隧道施工岩爆预测防治

李建臣

摘 要：本文根据北山隧道内发生岩爆的实际情况，对隧道岩爆地质段的岩性及工程地质条件进行分析，参考相关资料对岩爆进行预测，并采取有力措施进行防治，提高岩爆地质隧道施工的安全性和可靠性。

关键词：岩爆；预测与防治；施工；隧道开挖

1 概 述

青荣城际铁路设计时速为250km。本标段施工的北山隧道位于牟平区境内，属低山丘陵区，地形起伏大，基岩大部分裸露，山体植被不发育，最大埋深161.2m。进出口位于缓坡处。隧道范围内地层岩性单一，主要为片麻状黑云二长花岗岩。地下水类型主要为基岩裂隙水，沟谷发育处雨季地下水较丰富，地下水受降水影响较大。水文地质条件简单。

开挖过程中，洞室边墙、顶拱部位发生一定程度的低岩爆活动，给现场施工人员、设备安全造成威胁。目前已采用开挖面喷水湿润、锚喷支护、边顶拱挂柔性防护网，派有经验的人监护、理论分析等方法，结合施工过程中实际问题，采取了一系列行之有效的措施，顺利的完成了施工任务。

2 岩爆预测

2.1 岩爆的概念

岩爆是岩石工程中围岩体的突然破坏，并伴随着岩体中应变能的突然释放，是一种岩石破裂过程失稳现象。

2.2 岩爆形成的条件

以下几种情况可能发生岩爆：①近代构造活动山体内地应力较高，岩体内储存着很大的应变能，当该部分能量超过了硬岩石自身的强度时；②围岩坚硬新鲜完整，裂隙极少或仅有隐裂隙，且具有较高的脆性和弹性，能够储存能量，而其变形特性属于脆性破坏类型，当应力解除后，回弹变形很小；③埋深较大（一般埋藏深度多大于200m）且远离沟谷切割的卸荷裂隙带；④地下水较少，岩体干燥；⑤开挖断面形状不规则，大型洞室群岔洞较多的地下工程，或断面变化造成局部应力集中的地带。

3 岩爆防治

3.1 国内主要防治方法

目前我国隧道、地下洞室在施工过程岩爆防治措施主要有以下几方面：

（1）改善围岩物理力学性能。在掌子面（开挖面）和洞壁经常喷撒冷水，可在一定程度上降低表层围岩强度。根据研究表明，对于非坚硬岩体，采用超前钻孔高压均匀注水，可以通过三方面作用来防治岩爆：①可以释放应变能，并将最大切向应力向深部转移；②高压注水的楔劈作用可以软化、降低岩体强度；③高压注水产生了新的张裂隙，并使原有裂隙继续扩展，从而降低了岩体储存应变能的能力。对于具有高地应力的坚硬岩体来说，岩体内裂隙由于受到注水的润滑作用又能触发引起“地震”，结果往往起不到应有的软化围岩作用。钻孔注水的有效性在坚硬岩体中的高地应区是值得讨论的。在此高地应力区，注水后其封闭应力可能以岩爆的方式释放。

（2）改善围岩应力条件。根据国内外工程实践经验，岩爆洞段尽量采用钻爆法施工，短进尺掘进；减小药量，控制光面爆破效果，以减小围岩表层应力集中现象。轻微、中等岩爆段尽可能采用全断面一次开挖成型的施工方法，以减少对围岩的扰动。强烈以上的烈度岩爆地段，必要时也可采用分部开挖的方法，以降低岩爆的破坏程度，但在施工中应尽量减少爆破振动触发岩爆的可能性；采取超前钻孔应力解除、松动爆破或振动爆破等方法，使岩体应力降低，能量在开挖前释放。目前，不少学者推荐用分部开挖的方式减少岩爆的发生，但增加开挖的次数并不有利，多一次开挖就多一次遇到岩爆的机会，甚至会发生剪切破坏岩爆。

（3）加固围岩。对不同烈度的岩爆采用不同的加固处理措施。对于低岩爆，可实施全断面光面爆破开挖；爆破、通风、找顶后，洞壁、掌子面撒水3遍，每遍相隔5～10min，使开挖岩面充分湿润，撒水喷头水柱不小于10m；打洞壁环向应力释放孔；设置挂网喷射混凝土初期支护。对于中等岩爆，除实施全断面光面爆破开挖外，必要时可作30～50m超前导洞，导洞直径可不大于5m，作为岩爆超前预报和释放地应力；同样在爆破、通风、找顶后，洞壁、掌子面撒水3遍和打洞壁环向应力释放孔；挂网喷射混凝土初期支护；设置径向系统锚杆。对于强烈以上烈度岩爆段，多采取加深加密系统锚杆，并加垫板；挂整体网；进行3次三循环喷混凝土；格栅钢架支撑等措施。

3.2 针对本隧道的防治措施

主要采用加固围岩、改善围岩应力条件、改变围岩物理力学性质和加强施工人员及设备的安全防护等措施。

（1）加固围岩措施

①喷射钢纤维混凝土。喷混凝土作用主要是将未清除干净的小石块黏结在一起。钢纤维混凝土比普通混凝土有大得多的柔性，能承受较大变形。若岩爆继续发展，可从喷层的开裂和剥落上观察出来，及时进行进一步加固。

②施作系统锚杆。主要作用是防止洞室周边岩体壁裂、剥落、岩体塌落。施工钻孔还可解除岩石中部分应力。当掌子面发生岩爆时，向掘进前方打超前锚杆加固。锚杆长度一般采用两倍的爆破进尺长度，且采用膨胀锚杆，可以将岩爆对隧道掘进的干扰降低到最低程度。

③采用钢筋网，并加连接筋，配合锚喷支护，对围岩进行加固，这主要用于中等岩爆。

④采用钢筋网或钢支撑配合锚喷支护，对围岩进行加固，这主要用于剧烈岩爆。

⑤挂柔性防护网，及时挂柔性防护网，悬挂部位在已发生岩爆较频繁的中顶拱部位，在锚筋上固定挂柔性防护网，并与岩面密贴。

⑥及时封闭围岩，对围岩暴露进行保护加固，同时二次衬砌及时跟进，减少由于应力过度释放造成的围岩松软。

（2）改善围岩应力条件措施

①合理的开挖程序和方法。采用打超前小导洞，预释能量，并且作超前膨胀锚杆。二次扩挖到设计规格线，可大大改善岩爆区围岩的应力状况，减弱岩爆的发生。超前小导洞一般采用断面为5m×5m（宽×高）或5m×6m，以便装载机出碴，超前小导洞超前扩挖面10～15m；如果岩爆发生在刚放完炮后，则推迟出碴，待岩爆后再出碴。

②控制爆破。施工中采用浅孔多循环，严格控制最大单响药量，以减轻对围岩的扰动；严格控制光爆孔造孔质量，减少局部地段发生突变，从而改善围岩的应力条件，以防止破坏性岩爆的发生。

③加强光面爆破效果，减小应力集中。

（3）改善围岩物理力学性质

主要在掌子面（工作面）和洞壁经常喷撒冷水，降低表层围岩强度。对已开挖成形的边顶拱、喷护的混凝土和开挖成形掌子面及时进行喷水，降低脆性，以增强抵抗地应力变形的能力，从而减少岩爆发生。

（4）作业人员防护。加强作业人员防护：危险期作业人员穿防砸背心，穿防砸鞋可有效预防岩爆产生的飞石击伤。作业时派有经验的人员进行监护，发生异常时及时撤离作业人员。

4 结 论

本标段的北山隧道开挖，施工条件较复杂，岩爆的发生具有不可预见性和突然性。在北山隧道施工中得到以下几点启示：

（1）对可能发生岩爆的区域，采用理论分析、宏观调查、地质雷达、红外线监测及微震观测等方法探索岩爆的预报。

（2）多观察、多记录、多分析，及时有效发现问题，杜绝不安全因素，积极采取预防措施。

（3）必须加强安全巡视及安全監督。对可能发生岩爆的区域加强对岩爆时间、部位及地质情况的统计分析和资料收集。对已发生的岩爆进行详细记录：如围岩类别、最大单响、埋深、时间、地点、伤害情况等等，以便进行数理分析，制定防范措施。