茅臺(tái)高速公路壇廠隧道巖爆區(qū)段間的施工

黃 蛟

貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001

0 引言

巖爆是高應(yīng)力地區(qū)地下工程中圍巖脆性破壞時(shí)應(yīng)變能突然釋放造成的一種動(dòng)力失穩(wěn)的現(xiàn)象，在高應(yīng)力地區(qū)的隧道和地下工程開挖中，巖爆是常見的一種工程地質(zhì)災(zāi)害。巖爆不僅直接威脅著人員及施工設(shè)備的安全，而且也嚴(yán)重地影響工程施工工期和增加工程造價(jià)。由于它的突發(fā)性和彈射性，盡管在區(qū)域上能定性地預(yù)測(cè)到巖爆發(fā)生的可能性，但仍會(huì)給工程施工帶來極大地困難。

壇廠隧道位于貴州省仁懷市境內(nèi)，單洞全長(zhǎng)2.080m，成型洞徑為13.0m～12.4m之間。隧道中軸線沿線山體雄厚，地勢(shì)陡峻，隧道水平埋深一般在200m～350m。從2008年5月份進(jìn)入深埋段施工，到2008年12月份，歷時(shí)203天共計(jì)錄到發(fā)生巖爆次數(shù)達(dá)40余次，被迫停工達(dá)20多天，砸壞鉆孔鑿巖平臺(tái)一次，傷人3人次，砸損各種設(shè)備多次。由于巖爆造成的影響，每循環(huán)的作業(yè)時(shí)間從原來的14h～18h延長(zhǎng)到20h～32h，平均循環(huán)進(jìn)尺從3.1m減到2.1m。由此可見該區(qū)段的巖爆頻率高，破壞性大，對(duì)正常施工產(chǎn)生了非常嚴(yán)重地影響，因此對(duì)巖爆的防治 的研究和采取相應(yīng)的措施是很有必要的。本文主要介紹了壇廠隧道巖爆區(qū)段的施工情況，總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)和有待改進(jìn)的問題，為今后巖爆區(qū)段間的施工打下一定的處治基礎(chǔ)，以便共同深討和研究。

1 壇廠隧道巖爆現(xiàn)象及分析

壇廠隧道左幅在施工中，第一次發(fā)生巖爆現(xiàn)象是在距洞口203.5m處，時(shí)間為2008年5月13日，巖爆部位距掌子面5.3m，但其規(guī)模相對(duì)較小，此次垂直埋深為201m。自從2008年5月14日施工以來，巖爆發(fā)生的頻率顯著提高，巖爆規(guī)模越來越增大，其危害性也大，特別是右幅隧道在施工離洞口258.9m的掌子面，因巖爆原因還砸亡一人、砸傷二人的群傷亡事故。從我們記錄的40多次巖爆資料看來，壇廠隧道左、右幅隧道發(fā)生的巖爆具個(gè)有以下幾個(gè)特征。

1.1 巖爆發(fā)生的狀況

1）巖爆僅發(fā)生在干燥無水的石灰?guī)r帶中，而在隧道的沙質(zhì)泥巖和泥質(zhì)砂巖帶均不會(huì)發(fā)生巖爆，發(fā)生巖爆的部位基本如圖一的A、B兩個(gè)部位，而A部位發(fā)生巖爆的頻率要高于B部位，其規(guī)模也要比B部位大，B部位的破壞基本上為斷裂破壞，而A部位既有小規(guī)模的斷裂破壞，又有大規(guī)模的剪切破壞。而在巖性變化的交界處的巖中巖爆發(fā)生更為頻繁；

圖1 巖爆發(fā)生的部位

2）當(dāng)圍巖內(nèi)部發(fā)生爆裂聲清脆，聲響極大時(shí)，巖爆主要表現(xiàn)為斷裂破壞，其規(guī)模不大，多呈片狀或欠殼從母巖中次劈裂的形式剝落下來，且?guī)r塊剝落的時(shí)間幾乎與爆裂聲同步。當(dāng)圍巖內(nèi)部發(fā)生的爆裂聲沉悶，聲響較小時(shí)，巖爆主要表現(xiàn)為剪切破壞，其規(guī)模較大，并伴隨有煙狀粉末彈射，此時(shí)由巖爆產(chǎn)生破壞巖體一般都滯后爆裂聲20min到一個(gè)小時(shí)不等后才從巖體上掉落；

3）巖爆發(fā)生的頻率隨暴露后時(shí)間增長(zhǎng)而降低，大部分巖爆發(fā)生在半日之內(nèi)，按記錄的巖爆次數(shù)占到90%，其中以1天內(nèi)的巖爆占得次數(shù)最高，達(dá)到62%，但個(gè)別巖爆又會(huì)在一個(gè)月甚至數(shù)月后仍會(huì)發(fā)生，但為數(shù)太少。我們根據(jù)施工中記錄的資料分析繪制后一天內(nèi)發(fā)生的巖爆次數(shù)在24h中分布規(guī)律，從圖中可以看出其巖爆發(fā)生的高峰應(yīng)在放炮后的10h之內(nèi)。

圖2 巖爆與開挖后的時(shí)間關(guān)系

4）巖爆發(fā)生的次數(shù)與掌子面的距離的關(guān)系，也可以從下圖看出就距離而言有兩個(gè)高峰期。第一個(gè)巖爆高峰期在距離掌子面2m以內(nèi)，然后逐漸減小，第二個(gè)巖爆高峰期在距離掌子面1.2～1.4倍洞徑的范圍內(nèi)，然后又逐漸減小，但也可能有在距掌子面100m處發(fā)生的巖爆的例子，但次數(shù)不多。

圖3 巖爆與距離的關(guān)系

5）壇廠隧道由巖爆產(chǎn)生破壞的規(guī)模大小不一，一次巖爆破壞的面積從0.3方到數(shù)十方的不等，其破壞厚度也從幾厘米到1.5m不等，爆落的巖體從零點(diǎn)幾方到數(shù)十方都有。總體來講破壞厚度較小的巖爆大多數(shù)發(fā)生在整體的脆性巖體中，而破壞程度較大的巖爆則發(fā)生在有少量節(jié)理的脆性巖石中。

1.2 巖爆產(chǎn)生的條件及機(jī)理分析

地層巖性條件和地應(yīng)力條件是產(chǎn)生巖爆的兩個(gè)決定性因素，只有同時(shí)具備兩個(gè)條件，才有可能產(chǎn)生巖爆的可能性。壇廠隧道巖爆區(qū)間的巖性大部分為新鮮、完整、堅(jiān)硬的脆性巖體，從目前作的幾個(gè)巖樣的單軸拉、壓試驗(yàn)來看，其單軸抗壓強(qiáng)度均在130MPa，表明這種巖石具有較好的儲(chǔ)能特性，其彈性能量數(shù)WET值大體在4.5～8.4之間，由此可見壇廠隧道的圍巖具有作為產(chǎn)生巖爆條件之一的地層巖性條件。產(chǎn)生巖爆的令一個(gè)重要條件為地應(yīng)力條件，壇廠隧道巖爆區(qū)間的埋深均在150m，貴州省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院在壇廠隧道200m埋深處實(shí)測(cè)的地應(yīng)力為：最大主應(yīng)力δ1為28.97MPa,最小主應(yīng)力δ3為9.8MPa，屬高應(yīng)力地區(qū)，且初始地應(yīng)力δ1與δ3的差值較大，δ1為δ3的3倍，因此壇廠隧道同時(shí)也具備了產(chǎn)生巖爆的地應(yīng)力條件。從巖爆的破壞性程度上看來，巖爆有兩種破壞機(jī)制，一是斷裂破壞機(jī)制，一是剪切破壞機(jī)制，在滿足巖爆的地層性的條件下，前者可以用修正的格里菲斯準(zhǔn)則判別，后者則用摩爾—納維葉準(zhǔn)則判別。從記錄的巖爆資料看來，壇廠隧道的巖爆兩種形式的破壞都存在著與產(chǎn)生巖爆斷面的地層條件，埋深和隧道開挖過程有關(guān)，不同情況下產(chǎn)生的二次應(yīng)力場(chǎng)不同，應(yīng)力集中的程度也不同。

2 壇廠隧道施工在巖爆區(qū)段的防治措施

2.1 巖爆的預(yù)測(cè)

根據(jù)地下工程的實(shí)踐中得知，巖爆產(chǎn)生與地質(zhì)相關(guān)關(guān)系，預(yù)測(cè)前方發(fā)生巖爆的可能性及規(guī)律：

1）巖體結(jié)構(gòu)面稀少的整體，塊狀巖體易發(fā)生巖爆，結(jié)構(gòu)面特別發(fā)育的巖體不易發(fā)生巖爆；

2）干燥巖體易發(fā)生巖爆，潤(rùn)濕、有滴水或浸水巖體不易發(fā)生巖爆；

3）隧道上方的山體垂直埋深越深，超過200m以上的易發(fā)生巖爆，低于150m的一般無巖爆；

4）伴有噼啪聲響，巖塊不斷剝落的巖爆，一般易消失停止；發(fā)生悶雷般甕響而不破裂掉快的部位，則預(yù)示有滯后延期巖爆的可能。

2.2 巖爆的防治方法

1）改善圍巖條件，向新鮮暴露的圍巖表面噴水是目前的最簡(jiǎn)單方法，它可以促進(jìn)圍巖表部應(yīng)力調(diào)整或緩慢釋放；

2）加固圍巖是壇廠隧道廣泛采用的巖爆防治方法，如圍巖表面及時(shí)清除松動(dòng)巖塊，向洞周（主要是上半部）噴射砼，噴層厚度5cm，旨在將表部破裂巖塊聯(lián)固一體，它是防治微落巖爆的治理有效方法；

3）安全防護(hù)由于至今尚無預(yù)測(cè)巖爆的準(zhǔn)確方法，故安全防護(hù)仍是目前必不可少的重要手段。實(shí)踐證明，稍有疏忽即可釀成事故或?yàn)?zāi)害，諸如嚴(yán)密監(jiān)視巖爆征兆，適應(yīng)躲避，放炮前、出碴前、打眼鉆孔前、裝藥前要多次橇幫問頂（消除危石），以及帶安全帽，車輛和機(jī)械設(shè)備的駕駛室要搭設(shè)安全棚等，皆是有效地防護(hù)措施，絲毫不可麻痹大意。

[1]李賀，等.巖石斷裂力學(xué)[M].人民出版社.

[2]鄒成杰.巖爆與地應(yīng)力問題.貴陽(yáng)院.

[3]汪澤斌.巖爆及防護(hù).貴陽(yáng)院.