公路隧道內(nèi)巖爆的特點(diǎn)及施工對策

梅們

摘要 公路隧道內(nèi)巖爆是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，給施工安全和進(jìn)度帶來了很大的挑戰(zhàn)。文章從公路隧道內(nèi)巖爆的特點(diǎn)和成因機(jī)制入手，對公路隧道內(nèi)巖爆進(jìn)行了分類，并提出了相應(yīng)的施工對策。通過降低地應(yīng)力、提高圍巖穩(wěn)定性、優(yōu)化施工工藝等措施，可以有效降低巖爆發(fā)生的概率和巖爆對工程的影響，為公路隧道施工提供安全保障，研究成果可以為公路隧道施工提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐借鑒。

關(guān)鍵詞 公路工程；公路隧道；巖爆；形成特點(diǎn)；施工對策

中圖分類號 U455.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0128-03

0 引言

在公路隧道施工過程中，巖爆的發(fā)生往往與巖石應(yīng)力、地應(yīng)力、圍巖穩(wěn)定性等因素密切相關(guān)。然而，在公路隧道施工過程中，巖爆作為一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，給工程安全和進(jìn)度帶來了很大的挑戰(zhàn)。因此，研究公路隧道內(nèi)巖爆的特點(diǎn)及施工對策，對于保障工程安全、提高施工效率具有重要意義。該文旨在探討公路隧道內(nèi)巖爆的特點(diǎn)及其成因機(jī)制，提出相應(yīng)的施工對策，并通過案例分析驗(yàn)證其有效性。通過該文的研究，希望能為公路隧道施工提供一定的理論指導(dǎo)和實(shí)踐借鑒。

1 項(xiàng)目概況

峨漢高速2-7分部大峽谷隧道出口位于甘洛縣境內(nèi)，包含兩條主洞隧道和一條斜井隧道。主洞設(shè)計(jì)起訖樁號為K80+860～K87+030、ZK80+875～ZK87+045，主洞全長左右共12.34 km；斜井設(shè)計(jì)起訖樁號為BSK0+000～BSK2+

120，斜井全長共2.12 km（斜井開挖輪廓線與主洞相同）。該段隧道埋深較大，最大埋深1 944 m，主要巖性以白云巖、流紋巖等硬巖為主，巖層傾向近水平狀。其中主洞包含10.61 kmⅢ級圍巖，斜井包含1.36 kmⅢ級圍巖。該項(xiàng)目大峽谷隧道出口段綜合判斷為以中等巖爆為主，低埋深段主要為弱巖爆，高埋深段局部可能出現(xiàn)強(qiáng)烈?guī)r爆。

2 公路隧道內(nèi)巖爆的定義和分類

2.1 巖爆的定義

當(dāng)隧道或地下工程穿越堅(jiān)硬圍巖時，如果處于高應(yīng)力區(qū)域，一旦開挖封閉的巖層，地應(yīng)力就會突然釋放，導(dǎo)致圍巖突然破壞，并伴隨著巖石彈射、拋擲、聲響等內(nèi)部較大彈性應(yīng)變能的釋放現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為“巖爆”。

2.2 巖爆的分類

巖爆是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，其分類方式因研究角度和目的的不同而有所差異。根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以將巖爆分為以下幾種類型[1]：

按照巖爆發(fā)生的階段和時間順序，可以分為初生型巖爆和再生型巖爆。初生型巖爆發(fā)生在隧道開挖過程中，由于圍巖應(yīng)力集中、開挖空間形狀突變等因素，導(dǎo)致巖石破裂并噴出隧道口；再生型巖爆則發(fā)生在隧道開挖后一段時間內(nèi)，由于圍巖應(yīng)力重新分布、巖石蠕變等因素，導(dǎo)致巖石再次破裂并噴出隧道口。

按照巖爆的強(qiáng)度和規(guī)模，可以分為輕微型、中等型和強(qiáng)烈型巖爆。輕微型巖爆主要表現(xiàn)為少量巖石破裂并掉落，對施工安全影響較??；中等型巖爆則表現(xiàn)為大量巖石破裂并噴出隧道口，對施工安全有一定影響；強(qiáng)烈型巖爆則表現(xiàn)為大量巖石破裂并拋射出隧道口，對施工安全和人員生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

按照巖爆的成因機(jī)制，可以分為應(yīng)力型巖爆和熱力型巖爆。應(yīng)力型巖爆是由于圍巖應(yīng)力集中、開挖空間形狀突變等因素導(dǎo)致的巖石破裂；熱力型巖爆則是由于巖石高溫、高壓等熱力學(xué)因素導(dǎo)致的巖石破裂。

按照巖爆的地質(zhì)條件，可以分為脆性巖石巖爆和韌性巖石巖爆。脆性巖石巖爆主要發(fā)生在硬質(zhì)巖石中，由于巖石脆性較大、抗拉強(qiáng)度較低，容易發(fā)生破裂；韌性巖石巖爆則主要發(fā)生在軟質(zhì)巖石中，由于巖石韌性較大、抗拉強(qiáng)度較高，不易發(fā)生破裂。

3 公路隧道內(nèi)巖爆的典型特征

公路隧道內(nèi)巖爆的特征可以從以下幾個方面進(jìn)行辨別[2]：

（1）弱巖爆：通常出現(xiàn)在地應(yīng)力較小、巖層整體性較差的巖體中，對施工的危害較小。當(dāng)圍巖受力后，在軟弱結(jié)構(gòu)面上產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，呈現(xiàn)板狀或塊狀斷裂。開裂時會發(fā)出像冰層破裂的“啪啪”聲，巖塊會松散或剝離。有些巖塊可能不會立即脫落，而是在1～2個月后才從母巖上脫落。偶爾會有巖石彈射現(xiàn)象，但速度較慢，彈射距離有限。隧道底部一般只會出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，巖塊不會移動，而發(fā)生在邊墻的巖爆多為片狀剝落。

（2）中等巖爆：主要危害是巖塊破裂后的彈射傷害，對機(jī)械設(shè)備的安全和隧道洞室的穩(wěn)定性影響較小。一般發(fā)生在隧道壁部，開挖后可能出現(xiàn)直徑在5～10 cm的巖石片狀物或巖粉從洞壁彈射出來，速度約為2～5 m/s。爆裂時發(fā)出尖銳的聲音，類似槍聲。

（3）強(qiáng)烈?guī)r爆：對人員和機(jī)械設(shè)備的危害較大，還可能造成大量超挖。一般表現(xiàn)為大面積的爆裂彈射現(xiàn)象，持續(xù)時間長，形成大片的爆坑并且深度較大。嚴(yán)重情況下，會立即引發(fā)拋石現(xiàn)象，即巖石從圍巖中迅速拋射出來，拋射的巖石體積較大，速度超過5 m/s，拋射距離較遠(yuǎn)。

根據(jù)該項(xiàng)目隧道左洞ZK86+165～ZK86+147段（Ⅲ級圍巖、埋深350 m）、右洞K86+135～K86+111段（Ⅲ級圍巖、埋深370 m）已發(fā)生的掉塊、拱頂局部坍塌、局部石塊彈射情況表明隧道已進(jìn)入弱～中等巖爆段施工，表明該項(xiàng)目隧道處于強(qiáng)烈的巖爆等級地段。

4 公路隧道內(nèi)巖爆的預(yù)防及處治對策

巖爆的處置遵循“一躲、二防、三治”的原則進(jìn)行。

（1）躲：當(dāng)遇到巖爆彈射性（中等巖爆）或者爆炸拋石型（強(qiáng)烈?guī)r爆）巖爆時，及時將現(xiàn)場施工人員撤離現(xiàn)場，并設(shè)置隔離區(qū)阻斷人員進(jìn)入。待圍巖穩(wěn)定后再進(jìn)行“防治”處理。兩人專人輪換值守定人、出現(xiàn)巖爆逐級上報的程序。

（2）防：在巖爆段，在施工中會有預(yù)見性和針對性地采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，以防止巖爆的發(fā)生，或者減輕巖爆的強(qiáng)度，延緩巖爆的發(fā)生時間。

（3）治：指在已經(jīng)進(jìn)行防護(hù)的基礎(chǔ)上，采取額外的技術(shù)措施或加強(qiáng)已有的措施來控制巖爆，并使其不會對人員造成傷害，從而讓作業(yè)人員完全感到安全。

4.1 公路隧道內(nèi)巖爆的預(yù)防措施

巖爆有高地應(yīng)力、埋深、巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖石脆性、圍巖等級五方面原因綜合產(chǎn)生，具體預(yù)防措施包括以下幾個方面[3-4]：

4.1.1 超前預(yù)報

對隧道內(nèi)巖爆的預(yù)警，最全面的方法是綜合利用理論分析方法、數(shù)值分析方法、微震監(jiān)測方法，但是實(shí)際應(yīng)用方面，主要是利用微震監(jiān)測方法，同時利用數(shù)值分析方法。

（1）監(jiān)測方案。①監(jiān)測：采用24 h無遺漏微震信號采集、分析與預(yù)警。②報告：采用每天一報的形式，目的是為第二天的施工作業(yè)提供必要的預(yù)警，為采取防范措施提供依據(jù)。

（2）預(yù)警信息展示。預(yù)警信息包括巖爆的次數(shù)、巖爆的震級，預(yù)警信息將在隧道的三維幾何圖中展示，即以時空形式展示。這樣便于與現(xiàn)場施工人員進(jìn)行交流，也易于理解現(xiàn)階段與下階段發(fā)生巖爆的最大可能位置與能量。

（3）地應(yīng)力測試。綜合考慮大峽谷隧道的超埋深，計(jì)劃每400 m做一次地應(yīng)力測試，結(jié)合微震監(jiān)測結(jié)果更精確判斷圍巖應(yīng)力情況。

4.1.2 多臂鑿巖臺車鉆孔開挖法

大峽谷隧道主洞及斜井均為凈寬10.25 m、凈高5 m的主洞尺寸和凈寬13.25 m、凈高5 m的加寬段尺寸及凈寬16 m、凈高5 m的交通轉(zhuǎn)換帶尺寸，施工屬大斷面開挖。在Ⅲ級圍巖中、強(qiáng)巖爆段將采取多臂鑿巖臺車開挖，減少掌子面作業(yè)人員，可確保掌子面至機(jī)械操作臺安全距離達(dá)10 m以上，有效降低安全風(fēng)險。

4.1.3 短進(jìn)尺、弱爆破

為了減小地應(yīng)力釋放的面積和空間，加快初期支護(hù)速度并減少圍巖裸露時間，可以縮短每循環(huán)進(jìn)尺的距離。此外，采用弱爆破技術(shù)也能減少對圍巖的擾動，并避免誘發(fā)地應(yīng)力二次釋放和巖爆等不良后果。在進(jìn)行爆破作業(yè)時，需要注意選擇合適的方法和技術(shù)，以確保工程安全、高效完成。

4.1.4 提高光面爆破成型效果

（1）爆破設(shè)計(jì)。該隧道采用乳化炸藥，電雷管起爆，非電毫秒管引爆。起爆順序：起爆器—擊發(fā)筆—導(dǎo)爆管—非電毫秒雷管—炸藥。

通過爆破試驗(yàn)確定爆破參數(shù)，試驗(yàn)時見表1。

（2）炮孔布局與起爆網(wǎng)絡(luò)。在炮孔布置方面，先布置掏槽眼和周邊眼，再布置輔助眼、底板眼和內(nèi)圈眼，最后布置普通掘進(jìn)眼。起爆順序?yàn)樘筒垩邸⑤o助眼、周邊眼和底板眼。所有炮孔按要求裝入炸藥和非電毫秒雷管，并做好炮孔堵塞。所有傳爆雷管用電雷管聯(lián)結(jié)。

（3）光面爆破施工。在光面爆破施工中，周邊眼的開眼位置在設(shè)計(jì)斷面輪廓線上允許沿輪廓線調(diào)整其誤差不得大于5 cm。掏槽眼的方向應(yīng)盡量垂直于巖層層理，并加深20 cm左右。周邊眼嚴(yán)格按設(shè)計(jì)開挖輪廓線布置，在硬巖層中，周邊眼的眼口在斷面設(shè)計(jì)輪廓線上，眼底超出輪廓線小于10 cm；在軟巖中，周邊眼的眼口在斷面設(shè)計(jì)輪廓線內(nèi)小于8 cm，眼底落在輪廓線上。

清孔裝藥：采用隔眼裝藥，堵塞炮泥，增加光爆效果，以達(dá)到開挖輪廓線圓順，盡量避免凹凸不平造成的地應(yīng)力集中，以達(dá)到減弱巖爆的發(fā)生。

4.1.5 超前應(yīng)力釋放

（1）超前深孔預(yù)爆破。根據(jù)觀察統(tǒng)計(jì)，大峽谷隧道出口主線左、右洞及斜井巖爆圍巖應(yīng)力主要集中在掌子面左側(cè)拱頂。因此，在掌子面左側(cè)拱頂采用ZY880型潛孔鉆預(yù)鉆30 mΦ108鉆孔（同洞口管棚），采用PVC塑料軟管10 m/段（每段5節(jié)乳化炸藥）裝藥，炮泥堵塞孔口，提前預(yù)爆破松動圍巖，釋放應(yīng)力。

（2）應(yīng)力釋放孔。在掌子面鉆掘炮孔的同時，加鉆4個6～6.5 m僅在末端裝炸藥的應(yīng)力釋放孔（掌子面平均分布），可有效釋放巖爆能量。

4.1.6 孔內(nèi)注水、高壓噴水

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，該項(xiàng)目大峽谷隧道在高埋深段也易出現(xiàn)高地溫現(xiàn)象，而地應(yīng)力又常與地溫有關(guān)。在預(yù)爆破的30 mΦ108鉆孔爆破后，在孔口安裝Φ127孔口管及止?jié){閥，注水后堵塞，水跟隨爆破裂隙進(jìn)而軟化圍巖，加快圍巖內(nèi)部的應(yīng)力釋放，另外在放炮通風(fēng)后，出渣之前，采用XMC4PW/120型全地形消防摩托車噴水，可降低溫度和釋放地應(yīng)力。

4.2 公路隧道內(nèi)巖爆的處治對策

主要采取“錨”“噴”“網(wǎng)”及靈活組合運(yùn)用，遵循“勤支護(hù)、快封閉”的原則及時施作[5]。

4.2.1 超前錨桿

對于巖爆段施工，在掌子面施作超前錨桿，對開挖前方拱部圍巖進(jìn)行支護(hù)，根據(jù)巖爆強(qiáng)度等級的不同，超前錨桿支護(hù)參數(shù)如下：

弱巖爆：初支采用1.2 m間距I14型鋼，超前采用22藥卷錨桿錨，長3.6 m，搭接1.2 m，環(huán)向間距40 cm，拱頂90 °范圍施作。

中等巖爆：初支采用1 m間距I16型鋼，超前采用22藥卷錨桿錨，長3.5 m，搭接1.5 m，環(huán)向間距40 cm，拱頂120 °范圍施作。

強(qiáng)烈?guī)r爆：初支采用80 cm間距I18型鋼，超前采用25藥卷錨桿錨，長4 m，搭接1.6 m，環(huán)向間距40 cm，拱頂120 °范圍施作。

4.2.2 隨機(jī)錨桿

為了避免掌子面開挖后的巖爆危險，施工人員需要進(jìn)行多次找頂處理。雖然這樣處理可以降低危險，但仍然難以避免較大危塊的裂而不掉。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在距掌子面后6～12 m范圍內(nèi)仍是巖爆活躍區(qū)。在掌子面開挖后的5～20 h（最長達(dá)65 h），常有不規(guī)則的裂縫出現(xiàn)，警示著存在危險因素。因此，隨機(jī)加打若干錨桿對于預(yù)防和治理巖爆非常有效。這種錨桿的方向、長度和間距需要由有經(jīng)驗(yàn)的施工技術(shù)人員根據(jù)巖面的裂紋、節(jié)理、裂隙等情況隨機(jī)指定。漲殼式錨桿具有即時施作即時生效的搶險性質(zhì)，安裝后即可發(fā)揮作用。

4.2.3 噴混凝土封閉工作面

在出渣、找頂處理危石之后，先對掌子面及洞壁周身快速噴5 cm噴射混凝土（弱巖爆段采用素混凝土，中等巖爆段及中等以上巖爆段采用鋼纖維混凝土）為了迅速封閉掌子面和洞壁周圍的巖面裂縫，并使巖面更加平順，可以使用鋼纖維混凝土。相比傳統(tǒng)的素混凝土，鋼纖維混凝土具有更大的柔性和抗剪能力。這樣能夠有效地加固巖體，并提高其整體的穩(wěn)定性，因此更適合應(yīng)對巖爆突發(fā)情況，避免以及減少巖爆危害。

4.2.4 加強(qiáng)錨、噴、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)

除了常規(guī)的錨噴網(wǎng)工法施工外，還可以采用雙層掛網(wǎng)和混凝土中摻入外加劑的方式進(jìn)行加固。這樣可以增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度，使其具有早期強(qiáng)度和速凝性，并形成一種既有相當(dāng)強(qiáng)度又具備柔性的支護(hù)體系。這種體系能夠承受來自動態(tài)和靜態(tài)荷載引起的變形，而不會導(dǎo)致表層開裂，它可以有效地抑制巖爆的發(fā)生并減輕巖爆的強(qiáng)度。根據(jù)巖爆強(qiáng)度等級的不同，錨、噴、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)參數(shù)如下：

弱巖爆：拱部180 °范圍布設(shè)15/16根梅花樁22藥卷錨桿錨（縱×環(huán)：1.2×1.2 m）和單層6.5（25×25 cm）鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土厚20 cm。

中等巖爆：開挖外輪廓全環(huán)范圍布設(shè)20/21根梅花樁22藥卷錨桿錨（縱×環(huán)：1.0×1.2 m）和單層8（20×20 cm）鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土厚22 cm并額外摻早強(qiáng)外加劑。

強(qiáng)烈?guī)r爆：開挖外輪廓全環(huán)范圍布設(shè)24/25根梅花樁22藥卷錨桿錨（縱×環(huán)：0.8×1.0 m）和雙層8（25×25 cm）鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土厚24 cm并額外摻早強(qiáng)外加劑。

5 結(jié)語

公路隧道內(nèi)巖爆的特點(diǎn)包括難以準(zhǔn)確預(yù)測、危害嚴(yán)重、影響復(fù)雜，而相關(guān)的施工對策需要綜合考慮地質(zhì)條件、巖層性質(zhì)、地下水情況、隧道施工工藝和支護(hù)措施等多方面因素。因此，針對公路隧道內(nèi)巖爆特點(diǎn)，有效的施工對策應(yīng)當(dāng)包括但不限于采用合理的爆破參數(shù)、實(shí)施綜合的地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)測、選擇適當(dāng)?shù)膸r體支護(hù)方式等措施。通過綜合應(yīng)用這些施工對策，有望降低公路隧道工程中巖爆事故的風(fēng)險，保障隧道施工的安全性和順利進(jìn)行。

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