公路深埋隧道項目巖爆防控技術(shù)分析

陳照海

摘要 公路隧道工程地質(zhì)狀況復(fù)雜、隱蔽性強、施工難度大，極易產(chǎn)生施工安全事故，尤其對于深埋隧道而言，巖爆等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅施工安全，施工中加強巖爆防控尤為重要。鑒于此，文章針對公路深埋隧道巖爆防控技術(shù)展開綜合探究，闡述了巖爆類型、機制、評價預(yù)警與防控原則，提出了巖爆的主動防控和被動防控技術(shù)措施。主動防控技術(shù)措施主要有鉆孔應(yīng)力釋放、超前應(yīng)力解除爆破、設(shè)置先導(dǎo)洞、高壓噴水、鉆孔注水、超前錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)等。被動防控技術(shù)措施有噴錨支護(hù)、鋼支撐、柔性鋼絲網(wǎng)等。文章針對巖爆風(fēng)險較高的隧道工程，提出了主動+被動聯(lián)合防控措施，具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞 公路隧道項目；深埋隧洞；巖爆防控；防控技術(shù)要點

中圖分類號 TV554文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0093-03

0 引言

近年來，隨著科技的不斷進(jìn)步，公路隧道項目建設(shè)取得突出成就，運營里程越來越長，埋置深度越來越大，有效推動了交通運輸行業(yè)的發(fā)展。但由于深埋隧道地質(zhì)狀況復(fù)雜，受高地應(yīng)力、高地溫、地下水及施工影響較大，極易產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害，其中以巖爆最為典型，嚴(yán)重影響施工安全?，F(xiàn)階段，大部分深埋隧道施工時，結(jié)合自身實際特征，采取了科學(xué)有效的巖爆防控技術(shù)，且取得了顯著成效。但實際施工中，各隧道工程地質(zhì)、水文、環(huán)境及施工方式存在顯著差異，巖爆情況也各不相同，因此，對深埋隧道巖爆防控技術(shù)實施全面分析，具有十分重要的實踐意義。

1 巖爆類型、機制、評價預(yù)警

1.1 巖爆類型和孕育機制

按照巖爆出現(xiàn)的時間不同，可將其劃分成即時型巖爆和時滯型巖爆兩種類型。按照產(chǎn)生機理不同，又分為應(yīng)變型、斷裂滑移型2類。按照破壞程度不同，劃分為輕微、中等、強烈、極強等4個等級。

應(yīng)變型巖爆實質(zhì)是指巖體脆性破壞，其孕育機制為隧道圍巖在開挖過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，形成裂縫并逐漸發(fā)展、延伸，最終造成巖體破壞，當(dāng)巖體內(nèi)部彈性應(yīng)變能高于圍巖破壞釋放能量時，殘余能量將破碎石塊彈射出去，形成巖爆。而斷裂滑移型巖爆實質(zhì)是圍巖剪切滑移破壞，因圍巖結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性較為復(fù)雜，當(dāng)前對于此種類型巖爆的孕育機制尚不明確[1-3]。

1.2 巖爆風(fēng)險評價與監(jiān)測預(yù)警

隧道工程設(shè)計環(huán)節(jié)對巖爆風(fēng)險實施綜合評估，并在施工階段對巖爆實施動態(tài)監(jiān)測預(yù)警，能有效提升隧道項目巖爆防控的科學(xué)性和有效性，保證隧道施工的順利進(jìn)行。

巖爆風(fēng)險評估是根據(jù)巖爆強度理論、剛度理論及能力理論等，提出針對性風(fēng)險評估指標(biāo)，主要包含經(jīng)驗指標(biāo)與數(shù)值指標(biāo)。而巖爆監(jiān)測預(yù)警則是根據(jù)實際檢測方法，對風(fēng)險實施預(yù)警，主要方法包括微震法、聲發(fā)射法、電磁波檢測法等。當(dāng)前使用最為普遍的方法是微震法，通過對微震情況實施全面分析，得到圍巖破壞時機、部位、能量等相關(guān)指標(biāo)，從而對圍巖狀態(tài)及破壞情況實施評估。

2 巖爆防控原則

通過對巖爆風(fēng)險評估，科學(xué)判定巖爆可能出現(xiàn)的部位及危害程度，從而采取科學(xué)有效的防控技術(shù)，以有效降低巖爆危害。巖爆防控原則包含釋放巖體內(nèi)部應(yīng)力作用、改善巖體力學(xué)特性、對圍巖實施加固處理等。此外，在巖爆高發(fā)區(qū)段施工時，應(yīng)結(jié)合實際情況對施工工藝、參數(shù)等實施優(yōu)化，以有效提升巖爆防控成效，例如采取“短進(jìn)尺、多循環(huán)”掘進(jìn)方式，或采用水壓爆破等先進(jìn)技術(shù)，合理控制爆破深度，提高爆破成型質(zhì)量[2-6]。

根據(jù)上述風(fēng)險評估、監(jiān)測預(yù)警及防控技術(shù)等各方面分析結(jié)果，得到深埋隧道巖爆防控整體框架，具體如圖1所示。

3 巖爆的主動防控和被動防控

巖爆防控主要包括主動防控和被動防控兩個方面。其中，主動防控主要是在隧道施工前或施工初期采取的預(yù)防措施，通過改變巖體應(yīng)力狀態(tài)及力學(xué)特性，或采取超前支護(hù)等控制手段，達(dá)到消除巖爆的目的。而被動防控則是在隧道施工過程中實施防控，主要是通過設(shè)置支護(hù)體系，提高隧道圍巖穩(wěn)定性及抗沖擊能力，達(dá)到控制巖爆目的[7-10]。

3.1 巖爆的主動防控技術(shù)

3.1.1 鉆孔應(yīng)力釋放和超前應(yīng)力解除爆破

鉆孔應(yīng)力釋放主要是在隧道開挖過程中，通過在洞體側(cè)壁或開挖面設(shè)置孔洞，消除圍巖內(nèi)部應(yīng)力。超前應(yīng)力解除爆破則是在鉆孔達(dá)不到巖爆要求的應(yīng)力釋放標(biāo)準(zhǔn)時，在鉆孔釋放前提下采取的爆破降壓措施。

（1）鉆孔應(yīng)力釋放技術(shù)原理是利用鉆孔變形釋放隧洞巖體內(nèi)部應(yīng)力及應(yīng)變能，并使巖體應(yīng)力逐步轉(zhuǎn)移至內(nèi)部巖體中。因應(yīng)力釋放程度較低，該方法通常應(yīng)用于輕微－中等巖爆防控處理，實際防控成效與鉆孔深度、孔徑、布設(shè)間距等密切相關(guān)，以孔徑影響最為顯著。

（2）超前應(yīng)力解除爆破技術(shù)原理主要是在開挖面前方區(qū)域設(shè)置破碎帶，有效消除掌子面周圍應(yīng)力作用，并使應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)移至巖體最深處。該技術(shù)能顯著降低圍巖內(nèi)部壓力、應(yīng)力，常用于強烈、極強巖爆防控，能有效消除應(yīng)力集中部位圍巖應(yīng)力，效果顯著。

3.1.2 先導(dǎo)洞

先導(dǎo)洞是隧道施工前，利用鉆爆法在開挖面前方預(yù)先開設(shè)的小型作業(yè)面。先導(dǎo)洞通常直徑比較小，因此洞體較為穩(wěn)定，產(chǎn)生巖爆的風(fēng)險較低，能有效釋放掌子面前方巖體內(nèi)部應(yīng)力，并且可用作超前探洞。

先導(dǎo)洞技術(shù)原理與鉆孔應(yīng)力釋放基本相同，由于其洞徑較大，因此應(yīng)力釋放效果更加顯著。

3.1.3 高壓噴水和鉆孔注水

隧道開挖過程中，對側(cè)壁高壓噴水或鉆孔注高壓水，能夠使隧道巖體軟化，改善巖體力學(xué)性能，從而有效防止巖爆產(chǎn)生。

高壓注水會形成水楔效應(yīng)，有效減弱巖體表面強度，并且水體能夠加速巖體內(nèi)部應(yīng)力釋放，消除殘余應(yīng)變能，防止產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.1.4 超前錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)

超前錨桿支護(hù)主要是在隧道爆破施工前，在開挖面前方巖層中提前打入錨桿，從而起到加固圍巖的作用。目前，常用的超前支護(hù)措施主要有超前小導(dǎo)管、超前管棚等，而對于水工隧道施工，超前支護(hù)為超前錨桿。預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)則是利用錨頭形成的錨固力對隧道巖體加以約束，提高圍巖穩(wěn)定性。

超前錨桿與預(yù)應(yīng)力錨桿工作原理：①錨孔具有釋放圍巖內(nèi)部應(yīng)力的作用；②隧道開挖后，能夠迅速完成應(yīng)力轉(zhuǎn)移；③能夠有效發(fā)揮對隧道巖體的加固補強作用，提高圍巖穩(wěn)定性、承載性能及抗沖擊能力。

3.2 巖爆的被動防控技術(shù)

3.2.1 噴錨支護(hù)

噴錨支護(hù)在隧道支護(hù)及巖爆防控中較為常用，采取噴射混凝土+錨桿支護(hù)方式，聯(lián)合完成對隧道巖體的加固，包含初期支護(hù)、二次襯砌支護(hù)等。主要工作原理為通過設(shè)置錨桿并噴射混凝土，形成共同承載系統(tǒng)，提高隧道圍巖整體穩(wěn)定性和承載性能，降低巖爆等級及危害程度。

對于各種強度等級的巖爆，應(yīng)采取不同種類的混凝土與錨桿。針對輕微－中等巖爆的防控，選用常規(guī)混凝土及砂漿錨桿進(jìn)行支護(hù)加固。而對于強烈－極強巖爆地段，對混凝土及錨桿性能要求較高，混凝土必須具備較強的韌性及抗壓強度，因此，混凝土應(yīng)選用鋼筋混凝土、鋼纖維混凝土等性能優(yōu)良的復(fù)合型混凝土；錨桿則選用具有較強變形特性的消能錨桿，如水脹式錨桿等。

3.2.2 柔性鋼絲網(wǎng)

柔性鋼絲網(wǎng)是較為常用的巖爆柔性防控措施，主要工作原理如下：采取錨桿+掛網(wǎng)+噴射混凝土的方式，形成聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)，共同完成對圍巖的支撐、緩沖及消能，達(dá)到防控巖爆的目的，具體工藝流程如圖2所示。

3.2.3 鋼支撐

鋼支撐在隧道初期支護(hù)中應(yīng)用較為普遍，是永久支護(hù)的重要組成部分，對巖爆造成的圍巖坍塌具有良好的防護(hù)效果，主要包含鋼拱架和鋼格柵兩種類型。其中鋼拱架具有剛度大、支護(hù)能力強等優(yōu)點，通過在隧洞內(nèi)設(shè)置鋼拱架，為洞體圍巖提供較強的環(huán)向支撐，有效防止洞體變形，增強隧道圍巖穩(wěn)定性，提高承載能力。相較于鋼拱架，鋼格柵為柔性支護(hù)，能有效釋放圍巖初期變形，施工簡便，成本低，但承載能力較差。

3.3 主動+被動聯(lián)合防控

通過上文對巖爆主動防控及被動防控措施的分析能夠看出，主動防控主要包括兩個方面：①對隧道巖體自身的防控處理。如鉆孔應(yīng)力釋放、鉆孔注水等；②對隧道巖體加固處理。如超前錨桿支護(hù)等。被動防控主要依據(jù)隧道開挖后洞體結(jié)構(gòu)變形、破壞采取的加固措施，如噴錨支護(hù)、柔性防護(hù)、鋼支撐等。鋼支撐按照剛度大小采用的防護(hù)材料差異，可分為剛性支護(hù)與柔性支護(hù)兩種形式。巖爆主動、被動典型防控措施如圖3所示。

通常狀況下，巖爆主動防控措施對工期影響較大，因此對于巖爆風(fēng)險較低的項目，僅需實施被動防控即可。而對于巖爆風(fēng)險較高的項目，應(yīng)采取主動+被動相結(jié)合的方式進(jìn)行防控，采用鉆孔應(yīng)力釋放降低巖爆風(fēng)險，并通過支護(hù)提高隧道圍巖穩(wěn)定性和抗沖擊性能?？茖W(xué)有效的應(yīng)力釋放能顯著提升巖爆防控效率，同時完善的支護(hù)體系能充分發(fā)揮主動、吸能作用，增強巖爆防控效果。

4 結(jié)論

綜上所述，巖爆作為深埋隧道施工較為常見的地質(zhì)災(zāi)害，加強巖爆防控對保證隧道施工安全具有重要作用。該文基于巖爆類型、孕育機制及防控原則，系統(tǒng)分析了巖爆防控技術(shù)，得出如下結(jié)論：

（1）巖爆防控主要包括主動防控和被動防控兩個方面，針對巖爆風(fēng)險較高的項目，應(yīng)采取主動+被動相結(jié)合的方式進(jìn)行防控，有效降低強烈－極強巖爆危害程度。

（2）主動防控技術(shù)包括鉆孔應(yīng)力釋放、超前應(yīng)力解除爆破、設(shè)置先導(dǎo)洞、高壓噴水、鉆孔注水、超前錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，其中超前應(yīng)力解除爆破應(yīng)用最為普遍。

（3）被動防控技術(shù)包括噴錨支護(hù)、鋼支撐、柔性鋼絲網(wǎng)等，目前較為常用的支護(hù)體系為“復(fù)合型混凝土+吸能錨桿+柔性鋼絲網(wǎng)”，效果顯著。

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