官田隧道岩爆及邻近区段突水处理方案

■陈大琪

（龙岩漳永高速公路有限责任公司，龙岩 364000）

1 工程概况

官田隧道位于福建省漳永高速公路龙岩段境内，起讫桩号：左线ZK50+552～ZK56+691,长6139 m；右线K50+544～K56+695,长6151m，属特长分离式隧道。该隧道区属低山地貌，地形起伏较大，最大埋深695m。隧址区上覆粉质黏土、含粒粉质黏土、碎石等，下伏基岩为三叠系上统文宾山组（T3w）砂岩、粉砂岩、三叠系下统溪口组（T1x）砂岩及侏罗系上统南园组（J3n）凝灰熔岩、燕山期（γ52（3）c）花岗岩等。隧址区地表水主要为冲沟地段中的水，受季节控制明显；地下水主要为基岩中的裂隙水，下伏基岩节理裂隙发育，多呈闭合状，连通性较差，多充填泥质。由于隧道较长，山体较高，汇水面积大，地下水水量较丰富。

官田隧道于2013 年2 月正式开工。2014 年3 月15日左洞开挖施工至ZK52+257 时，发生中等-强烈程度岩爆（见图1）。而不久后的3 月25 日，右洞开挖施工至K52+265 时，掌子面发生突水（见图2），水压力及水流量较大，水流自裂隙喷出瞬间最大距离达20m。值得一提的是，发生岩爆、突水现象的两个隧道间距仅24.4m，两个区段直线距离甚至不超过30m，两个近距离隧道可谓“水火相容”。

图1 左洞ZK52＋257 岩爆现象

图2 右洞K52+265 突水现象

2 岩爆、突水现象分析

根据设计勘察资料，结合两个区段相对复杂的地质条件，施工过程加强重视这两个区段的超前地质预报工作。具体地质情况如下：

2.1 设计勘察总体情况

（1）地应力条件：据测试结果，周边钻孔岩石容重取为26.5kN/m3。在435～495m 测深范围内最大水平主应力σH 为9.2 ～12.8MPa，最 小 水 平 主 应 力σh 为6.4 ～9.1MPa，铅直应力σz 为11.5～13.1MPa。总体上，应力特征表现为σz>σH>σh。该隧道围岩以硬质砂岩为主，岩体应力量级为中等应力水平。最大水平主应力方向的侧压系数（σH/σz）为0.77～1.01。除个别测点侧压系数大于1 外，其他侧压系数均小于1，说明该测试区域岩体应力场以自重应力场为主导。主应力方向为N70oE～N76oE 之间。

（2）涌水量预测：从安全考虑，设计最大涌水量采用古德曼经验式计算值，其中左线隧道最大涌水量Q0L=17575(m3/d)，右线隧道最大涌水量Q0R=18796(m3/d)。隧址区受断裂构造、不整合接触带、且岩层倾向接触带影响，地下水发育，可能出现突水、突泥。

2.2 左洞ZK52＋257 岩爆区段

（1）地质预报：根据掌子面开挖到ZK52+140 时，采用地震波TGP206 探测法并结合地质分析法综合预报，预报范围为ZK52+140～ZK52+300，其中ZK52+236-ZK52+300 段,通过分析纵横波对比速度及反射符号分布曲线图，纵波速度、横波波速均起伏变化，整体上升，泊松比变化不大，纵波速度约为5150m/s,纵波主要反射界面水平夹角和垂直倾角分别为52°和35°。横波主要反射界面水平夹角和垂直倾角分别为47°与40°。预报里程段围岩主要为微风化砂岩，单块岩石强度高，属于较坚硬岩，围岩节理裂隙不发育，岩体较完整，呈块状结构，围岩稳定性较好，拱顶易发生掉块，地下水不发育，呈点滴状出水，建议围岩级别为Ⅲ级。

（2）实际情况：开挖至ZK52+257 时，隧道埋深约360m，围岩主要为微风化砂岩，节理裂隙稍发育，岩质坚硬，岩体较完整，拱墙干燥无水。3 月15 日开挖工班进行钻眼作业时发现掌子面后方ZK52+252～ZK52+257 段拱部有“啪、啪”的异响声，并伴随有少量片状石块剥落，遂暂停钻眼作业，进行二次找顶排险，经观察无异常现象后方继续钻眼作业，于13∶50 放炮，随后出碴。出碴过程中发现拱部有岩石爆裂声响，并伴随有片状石块剥落，15∶25 响声加大，伴随岩石劈裂的声响，不断有边缘薄中间厚的层片状石块从拱顶剥落，人员、机械撤离现场，暂停掌子面施工，持续观察，时有声响并伴随掉块，持续时间长达48h，直到17 日晚仍有响声及零星掉块。于ZK52+255～ZK52+260 段拱部形成纵向长度约5m，环向宽度约3.5m，径向最大深度达1.3m的三角状坑，经分析判断为岩爆现象。

2.3 右洞K52+265 突水区段

（1）地质预报：根据右洞掌子面开挖到K52+260，采用地震波TGP206 探测法并结合地质分析法综合预报，预报范围为K52+260～K52+420，通过分析纵横波对比速度及反射符号分布曲线图，纵波速度、横波速度均起伏变化，整体上上升，泊松比变化不大，纵波速度约为4000m/s,纵波主要反射界面水平夹角和垂直倾角分别为72°和40°。横波主要反射界面水平夹角和垂直倾角分别为65°和48°。预报里程段围岩主要为中风化砂岩，单块岩石强度一般，围岩属较坚硬岩；围岩节理裂隙发育，岩体较完整～较破碎，呈块状镶嵌结构，围岩稳定性较差，预报里程段地下水发育，主要呈淋雨状-线状出水，局部呈股流-涌流状出水；施工过程中拱顶易出现坍塌、掉块等现象，建议围岩级别为Ⅳ级偏差。

（2）红外探水：鉴于该区段的地震波TGP206 探测预报，发生岩爆的邻近区段较为异常，此段专门增做了红外线超前探水预报。其基本原理：当开挖掌子面前方20m 范围内存在含水构造或溶洞时，灾害源产生的红外异常场，必然会涉及到临近异常场的隧道已经开挖的部分，因而在隧道开挖部分的边墙上能提前发现灾害源产生的红外异常场（也称灾害场）。本次探测采用两种方法进行超前探水预报。

第一种方法为掌子面布点探测法，共在掌子面上布设4 行6 列24 个点。探测数据填入表1，并要计算出每一行任意两数值间的最大差值，还要计算出每一列任意两数值间的最大差值，同样填入表1。第二种方法为开挖区段布点探测法，即由掌子面向已开挖部分YK52+205～YK52+260，以5m 点距，布12 个探测点（即60m 范围内布设12 个监测断面），分别对左墙角、左拱角、拱顶、右拱角、右墙角及底中进行布点，布设6 条测线。探测数据填入表2。由于红外探测是以正常场作为对比基准，所以对一条探测成果的曲线图的基本要求是：曲线的前段（即前30m）应能给出红外正常场，而曲线后段和尾部特别是尾部，或者正常、或者下降、或者升高。现场具体布置图详见下图3、图4 及图5。

图3 掌子面测点示意图

图4 激光定点红外探测示意图

图5 纵向探点示意图

表1 掌子面红外探测数据表

表2 沿隧道走向布点探测数据表

图6 开挖区段红外探测法成果图

从掌子面红外探测数据表可以明显看出，场强横向最大差值、纵向最大差值、整个掌子面最大差值均在3～9 之间，数值跳跃性变化不大。由此推断掌子面前方围岩含水量丰富，且分布相对较均匀（见表1）；从探测区段YK52+205～YK52+260 红外探测成果图可以看出，整体里程段段曲线呈明显下降趋势，红外场强明显下降，由此推断掌子面前方20m 范围内，围岩含水量将维持现状掌子面赋水程度（见表2 和图6）。以上两种探测方法探测结果一致,探测里程段掌子面前方20m内围岩赋水极为丰富，呈股流-涌流状出水。

（3）实际情况：洞身开挖至里程K52+265，围岩主要为中风化砂岩，节理裂隙发育，岩体较完整-较破碎，掌子面发生突水，经相关资质部门测量日涌水量达25900m3。

2.4 综合分析

从上述的地质勘察、地质预报及施工实际状况可以看出：该隧道相邻区段发生岩爆、突水现象有着其共通性及其特殊性。

（1）两种现象的特性。①岩爆：通常认为岩爆发生的主要条件是地应力和围岩力学特性，其他影响因素主要有围岩细微观结构特征及其次生变化、地下水情况、地温高低、隧道洞壁形态和施工工艺等。通常来讲，发生岩爆的岩体是非常干燥的，含水量极少。②突水：在基岩地下水富集的诸多因素中，地层岩性是地下水赋存的基础；地质构造是控制地下水埋藏、分布和运动的主导因素；地貌、水文、气候等则是影响地下水补给、径流、排泄的重要条件。

（2）两种现象的相互影响。该区段岩爆现象除受地应力及岩性特征外，地下水及施工工艺的扰动影响不可忽视。而同样的非可溶岩岩性特征及地质构造又形成了区段内施工时发生的突水现象。可见在中高应力区段发生交替的岩爆、突水现象不可忽视。特别在岩爆发生后的突水现象更应重视防患：尤其在岩体应力释放后产的的节理裂隙在水压作用下可能进一步发展垮塌、崩塌破坏。

3 处理方案措施

针对预报显示的上述两种病害，隧道施工制定了相应的处理方案：

3.1 岩爆区段

（1）做好开挖方案选择及开挖质量的控制。在隧道开挖前，加强地质超前预报，必要时进行超前地质钻探，查明隧道内地应力情况，并制定必要结构加固方案及合理的施工方案。并且根据设计图纸要求结合掌子面地质情况，对围岩进行应证和纠正；并不断提高预测水平。隧道开挖进尺控制在2m，采用全断面开挖方案，岩爆强度较大时为加快进度可采用台阶法施工。

（2）调整钻爆设计，采用“短进尺，弱爆破”。采用光面爆破技术，岩爆区周边眼间距控制在25cm 以内，采用隔眼装药，堵塞炮泥，增加光爆效果，以达到开挖轮廓线圆顺。尽量避免凹凸不平造成应力集中，以达到减弱岩爆的发生。采用浅孔爆破，缩短循环进尺，减少一次用药量。拱部采用小药卷光面爆破措施，拉大不同部分炮眼的雷管段位间隔，从而延长爆破时间，减少对围岩的爆破扰动，减少爆破动应力的叠加，控制爆发裂隙的生成，避免由于爆破诱发岩爆，从而降低岩爆频率和强度。同时预先在工作面有可能发生岩爆的部位有规则地打一些空眼，不设锚杆而注水，以便释放应力，阻止围岩达到极限应力而产生岩爆。

（3）岩爆预防的具体措施：隧道开挖、出渣后，直接在开挖外露面喷洒高压水以软化岩面，促使岩层原始应力释放调整，同时可以降低因岩爆导致空间中粉尘含量；及时采用5cm 喷射混凝土对围岩掌子面进行封闭，以对开挖形成岩面进行找平，改善围岩受力情况、避免应力集中；对岩面上的不稳定岩石及时清除，对于体积较大及清除后可能影响洞壁稳定的岩石，应采用锚杆进行加固，确保施工安全。

（4）对于不同岩爆区域，应采取不同的初期支护加强。

①轻微岩爆区：实施全断面光面爆破开挖，循环进尺不得超过4m，爆破、通风、找顶后洞壁、掌子面撒水三遍，每遍相隔5～10min，使开挖面充份湿润，撒水喷头水柱不小于10m。打设洞壁环向应力释放孔：孔径Φ50mm，深3m，间距1.5×1.5m，挂网喷砼初期支护，打设Φ25×5mm 涨壳式预应力中空注浆锚杆(长2m)，预应力50kN，锚杆间距1.2×1.2m，锚杆强度180kN。安装时，锚杆垫板要将钢筋网压住在喷射砼上。

②中等岩爆区：实施全断面光面爆破开挖，循环进尺不超过4m。必要时作超前30～50m 导洞，导洞直径不大于5m，可作为岩爆超前预报和释放地应力；爆破、通风、找顶后洞壁、掌子面撒水三遍，每遍相隔5～10min，使开挖面充份湿润，撒水喷头水柱不小于10m。打设洞壁环向应力释放孔：孔径Φ50mm，深3m，间距1.5×1.5m。挂网喷砼初期支护，打设Φ25×5mm 涨壳式预应力中空注浆锚杆(长2m)，预应力50kN，锚杆间距1.2×1.2m，锚杆强度180kN。安装时，锚杆垫板要将钢筋网压住在喷射砼上。

③对于中等以上的岩爆洞段，在钻爆施工时，可在拱角、边墙及顶部加深钻打周边眼，然后向眼孔内喷灌高压水，对围岩进行软化，从而人为提前加快围岩的应力释放。眼孔超前深度可取2m。

（5）加强现场安全防护措施，保障施工安全。

①给施工人员配发钢盔、防弹背心；对主要施工设备安装防护棚架；掌子面架设移动防护架，防止岩块飞出伤人，有效地保护人员及设备安全。

②加强现场岩爆监测、警戒及巡回找顶，必要时及时躲避。组织专门人员全天候巡视警戒及监测。岩爆一般在爆破后2 h 左右比较激烈，以后则趋于缓和，多数发生在0～50 m 范围和掌子面处。从地质方面来看，岩爆发生的地段有其相似的地层条件和共性条件，使短距离的预报成为可能。听到围岩内部有沉闷的响声时，应尽快撤离人员及设备。特别是强烈岩爆地段，每次爆破循环后，作业人员及设备均应及时躲避一段时间，待岩爆基本平静后，立即洒水喷混凝土封闭岩面，以保证后序作业。巡视、警戒人员要对岩爆段，特别是强烈岩爆段岩石的变化仔细观察，发现异常及时通知，撤离施工人员及设备，以保证安全。

③加强对施工人员岩爆知识教育。强化作业人员安全纪律教育以及岩爆常识、防护知识的学习；严格执行有关技术和安全操作规程；危险地段增设照明并设醒目标志。

3.2 涌水、突水区段

根据勘踏及分析研究结果，对官田隧道进口右洞K52+265～K52+300 段加强支护，并采取防、排结合的辅助施工措施，具体如下：

（1）防、排水措施：采用超前水平钻孔排水，于掌子面开挖轮廓线内打设，孔径φ130mm，钻孔深度50m，共布设5 孔；加密环向及横向排水管，环向φ50HDPE 排水管、横向φ100HDPE 排水管布设间距由原设计10m 调整为5m；布设双层防水层，严防富水地段二衬渗漏水。

（2）支护措施：采用I18 型钢钢架，纵向间距100cm/榀；φ6.5 钢筋网片，网格间距15cm×15cm；φ25中空注浆锚杆，3.5m/根，按环向间距1.0m×纵向间距1.0m 布设；C25 喷射混凝土厚度24cm；拱墙C25 钢筋混凝土衬砌厚45cm，不设仰拱，仅施做找平层。

（3）辅助施工措施：沿拱部打设Φ50×5 超前钢管，外插角10～15°，4.5m/根，环向间距40cm，纵向间距3m/环，33 根/环。

（4）初期支护完成后，根据出水情况，视需要进行径向注浆堵水。先采用低标号混凝土设止浆墙，在裂隙、孔口约3m 范围内，设径向小导管注浆封堵。导管采用Φ50×5mm 钢管，长5m，梅花型布设，间距100cm。浆液采用水泥-水玻璃，配比及注浆压力根据实际情况适当调整。

4 结语

隧道高应力区段发生岩爆、突水现象均有严重危害性，而其突发性、交替性往往更让人意想不到。官田隧道施工过程中重视地质超前预报工作，借鉴多种预报方法，采取有效预防措施，严格控制施工方案，保证了人员、设备的安全，工程进度顺利推进。

[1]徐林生，王兰生，等.二郎山公路隧道岩爆特征与防治措施研究[J].中国公路学报，2003，16（1）：74-76.

[2]董海宝.非可溶岩隧道涌突水量及危险性预测评价探析[D].成都：成都理工大学，2011.

[3]王树洪.高地应力高外水压隧洞围岩稳定和支护结构研究及应用[D].南京：河海大学，2004.

[4]曹小平.高地应力区深埋长大公路隧道岩爆预测研究[D].西安：西安科技大学，2009.

[5]黄亿龙.红外线探水法在隧道超前探水预报中的应用[J].煤炭技术，2007，26（4）：126-128.

[6]丁祖德，吴从师，邓寄生，等.后岗隧道岩爆成因分析与防治措施[J].中外公路,2008，28（1）：156-158.

[7]蔡俊华.三阳隧道特大涌水施工综合治理[J].国防交通工程与技术,2009（1）：50-52.

[8]中交公路规划设计院有限公司.官田隧道工程地质勘察报告[R].2012.

[9]颜志伟.象山隧道岩溶突水涌泥原因分析及处理措施[J].铁道标准设计,2012（7）：98-102.