秦岭7号洞主洞岩爆区施工技术

高 晓 雷

(中铁十七局集团第二工程有限公司，陕西 西安 710043)



秦岭7号洞主洞岩爆区施工技术

高 晓 雷

(中铁十七局集团第二工程有限公司，陕西 西安 710043)

摘要：结合引汉济渭工程秦岭输水隧洞7号洞主洞开挖过程中发生的岩爆现象，从开挖方法、初期支护、转移围岩应力释放等方面着手，阐述该隧洞岩爆防治的具体施工措施及取得的效果。

关键词：隧洞；岩爆；防治；施工措施

0引言

岩爆是深埋地下工程在施工过程中常见的动力破坏现象，当岩体中聚积的高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，破坏了岩体结构的平衡，多余的能量导致岩石爆裂，使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。发生岩爆的原因是岩体中有较高的地应力，并且超过了岩石本身的强度，同时岩石具有较高的脆性度和弹性。这时一旦地下工程破坏了岩体的平衡，强大的能量把岩石破坏，并将破碎岩石抛出[1]。

岩爆往往造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，成为岩石地下工程和岩石力学领域的世界性难题之一[2]。本文结合引汉济渭工程秦岭输水隧洞(越岭段)7号洞主洞K69+536—K69+400段岩爆的具体特征，分析了岩爆产生的原因，并根据现场实际针对性地提出并成功应用了相关的岩爆防治措施。

1工程概述

引汉济渭工程秦岭输水隧洞(越岭段)7号洞主洞全长8 122m，比降1/2 530，其中，向上游延伸3 569m，向下游延伸4 553m；7号斜井总长1 877m，比降5.73%。主洞断面尺寸6.76m×6.76m，曲墙平底断面。主洞工区位于秦岭岭北中低山区，多为V字型峡谷，山高坡陡，高程范围750—1 750m，洞室最大埋深约1 230m。工区范围内主要涉及地层为三叠系及石炭系变砂岩、下古生界变砂岩、千枚岩及角闪石英片岩，中下元古界云母片岩、绿泥片岩、炭质片岩及片麻岩，燕山期花岗闪长岩，加里东晚期花岗岩、花岗闪长岩、花岗斑岩，及断层带物质。

上游K69+536—K69+180段，埋深约975—1 035m，开挖岩性为加里东期花岗岩。本段受地质构造影响轻微，节理裂隙不发育，岩体较完整，地下水不发育。开挖完成8—10h后，边墙及拱部零星发生岩爆，导致边墙及拱部围岩开裂、剥落，并间断伴随清脆声，应力释放后，边墙发育长大节理闭合状态由密闭逐渐发育至张开，随后有大块岩石剥落，可见厚约1m长约5m的巨石。K69+536—K69+470段岩爆主要集中在边墙，K69+470—K69+400段逐渐发展至拱部，K69+400往小里程方向岩石剥落、掉块现象增强。

2秦岭7号洞主洞岩爆的特点

根据现场观察及施工记录，从岩爆发生前、发生过程中以及岩爆后的情况分析，秦岭7号洞主洞K69+536—K69+180段的岩爆具有以下主要特点：

(1)岩石以花岗岩为主，干燥无水，岩层相对较完整、坚硬。在未发生前，无明显的征兆，爆破后虽然经过仔细找顶,并无空响声，一般认为不会掉落石块的地方，会突然发生岩石爆裂声响，石块一般应声而下。

(2)岩爆发生地点多在新开挖的掌子面及其附近，有的距掌子面较远,初期支护之后仍然发生，以拱部或边墙部位居多。岩爆在开挖后陆续出现，多在爆破后的5—10h，24h内最为明显。

(3)岩爆时围岩破坏的规模，有体积较大的块体，也有体积较小的薄片。薄片的形状呈中间厚、四周薄的贝壳状，周边厚度方向参差不齐，厚度一般为5—10cm。块体的厚度一般在50cm范围内，最厚可达1—2m。

(4)岩爆围岩的破坏过程，一般新鲜坚硬岩体均先产生声响，伴随片状剥落的裂隙出现，裂隙一旦贯通就产生剥落。

(5)岩爆发生时的爆裂声音有强有弱，声响沉闷的岩爆一般规模较大,而声响清脆的规模较小。绝大多数岩爆破坏与声响同步，即使在施工机械设备声音的干扰下,也能听到围岩内部的爆裂声。

(6)岩爆会重复发生，在第一次发生岩爆后，还能发生第二次甚至多次岩爆。

3防治岩爆的主要施工措施

在岩爆洞段掘进施工，采取主动防治与被动防治相结合的方式，即遵循“先预防、早支护、强支护”的总体施工原则，以最大程度规避岩爆发生或降低岩爆发生等级[3]。采用的主要技术措施为：

(1)在开挖过程中采用“短进尺、多循环”，开挖进尺控制在2.5m以内。开挖采用光面爆破技术，提高光爆效果，改善洞壁应力条件，控制线装药密度及单耗，降低爆破动应力场的叠加，尽量减少对围岩的扰动，改善围岩的应力状态。

(2)开挖前，在掌子面施工一定数量的应力释放孔，孔径50mmm，间距2—3m左右，孔深5m，提前对围岩应力进行调整，释放围岩积蓄的能量。钻孔以10—15°的角度向外扇形分布，孔底接近但不超过开挖边界，以避免爆破后对开挖边界造成破坏，如图1所示。开挖后，在环向布置一定数量的应力释放孔。

(3)爆破后立即向开挖面喷射高压水，以达到软化围岩、增加岩体塑性、降低岩体脆性的目的，并向爆破孔、锚杆孔、应力释放孔等进行高压注水，以获得更好的效果。

(4)洒水后及时喷混凝土进行封闭，成拱支持，尽可能减少围岩暴露时间，并起到了初期支护的作用。

(5)在喷射混凝土封闭完成后，及时进行初期支护，以确保围岩稳定，局部地段增加锚杆支护及钢支撑支护，达到既改善了掌子面及附近围岩的应力状态，又改善了应力的分布的目的。

4岩爆实例分析及具体措施应用

4.1K69+470—K69+400段岩爆

K69+470—K69+400段，岩性为加里东期花岗岩，埋深约1 035—999m。本段节理裂隙不发育—发育，主要测得三组节理，J1产状：N70°E/60°S，间距0.2—0.5m，延伸大于6m；J2产状：N50°W/40°S，间距0.3—0.6m，延伸大于6m；J3产状：N20°E/45°N，间距0.3—0.5m，延伸2—4m，岩体较完整，地下水不发育。开挖完成8—10h后，边墙及拱部零星发生围岩开裂，呈片状脱落，脱落面多与岩壁平行，往掘进方向岩爆及岩石剥落、掉块现象增强。

本段岩爆发生后，根据现场勘查，分析后认为其原因如下：

(1)洞内开挖一定时间后，由于卸荷围岩产生松弛变形。

(2)该段内发育有三组倾角节理，应力释放导致节理进一步发育，结构面张开，产生了倾倒或剪切滑移失稳，使边墙失稳。

(3)开挖爆破也是诱发岩爆塌方的原因之一，爆破振动产生的冲击波，导致本段应力重新调整分布，进一步加大了岩爆发生的可能性。

岩爆塌方发生后采取的措施如下：

(1)尽快对塌方部位复喷C20素混凝土进行封闭，以尽可能减少新鲜围岩的暴露时间。

(2)岩爆部位拱部120°范围增加Ø22砂浆锚杆，长2.5m，间距1m×1m。

(3)增加Ø8@20cm×20cm钢筋网，并通过Ø22网格型钢筋与系统锚杆焊接进行加固，复喷8—10cm厚C20混凝土。

(4)开挖进尺控制在2.5m，减少一次用药量。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。

(5)在掌子面布置应力释放孔，爆破后立即向开挖面喷射高压水。

4.2K69+400—K69+386段岩爆

K69+400—K69+386段，岩性为加里东期花岗岩，埋深约999—975m。本段受地质构造影响轻微，节理裂隙不发育，岩体较完整，围岩干燥无水。开挖完成5—8h后，边墙及拱部围岩开裂、剥落，并间断伴随清脆声，应力释放后，发育的长大节理闭合状态由密闭逐渐发育至张开，随后有大块岩石剥落，可见厚约1m、长约5m的巨石。

本段岩爆发生后，根据现场勘查，分析后认为其原因如下：

(1)本段属高应力区，洞室开挖应力经过多次调整，围岩卸荷回弹，形成应力松弛圈，导致围岩结构面张开。

(2)虽然开挖后采取了喷射混凝土制止岩爆的措施，但由于赶工期的原因，未及时进行系统锚杆和钢筋网片的施工，即进一步支护的力度不够，是导致此次岩爆发生的另一个原因。

本段岩爆塌方发生后采取的措施如下：

(1)对此段进行扩挖，循环进尺1.2m，扩挖宽度26cm，支护结束后进行下一循环扩挖。

(2)扩挖后，在确保安全的前提下及时对岩爆塌方部位喷射5cm厚的C20混凝土进行封闭，以尽可能减少围岩暴露时间。

(3)扩挖复喷后增加I16型钢钢架，间距1.2m；在钢架的保护下打设3m长Ø22砂浆锚杆，间距1.2m×1m；挂设Ø8@20cm×20cm钢筋网，复喷21cm厚C20混凝土。

(4)严格控制扩挖爆破参数，减少装药量。

(5)在施工期加强围岩观测和变形观测，以便及时采取相应措施。

4.3K69+245—K69+180段岩爆

K69+245—K69+180段，岩性为加里东期花岗岩，埋深约845—907m。本段节理裂隙不发育—较发育,主要测得三组节理,J1产状：N25°W/40°N,间距0.3—0.5m,延伸1—6m;J2产状：N65°W/25°S，间距0.2—0.4m，延伸大于6m；J3产状：N30°E/75°N，间距0.1—0.2m，延伸大于5m，岩体较完整，地下水不发育。该段开挖完成6—8h后，随围岩开裂、剥落间断伴随清脆声，应力释放后，发育的长大节理闭合状态由密闭逐渐发育至张开，随后有大块岩石剥落，K69+210—K69+180段较K69+245—K69+210段岩爆现象严重。

本段岩爆发生后，根据现场勘查，分析其原因为：该段发育有J1、J2及J3三组裂隙，应力释放导致裂隙进一步发育，结构面张开，产生了倾倒或剪切滑移失稳，使边墙失稳。

岩爆塌方发生后，对K69+210—k69+180段采取的措施如下：

(1)尽快对塌方部位复喷C20素混凝土进行封闭，以尽可能减少新鲜围岩的暴露时间。

(2)岩爆部位拱部150°范围增加Ø22砂浆锚杆，长2.5m，间距1m×1m。

(3)增加Ø8@20cm×20cm钢筋网，钢筋网通过Ø22网格型钢筋与系统锚杆焊接进行加固，复喷15cm厚C20混凝土。

(4)开挖进尺控制在2.5m，严格控制扩挖爆破参数，减少装药量；开挖后及时封闭围岩暴露面。

5结语

对于岩爆这种高危地质灾害，要了解其地质特征，针对可能出现岩爆的地段采取积极主动的预防措施和强有力的支护方案，确保岩爆地段的施工安全，将岩爆发生的可能性及危害程度降到最低。通过秦岭7号洞主洞的施工，并经过不断总结分析，对岩爆有了初步的认识，总结出了岩爆地段施工中的一些施工经验，为类似工程的施工提供了参考和借鉴。

参考文献：

[1]叶康.公路隧道岩爆风险分析[J].华东公路，2010，(1).

[2]张镜剑,傅冰骏.岩爆及其判据和防治[J].岩石力学与工程学报，2008，(10).

[3]杨更社.我国岩石力学的研究现状及其进展[J].西安矿业学院学报，1999，(S1).

责任编辑：尚尔辉

中图分类号：TU745.9

文献标志码：A

文章编号：1674-6341(2016)01-0028-03

作者简介：高晓雷(1983—)，男，辽宁朝阳人，工程师。研究方向：隧道施工。

收稿日期：2015-12-15

doi:10.3969/j.issn.1674-6341.2016.01.011