深埋隧道岩爆预测和防治措施

张 波

(福建路桥建设有限公司 福建福州 350014)

1 花瓶山隧道概况

1.1 工程概况

位于福州市马尾区亭江镇白眉村花瓶山隧道长4376.5m，埋深最大达410m(图1)，左右洞隧道出口段V、IV级围岩为小净距，其余为分离式。隧道进口段位于直线上，洞身位于半径2560m和2600m的平曲线和直线段上，出口位于半径2500m和3100m平曲线上。隧道纵坡均为2%，路面横断面不设超高。隧道衬砌内轮廓净空采用曲墙三心圆，隧道建筑界线:行车宽度:3×3.75m;左右侧向宽度为左0.5m、右0.75m;检修道宽度为2×0.75m;隧道净宽14m，建筑限界净高为5m，检修道净高为2.5m(图2)。隧道开挖净宽15.912m，净9.07m;主要工程数量:开挖土石方:1050779m3;混凝土:209359m3;钢筋 5089056kg;防水板258566m2。岩爆的剧烈程度与洞室埋深基本对应，花瓶山隧道右洞岩爆较严重地段桩号为YK22+016及YK22+612距洞口距离为1257m、1853m，相对应埋深为214m、315m。花瓶山隧道左洞岩爆较严重地段桩号为ZK22+050及ZK22+616m，相对应埋深为216m、317m。

图1 花瓶山隧道纵断面图

图2 花瓶山隧道横断面一般布置图

1.2 地质、水文情况

花瓶山隧道区属低山丘陵地貌，山体走向大致呈南北向，地表植被发育，地形起伏变化大，下缓上陡。根据地址调绘及钻探结果，隧道洞身围岩主要由燕山晚期侵入花岗岩及其风化层，微风化花岗岩，属坚硬岩，岩体较完整，洞身整体围岩的级别以Ⅱ～Ⅲ级，部份为Ⅳ～Ⅴ级，对隧道洞身围岩的稳定较有利。进出口端节理裂隙密集处及构造破碎带围岩的级别以Ⅳ～Ⅴ级，对围岩稳定不利。隧道最大埋深约410m，深部围岩为微风化花岗岩，为坚硬岩，岩体裂隙稍发育～不发育，岩体较完整～完整，岩体呈块状～大块状。

花瓶山隧道位于当地侵蚀基准面之上，山坡坡体较陡，未见大地地表水经过，地表水总体较贫乏。隧道K21+000右侧500m～1000m见呈条状狭长的白眉水库，本隧道洞底标高大于该水库水面标高20m以上，水库对本隧道无影响。主要地下水为:

(1)基岩风化网状裂隙水:赋存于第四系坡残层底部及砂土状-碎块状强风化岩层的网状裂隙中，受大气降水的影响，对隧道进、出口围岩及施工有影响。

(2)基岩裂隙水:洞身围岩主要为微风化岩，风化节理不发育，与洞身水力联系小。地下水微具腐蚀性。设计该隧道单洞正常涌水量为2798.61m3/d，最大涌水量为5662.17m3/d。

2 岩爆成因及物理特征

2.1 岩爆成因

深埋隧道围岩较完整、坚硬，处在高应力区，当隧道掘进时，由于围岩应力会突然释放，岩体自选破裂并抛出，即称之为岩爆现象，对现场施工人员和机械设备存在较大的安全威胁，并会对隧道初期支护造成破坏。花瓶山隧道深埋段围岩为花岗岩，最大埋深H=410m，容重γ=26kN/m3，单轴饱和抗压强度σc=90MPa。最大竖向主应力σmax=γH=10.7MPa。测区最大水平主应力侧压系数为1.25，最小水平主应力侧压系数为1.1，水平最大主应力 σh=1.25MPa，σmax=13.4MPa，水平最小主应力σh=1.1 MPa，σmax=11.8MPa。为坚硬岩，岩体较完整～完整，岩体呈块状 ～大块状，水平最大主应力 σmax=13.4MPa，接近0.15σc=0.15×90=13.5MPa，此外，深埋围岩各向同性差形成的应力多变性、深切沟谷处可能存在应力集中，以及本隧道工程的开挖净空较大等因素，是花瓶山隧道可能发生岩爆的主要成因。

2.2 岩爆的物理特征

(1)岩爆多发生在掌子面及1～3倍洞径范围，距齐头20m左右最为强烈，也有滞后200m的;爆裂的石块需经过一段时间后才从母岩弹射或自由下落，石块较大，形状呈中间厚、四周薄的贝壳状，其长与宽的尺寸相差并不悬殊，周边厚度则参差不齐。常见于导坑的顶部，也有在两侧壁发生的。拱部和两侧边墙部位相对居多，其次是拱肩，与岩体应力状况有关。

(2)断裂带两侧或软弱结构面附近往往形成局部应力集中区，故两侧硬岩中岩爆现象较为明显，而断层带部位一般不发生岩爆。在不同岩性软硬相间的岩层中，硬质岩容易发生岩爆。岩爆区段一般较为干燥，有地下水出露的地方不容易发生岩爆。

3 对隧道岩爆采取的预防和应对措施

3.1 超前地质预报

3.1.1 超前探孔

采用超前钻探方法，沿掘进方向布置扇形超前钻孔，在隧道掌子面开挖地面以上1.5m位置，左右两侧各钻1孔，中间各钻3孔(图3)，探孔直径Ф90mm，孔深度5～6m，每2次循环交替钻进，通过探明前方围岩地质状况，对照隧道地质勘察报告的岩石特性，通过观察(一听响声，二看位置，三看方向)找出可能发生岩爆的前兆，总结本工程围岩在钻探过程中的物理响应，形成较准确的掌子面前方岩爆存在与否的预测。

图3 花瓶山隧道超前地质预报钻眼分布图

3.1.2 地质素描

对已开挖的掌子面和左右边墙揭示的围岩产状、岩性等进行观察、地质素描，分析判断前方10～20m范围的围岩情况，以判断是否可能存在岩爆。每一个开挖循环都要作地质素描，以确保分析判断的连续性。

3.2 应力集中解除方法

3.2.1 消除围岩集中应力

在掌子面上利用地质钻机或液压钻孔台车施打超前钻孔，钻孔直径为45mm，每循环布置4～8个孔，深度5～10m。必要时也可以增设拱顶径向应力释放孔，钻孔方向应垂直岩面，间距数十厘米，深度1～3m不等。若预测到的地应力较高，可在超前探孔中进行松动爆破或将完整岩体用小炮震裂，或向孔内压水，以消除拟掘进行围岩范围的应力集中现象。

3.2.2 喷注高压水

(1)在掌子面或附近洞壁上打孔，利用炮眼和锚杆孔向岩层表面喷水和深部岩体注水，使水渗到岩体的内部空隙中，人为改变围岩的强度和弹性模量，从而提高岩体塑性变形能力，减缓岩爆。

(2)爆破后立即向掌子面及未清除的岩石堆内毛洞周边喷射高压水，以改变岩石表面物理力学性质，降低岩石脆性、增强塑性，达到减弱岩爆烈度的目的。另外将围岩表面冲洗干净也便于进行检查和降尘，此法一般用于轻微或中等程度岩爆。

(3)对已开挖成形的边墙和顶拱，喷护的混凝土和开挖成形掌子面必须及时喷洒水，以降低其脆性，增强抵抗地应力变形的能力，以避免岩爆发生。

3.3 施工工艺的优化

(1)采用光面爆破掘进施工中，对地应力较高、可能出现岩爆的地段，要遵循"短进尺、弱爆破"的原则，尽量降低对围岩的挠动，以确保岩爆地

段的施工安全。加强监测，采取增加向掌子面喷水次数、钻地应力释放孔、增设锚杆、挂网、喷射混凝土等措施，尽快稳定围岩。

(2)在岩爆严重地段，将全断面一次开挖改为分步开挖，可以使应力逐步释放。采用光面爆破技术，遵循“短进尺，弱爆破”。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。避免凹凸不平造成应力集中，以达到减弱岩爆发生的强度。严格控制装药量，根据围岩情况和爆破效果及时调整爆破参数，减小炮眼间距和装药量，平均单眼装药量控制在0.55～0.65 kg/m3，确保爆破效果，降低对围岩的扰动。对光面爆破造孔质量，要严格控制，降低局部地段突变发生的可能，达到改善围岩应力条件的目的，严防破坏性岩爆的发生。

(3)加强初期支护:

a)轻微岩爆区实施全断面光面爆破开挖，循环进尺不得超过3m，爆破、通风、找顶后洞壁、掌子面应洒水三遍，每遍相隔5～10分钟，使开挖面充份湿润，洒水喷头水柱不小于10m。打洞壁环向应力释放孔:孔径Φ45mm，深3m，间距1.5×1.5m，挂网喷射混凝土初期支护，打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混凝土上。

b)中等岩爆区实施全断面光面爆破开挖，循环进尺不超过3m。必要时作超前30～50m导洞，导洞直径不大于5m，可起到岩爆超前预报和释放地应力的作用。初期支护与轻微岩爆区实施全断面光面爆破开挖相同。

c)对于中等以上的岩爆洞段，在钻爆时，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。

(4)监控量测:通过对围岩和初期支护的监控量测，分析拱顶下沉、净空收敛、锚杆测力计以及多点位移计读数的变化，可以量化预测滞后发生的深层岩爆，用于指导开挖和支护的施工，并提前做出安全预警。

4 施工安全措施

4.1 防护措施

(1)岩爆一般在爆破后1h左右比较激烈，以后则逐渐趋于缓和，多数发生在1～3倍洞室直径范围以内，所以躲避也是一种行之有效的方法;对无法移动的设备，则应进行必要的遮挡防护。如:台车和其他设备上安装防护网、防护棚架，在开挖工作面及附近的岩爆部分加挂铁丝网，防止岩爆出现时发生弹射和岩石块坠落伤人和损坏机具设备事件。

(2)在岩爆易发地段，爆破后一段时间，要停机回避。观察掌子面的岩爆位置、强度、类型、数量及声响等，要在专职安全员确认安全后，人员和设备方可进入作业。作业过程中若听到有异响或看到岩屑掉落等，要马上将人员和设备撤离到安全地带待避。

(3)岩爆频发地段应采用带蓬简易台架作业，掘进作业要机动灵活，要事先规划好紧急情况下人员、设备的撤离路线，所有作业、检查人员必须全部配备劳保用品。

4.2 安全培训及预案

(1)安全总监要督促工程技术人员，对岩爆段施工做出专项安全技术交底，对全体施工人员进行岩爆段施工安全知识培训，严格按安全技术交底的要求组织施工。专职安全员要在施工现场监督作业人员严格执行有关技术和安全操作规程。

(2)制定岩爆段施工安全应急预案，备足抢险物资，危险地段增设照明并设醒目标志，标明逃生路线，并定期组织演练。

(3)加强现场安全巡检，组织岩爆预防、抢险小组，派有经验的技术工人跟班监察掌子面前后50 m范围内岩爆险情，发现异常及时发出警报，有序撤离作业人员和机械设备。

5 结束语

本人在参与花瓶山隧道全过程施工技术管理中，在施工开挖过程中产生不同程度强度等级的岩爆，施工安全、工程质量、工期和环境有重大影响，对岩爆的预测、防治和安全措施是本工程的重点和难点。对穿越深埋隧道岩爆段取得了较全面的施工经验，特别对岩爆的超前地质预报;消解围岩内的应力集中;隧道施工工艺的优化和安全防护措施等方面，积累了一些施工经验，现归纳总结成文，供各位同仁在参与类似工程建设中参考。

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