高地应力隧道岩爆特征及综合施工控制技术

■陈彩霞

（龙岩漳永高速公路有限责任公司，龙岩 364000）

1 概述

岩爆是高地应力区地下洞室开挖过程中岩体突发性破坏的一种自然灾害。岩爆发生时，常常伴有人耳可闻的响声，岩片剥落，严重片帮，往往给人员、设备和建筑的安全带来巨大损失，所以岩爆现象早已引起工程科技人员的重视，并在机理研究、预报技术及岩爆条件下的施工技术等方面开展大量研究，但是由于产生岩爆的影响因素较复杂，岩爆的发生机制还不完全清楚。高地应力隧道是指隧道固岩中原始地应力大于某一限值的隧道，通常发生在隧道埋深较大（大于1000m）的地层中。这一限值在《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）中有明确规定：Rc/δmax=4～7 时为高地应力、Rc/δmax≤4 时为极高地应力（Rc为岩石单轴饱和抗压强度，δmax为岩体中垂直洞轴线方向的最大主应力）。

官田隧道位于福建省海西高速公路网漳州至永安联络线高速公路龙岩境内，全长6151m，为高速公路分离式双向四车道特长隧道，净空半径R=546m，单洞当量面积63.70m2。隧址区属低山地貌，地形起伏较大，隧道最大埋深达695m，隧道洞身范围围岩主要为全风化～微风化砂岩、粉砂岩，以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主。隧道中部K52+900～K55+620，埋深370m～695m，洞身围岩主要为Ⅲ级微风化砂岩、粉砂岩，设计地勘数据显示为高地应力-极高地应力区，施工过程中遇到轻微-较强烈程度岩爆，岩爆是此隧道施工主要的地质灾害之一。本文以该项目为工程依托，就岩爆地段采取的施工监测、钻爆设计、超前支护及安全防护等方面开展研究。

2 高地应力区的分布和特点

官田隧道中部K53+450 ～K55+390，埋深430m ～695m，为高地应力～极高地应力区，开挖过程中遇到轻微-较强烈程度岩爆，具体分布情况如表1 所示。

表1 官田隧道岩爆段落分布表

在官田隧道中，岩爆的分布有以下几个特点：

（1）岩爆大多发生在干燥无水的微风化砂岩、粉砂岩，地质构造为褶皱的围岩地段，这类地段集聚了高水平的地应力，岩质较坚硬、干燥、脆性高。脆性硬质岩石及高地应力是岩爆发生的主要条件。

（2）岩爆一般发生在岩体最大主应力方向上，本隧道岩体最大主应力方向为铅直方向，岩爆多发生在隧道断面拱部120°范围。

（3）在未发生前，无明显的征兆，虽经过仔细寻找，并无空响声，一般认为不会掉落石块的地方也会突然发生岩石爆裂声响，石块应声而下；有时能听到岩石被挤压和折断的声音，但并未出现爆裂，暂不坠下，极具危险性。这种现象与理论上岩爆发生的三个变形破坏阶段，即张性劈裂阶段、破裂成块阶段和岩块弹裂阶段的结论是一致的。

（4）岩爆时围岩破坏多呈层片状剥离，脱落面多与岩壁平行，经多次剥落，逐渐形成三角状或梯形爆坑。

（5）岩爆多发生在新开挖的掌子面及距离掌子面1～3 倍洞径范围内，个别的也有距新开挖工作面较远的情况；岩爆在开挖后陆续出现,多在爆破后2～3h，24h内最为明显，延续时间可持续1～3 天。图1 为隧道现场拍摄的岩爆后的围岩表面，图2 为岩爆产生的剥落岩石。

图1 岩爆后的围岩表面

图2 岩爆产生的剥落岩石

3 岩爆地段施工技术

官田隧道施工中所采用的防治岩爆的措施是在施工阶段中进行的，以减轻或避免岩爆对人员和机械的伤害及导致围岩大面积失稳为目的，按照"先钻孔、控爆破、短进尺、强支护、喷注水"的施工原则，采取加强初期支护、优化隧道开挖方法、打设围岩应力释放孔等一系列技术措施，在不同阶段针对岩爆程度的轻重采取相应的施工技术和安全保障措施，取得了较好的效果。

3.1 施工准备

调查实地地质情况，并收集已有的勘测资料，总体认识隧址区地形地貌及褶皱等地质构造特征；注意收集开挖过程中的岩爆地质资料，包括岩爆类型、规模、分布里程与岩爆具体位置，判定岩爆等级，并建立风险管理体系，优化钻爆设计，采取积极主动的预防措施和强有力的支护方案。

在洞口设置危险源警示牌，并对工人进行岩爆施工安全知识培训，使施工、技术、管理人员等充分理解岩爆的特点及其危害的严重性，以促使全体施工人员思想上高度重视，确保岩爆地段的施工安全。

3.2 施工监测

施工中根据有无地下水、地应力方向（岩爆多发生在主应力方向上）、岩体稳定性、岩石软硬、岩性及地质构造进行初判，通过对岩石裂缝的发展、岩体内的声音、暴露时间的长短判别是否会落石伤人。

进行围岩和支护状况的现场观察并结合施工监控量测，通过分析拱顶下沉、周边收敛以及锚杆测力计、多点位移计等监测结果的变化规律，可以预测滞后发生的深部冲击型岩爆，以指导开挖和支护施工。

通过一听响声、二看位置、三看方向观察，如通过敲击壁面，若发出"空、空"的声音，则需及时采取加强支护措施；如岩层内突然发出沉闷的声响时，施工人员、设备要及时撤离，找出岩爆发生的前兆及位置，逐步积累经验，开展岩爆预报，最大限度减少岩爆产生的危害。

3.3 超前钻孔及超前支护

对于烈度中等以上岩爆地段，可采取打设超前孔钻预先释放部分掌子面未开挖的高地应力。为防止掉块危及施工人员安全，也可同时配合打设钢支撑、超前锚杆，主动防护。

官田隧道施工中，对于较强烈岩爆地段，进行了超前支护及打设超前应力释放孔，有效降低岩爆烈度，保证了施工人员、机械的安全。具体参数如下：

①超前锚杆：沿拱部打设φ22 超前锚杆，外插角10～15°，4m/根，环向间距40cm，纵向间距2m/环，32根/环。②应力释放孔：开挖前沿拱部打设，外插角30～45°，孔径Φ50mm，孔深4m，环向间距1m，13 孔/环，纵向间距2m/环。

3.4 优化钻爆设计

为降低爆破震动应力场的叠加，防止因爆破震动诱发已初期支护段落发生再次岩爆坍塌；同时为保证洞周圆顺以改善洞壁应力条件，防止因开挖断面不规则而造成局部应力集中，加剧岩爆烈度，施工过程中通过计算、结合经验进行充分的钻爆优化设计，包括对周边眼间距，药卷大小，装药间距，装药量等参数尽心论证，以提高光爆效果，改善岩爆烈度，降低岩爆产生的危害。

3.5 严进尺、快喷锚

对于轻微～中等岩爆段，每循环开挖进尺控制在2.5 m 以内；对于中等～强烈岩爆段，每循环开挖进尺控制在2.0m 以内。

对于轻微～中等岩爆段其工序为爆破后送风、喷水、找顶后即出碴、喷锚作业；对中等～强烈岩爆段爆破后不马上出碴，先利用通风时间躲避，待岩爆减弱后喷水、找顶、从安全地带喷混凝土封闭岩面，然后打设系统锚杆、挂设钢筋网等，再复喷，最后出碴。

3.6 强支护早衬砌

爆破后应尽快清理岩爆部位活动岩石、挂网、打锚杆、喷C25 混凝土30～50mm 进行封闭，以尽可能减少新鲜围岩的暴露时间；必要时还要架设钢格栅并辅以超前锚杆支护；衬砌要紧跟开挖工序进行，以尽可能减少岩层暴露的时间，减少岩爆的发生和确保人身安全。受条件限制，必要时可采取跳打衬砌的方式。

3.7 安全防护措施

岩爆的发生往往具有突然性，往往给人员、设备及结构的安全造成巨大的危害，也带来不良的社会影响。所以工程实践中，加强必要的安全防护措施也显得非常关键。

（1）给施工人员配发钢盔等劳动保护用品，对钻眼台车进行加固改造，在台车上方及侧面设立钢筋防护网，必要时掌子面处也设立钢筋防护网。

（2）在掌子面作业区设专职安全员3 名，24 小时轮班，随时观察围岩及支护状态，发现异常，及时汇报以采取措施，必要时立即组织人员、机械撤离暂时躲避。

（3）岩爆非常剧烈时，为了安全，应在安全距离范围以外，躲避一段时间，直到岩爆平静为止。

（4）加强巡回找顶，及时清除爆裂的危石，确保施工人员、机械安全。

（5）准备好临时钢木排架等，必要时对可能发生岩爆的部位进行临时支护，然后在临时支护的掩护下进行打锚杆、挂网等支护作业，可有效避免大的落石伤人事故。

4 结语

官田隧道施工中不断遇到岩爆的威胁，岩爆强度从轻微至较强烈程度不等。以该项目为依托工程开展岩爆施工技术研究，施工中通过不断总结经验和教训，以锚、网、喷联合支护手段为主，必要时增设钢格栅，结合超前支护、打设应力释放孔、喷水温润岩面等多种防治措施，最大限度的减少了岩爆对人员、机械设备的损害，安全顺利通过高地应力岩爆区，顺利完成施工。施工过程中总结了一些宝贵的经验，可为类似地质条件工程提供一定参考。但对于岩爆发生机理复杂，现有的预测和防治措施在实施过程中仍存在一定问题，仍需作进一步的研究和经验积累，方能制订更为主动、科学、实用的采用钻爆法施工的岩爆灾害治理技术。

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