陳洪波

(中國鐵建股份有限公司，北京 100855)

淺談隧道巖爆的特征和處理方法①

陳洪波②

(中國鐵建股份有限公司，北京 100855)

通過對(duì)秦嶺隧道II線平導(dǎo)開挖過程中巖爆發(fā)生的地質(zhì)條件、巖爆特點(diǎn)和破壞機(jī)制分析，總結(jié)出了在開挖過程中采取的一些措施，為巖爆防治提供借鑒。

巖爆;地質(zhì)特征;施工方法;秦嶺隧道

0 引言

巖爆是深埋地下工程施工過程中常見的動(dòng)力破壞現(xiàn)象，它是由于巖石積聚的應(yīng)變能大于巖石破壞所消耗的能量時(shí)，多余的能量導(dǎo)致巖石碎片從巖體中剝離、崩出。強(qiáng)烈的巖爆常常帶來災(zāi)難性的后果，如人員傷亡、施工設(shè)備毀損甚至地下工程報(bào)廢等等。在分析巖爆發(fā)生機(jī)制時(shí)，人們注意到，地下洞室?guī)r爆是巖體由于幾何及力的邊界條件發(fā)生變化導(dǎo)致巖石材料力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致巖體突然失穩(wěn)，這種失穩(wěn)是一種突變現(xiàn)象［1-3］。

巖爆的發(fā)生與很多因素有關(guān)［4-5］，包括:(1)近代構(gòu)造活動(dòng)山體內(nèi)地應(yīng)力較高，巖體內(nèi)儲(chǔ)存著很大的應(yīng)變能，該部分能量超過了巖石自身的強(qiáng)度;(2)圍巖堅(jiān)硬新鮮完整，裂隙極少或僅有隱裂隙，且具有較高的脆性和彈性，能夠儲(chǔ)存能量，而其變形特性屬于脆性破壞類型，當(dāng)應(yīng)力解除后，回彈變形很小;(3)埋深較大(一般埋藏深度多大于200m)且遠(yuǎn)離溝谷切割的卸荷裂隙帶;(4)地下水較少，巖體干燥;(5)開挖斷面形狀不規(guī)則，大型洞室群岔洞較多的地下工程，或斷面變化造成局部應(yīng)力集中的地帶。另外，巖爆還與施工順序，支護(hù)方式及爆破、地震有關(guān)，這些因素表現(xiàn)為影響圍巖的應(yīng)力分布，或是當(dāng)圍巖處于臨界平衡時(shí)，動(dòng)力擾動(dòng)使圍巖失穩(wěn)。

1 秦嶺隧道地質(zhì)情況

西康鐵路秦嶺隧道位于青岔車站和營盤車站之間，由兩座單線隧道組成。I線全長18460m，采用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工，設(shè)計(jì)為直徑8.8m的圓形斷面;II線全長18456m，采用鉆爆法施工，先期施工平導(dǎo)，其斷面積為28.3m2(4.9×6.3m)，擔(dān)負(fù)著地質(zhì)鉆探、地質(zhì)預(yù)報(bào)、不良地質(zhì)地段加固，為I線TBM正常施工服務(wù)的功能。秦嶺隧道地處北秦嶺中山區(qū)，該地區(qū)的巖層由經(jīng)歷了多期變質(zhì)作用，巖漿活動(dòng)和混合巖化作用的復(fù)雜巖石組成，其中I～Ⅱ類圍巖占21.7%，IV類約占35.2%，V～VI類圍巖占43%，巖性以混合片麻巖、混合花崗巖為主，并間隔發(fā)育。II線平導(dǎo)在施工過程中，由于圍巖受高地應(yīng)力及地質(zhì)構(gòu)造影響，巖爆發(fā)生頻繁，對(duì)II線平導(dǎo)快速掘進(jìn)造成嚴(yán)重影響，對(duì)機(jī)械及人身安全造成極大威脅，給施工帶來了很大的困難。

1.1 主要地層與巖性情況

秦嶺隧道洞身出露地層以混合巖類為主，根據(jù)混合巖強(qiáng)度可以分為三個(gè)帶。

第一帶:DYK68+670～ DYK70+780，以混合花崗巖為主，灰白色夾淺肉紅色，中粗?；◢徸兙ЫY(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，大部分巖石受地質(zhì)構(gòu)造作用影響較重，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，III級(jí)圍巖為主。

第二帶:DYK64+370～ DYK68+670、DYK70+780～DYK 79+590，以混合片麻巖為主，呈條帶狀不規(guī)則相間分布，中粗粒變晶結(jié)構(gòu)，條帶狀、眼球狀、片麻狀構(gòu)造，片麻理產(chǎn)狀塊狀為N40°W～EW/50°～ 75°S、N10°E ～ EW/15°～ 40°S，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育至不發(fā)育，I～Ⅲ級(jí)圍巖均有分布。

第三帶:DYK79+590～ DYK82+821，以含綠色礦物混合花崗巖為主，灰至灰綠色，局部夾淺肉紅色和灰白色，中粗?；◢徸兙ЫY(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，大部分巖石受地質(zhì)構(gòu)造作用影響較重，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，III級(jí)圍巖為主。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造和應(yīng)力情況

秦嶺隧道位于北秦嶺褶皺斷裂帶中部，歷經(jīng)3個(gè)旋回，為一多旋回褶皺系。該地區(qū)巖漿活動(dòng)頻繁，變質(zhì)作用復(fù)雜，褶皺斷裂發(fā)育。經(jīng)過多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響及長期發(fā)展演化，其內(nèi)部組成和構(gòu)造變形十分復(fù)雜。因北秦嶺褶皺構(gòu)造帶的主要構(gòu)造方向?yàn)榻鼥|西向，所以隧道通過區(qū)的斷層也以近東西向?yàn)橹鳌鄬佑?3條，其中區(qū)域性斷裂三條(F2、F4、F5)，地區(qū)性斷裂9條，小斷層41條，除斷層外，巖體中結(jié)構(gòu)面也很發(fā)育，分布復(fù)雜?？睖y和施工階段地應(yīng)力測試顯示，隧道區(qū)位于高應(yīng)力區(qū)，最大主應(yīng)力方向?yàn)榻媳毕颉?/p>

2 秦嶺隧道巖爆特征及發(fā)生原因

2.1 巖爆特征

2.1.1 巖爆段的巖性情況

施工過程中統(tǒng)計(jì)，從發(fā)生巖爆的巖性來看，除一段發(fā)生在混合花崗巖外，其余巖爆都發(fā)生在混合片麻巖中?；旌掀閹r片麻理構(gòu)造較發(fā)育，節(jié)理不發(fā)育至較發(fā)育，巖體多呈巨塊狀整體結(jié)構(gòu)或大塊狀砌體結(jié)構(gòu)，幾乎所有巖爆段的巖體都呈干燥無水狀態(tài)。

2.1.2 巖爆段的埋深情況

從巖爆段的垂直埋深看，最大埋深1615m，最小埋深僅50m，但4段最強(qiáng)烈的巖爆埋深都在900m以上，輕微和中等巖爆則可能發(fā)生在任何埋深。巖爆在隧道斷面上主要分布在兩側(cè)拱部，個(gè)別段發(fā)生在兩側(cè)邊邊墻，4段最強(qiáng)烈?guī)r爆發(fā)生在整個(gè)斷面。

2.1.3 巖爆段的聲響情況

高應(yīng)力段隧道施工中，新開挖的工作面附近可聽到巖體內(nèi)部的巖體開裂聲，如:平導(dǎo)開挖至DYK77+172里程，出碴后測量時(shí)，聽到掌子面發(fā)出沉悶的開裂聲，聲音從開挖20分鐘后出現(xiàn)，持續(xù)到開挖完6個(gè)小時(shí)左右。

2.1.4 巖爆體的爆落情況

巖爆的爆塊有薄片狀、透鏡體狀、板狀和塊狀，大小差別很大，小至數(shù)厘米，大至幾米。輕微巖爆的爆塊以薄片狀居多;中等巖爆多為片狀和透鏡狀爆塊，大小不等，最大爆塊接近2m;在強(qiáng)烈?guī)r爆中，地種形狀的爆塊都有，最大的達(dá)到3.4m。輕微巖爆爆坑不明顯，中等巖爆留下相當(dāng)明顯的巖爆坑。巖爆坑的邊緣多為階梯面，其中一組破裂面與開挖洞壁基本平行，與洞壁夾角0°～5°，表現(xiàn)為明顯的張性破裂;另一組與洞壁斜交，與洞壁夾角為20°～25°，表現(xiàn)為張剪破裂。前一組爆裂面以沿片麻理形成的新鮮破裂面為主，少數(shù)遷就原生裂隙面，后一組爆裂面多為新鮮破裂面。爆塊斷面電鏡掃描分析表明，爆裂面以張性為主，局部有剪切破裂現(xiàn)象。

2.1.5 巖爆頻率和距離、時(shí)間的關(guān)系

II線平導(dǎo)巖爆區(qū)段一般發(fā)生在掌子面后9～100m的范圍內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)巖爆頻率和掌子面距離的關(guān)系曲線如圖1，巖爆頻率和時(shí)間的關(guān)系曲線如圖2。

2.2 原因淺析

圖1 巖爆頻率和掌子面距離的關(guān)系曲線圖

圖2 巖爆頻率和時(shí)間關(guān)系曲線圖

如前所述，秦嶺隧道主要由混含片麻巖、混含花崗巖組成，巖爆段多為圍巖脆硬、抗壓強(qiáng)度高、沒有或極少裂隙、無水的巖層中。在隧道開挖過程中，洞壁上逐漸集中的切向應(yīng)力，使局部巖體中與切向應(yīng)力方向一致的原生微裂隙、微節(jié)理或軟弱面，沿切向應(yīng)力方向劈裂擴(kuò)展、分支、聯(lián)合，形成宏觀張裂破裂面，將洞壁附近巖體劈裂成板狀;破裂面擴(kuò)展到一定程度就會(huì)受到邊界的限制，要么改變方向，向臨空面(洞壁)方向繼續(xù)劈裂擴(kuò)展，要么沿與洞壁斜交的軟弱面發(fā)生剪切，要么板狀巖體在較大切向應(yīng)力作用下發(fā)生壓彎折斷，使板狀巖體破裂成形狀各異的巖塊;當(dāng)破裂面擴(kuò)展到洞壁時(shí)，破裂巖塊自身積聚的應(yīng)變能和穩(wěn)定巖體釋放的能量轉(zhuǎn)化為破裂巖塊的動(dòng)能，破裂巖塊獲得一定的初速度向臨空方向彈射出來。由此可見，巖爆的形成和發(fā)生經(jīng)歷了張性破裂、破裂成塊和巖塊彈射三個(gè)變形破壞階段。

3 巖爆段施工采取的措施

如前所述，秦嶺隧道在施工期間發(fā)生巖爆是不可避免的，在II線平導(dǎo)出口段施工過程中，根據(jù)巖爆的特征，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況，施工中主要從三個(gè)方面進(jìn)行處理。一是認(rèn)真分析其發(fā)生規(guī)律，加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào);二是加強(qiáng)巖爆段的支護(hù)和安全防護(hù);三是調(diào)整圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，主動(dòng)消除或減輕巖爆。

3.1 巖爆評(píng)估和地質(zhì)超前預(yù)報(bào)

1)在具備巖爆條件的隧道段施工過程中，提前針對(duì)圍巖特性及地應(yīng)力條件，評(píng)估巖爆發(fā)生的概率和強(qiáng)度等級(jí)。

2)巖爆發(fā)生前，通常有一定的聲響發(fā)出，有經(jīng)驗(yàn)的施工技術(shù)人員可以根據(jù)聲響及時(shí)對(duì)巖爆的發(fā)生做出初步的判斷。

3)隧道開挖后，洞壁周圍圍巖應(yīng)力重新分布，會(huì)導(dǎo)致圍巖變形。利用這一原理對(duì)圍巖變形進(jìn)行超前監(jiān)測，根據(jù)位移變化速率判斷圍巖穩(wěn)定情況，決定是否可進(jìn)入下部工序施工。

3.2 加強(qiáng)巖爆段的支護(hù)和安全防護(hù)

1)增設(shè)臨時(shí)防護(hù)設(shè)施，如:給施工人員配備鋼盔、防彈背心等，給施工設(shè)備安裝防護(hù)網(wǎng)和防護(hù)棚架，掌子面可加掛防護(hù)鋼絲網(wǎng)。

2)對(duì)輕微強(qiáng)度的巖爆，利用爆破后通風(fēng)時(shí)間讓其應(yīng)力釋放約40分鐘，在確保施工人員的安全前提下，及時(shí)清除危石。

3)對(duì)中等強(qiáng)度的巖爆，采取先躲避1～2小時(shí)，再清理危石，組織出碴，然后噴射鋼纖維混凝土，此時(shí)圍巖仍不穩(wěn)定，采取打錨桿(在原噴射層上)，再復(fù)噴鋼纖維混凝土。

4)對(duì)非常劇烈的巖爆，爆破后則必須采取躲避措施，將人員和機(jī)械撤至安全地帶，巖爆減弱后不宜馬上出碴，要從安全地帶開始噴鋼纖維混凝土至掌子面，再打錨桿，再復(fù)噴鋼纖維混凝土，最后出碴。

3.3 調(diào)整圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，主動(dòng)消除或減輕巖爆

3.3.1 噴灑高壓水

爆破后立即向工作面及附近的洞壁巖體噴灑高壓水，以降低巖體的強(qiáng)度，增強(qiáng)塑性，減弱巖體脆性，降低巖爆的強(qiáng)度;同時(shí)也以起到降溫除塵的作用。也可以利用炮孔和錨桿孔向巖體深處注水，以取得更佳效果。

3.3.2 調(diào)整鉆爆設(shè)計(jì)

在施工中采取“短進(jìn)尺、弱爆破”以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)?，F(xiàn)場操作中，針對(duì)原鉆爆設(shè)計(jì)中21個(gè)周邊眼，14個(gè)二圈眼采用同一段雷管起爆的藥量大、能量高，對(duì)圍巖擾動(dòng)大，應(yīng)力集中現(xiàn)象。將全斷面一次性開挖調(diào)整為拱部、墻部分段爆破，再輔之以短進(jìn)尺，每個(gè)循環(huán)控制在1.5m～2m，同時(shí)減少裝藥量，減輕爆破對(duì)圍巖的影響，減小爆破動(dòng)力場疊加，降低爆破頻率和強(qiáng)度，減弱巖爆。

3.3.3 超前爆破釋放應(yīng)力

即在施工中，一邊釋放應(yīng)力，一邊掘進(jìn)，使巖體原始應(yīng)力提前釋放，使之不發(fā)生巖爆或減弱巖爆強(qiáng)度，但是應(yīng)力釋放只能起到降低圍巖應(yīng)力的作用。主要做法是:鉆孔臺(tái)車在工作面鉆眼時(shí)，在掌子面周邊拱線處(底板除外)等間距超前鉆4.5～5.0m 深的炮眼12個(gè)，外插角25°～35°，裝藥500～750g Φ40mm的4號(hào)抗水銨梯巖石炸藥，并與主體炮同時(shí)起爆。這樣可以在拱部2～3m以上的巖石內(nèi)形成一個(gè)爆破松動(dòng)圈，圍巖主應(yīng)力在松動(dòng)圈分解成徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力，圍巖內(nèi)部原始應(yīng)力集中區(qū)域也因?yàn)楸普饎?dòng)得到調(diào)整，圍巖整體應(yīng)力得到改善，使原始應(yīng)力水平得到有效降低。

除采用上述措施外，施工中還采用了錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)。錨桿長度一般大于2.5m，間距視現(xiàn)場情況而定，類型一般選用機(jī)械式錨桿、摩擦錨桿或膨脹錨桿;濕噴鋼纖維混凝土，鋼纖維摻量為每立方米混凝土為70～80kg。

5 結(jié)語

秦嶺隧道的巖爆給隧道施工帶來了很大的困難，在參與建設(shè)的各方共同努力下，現(xiàn)場技術(shù)人員摸索出了一套較為適用的巖爆處理措施，保證了施工安全，確保了隧道順利貫通，本文總結(jié)了秦嶺隧道II線平導(dǎo)出口段施工過程中遇到巖爆的特征以及針對(duì)巖爆采取的一些措施。隨著能源地下儲(chǔ)存、核廢料深埋處理、深部礦產(chǎn)資源開采及高地應(yīng)力地區(qū)的隧道建設(shè)等大量地下工程建設(shè)的發(fā)展，深入分析研究巖爆發(fā)生機(jī)理、條件、提出巖爆的預(yù)測和控制方法對(duì)于確保工程安全具有非常重要的意義。

［1］ 許東俊，章光，李庭芥，等.巖爆應(yīng)力狀態(tài)研究［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19(02):169-172

［2］ 楊濤，李國維.基于先驗(yàn)知識(shí)的巖爆預(yù)測研究［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19(04):429-431

［3］ 蔡美峰，王金安，王雙紅.玲瓏金礦深部開采巖體能量分析與巖爆綜合預(yù)測［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20(01):38-42

［4］ 周青春，李海波，楊春和.地下工程巖爆及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估綜述［J］. 巖土力學(xué)，2003，24(增刊):669-673

［5］ 伍穎，王穎，李俊.基于巖性與應(yīng)力的巖爆條件試驗(yàn)研究［J］. 爆破，2009，26(02):23-25

Discussion on tunnel rock burst characteristics and construction method

CHEN Hongbo

(China Railway Construction Corporation Limited，Beijing 100855)

Analyze Rock burst the geological conditions，characteristics and damage mechanism in Parallel adit on No.II line of Qinling tunnel.At the same time，Summarize some measures taken in mining process，which provides reference for prevention of rock burst.

Rock burst;geological feature;construction method;Qinling tunnel

U455.6

A

1672-7169(2012)01-0025-03

2011-11-10。

陳洪波(1974-)，男，山東乳山人，大學(xué)畢業(yè)，中國鐵建股份有限公司高級(jí)工程師，現(xiàn)從事鐵路建設(shè)施工及管理工作。