茅台高速公路坛厂隧道岩爆区段间的施工

黄 蛟

贵州路桥集团有限公司，贵州 贵阳 550001

0 引言

岩爆是高应力地区地下工程中围岩脆性破坏时应变能突然释放造成的一种动力失稳的现象，在高应力地区的隧道和地下工程开挖中，岩爆是常见的一种工程地质灾害。岩爆不仅直接威胁着人员及施工设备的安全，而且也严重地影响工程施工工期和增加工程造价。由于它的突发性和弹射性，尽管在区域上能定性地预测到岩爆发生的可能性，但仍会给工程施工带来极大地困难。

坛厂隧道位于贵州省仁怀市境内，单洞全长2.080m，成型洞径为13.0m～12.4m之间。隧道中轴线沿线山体雄厚，地势陡峻，隧道水平埋深一般在200m～350m。从2008年5月份进入深埋段施工，到2008年12月份，历时203天共计录到发生岩爆次数达40余次，被迫停工达20多天，砸坏钻孔凿岩平台一次，伤人3人次，砸损各种设备多次。由于岩爆造成的影响，每循环的作业时间从原来的14h～18h延长到20h～32h，平均循环进尺从3.1m减到2.1m。由此可见该区段的岩爆频率高，破坏性大，对正常施工产生了非常严重地影响，因此对岩爆的防治 的研究和采取相应的措施是很有必要的。本文主要介绍了坛厂隧道岩爆区段的施工情况，总结出一些经验和有待改进的问题，为今后岩爆区段间的施工打下一定的处治基础，以便共同深讨和研究。

1 坛厂隧道岩爆现象及分析

坛厂隧道左幅在施工中，第一次发生岩爆现象是在距洞口203.5m处，时间为2008年5月13日，岩爆部位距掌子面5.3m，但其规模相对较小，此次垂直埋深为201m。自从2008年5月14日施工以来，岩爆发生的频率显著提高，岩爆规模越来越增大，其危害性也大，特别是右幅隧道在施工离洞口258.9m的掌子面，因岩爆原因还砸亡一人、砸伤二人的群伤亡事故。从我们记录的40多次岩爆资料看来，坛厂隧道左、右幅隧道发生的岩爆具个有以下几个特征。

1.1 岩爆发生的状况

1）岩爆仅发生在干燥无水的石灰岩带中，而在隧道的沙质泥岩和泥质砂岩带均不会发生岩爆，发生岩爆的部位基本如图一的A、B两个部位，而A部位发生岩爆的频率要高于B部位，其规模也要比B部位大，B部位的破坏基本上为断裂破坏，而A部位既有小规模的断裂破坏，又有大规模的剪切破坏。而在岩性变化的交界处的岩中岩爆发生更为频繁；

图1 岩爆发生的部位

2）当围岩内部发生爆裂声清脆，声响极大时，岩爆主要表现为断裂破坏，其规模不大，多呈片状或欠壳从母岩中次劈裂的形式剥落下来，且岩块剥落的时间几乎与爆裂声同步。当围岩内部发生的爆裂声沉闷，声响较小时，岩爆主要表现为剪切破坏，其规模较大，并伴随有烟状粉末弹射，此时由岩爆产生破坏岩体一般都滞后爆裂声20min到一个小时不等后才从岩体上掉落；

3）岩爆发生的频率随暴露后时间增长而降低，大部分岩爆发生在半日之内，按记录的岩爆次数占到90%，其中以1天内的岩爆占得次数最高，达到62%，但个别岩爆又会在一个月甚至数月后仍会发生，但为数太少。我们根据施工中记录的资料分析绘制后一天内发生的岩爆次数在24h中分布规律，从图中可以看出其岩爆发生的高峰应在放炮后的10h之内。

图2 岩爆与开挖后的时间关系

4）岩爆发生的次数与掌子面的距离的关系，也可以从下图看出就距离而言有两个高峰期。第一个岩爆高峰期在距离掌子面2m以内，然后逐渐减小，第二个岩爆高峰期在距离掌子面1.2～1.4倍洞径的范围内，然后又逐渐减小，但也可能有在距掌子面100m处发生的岩爆的例子，但次数不多。

图3 岩爆与距离的关系

5）坛厂隧道由岩爆产生破坏的规模大小不一，一次岩爆破坏的面积从0.3方到数十方的不等，其破坏厚度也从几厘米到1.5m不等，爆落的岩体从零点几方到数十方都有。总体来讲破坏厚度较小的岩爆大多数发生在整体的脆性岩体中，而破坏程度较大的岩爆则发生在有少量节理的脆性岩石中。

1.2 岩爆产生的条件及机理分析

地层岩性条件和地应力条件是产生岩爆的两个决定性因素，只有同时具备两个条件，才有可能产生岩爆的可能性。坛厂隧道岩爆区间的岩性大部分为新鲜、完整、坚硬的脆性岩体，从目前作的几个岩样的单轴拉、压试验来看，其单轴抗压强度均在130MPa，表明这种岩石具有较好的储能特性，其弹性能量数WET值大体在4.5～8.4之间，由此可见坛厂隧道的围岩具有作为产生岩爆条件之一的地层岩性条件。产生岩爆的令一个重要条件为地应力条件，坛厂隧道岩爆区间的埋深均在150m，贵州省交通规划设计研究院在坛厂隧道200m埋深处实测的地应力为：最大主应力δ1为28.97MPa,最小主应力δ3为9.8MPa，属高应力地区，且初始地应力δ1与δ3的差值较大，δ1为δ3的3倍，因此坛厂隧道同时也具备了产生岩爆的地应力条件。从岩爆的破坏性程度上看来，岩爆有两种破坏机制，一是断裂破坏机制，一是剪切破坏机制，在满足岩爆的地层性的条件下，前者可以用修正的格里菲斯准则判别，后者则用摩尔—纳维叶准则判别。从记录的岩爆资料看来，坛厂隧道的岩爆两种形式的破坏都存在着与产生岩爆断面的地层条件，埋深和隧道开挖过程有关，不同情况下产生的二次应力场不同，应力集中的程度也不同。

2 坛厂隧道施工在岩爆区段的防治措施

2.1 岩爆的预测

根据地下工程的实践中得知，岩爆产生与地质相关关系，预测前方发生岩爆的可能性及规律：

1）岩体结构面稀少的整体，块状岩体易发生岩爆，结构面特别发育的岩体不易发生岩爆；

2）干燥岩体易发生岩爆，润湿、有滴水或浸水岩体不易发生岩爆；

3）隧道上方的山体垂直埋深越深，超过200m以上的易发生岩爆，低于150m的一般无岩爆；

4）伴有噼啪声响，岩块不断剥落的岩爆，一般易消失停止；发生闷雷般瓮响而不破裂掉快的部位，则预示有滞后延期岩爆的可能。

2.2 岩爆的防治方法

1）改善围岩条件，向新鲜暴露的围岩表面喷水是目前的最简单方法，它可以促进围岩表部应力调整或缓慢释放；

2）加固围岩是坛厂隧道广泛采用的岩爆防治方法，如围岩表面及时清除松动岩块，向洞周（主要是上半部）喷射砼，喷层厚度5cm，旨在将表部破裂岩块联固一体，它是防治微落岩爆的治理有效方法；

3）安全防护由于至今尚无预测岩爆的准确方法，故安全防护仍是目前必不可少的重要手段。实践证明，稍有疏忽即可酿成事故或灾害，诸如严密监视岩爆征兆，适应躲避，放炮前、出碴前、打眼钻孔前、装药前要多次橇帮问顶（消除危石），以及带安全帽，车辆和机械设备的驾驶室要搭设安全棚等，皆是有效地防护措施，丝毫不可麻痹大意。

[1]李贺，等.岩石断裂力学[M].人民出版社.

[2]邹成杰.岩爆与地应力问题.贵阳院.

[3]汪泽斌.岩爆及防护.贵阳院.