大鼓山隧道岩爆特征及防治措施

（福建省高速公路有限责任公司泉州管理分公司，泉州362000）

大鼓山隧道岩爆特征及防治措施

■潘文栋

（福建省高速公路有限责任公司泉州管理分公司，泉州362000）

根据在大鼓山隧道施工中发生的岩爆，通过现场观测资料，具体分析了其形成的规模、位置、诱发因素及地质条件，介绍了该隧道岩爆的产生和发展特征，探讨了岩爆发生的原因，并针对性地提出了后续施工中的处治预案和防治措施。

隧道工程岩爆防治措施特征分析

1 引言

岩爆隧道是指施工过程中有岩爆现象发生的隧道。在高应力坚硬的岩体内开挖隧道时，因开挖卸荷引起周边围岩产生应力分异作用，储存于围岩洞壁内的弹性应变能突然释放且产生爆裂松脱、剥离、弹射甚至抛掷性等破坏现象的动力失稳地质灾害称之为岩爆。岩爆一般是突发性的，一旦发生岩爆会破坏已建成的隧道结构和机械设备，直接威胁施工人员、设备的安全。

2 大鼓山隧道岩爆发生情况及特征分析

2.1 隧道概况

大鼓山隧道右洞起讫桩号为YK41+065～YK44+108；本隧道隧址区属构造剥蚀低山、丘陵地貌，地形起伏大，局部地段地形较陡，进口段坡度较大，坡度为35～40°；出口坡度较小，一般在25～30°。进出口均与山间沟谷盆地相连，切割深达20～50m，线路经过山顶最高标高约1200m，最低标高约610m，相对高差约590m。隧道出口段有感化溪流过；隧址区地表多茶园种植区，多沟渠、小陡坎。根据野外地质调查、钻探及物探资料，隧址区地层岩性较复杂，上覆残积砂质粘性土(局部为粉质粘土)，沿山坡及隧道洞身表层局部分布；下伏基岩为侏罗系上统南园组全-中风化凝灰岩(J3nb)、燕山早期侵入全-中风化花岗岩(γ52(3)c)，燕山晚期侵入强-微风化次石英斑岩、花岗闪长岩(λπ53(1)d)。

隧道中部YK41+880～YK43+400段1520m为Ⅱ级围岩，围岩主要为微风化次石英斑岩及花岗闪长岩，块状构造。节理裂隙弱发育，岩体完整呈块状，工程性质好，地下水以基岩风化裂隙水为主，水量小，潮湿或雨滴状渗水为主。施工中采用光面爆破，初期支护、衬砌工作紧跟开挖工序进行，施工期间采用GPR(探地雷达)进行超前地质预报。

2.2 岩爆发生过程

2012年12月25日，大鼓山隧道右线出口段开挖至YK43+180，设计围岩级别为Ⅱ级，洞身围岩主要由微风化次石英斑岩、花岗闪长岩组成，岩质新鲜坚硬，裂隙弱发育，岩体完整，以块状、巨块状为主，围岩稳定性较好。采用全断面钻爆法开挖，施工进度较快，一天两个循环，日进尺7～10m。1月4日开挖至YK43+100，期间岩性变化频繁，次石英斑岩和花岗闪长岩交替出现，呈微风化，岩质坚硬强度高，岩体表面干燥，拱部岩体多处破裂剥落，伴有清脆爆裂声，偶有巨响，掌子面岩体碎石自行弹出，并有较大尺寸岩块脱落，坑深约1m，最大块约2m，人员、机械设备立即撤离现场，暂停掌子面施工。持续观察发现，开挖后2h内反应强烈，剥落面积增大，声音加强。直至1月6日掌子面仍有零星掉块和少许响声，且YK43+180～YK43+100段初期支护施作已完成局部拱部仍有大块岩体破裂剥落。经分析判断为岩爆现象，左洞开挖至该里程段时也发生岩爆现象。

2.3 岩爆发生的规律和特征

本次隧道岩爆的特点从发生无明显征兆、围岩类型、空间位置、时间区段、含水状态和形式规模等方面考察，可概括如下：

(1)岩爆具有突发性。在岩爆未发生前，并无明显的征兆。在通常认为不会掉落石块的地方，突然发生爆裂声响，石块有时应声落下，有时并不落下。

(2)岩爆只发生在高应力脆性围岩中。坚硬的脆性围岩和高地应力(与围岩强度相当的地应力)是岩爆发生的必要条件、基本条件。

(3)岩爆主要发生在隧道侧壁切(环)向应力较大部位。岩爆发生的地点多在新开挖的工作面附近，个别也有距新开挖工作面比较远，常见岩爆部位侧壁与拱腰。这是隧道岩爆的空间特点。

(4)岩爆主要发生在围岩应力的剧烈调整期。岩爆在开挖后陆续出现，多在爆破后的2～4小时，24小时内最为明显，延续时间一般1～2个月。这是隧道岩爆的时间特点。

(5)岩爆围岩通常完整极少含水。地层含水意味着围岩内有裂隙，裂隙便为应力释放提供了空间，所以，含水量高的围岩极少发生岩爆，反之发生岩爆的围岩则极少含水。

(6)岩爆坑多呈“锅底形”。岩爆时围岩破坏的规模，小者几厘米，大者可多达几十吨。工程中危害最大的是弹射而出的石块。这些弹出的石块多为中间厚，周边薄，不规则的岩片。岩片脱落后在隧道壁面上通常会留下“锅底形”痕迹。

3 岩爆原因分析

3.1 岩爆发生的条件

隧道产生岩爆的条件是多方面的，大量的隧道工程实践证明，岩爆发生主要有5个方面的条件。

(1)岩石的强度Rb≥80MPa；

(2)围岩初始应力σ0≥(0.15～0.2)Rb；

(3)围岩的级别：Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ级；

(4)隧道的埋深H≥50m；

(5)岩石干燥无水，呈脆性，节理基本不发育。

一般来说，发生岩爆的隧道基本上能同时满足这5个条件，但是，也有极少数隧道在并未完全满足这5个条件的情况下，也出现了岩爆。因此，为了更具普遍性，只要满足其中任意三项指标时，即可判定岩爆的存在。本隧道通过设计文件和超前地质预报情况，YK43+180～YK43+ 100段微风化次石英斑岩、花岗闪长岩岩石饱和单轴抗压强度标准值Rc=58.82MPa，未做地应力测试，判定围岩级别为Ⅱ级，隧道埋深210m左右，岩石干燥无水，呈脆性，节理基本不发育，满足其中三项指标，可判定存在岩爆。

3.2 岩爆发生的原因分析

岩爆的发生主要受如下两方面的影响。一方面是，该段隧道岩体由于埋深较大，岩体中本身蓄存有较高地应力，受隧道开挖影响，尤其是靠近掌子面附近区域岩体的受力情况出现变化；另一方面，该段岩体的矿物结构密度致密，岩体坚硬度较高，因为只有岩石坚硬,才具有较高的弹性模量,才能积聚较高的弹性应变能(地应力)。能否积聚较高的弹性应变能,这取决于该地的地形地质背景。当地应力足够大时,岩石愈坚硬,岩爆愈强烈,岩爆的动力地质现象如弹射、山鸣等愈严重、突出。

4 岩爆防治措施

岩爆防治应遵循“以防为主，防治结合，分段分级，综合治理”原则，结合工程具体情况，综合考虑安全、成本、功效与可操作性，提出针对性的施工期隧道岩爆防治对策，以避免和减少隧道岩爆的发生。岩爆的治理是解决岩爆问题的最终目的，岩爆治理的好坏直接关系隧道作业人员安全和设备安全。结合本工程，已开挖段YK43+180～YK43+100段岩爆烈度中等，且尚未稳定，立即采取了加强支护的措施。

4.1 岩爆治理措施

(1)对岩爆区段YK43+180～YK43+100段按照设计给定的岩爆处置预案设计(二)进行施作，具体施工参数为：采用直径22cm、长度2.5m的锚杆，间距为1m×1.2m梅花型布置，并采用Ф8cm钢筋网25cm×25cm网眼单层满铺，C20喷射砼12cm厚进行初支防护，支护范围为两侧起拱线以上部位(如图1所示)。

图1 Ⅱ级岩爆段衬砌预案设计(1∶100)

(2)K43+100掌子面开挖时，采用超前地应力解除爆破：应力调整爆破的主要施工工艺包括超前应力解除炮孔的布置和装药量设计。一般来说，要求炮孔在掌子面较均匀布置，炮孔间距离2m左右，钻孔深度按单循环进尺的2倍进行控制，角度控制在5～10°为宜；应力解除孔布置在岩石完整的部位，有结构面的部位严禁布置单孔；孔装药长度1.5～2.0m，装药量1～2kg，实际施工以爆破能形成将岩体致裂而不破碎为宜，且先于爆破孔爆破。应力解除孔爆破可采取微差实现(间隔时间大于150ms)，也可单独与掘进孔分开爆破。

(3)优化光面爆破设计与实施控制:选用与硬岩相匹配的高猛度、高威力的水胶炸药。周边眼间距较无岩爆地段适当加密，周边眼采用Φ20小药卷不耦合装药，以尽可能减少爆破对围岩的影响。加强光面爆破技术管理，以达到开挖周边轮廓线圆顺光滑，避免表面凹凸不平造成应力集中。开挖进尺控制在2m以内，全断面开挖，必要时可选取台阶法施工。

(4)高压喷水:高压喷水在地下工程开挖爆破后及时实施，喷射距离大于10m。施工时、在隧道边墙左右侧一定高度(设置高度以爆破石碴堆积高度以上lm为宜)设置两个喷嘴，与后方高压水管相连，在爆破后，及时开启水龙头，向掌子面喷、洒水，喷水角度以尽量湿润岩面为宜，喷射时间10～30min。之后为避免喷水对出碴造成影响，可改为雾状喷水。

(5)高压注水孔(必要时)：在边墙及拱部，打设注水孔，并向孔内灌注高压水，软化围岩，加快围岩内部应力释放。

4.2 岩爆防范措施

(1)超前地质预报单位继续做好围岩各种参数收集，及时对岩爆程度及等级做出评价。

(2)施工、监理单位加强现场安全管理，带班人员及安全员三班倒24小时值班，严格执行领导带班制度。

(3)施工单位成立技术攻关组，综合分析地质情况、收敛监测数据、岩爆记录表等资料，对岩爆等级进行评判，制定相应的防治措施，实施过程中根据防治效果及时调整防治措施。

(4)加强爆破人员素质培训：光面爆破效果对于岩爆发生的可能性及强度影响较大，而目前的施工状况是，光面爆破效果完全由施工工人决定，因为炮眼钻设的深度、位置、角度及装药量完全由施工工人决定，因此为了达到更好的开挖效果，必须对开挖工人进行素质教育，其素质的高低直接影响光面爆破的效果。

(5)制定岩爆地段处理预案，并严格执行，确保人员、机械设备安全。

在采取上述处治措施后，虽然隧道拱顶部位岩石开裂和剥落的现象未能得到彻底制止，但会大大缩小剥落的范围，将剥落的范围集中在下层钢筋网的混凝土保护层内，为隧道后续施工提供了安全保障。

5 结语

通过对大鼓山隧道的岩爆研究、分析及处理,结合已有工程经验和理论研究，根据大鼓山隧道的工程实际提出了隧道岩爆施工的方法，较好地通过了岩爆段,没有发生人员伤亡事故。经施工过后对岩爆段进行的观察,洞壁未再产生各种类型的岩爆,所喷的混凝土未发生开裂、剥落,钢拱架也未产生明显的变形,围岩收敛变形基本稳定,对岩爆段的处理是比较成功的，对今后类似工程具有一定的指导意义。

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