地應(yīng)力等情況，以制定合理的施工方案。

(3)初期支護(hù)要第一時(shí)間進(jìn)行，同樣要強(qiáng)化系統(tǒng)錨桿的質(zhì)量，完成快速封閉、加強(qiáng)支護(hù)的施工目標(biāo)。

(4)減弱炎爆措施要做到方案化標(biāo)準(zhǔn)化并嚴(yán)格按照其執(zhí)行。

(5)施工方案的更改要符合施工紀(jì)律要求，保證符合技術(shù)交底的要求。

(6)強(qiáng)化施工人員的技術(shù)掌握，施行定期培訓(xùn)的制度，使之對(duì)工藝要求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)掌握準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語(yǔ)

隧道巖爆直接威脅著施工人員和設(shè)備的安全，更嚴(yán)重時(shí)同樣會(huì)導(dǎo)致地震的發(fā)生，造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損壞。在多種巖爆預(yù)測(cè)方法中，地質(zhì)分析法和應(yīng)力強(qiáng)度比法是較為基本的方法，也是所有采用地球物理探測(cè)方法進(jìn)行隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，直觀可靠、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)提高了地質(zhì)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確程度。根據(jù)隧道巖爆的特點(diǎn)，從隧道設(shè)計(jì)、施工、支護(hù)加固處理措施到質(zhì)量管理都應(yīng)做到防范有道，防治對(duì)策到位就可以有效避免和減少隧道巖爆的發(fā)生。

[1]杜煒平.隧道開挖地質(zhì)災(zāi)害規(guī)律及防治對(duì)策研究[R].中南大學(xué)博士論文，2001

[2]王蘭生，李天斌等.二郎山隧道高地應(yīng)力與圍巖穩(wěn)定問(wèn)題[M].北京：地質(zhì)出版社，2006.

[3]唐禮忠，王文星.一種新的巖爆傾向性指標(biāo)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002年06期.