拉林鐵路片麻巖隧道巖爆預(yù)測(cè)及防治措施

陳 志 春

(中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司,山西 太原 030032)

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拉林鐵路片麻巖隧道巖爆預(yù)測(cè)及防治措施

陳 志 春

(中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司,山西 太原 030032)

介紹了巖爆的形成條件，結(jié)合巖爆的等級(jí)，分析了巖爆對(duì)隧道施工的影響，并以拉林鐵路布喀木隧道工程為例，闡述了巖爆的預(yù)測(cè)方法及防治措施，從而確保隧道施工的安全性。

隧道，巖爆，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，防治措施

1 巖爆形成的條件

根據(jù)以往對(duì)巖爆的研究和工程實(shí)踐，巖爆發(fā)生的基本條件如下：1)巖石單軸抗壓強(qiáng)度是發(fā)生巖爆的基本條件之一，巖石單軸抗壓強(qiáng)度大于80 MPa的堅(jiān)硬巖石中易發(fā)生巖爆；2)堅(jiān)硬、脆性巖是發(fā)生巖爆的基本條件之一，脆性硬巖主要為：石英巖、花崗巖、閃長(zhǎng)巖、片麻巖、大理巖等；3)完整的巖體結(jié)構(gòu)是發(fā)生巖爆的基本條件之一，完整的巖體積聚有很大的彈性應(yīng)變能量；4)巖石埋深是發(fā)生巖爆的基本條件之一，通常認(rèn)為巖石埋深大于200 m有可能發(fā)生巖爆；5)隧道輪廓的平整度是巖爆形成的條件，隧道開挖輪廓線不平整容易發(fā)生巖爆。

2 巖爆分級(jí)

依據(jù)巖爆危害程度及其發(fā)生時(shí)的聲響特征、運(yùn)動(dòng)特征、爆裂巖塊形態(tài)特征、發(fā)生部位、時(shí)效特征等，將巖爆烈度劃分為輕微巖爆、中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆、劇烈?guī)r爆四個(gè)等級(jí)(RMS方案，1998)。鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)巖爆分級(jí)如表1所示。

3 巖爆對(duì)隧道施工的影響

1)巖爆具有突發(fā)性及不可預(yù)見性，對(duì)施工作業(yè)人員、設(shè)備安全威脅大。施工人員精神負(fù)擔(dān)極大，人員辭工現(xiàn)象嚴(yán)重，施工效率受到嚴(yán)重影響。

表1 巖爆烈度分級(jí)表

2)巖爆易造成支護(hù)變形、開裂，影響工程質(zhì)量。

3)巖爆段采取噴灑高壓水、超前應(yīng)力釋放孔、加強(qiáng)支護(hù)及安全防護(hù)等措施，嚴(yán)重降低了施工進(jìn)度指標(biāo)，對(duì)工期造成較大壓力。

4 結(jié)合拉林鐵路布喀木隧道施工總結(jié)巖爆預(yù)測(cè)和防治措施

4.1 隧道工程概況

布喀木隧道位于西藏林芝市米林縣境內(nèi)，隧道起訖里程：DK362+180～DK371+420，全長(zhǎng)9 240 m，于線路前進(jìn)方向右側(cè)DK364+900處設(shè)一道長(zhǎng)1 695 m的橫洞。隧道地處雅魯藏布江桑加峽谷地貌，地形起伏較大，縱斷面標(biāo)高范圍為：3 081 m～4 500 m，隧道最大埋深約為1 381 m。隧道預(yù)設(shè)計(jì)正洞巖爆段落7 640 m、橫洞巖爆段落1 410 m。隧址區(qū)范圍內(nèi)覆蓋層為第四系全新統(tǒng)坡殘積層的碎石土，下覆基巖為新元古—中元古界念青唐古拉巴拉巖組片麻巖。巖爆發(fā)生地段主要為Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)圍巖。

4.2 巖爆的預(yù)測(cè)

1)結(jié)合巖爆形成的條件、各級(jí)特征對(duì)巖爆發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)，從掌子面巖石巖性、巖體結(jié)構(gòu)是否完整、隧道埋深、地下水情況等多方面進(jìn)行綜合判斷。

布喀木隧道發(fā)生巖爆最小埋深為275 m，掌子面揭示圍巖巖性為片麻巖，受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微，節(jié)理裂隙較發(fā)育～不發(fā)育，無(wú)地下水，圍巖穩(wěn)定性好。邊墻和拱腰發(fā)生巖爆，巖爆形態(tài)特征以薄片狀、薄透鏡狀為主，斷口為貝殼狀。截止目前共確認(rèn)500 m巖爆地段，其中輕微巖爆500 m，中等巖爆50 m。

2)巖爆發(fā)生與地應(yīng)力積聚特征有著密切的關(guān)系。因此，地應(yīng)力場(chǎng)分析對(duì)于巖爆預(yù)測(cè)非常重要，高地應(yīng)力條件是發(fā)生巖爆的必要條件。最大主應(yīng)力達(dá)到20 MPa～30 MPa時(shí)，巖體處于高地應(yīng)力狀態(tài)，易發(fā)生巖爆。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論計(jì)算預(yù)判巖爆的等級(jí)。巖爆等級(jí)預(yù)判表見表2。

表2 巖爆預(yù)判表

布喀木隧道開挖過程中取有地質(zhì)代表性的巖石進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，大部分巖樣的抗壓強(qiáng)度值超過了100 MPa，最大值為232 MPa，由以往經(jīng)驗(yàn)可知單軸抗壓強(qiáng)度大于80 MPa即滿足巖爆發(fā)生的基本條件。隧道各段的最大主應(yīng)力σ1和洞壁最大切向應(yīng)力σmax采用有限元分析的結(jié)果。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，布喀木隧道具有輕微和中等的巖爆傾向性。

3)參考設(shè)計(jì)圖中對(duì)巖爆的預(yù)設(shè)計(jì)段落，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法進(jìn)行預(yù)測(cè)。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法包括：宏觀的地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)超前預(yù)報(bào)和采用儀器進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)、紅外線、超前鉆孔等多種方法。

4.3 巖爆的防治措施

1)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。在施工時(shí)，一方面可直接根據(jù)施工掌子面的地質(zhì)條件，如巖體結(jié)構(gòu)面形狀、巖體的破碎程度、巖體強(qiáng)度等，再結(jié)合設(shè)計(jì)巖爆地段，對(duì)掌子面前方的巖體條件、形狀及完整性進(jìn)行預(yù)測(cè)。另一方面，采用超前探測(cè)孔和TSP地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)前方地質(zhì)進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)預(yù)測(cè)可能有巖爆發(fā)生時(shí)，應(yīng)立即采取巖爆防護(hù)措施。

2)巖爆的防治措施。巖爆防治可通過改善圍巖的物理力學(xué)特性、改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和控制爆破減少擾動(dòng)等方法。為減弱巖爆的危害，應(yīng)及時(shí)對(duì)開挖的工作面進(jìn)行支護(hù)，按巖爆的強(qiáng)弱采取的支護(hù)措施不同。布喀木隧道根據(jù)巖爆等級(jí)支護(hù)措施如下：a.輕微巖爆地段。輕微巖爆地段實(shí)施全斷面法開挖，一次成形，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，及時(shí)在掌子面和洞壁噴灑水以軟化圍巖。爆破采用光面爆破，循環(huán)進(jìn)尺控制在3 m以內(nèi)，爆破、通風(fēng)、找頂后，洞壁四周、掌子面灑水3遍，每遍相隔5 min～10 min，使開挖面充

分濕潤(rùn)，灑水噴頭水柱不小于10 m。支護(hù)采用網(wǎng)噴支護(hù)，噴層厚度根據(jù)設(shè)計(jì)的圍巖級(jí)別而定，Ⅱ級(jí)圍巖5 cm，Ⅲ級(jí)圍巖8 cm。鋼筋網(wǎng)采用φ6鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm，在巖爆發(fā)生部位隨機(jī)布設(shè)φ22，L=2 m長(zhǎng)的砂漿錨桿。b.中等巖爆地段。中等巖爆實(shí)施全斷面光面爆破開挖，循環(huán)進(jìn)尺控制在3 m以內(nèi)。除了噴灑高壓水外，還應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。支護(hù)采用初噴5 cm厚CF25鋼纖維混凝土；φ6鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm，φ25機(jī)械漲殼式中空注漿錨桿，長(zhǎng)3 m，間距1.0 m×1.0 m，梅花形布置；復(fù)噴C25混凝土厚5 cm。c.強(qiáng)烈?guī)r爆地段。強(qiáng)烈?guī)r爆進(jìn)尺控制在2 m以內(nèi)；全斷面開挖，一次成形，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)；掌子面沿拱墻開挖輪廓線周邊施作φ76超前應(yīng)力孔提前釋放應(yīng)力、降低巖體能量，超前應(yīng)力釋放孔環(huán)向間距1.5 m，縱向間距20 m，單孔長(zhǎng)度25 m；具體布置見圖1。注水利用錨桿孔、超前應(yīng)力釋放孔及炮孔高壓注水，以降低巖體強(qiáng)度。支護(hù)采用施作φ25超前錨桿，環(huán)向間距0.5 m，縱向間距2 m，單根長(zhǎng)3.5 m；初噴5 cm厚CF25鋼纖維混凝土；φ6鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm，φ25機(jī)械漲殼式中空注漿錨桿，長(zhǎng)4 m，間距1.0 m×1.0 m，梅花形布置；架設(shè)12 cm×12 cm格柵鋼架，縱向間距1 m；復(fù)噴C25混凝土厚12 cm。

4.4 采取的防護(hù)措施

1)進(jìn)入巖爆段落的施工人員均佩戴鋼盔和防護(hù)服或防彈背心。2)對(duì)主要施工設(shè)備安裝防護(hù)鋼板或鋼筋防護(hù)網(wǎng)(裝載機(jī)、挖掘機(jī)、自卸車、三臂鑿巖臺(tái)車、濕噴機(jī)和混凝土運(yùn)輸車)。3)掌子面安裝高清監(jiān)控?cái)z像頭，加強(qiáng)巖爆監(jiān)測(cè)、警戒及巡回找頂，必要時(shí)及時(shí)躲避。設(shè)置專職安全人員全天候巡視警戒及監(jiān)測(cè)。聽到圍巖內(nèi)部有悶雷似的聲響時(shí)，應(yīng)盡快撤離人員及設(shè)備，每次巖爆發(fā)生時(shí)，作業(yè)人員及設(shè)備均應(yīng)及時(shí)躲避一段時(shí)間，待巖爆平靜為止。

5 結(jié)語(yǔ)

布喀木隧道洞身地質(zhì)主要以新元古—中元古界念青唐古拉巴拉巖組片麻巖為主，通過預(yù)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，巖爆主要發(fā)生于埋深在200 m以上，巖性指標(biāo)(洞壁切向應(yīng)力、主應(yīng)力、單軸抗壓強(qiáng)度)達(dá)到要求的硬質(zhì)巖。采取的防治措施能有效預(yù)防巖爆對(duì)施工人員的傷害和對(duì)設(shè)備的損壞。本隧道巖爆措施均為預(yù)設(shè)計(jì)，需要通過影像資料和巖爆記錄情況由設(shè)計(jì)、建設(shè)單位進(jìn)行確認(rèn)后實(shí)施治理。

[1] 肖廣智.不良、特殊地質(zhì)條件隧道施工技術(shù)及實(shí)例(三)巖爆防治[M].北京：人民交通出版社，2016.

The rock burst prediction and prevention measure of Lalin railway gneiss tunnel

Chen Zhichun

(FifthEngineeringLimitedCompany,ChinaRailway17thBureauGroup,Taiyuan030032,China)

This paper introduced the forming conditions of rock burst, combining with the rock burst level, analyzed the influence of rock burst to tunnel construction, and taking the Bukamu tunnel engineering of Lalin railway as an example, described the prediction method and prevention measures of rock burst, so as to ensure the safety of tunnel construction.

tunnel, rock burst, advance geological prediction, prevention measure

1009-6825(2017)14-0165-02

2017-03-06

陳志春(1983- )，男，工程師

U455.6

A