高速公路特长隧道施工岩爆的防治技术

岳云霄

(中铁十九局集团有限公司，北京　100176 )



高速公路特长隧道施工岩爆的防治技术

岳云霄

(中铁十九局集团有限公司，北京100176 )

摘要:重庆至长沙高速公路白云隧道工程深埋段施工面临岩爆问题。为降低该隧道施工安全风险，本文总结了岩爆发生的规律、分类和预测方法，并从施工组织、加快围岩中高地应力的释放、避让岩爆危险、控制开挖进尺与控制爆破、加强初期支护等五个方面阐述了施工过程中所采用的岩爆防治技术。

关键词:隧道施工岩爆高地应力防治技术

多数特长隧道的中段，由于洞身埋置深度大，围岩的整体性好，施工中往往会有岩爆发生。这是因为隧道的围岩被深埋在地下，聚集了很高的地应力，一旦在围岩中开挖隧道，开挖面四周的岩层突然卸载，围岩内聚集的高地应力瞬间被释放，因而岩层会发生片状、块状突然爆裂而被抛射出去，这就是所说的岩爆［1］。岩爆的发生具有突发性，抛射的方向、远近、岩块的形状、大小均难以预测，抛射出来的岩块对施工人员的安全构成极大的威胁，还可能砸坏施工机械和设备，严重影响施工进度。

1　岩爆发生的规律

综合施工中的经验和专家们的著述，发现岩爆的发生有以下规律［1］:

1)岩爆一般发生在隧道埋深较大(例如＞800 m)的围岩之中。围岩埋置很深，具有很高的地应力，随着隧道的开挖，围岩内聚集的高地应力得到瞬间释放，才会发生岩爆。说明围岩的埋置深度越大，岩爆发生的可能性就越大。

2)岩爆一般发生在整体性好、级别高、比较硬脆的围岩之中，如花岗岩、石灰岩、石英岩等围岩中发生岩爆的几率高。说明岩爆的发生与围岩的岩性有直接关系。

3)断层破碎带和裂隙、节理比较发育的围岩之中岩爆一般不会发生。说明岩爆的发生与围岩的构造有直接关系。

4)相同条件下(埋置深度、岩性、构造等)，比较干燥的围岩发生岩爆的几率高，而地下水丰富的地段几乎不会发生岩爆。这说明岩爆的发生与围岩的干燥程度有直接关系。

5)隧道开挖面比较圆顺，光面爆破效果比较好的地段，发生岩爆的烈度明显比超、欠挖较大的地段要低。说明岩爆的发生与隧道开挖面的圆顺程度有较大的关系。

6)岩爆发生概率高的地段大致在距掌子面3倍开挖宽度的范围内。距掌子面越近，岩爆越易发生，距掌子面越远，隧道开挖的时间越长，高地应力经过一段时间的释放，岩爆发生的概率就越低。

7)在开挖面上，岩爆易发生的部位主要在拱部和边墙的上部，距地面越高，发生岩爆的概率越高。

8)岩爆发生的时间规律为:①从掌子面开挖爆破起3 h以内，岩爆频繁发生，次数多，强度大。一直到开挖爆破7 d以内，岩爆仍然不断发生，次数和强度虽然有些减弱，但其危害仍然存在。从掌子面开挖爆破起7 d以内一般称为岩爆严重期。②从开挖爆破7 d 到2个月之内，虽然岩爆的次数和强度都减小了，但岩爆仍然会时有发生。这段时间一般称为岩爆的延续期。③从掌子面开挖爆破起2个月以后，围岩高地应力基本得到释放，岩爆发生的概率很低。2个月以后一般称为岩爆的稳定期。④随时间的发展，岩爆由拱部、边墙的表层逐渐向岩层深处发展，表现为岩层内部的崩裂(岩层内部的闷响)。

9)岩爆发生时，岩层内部会发出爆裂的声响。当发出清脆的撕裂声时，岩层内部会产生因压致拉的爆裂类型。此时岩爆仅发生在围岩的表层，爆裂缝平行于岩壁，爆裂出来的岩块呈片状。当发出沉闷的爆裂声时，岩层内部会产生因压致剪切拉裂的爆裂类型。此时爆裂出来的岩块呈块状，爆裂后岩面上能看到楔形、弧形的裂口，裂口处有明显的擦痕。一般前一种爆裂持续时间短，破坏性小些，后一种爆裂持续时间长。

2　岩爆的分类

国内外学者对岩爆的类型划分和烈度划分意见尚不一致。通过总结白云隧道岩爆发生段施工经验，本文把岩爆的烈度划分为三种:①较弱型岩爆，掌子面爆破后围岩内部的爆烈声响不大，爆裂出来的岩块块径不大、数量不多，多以掉落的形式出现。②中强型岩爆，掌子面爆破后围岩内部有放鞭炮似的清脆爆烈声响，爆裂后形成的岩坑直径可以大到1～2 m，爆裂出来的岩块数量较多，多以弹射的形式出现。③较强型岩爆，掌子面爆破后围岩内部有巨大的爆裂声响，爆裂后形成的岩坑直径很大，甚至大到2 m以上，爆坑连续，爆裂出来的岩块数量很多，多以高速弹射的形式出现，石块多有锐利的尖角。

3　岩爆的预测

岩爆的预测方法较多［2-3］，典型的如RUSSENS的应力强度比法、KIDYBINSKI的弹性应变能指数法、陶振宇的强度应力比法、张志强和关宝树的应力强度比法等。通过施工实践，笔者认为张志强和关宝树的应力强度比法应用起来较为简单、方便。该法是用洞壁最大切向应力(σθmax)和岩石单轴抗压强度(σc)之比来确定岩爆发生的烈度。当σθmax/σc＜0. 15时一般会发生较弱型岩爆或不发生岩爆，当其在0. 15～0. 25时一般会发生中强型岩爆，当其＞0. 25时一般会发生较强型岩爆。

4　白云隧道岩爆防治技术

重庆至长沙高速公路白云隧道工程，设计为上下行分离双洞四车道高速公路隧道，左线隧道长7 097. 897 m，右线隧道长7 120 m。隧道最大埋深1 286 m，埋深超过800 m的段落长度约有860 m。

白云隧道中段的围岩以厚层石灰岩、灰岩为主，岩层产状呈厚层状构造，岩体呈大块砌体结构，岩石完整性较好，孔隙度较低，裂隙率较小，抗风化能力较强，风化程度低，自稳性较好，基本上无地下水。

该隧道岩爆发生段施工过程中发生中强型岩爆的地段较长，约占岩爆发生段总长度的63% ;较弱型岩爆地段较少，约占总长度的30% ;较强型岩爆地段最少，约占总长度的7%。岩爆烈度的段落分布与隧道的埋置深度有直接关系。岩爆段的两端多发生较弱型岩爆，隧道的埋置深度一般在800～950 m，中强型岩爆一般发生在埋置深度950～1 200 m段，较强型岩爆地段集中在岩爆段的中部，隧道的埋置深度一般＞1 200 m。

施工过程中使用了文献［4］介绍的ESG型微震监测系统和实施方法对岩爆进行预测。

文献［5］规定，岩爆发生段隧道施工过程中必须遵循“以防为主、防治结合”的原则。根据对岩爆发生规律的分析，施工过程中采取了以下岩爆防治措施。

1)加强施工组织

岩爆发生段施工过程中，全天必须有项目部负责人在掌子面值班;组建安全监控组;对所有参建人员进行岩爆防治的安全教育;落实防治工作所需要的材料、设备等。

2)加快围岩中高地应力的释放

①用潜孔钻机在掌子面上钻5～8个、长10～30 m、直径70～90 mm的超前钻孔，使围岩中的高地应力提前得到释放。

②在进入较强型岩爆段后，改变开挖方法，将原来采用的全断面开挖法改为先在断面的下部开挖一个5 m(宽)×4 m(高)的下导坑，下导坑完成以后再返回来扩大断面。下导坑的开挖不但能使围岩中的高地应力提前得到释放，还因为导坑的断面小，可以减轻岩爆飞石造成的危害，处理危石也比大断面方便。这样处理后，施工中基本上没有发生较强的岩爆，只发生一些轻微的岩爆。施工中下导坑的实际开挖长度为70 m。下导坑开挖过程中，为避开岩爆的强烈爆发，可以采取先护顶、再出砟的施工方法。具体做法是:开挖爆破→在有薄钢板防护的情况下，先从远处向暴露出来的拱、墙和掌子面喷射冷水→用喷射机械手对拱、墙、掌子面喷射一层厚70 mm左右、C25钢纤维混凝土→打拱部和边墙上部的安全防护锚杆，挂细目钢丝网→出砟→补做边墙下部的安全防护锚杆，挂细目钢丝网。

③在较弱型和中强型岩爆地段，在掌子面上向前和向拱、墙四周钻长10 m，φ70 mm的孔，向钻孔中高压注水，同时向掌子面和拱、墙四周围岩表面喷洒冷水。这些措施能够软化围岩，加快围岩的应力释放，减轻岩爆发生的烈度。

④采用松动爆破或震动爆破的方法，在围岩内部造成裂缝，也能使围岩中的高地应力提前得到释放。

3)避让岩爆的措施

①由于从掌子面爆破起3 h以内岩爆发生最为频繁，因此，在此时段内停工以避免伤人事故。

②在岩爆发生段施工时，掌子面处配置专职的安全防护员，负责观察、记录岩爆发生情况，监听围岩内部的爆烈声响，观察拱、墙表面围岩的变化，结合ESG型微震监测系统对岩爆进行判断，遇有险情立即鸣哨警戒，并组织掌子面上的施工人员迅速撤离。

③在较弱型和中强型岩爆地段施工时，采取一些防护措施，如在钻孔台车、运输车辆、装砟机上安装防飞石的薄钢板、在拱部和边墙上部打临时锚杆并挂细目钢丝网、使用喷射机械手对易发岩爆的拱腰和拱脚等处喷一层厚6～8 cm，C25的钢纤维混凝土等。

④在较强型岩爆发生段的下导坑中，打@ 1. 0 m× 1. 0 m、长2. 5 m、φ50 mm的楔管式锚杆，带垫板，挂细目钢丝网，防止飞石伤人。必要时可以采取超前支护、掌子面喷护、增加钢架支撑等防护措施。

4)控制开挖进尺和控制爆破措施

岩爆发生段施工过程中必须控制开挖进尺。全断面开挖时每循环进尺不超过2 m。爆破作业采用光面爆破和预裂爆破技术，严格控制装药量，减少超欠挖，尽量使开挖面圆顺，避免岩面出现突起和尖锐棱角，加强找顶和清理危石，减少岩爆发生的条件。

5)加强初期支护

加强初期支护，用系统锚杆、挂网、喷射混凝土封闭岩面，是防止岩爆发生的根本办法。

不同岩爆类型加强初期支护的参数见表1。

表1不同岩爆类型加强初期支护参数

5　结语

白云特长公路隧道中段施工中，在长约860 m的段落发生了岩爆。施工过程中通过总结已有的岩爆发生规律研究成果，并吸取其它施工单位的成功经验，提出了一套岩爆防治技术，有效降低了施工安全风险，顺利地完成了施工任务。

参考文献

［1］边鹏飞，赵宗志．苍岭隧道施工岩爆预防与防治［J］．公路交通技术，2009( 2) : 137-139．

［2］张韶华．隧道施工中岩爆形成机理及防治措施［J］．甘肃科技，2009( 10) : 114-115．

［3］张志强，关宝树，翁汉民．岩爆发生条件的基本分析［J］．铁道学报，1998，20( 4) : 82-85．

［4］李方利．强岩爆隧道施工技术［J］．国防交通工程与技术，2012( 2) : 55-58．

［5］铁道部经济规划研究院．TZ 204—2008铁路隧道工程施工技术指南［S］．北京:中国铁道出版社，2008．

(责任审编李付军)

Prevention-and-treatment technologies against rockburst in super-long tunnel on expressway

YUE Yunxiao

( China Railway 19th Bureau Group Corporation，Beijing 100176，China)

Abstract:T unnel deeply buried section construction of Chongqing-changsha baiyun tunnel engineering faced the problem of rockburst．T o reduce the safety risk of construction，rockburst rules，classification and prediction methods were summarized in this paper．Prevention-and-treatment technologies against rockburst in baiyun tunnel engineering were introduced from 5 aspects including construction plan，accelerating the release of high ground stress in surrounding rocks，avoiding rockburst hazard，excavation footage control and blasting control，and strengthening primary support．

Key words:T unnel construction; Rockburst; High ground stress; Prevention-and-treatment technologies

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0066-03

作者简介:岳云霄( 1968—)，男，高级工程师。

收稿日期:2015-08-11;修回日期: 2015-11-20

中图分类号:U455．4

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．16