高地應(yīng)力深埋隧道超前預(yù)應(yīng)力釋放卸壓現(xiàn)場試驗研究

蘇 小 明，方 中 楊，徐 應(yīng) 中，陳 行

(1.中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072；2.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

1 概 述

對于巖爆，眾多學(xué)者早有研究。王蘭生將因開挖卸荷引起周邊圍巖產(chǎn)生應(yīng)力分異作用造成巖石內(nèi)部破裂和彈性應(yīng)變能的釋放引起的破裂松動、剝離、彈射甚至拋擲性破壞現(xiàn)象統(tǒng)稱為巖爆[1]。汪澤斌(1988)根據(jù)國內(nèi)外34個地下工程的巖爆特征,將巖爆劃分為破裂松脫型、爆裂彈射型、爆炸拋突型、沖擊地壓型、遠(yuǎn)圍巖地震型和斷裂地震型六大類[2]。1988年,我國巖爆專家譚以安博士率先依據(jù)巖爆發(fā)生時的力學(xué)和聲學(xué)特征、破壞方式及其危害程度將巖爆烈度劃分為弱、中等、強烈、極強四級[3]。另外，陶振宇在前人研究的基礎(chǔ)上并結(jié)合國內(nèi)工程經(jīng)驗提出：當(dāng)σc/σ1>14.5，不會發(fā)生巖爆；當(dāng)σc/σ1≤14.5，會發(fā)生巖爆，并將巖爆分為4級(吳德興，等，2005)，如表1所示(σc，σ1分別為巖石單軸抗壓強度和最大主應(yīng)力)[4]。

根據(jù)挪威赫古拉公路隧道和我國岷江太平驛水電站引水隧洞等地下工程施工取得的實踐經(jīng)驗，巖爆地段應(yīng)盡量采用鉆爆法施工[5]。即利用以鉆爆手段達(dá)到超前預(yù)應(yīng)力解除、減少圍巖表層應(yīng)力集中現(xiàn)象的思想使巖體應(yīng)力降低，從而達(dá)到預(yù)防巖爆的目的。筆者針對拉林地區(qū)某隧道施工中巖爆頻發(fā)現(xiàn)象進(jìn)行了超前預(yù)應(yīng)力釋放現(xiàn)場試驗研究，所取得的研究結(jié)果可為川藏線后續(xù)類似工程提供參考。

表1 陶振宇提出的巖爆分級表

該隧道進(jìn)口里程為DK173+655，出口里程為DK190+104，全長16 449 m，其中單線隧道長14 890 m，隧道最大埋深約1 347 m。隧道圍巖主要為花崗巖及微變質(zhì)的片麻巖，強度最高達(dá)210 MPa。因構(gòu)造作用及埋深大影響，該段隧道所經(jīng)地區(qū)工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜，為巖爆高發(fā)區(qū)。

該隧道斜井自XDK0+810開始掌子面開挖時出現(xiàn)爆裂聲，發(fā)生巖塊崩落；至XDK0+610后，掌子面爆裂聲強度增加、巖體崩落次數(shù)增加，爆坑深度為50 cm左右，面積達(dá)2～4 m2。 XDK0+280至當(dāng)前掌子面里程XDK0+170(Ⅱ級圍巖，巖體密度為2.66 g/cm3，強度210 MPa，埋深800 m)發(fā)生了強烈、劇烈?guī)r爆情況：開挖后巖體劈裂聲、悶響聲劇烈，突發(fā)性巖體大量彈射、拋射，主要發(fā)生部位在拱部、拱腰以及掌子面掏槽處，巖爆爆坑深度可達(dá)2 m以上。距掌子面20 m處仍存在明顯的巖體爆裂聲響。針對以上實際情況進(jìn)行了現(xiàn)場巖爆研究試驗。

2 現(xiàn)場試驗方案

2.1 試驗現(xiàn)場的選址及爆破設(shè)計

根據(jù)以上情況，將試驗現(xiàn)場選擇在距發(fā)生過劇烈?guī)r爆的斜井附近的主洞高應(yīng)力洞段。為減小開挖對應(yīng)力重分布的影響，選擇在一側(cè)預(yù)留的避車洞里作為應(yīng)力測試試驗和卸壓爆破試驗地點，樁號為正洞DK186+020.94(應(yīng)力測試孔中心位置)，該處巖體為Ⅱ級圍巖，巖體密度為2.66 g/cm3，強度為143.8 MPa，埋深850 m。選擇該處做為試驗場地避免了試驗與主洞開挖施工的相互影響。

為了在炮孔周圍產(chǎn)生裂縫、形成一個與洞壁有一定安全距離和厚度的人工破碎帶。爆破試驗設(shè)計的各個參數(shù)為：炮孔數(shù)量7個、炮孔深度5 m、炮孔直徑50 mm、不耦合系數(shù)為1、起爆方式為反向起爆、單孔裝藥量為1.2 kg、與應(yīng)力測試孔的間距為1 m。

卸壓爆破孔位布置情況和側(cè)視圖見圖1、2。

圖1 卸壓爆破孔位布置圖

圖2 卸壓爆破孔位側(cè)視圖

2.2 應(yīng)力測試試驗及卸壓爆破試驗設(shè)備

本次應(yīng)力測試試驗設(shè)備采用澳大利亞ES&S空心包體應(yīng)變計，型號為CSIRO HID，該應(yīng)變計共三個應(yīng)變花，每個應(yīng)變花有4個應(yīng)變片，可以在一個鉆孔中測取三維地應(yīng)力值。

爆破試驗設(shè)備及材料：高能起爆器2臺、風(fēng)動鑿巖機(型號T26)兩臺、取芯鉆機(型號XY-2型回鉆鉆機)1臺、乳化炸藥8 kg、空壓機1臺。

2.3 卸壓爆破試驗步驟

(1)鉆爆破孔。用氣腿式風(fēng)動鑿巖機鉆炮眼，孔徑50 mm，深5 m，孔數(shù)7個，炮眼間距1 m。

(2)驗 孔。由爆破隊長指派的驗孔人員按照爆破設(shè)計進(jìn)行逐孔驗收；對于不合格的孔，要依據(jù)工程技術(shù)人員的意見及時采取補救措施。

(3)裝 藥。裝藥時應(yīng)規(guī)范，按技術(shù)設(shè)計要求操作，在裝藥過程中，邊裝藥邊用(木、竹)炮棍或炮繩進(jìn)行藥高測量，避免出現(xiàn)下部堵孔現(xiàn)象。

(4)填 塞。裝藥完畢，采用鉆孔周圍的鉆渣實施炮孔填塞，不應(yīng)使用石塊和易燃材料填塞。

(5)起 爆。起爆工作由爆破隊長指定的、經(jīng)驗豐富的爆破員擔(dān)任。起爆前，對起爆器等器材再次進(jìn)行詳細(xì)檢查，確保起爆的順利實施。起爆實施人在接到警戒負(fù)責(zé)人口令并確認(rèn)安全可靠后實施起爆。

(6)爆后檢查。爆后檢查工作由爆破隊長與經(jīng)驗豐富的爆破員負(fù)責(zé)，待起爆煙塵散盡后進(jìn)行檢查。

3 爆破前后的結(jié)果及對比

在爆破孔鉆眼前，先用XY-2型回轉(zhuǎn)鉆機施作應(yīng)力測試孔，深度為5 m，安裝空心包體進(jìn)行應(yīng)力測試，地應(yīng)力測試計算成果見表2。

表2 爆破前地應(yīng)力測試成果表

注：主應(yīng)力方向為主應(yīng)力的投影方向，以象限角表示；傾角“-”表示俯角，正角為仰角。

應(yīng)力測試點采樣抗壓強度σc為143.8 MPa，爆前判別系數(shù)σc/σ1=4.68，屬于中等巖爆等級。經(jīng)過卸壓爆破后，爆前判別系數(shù)σc/σ1=12.5，屬于低巖爆等級。

根據(jù)爆破試驗設(shè)計的爆破參數(shù)及現(xiàn)場圍巖情況，對于今后情況類似隧道的爆破卸壓參數(shù)設(shè)計可以考慮為：炮孔直徑D為50～70 mm、炮孔長度為5～8 m。炮孔間距最好為：20 cm≤d≤70 cm。不耦合系數(shù)適宜取值區(qū)間為：1

5 結(jié) 語

由上述對比參數(shù)可以得到以下結(jié)論：

(1)爆破前最大主應(yīng)力為30.7 MPa，爆破后最大主應(yīng)力值為11.5 MPa，最大應(yīng)力降低幅度達(dá)63%，爆破對最大主應(yīng)力的降低起到了明顯效果。

(2)爆破前測點最大主應(yīng)力σ1的方向為250°，爆破后測點最大主應(yīng)力σ1的方向為275°，說明爆破卸壓對圍巖最大主應(yīng)力方向有所影響，但影響較小。