隧道施工中巖爆的防護措施探討

徐京城

重慶蜀通巖土工程有限公司 重慶 401147

引言

隨著交通運輸業(yè)的不斷發(fā)展對隧道施工建設(shè)提出了更高的要求，然而在隧道施工過程中無法避免出現(xiàn)巖爆的問題，為了減輕損失需要相關(guān)管理人員掌握巖爆問題的發(fā)生原因和基本的條件，做好科學(xué)的防護，按照不同類型的巖爆采取完善的管理措施，從而使巖爆發(fā)生概率能夠有所降低，減少對現(xiàn)場施工所產(chǎn)生的影響，提高工程的施工效果。

1 巖爆的概述

1.1 條件

巖爆也稱沖擊性的地壓，是巖體中聚集的彈性勢能在一定條件下突然釋放而導(dǎo)致巖石爆裂并且彈射出來的現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)這一現(xiàn)象會嚴(yán)重地破壞隧道本身的開挖工作面，也會出現(xiàn)嚴(yán)重的設(shè)備損失問題，產(chǎn)生的人員傷亡情況非常的嚴(yán)重，輕微的巖爆一般沒有任何的彈射現(xiàn)象，只是出現(xiàn)巖石的剝落。較為嚴(yán)重的情況相當(dāng)于4.25～4.6級的地震，并且持續(xù)幾天或者是數(shù)月，對實際的施工造成了較為嚴(yán)重的影響。當(dāng)隧道地下工程穿越堅硬巖石時，處于較高低應(yīng)力的狀態(tài)下，由于封閉巖層被開發(fā)之后，所釋放的地應(yīng)力在逐漸增加而出現(xiàn)破壞的問題，并伴隨著也時的彈射以及聲響釋放較大的彈性應(yīng)變力，對實際施工所產(chǎn)生的影響非常突出。因此，在現(xiàn)場施工中需要加強防護的工作要點，在這一現(xiàn)象發(fā)生時，基本條件為高地應(yīng)力和堅固的巖石的運力，和埋深有著密切的關(guān)系，堅固的巖石分別可利用單軸抗壓強壓和脆性來進行衡量，在實際施工時需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件來確定其中的等級，做好科學(xué)劃分，逐漸的改善當(dāng)前的施工方案，從而使整體施工效果能夠得到全面的提高[1]。在高地應(yīng)力方面一般包含的是構(gòu)造的應(yīng)力以及巖體本身的自重應(yīng)力，需要確定其中的垂直應(yīng)力和最大水平力等等，并且還需要和當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況進行相互的協(xié)調(diào)。值得注意的是，在高地應(yīng)力檢測方面還需要確定其中的埋深，兩者是呈現(xiàn)線性關(guān)系的，要根據(jù)垂直定義和最大水平應(yīng)力值來進行精準(zhǔn)性的計算，以此來制定更大科學(xué)的防護方案。在埋深方面主要是指埋深越大地應(yīng)力越大，產(chǎn)生巖爆的可能性就越大，在現(xiàn)場施工時需要根據(jù)現(xiàn)場的情況進行科學(xué)測量，逐漸的改善當(dāng)前的工作方案，從而使整體施工效果能夠得到全面的提高。

產(chǎn)生巖爆還和巖石的脆性有著密切的關(guān)系，根據(jù)工程實例進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)巖爆大部分發(fā)生在片麻巖和花崗巖等巖石中，共同的特征是脆性較高很容易出現(xiàn)巖爆的問題，最后還和圍巖的級別有著一定的關(guān)系，例如巖體的構(gòu)造以及裂縫等等，均是產(chǎn)生巖爆的影響因素，圍巖的級別屬于綜合性的指標(biāo)要根據(jù)實際情況進行指標(biāo)的科學(xué)劃分，為后續(xù)防護工作順利實施提供重要的數(shù)據(jù)支持，從而使整體防護水平能夠得到全面的提高。在進行單項指標(biāo)評價時，很有可能會出現(xiàn)不一致的情況，但是只要其中的3～4個指標(biāo)相同即可認(rèn)定相同結(jié)果的巖爆強度，從而使整體工作效果能夠得到全面的提升。

1.2 特點

巖石巖為巖爆中的重要組成部分，這一部分巖石非常的干燥，在發(fā)生巖爆之前征兆非常不明顯，即使是通過仔細(xì)的尋找也無法發(fā)現(xiàn)異常的問題，一旦勘察人員認(rèn)為不會掉落石塊之后，但是會隨著其中應(yīng)力的變化突然爆發(fā)聲響，并且散落石塊，這一情況是無法預(yù)測的。在實際施工的過程中，施工周邊會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的巖爆問題并且損失較大，這主要是由于施工中活動觸碰了定力而導(dǎo)致的，使得巖爆發(fā)生概率在逐漸提高，在巖爆時破壞的規(guī)模在幾厘米厚甚至是會達(dá)到幾噸重圍巖，破壞較小時形狀是中間厚、周邊薄，并且有不規(guī)則的魚鱗狀和巖壁平行，甚至是會出現(xiàn)脫落的問題。在出現(xiàn)巖爆的過程中，堅硬的巖石先發(fā)出聲響，并且伴隨著剝落的縫隙一起出現(xiàn)，縫隙一旦貫通會產(chǎn)生持續(xù)性的剝落和彈出所產(chǎn)生的影響較為突出。受爆破震動的影響會使開挖洞段的應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生大面積的巖爆問題，剝落的小塊魚鱗狀伴有碎屑，或者是堵塞整個工作面，對實際施工所產(chǎn)生的影響非常的突出。

1.3 產(chǎn)生原因

首先為隧道埋深的影響水平構(gòu)造應(yīng)力較大，地區(qū)出現(xiàn)巖爆的概率較大和內(nèi)部埋深較大有一定的關(guān)系，構(gòu)造應(yīng)力時受到來自上部分巖體的自重效應(yīng)，發(fā)生了這一情況在實際施工過程中在偏壓及深埋的隧道中制作炮眼時，也會出現(xiàn)小規(guī)模的巖爆。臨近孔眼之間的距離不符合相關(guān)的規(guī)定，或者是開挖之后的洞穴形狀和設(shè)計方案存在一定的偏差，并沒有考慮形狀影響因素導(dǎo)致巖爆問題在逐漸的發(fā)生。

其次為結(jié)構(gòu)面的影響，在巖爆結(jié)構(gòu)面中，對巖爆的形成以及分布有著密切的關(guān)系，巖爆優(yōu)勢面控制著地應(yīng)力的大小以及分布等等，如果某一個施工控制出現(xiàn)一定的偏差，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定性無法得到充分的保證，整體性好和強度較高的巖體更容易發(fā)生巖爆，這是在實際工作中需要特別注意的問題。

最后為地下水的影響，在隧道工程施工中，地下水的存在對該部位具有較強的軟化和降溫作用，有地下水的巖體發(fā)生巖爆概率較小，如果隧道內(nèi)干燥污水埋深較大，會容易出現(xiàn)不同程度的巖爆問題。

第4個影響因素為高地應(yīng)力的影響，近代構(gòu)造活動的山巖體內(nèi)部具有較強的地應(yīng)力并且儲存的應(yīng)力能隨著時間的推移在逐漸增加，如果儲存的能量大于自身所承受的強度，是會引發(fā)較嚴(yán)重的巖爆問題[2]。一般表現(xiàn)在埋深在地下的花崗巖和石灰?guī)r中，這一情況較為常見。

最后為巖層受到壓力的作用，深埋中的巖層上部覆蓋著巖石，使巖石周邊承載著較大的巖石重量，活動性的斷層也會影響著深埋巖層，在沒有開挖之前，巖層承受著不同的壓力作用，各個壓力之間是相等和對等的關(guān)系互相抵消，在這一平衡狀態(tài)下是保持靜止?fàn)顟B(tài)的變形運動。但是在隧道開挖之后，隧道坑內(nèi)一些原有的受力體被移走，這就會使得內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)生一定的改變，形狀也會發(fā)生一定的變化，對原有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成影響。如果出現(xiàn)受力不均衡的問題，會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的巖爆情況，對實際施工的影響較為突出。

2 隧道施工中巖爆的預(yù)防策略

2.1 加強前期的勘測

為了使隧道施工中巖爆的發(fā)生概率能夠有所降低，在實際工作中需要做好前期的準(zhǔn)備工作，尤其是要根據(jù)現(xiàn)場施工情況做好提前的檢測，確定其中的應(yīng)力分布情況逐漸的改善當(dāng)前的工作方案，從而使巖爆預(yù)防水平能夠得到全面的提高。在實際施工之前，要根據(jù)現(xiàn)場情況進行全面的勘測，之后再根據(jù)勘測資料建立完整的數(shù)字模型，利用三維有限元的數(shù)值進行模型的運算以及反演的分析，并且初步的確定施工區(qū)域內(nèi)部的數(shù)量級，了解容易發(fā)生巖爆的部位，采取更加科學(xué)的優(yōu)化措施。例如要調(diào)整當(dāng)前的開發(fā)方案，確定主要的支護順序，從而為后續(xù)防護工作的順利實施提供重要的依據(jù)[3]。在后續(xù)工作中還需要加強對地質(zhì)的前期勘測，例如在實際施工過程中要主動的進行超前定制的探測，提前預(yù)報巖爆很有可能發(fā)生的情況，并且預(yù)報發(fā)生率的大小。超前探測的方法包含了超前鉆探以及生反射等相關(guān)工作中，需要根據(jù)巖石地質(zhì)的特點，綜合性的判斷巖爆發(fā)生程度的大小，之后再按照不同的指標(biāo)進行科學(xué)的分析，逐漸的改善當(dāng)前的工作方案，從而使前期開測效果能夠得到全面的提高。在實際勘測時需要做好數(shù)據(jù)記錄工作，根據(jù)后續(xù)的施工要求和標(biāo)準(zhǔn)，逐漸優(yōu)化當(dāng)前的工作方案，從而使勘測工作價值能夠得到全面的凸顯，保證后續(xù)施工的順利實施。

2.2 鉆孔中的預(yù)防

在鉆孔操作的過程中對地表應(yīng)力的影響較為突出，并且也會出現(xiàn)一定的振動嚴(yán)重時會導(dǎo)致巖爆問題的發(fā)生，因此在實際工作中需要將預(yù)防意識落實到鉆孔的環(huán)境中，逐漸的改善當(dāng)前的施工方案，減少巖爆問題的發(fā)生概率。在隧道內(nèi)部要提前鉆孔，以此來掌握施工面的高低應(yīng)力，也可以在圍巖內(nèi)部進行注水，從而使表面張力能夠有所降低。超前鉆孔一般要使用鉆探孔通過地質(zhì)鉆機或者是液壓鉆孔來進行打孔，直徑要控制在4-4.5cm左右，每個循環(huán)布置的孔數(shù)要為5個左右，深度大概為5～10m，必要時要進行科學(xué)的測量和當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況進行相互的匹配，逐漸的改善當(dāng)前的工作方案。在超前探孔中要先進行松動爆破，查看巖體本身的穩(wěn)固性，之后再使用小炮陣列完整的巖體，向孔洞內(nèi)部壓水，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的問題。通過科學(xué)的管理，減少巖爆問題的發(fā)生概率，從而使整體施工安全性能夠得到全面的提高。在實際施工的過程中需要做好全面的監(jiān)測，嚴(yán)格按照鉆孔的流程及標(biāo)準(zhǔn)來進行日常的管理，尤其是要加強對圍巖的監(jiān)測工作，細(xì)致性的觀察現(xiàn)場的地質(zhì)情況，根據(jù)整體的施工方案來進行科學(xué)的監(jiān)測，從而使整體監(jiān)測效果能夠得到全面的提高。在實際工作中需要根據(jù)鉆孔的工作程序預(yù)測地質(zhì)情況所發(fā)生的變化，并且還需要對深部沖擊巖爆問題進行定量化的調(diào)整，指導(dǎo)鉆孔和開挖工作的順利實施，從而使整體施工安全系數(shù)能夠得到全面的提高。

2.3 施工的支護

由于一些巖爆在發(fā)生時具有突發(fā)性的特點，為了減少對現(xiàn)場工作所產(chǎn)生的損失，在實際工作中需要加強對整體施工支護的重視程度，逐漸改善當(dāng)前的工作方案，從而使施工能夠具備較強的安全性。在爆破之后需要立即向側(cè)壁噴射鋼纖維或者是塑料纖維混凝土之后再利用鋼筋網(wǎng)進行加固，選擇正確的支護方法，逐漸提高現(xiàn)場的施工效果。必要時也可以架設(shè)鋼拱架或者提前搭建錨桿，為了減少巖層的暴露時間，要將安全意識落實到不同工作環(huán)節(jié)中，并且考慮各個敏感因素，科學(xué)的排布好現(xiàn)場的施工工序，從而使實際施工效果能夠得到全面的提高。在施工現(xiàn)場中也可以提前架設(shè)鋼木排架，如果在后續(xù)施工時出現(xiàn)爆裂響聲，要馬上進行支護工作，防止事故的發(fā)生，將影響因素的發(fā)生降到最低，逐漸的改善當(dāng)前的工作方案，從而使施工效果能夠得到全面的提升。此外在后續(xù)工作中還需要在巖爆發(fā)生時迅速的封閉支護結(jié)構(gòu)巖爆，規(guī)模較小時防控工作可以直接噴射混凝土，如果發(fā)生規(guī)模為中等時，在防護的過程中，需要在圍巖上加設(shè)鋼筋網(wǎng)和鋼筋類再噴射混凝土，如果發(fā)生規(guī)模較大時，需要馬上進行混凝土的襯砌施工，使圍巖和支護結(jié)構(gòu)能夠緊密的結(jié)合，形成較強的自穩(wěn)能力，使結(jié)構(gòu)能夠具備較強的穩(wěn)定性。在現(xiàn)場施工中，需要全面的監(jiān)測實際的施工情況以及異常問題，融入先進的設(shè)施來進行全面的監(jiān)測，及時的發(fā)現(xiàn)其中的異常問題，在短時間內(nèi)提出更加科學(xué)的應(yīng)對方案，或者提前制定與之對應(yīng)的應(yīng)急管理方法，減少在巖爆發(fā)生之后對現(xiàn)場施工所產(chǎn)生的損失，將安全意識落實到不同工作環(huán)節(jié)中，從而提高整體的施工效果。在進行支護施工時，要提前檢查支護結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性，和當(dāng)?shù)氐臈l件進行相互的匹配，并且細(xì)致性的分析前期的勘測數(shù)據(jù)，按照現(xiàn)場情況選擇正確的支護結(jié)構(gòu)，也可以在前期工作中進行必要的實驗，了解支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免支護結(jié)構(gòu)功能無法正常的發(fā)揮，而增加安全問題的發(fā)生概率。

3 結(jié)束語

在隧道施工中巖爆問題為常見影響因素影響了現(xiàn)場施工的安全性，因此需要相關(guān)管理人員加強對巖爆發(fā)生條件和原因的深入性分析之后，再結(jié)合以往工作經(jīng)驗確定新型的防治方案，做好現(xiàn)場安全管理，搭建必要性的支護措施，并且進行不同施工環(huán)節(jié)的科學(xué)監(jiān)測，做好數(shù)據(jù)的記錄工作，不斷的補充當(dāng)前的防護方案，減少巖爆對施工所產(chǎn)生的影響。