岩爆隧道柔性支护快速施工技术

陈绪文， 黄 磊， 邹逸伦

(1. 四川省交通投资集团有限责任公司， 四川 成都 610041； 2. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031)

0 引言

在公路隧道建设过程中，隧道开挖稳定性会受到复杂地质的影响，例如高地下水压[1]、岩溶[2]、采空区[3-4]、软岩大变形及岩爆[5]等。在高地应力条件下，结构完整的脆性硬岩在开挖卸荷后，由于某些因素的诱发而发生动力失稳的现象，即岩爆。目前，如何控制岩爆是岩石力学与工程界共同面临的一个难题。为保证隧道开挖稳定性，加固围岩、弱化围岩、应力转移等防治理念[6]被提出，进而形成了岩爆支护、区域防范和局部解危等岩爆控制措施。在地下硐室开挖后，围岩支护作为最直接有效的岩爆支护措施，得到了越来越多的研究。侯靖等[7]通过锦屏工程现场实践，对带钢垫板锚杆、挂网和喷射混凝土的整体岩爆支护体系进行了阐述，提出了水胀式锚杆与机械胀壳预应力锚杆组合使用的方法； 汪波等[8]在研究锚杆支护对苍岭隧道岩爆控制效果的基础上，提出了采用预应力中空注浆锚杆对岩爆进行防治的方法，并对锚杆预应力、锚杆间距进行了优化，提出了岩爆段锚杆支护设计原则； 秦阳[9]结合锦屏水电站引水隧洞工程，从锚杆长度、锚杆预应力及锚杆支护滞后距离3方面，分析了锚杆支护对围岩稳定性的影响； 高志敏等[10]通过柔性防护网支护技术在米仓山隧道中的实际应用，对柔性防护网支护的施工过程及要点进行了阐述。

以上研究主要是针对围岩加固及岩爆防治进行的研究。在实际岩爆隧道中，特别是工期较紧的隧道施工中，如何在防治岩爆的基础上达到快速施工的目的是交通隧道等地下工程施工所面临的长期性难题。目前的研究还没有针对岩爆隧道的快速施工提出一个系统的解决方案。本文通过总结现有岩爆支护技术，针对大埋深公路隧道常见的岩爆现象，系统阐述一种新型的支护设计方法，进而提出岩爆隧道的快速施工技术。以米仓山隧道为实施对象，通过岩爆预测、松动圈测试、柔性网参数测试等确定支护参数，在隧道岩爆区段进行柔性防护网施工，并对快速施工效果进行分析。

1 基于柔性支护的临时支护措施

1.1 岩爆隧道支护现状

岩爆的发生取决于岩石的强度、完整性、所处的初始地应力条件和周围地下水情况[11]。根据岩爆的特征和相关性质将岩爆分为3个等级，如表1所示。3个等级中，弱岩爆对施工的影响极小，基本上不会对人员和机械造成威胁，实际施工时基本不会采取特殊措施进行处理；中等岩爆持续时间较长，对机械、施工人员的安全及心理造成严重影响，基于加固围岩的思想，目前常采用钢支撑和喷-锚-网(钢筋网)的整体支护方式对隧道中等岩爆区段进行支护，在施工过程中根据实际情况可能还要采用防护网等被动的临时支护措施； 强烈岩爆极具危险性，在加强支护的同时还要采用多种辅助措施(如超前应力施工释放孔等)弱化围岩，降低岩爆发生的频率和能量。

表1 岩爆强度分级

1.2 新方法的提出

传统的岩爆区段围岩支护方案中，钢支撑、锚杆、金属网以及喷射混凝土使支护系统形成统一整体，在需要挂双层钢筋网时初喷混凝土必须达到终凝条件[12]，开挖-初期支护循环(包括开挖—初喷—锚杆—立架—挂网—复喷等工序)通常需要15 h，对于长距离独头掘进的隧道而言，工期受到严重制约，并且复杂的支护工序还会影响初期支护的及时性。

针对目前存在的问题，对中等岩爆区段提出了一种新的“半主动半被动”支护理念，即在尽量降低岩爆频率的前提下增强岩爆防护能力。对于具有良好整体自稳性的硬岩隧道，防护的重点在于防止小块岩石的脱落、掉块以及弹射，因此，由钢丝绳网和起固定作用的涨壳式预应力锚杆组成的支护体系(如图1所示)应运而生。考虑到岩爆时的动荷载作用，钢丝绳网能及时对围岩形成有效的覆盖，并且能较好地吸收岩爆发生时产生的动应力，对破碎岩石具有承托、缓冲的作用；锚杆加固围岩的作用显著，在打入围岩中并锚固后，与围岩共同承担弹性应变能，提高围岩的自承能力。在起加固作用的锚杆、承托作用的钢丝绳网以及喷射混凝土形成的柔性支护体系下，围岩的受力状态得到了极大改善，并且由于钢丝绳网施工方便，也保证了初期支护的及时性。

1.3 机制分析

目前，隧道施工中广泛采用药卷锚杆等摩擦型锚杆，由于硬岩隧道在开挖后围岩很快就能达到稳定状态，因此，这种锚杆受力较小，不能完全发挥作用。预应力锚杆对围岩的预压作用能够较好抑制围岩中裂缝的发展，对岩爆区段围岩产生的层裂剥离现象起到积极的作用[13]。传统的钢筋网虽然采用了直径较小的钢筋(φ6.5 mm)，但是在受到岩块冲击时，焊接点及接头的脆弱部位极易发生局部破坏，岩块会从破坏位置挤出[14]。新型的柔性网采用一种工业化预制钢丝绳网，网绳之间采用卡扣固定，不会出现明显的滑移现象，并且柔性防护网在受到冲击后能及时产生整体变形，避免局部承受较大荷载而破坏。钢丝绳网与钢焊网冲击试验对比如图2所示。

2 中等岩爆段快速施工技术研究

2.1 岩爆段设计方法

隧道岩爆段快速施工设计流程如图3所示。在隧道施工过程中先进行岩爆预测，无岩爆和强岩爆区段采用原施工方案； 弱岩爆区段不进行特殊处理； 中等岩爆区段采用基于柔性支护的快速施工技术，首先对岩爆区段的参数进行确定，主要采用松动圈测试得到围岩扰动范围，进而确定锚杆和柔性网参数。

(a) 柔性支护截面

(b) 锚杆细部

(c) 钢丝绳网

(a) 钢焊网

(b) 钢丝绳网

Fig. 2 Comparison of impact test between wirerope net and welded steel net

2.2 中等岩爆段施工方法

为克服传统岩爆支护手段施作滞后、抗冲击能力差的缺点，在中等岩爆段采用柔性钢丝绳网取代钢拱架和钢筋网，充分发挥其高强度、施工方便、工厂预制的技术优势，形成了一套快速施工的柔性支护方案。柔性防护网施工流程如图4所示。柔性支护体系的具体施工步骤为： 1)采用光面爆破，利用机械找顶并去除洞壁悬石； 2)初次喷射混凝土，及时闭合岩面，避免洞壁小碎块岩石的脱落； 3)钻孔、插入锚杆并预紧锚杆，锚杆间距为1.0 m； 4)利用机械将预制钢丝绳网吊至挂网台车顶部，并向两侧展开； 5)利用控制装置将钢丝绳网暂时固定于洞壁，使用千斤顶将柔性网密贴洞壁并用铁环将绳网与锚杆外露环套固定连接，相邻两块绳网之间采用连接钢丝绳进行接合，再用紧绳器进行预紧； 6)采用湿喷工艺复喷至设计厚度，避免对后续防水板铺设及二次衬砌施作产生影响。

图3 岩爆段快速施工设计流程

Fig. 3 Process of rapid construction and design of rockburst section

(a) 光面爆破

(b) 初喷混凝土

(c) 锚杆施工

(d) 起吊绳网

(e) 固定绳网

(f) 复喷混凝土

图4柔性防护网施工流程

Fig. 4 Construction flowchart of flexible protection net

3 米仓山隧道应用实例

3.1 工程概况

在建米仓山隧道位于G69高速四川巴中至陕西汉中段川陕交界位置，隧道长13 792 m，为目前西南地区最长的公路隧道[15]。隧址区巴中段最大埋深1 060 m，围岩以石英闪长岩为主，夹花岗岩、闪长岩等透镜体，属于典型的硬岩隧道。米仓山隧道地形和地质纵断面如图5所示。通过对隧道岩爆实际情况进行统计分析，有以下特征： 1)岩爆位置集中在边墙、拱肩和拱腰处； 2)岩爆程度随隧道埋深增加而加剧，表现为张拉型板裂化和剪切型破坏，有清脆爆裂声，主要表现为中等岩爆。米仓山隧道施工现场岩爆如图6所示。

图5 米仓山隧道地形和地质纵断面

图6 米仓山隧道施工现场岩爆

3.2 岩爆预测

目前在岩爆预测方面主要有3种方法： 1)原岩应力法，主要包括陶振宇判据、挪威Barton判据、岩性法和临界深度法等； 2)二次应力法，包括Russense判据和Turchaninov判据等[16]； 3)现场监测技术，主要包括应力监测、变形监测和微震监测。

由于米仓山隧道埋深大以及围岩风化弱、硬度高，使得隧道地应力极高，同时，由地应力测试可知隧址区具有较为明显的水平构造应力作用，因此，隧道在开挖过程中存在发生不同等级岩爆的可能性。在实际隧道开挖过程中，现场也发生过多次岩爆。为避免岩爆对施工造成更大的影响，在采取控制措施之前，运用原岩应力法(陶振宇判据)和二次应力法(Russense判据、Turchaninov判据)对米仓山隧道进行了综合岩爆预测。

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3.2.1 陶振宇判据

陶振宇判据又称为地应力判据，根据岩石单轴抗压强度Rc和初始地应力σ0之比对岩爆活动进行判定[17]。

(1)

隧道不同埋深区段的最大主应力大小由水压致裂法实测得到，优势方向为N14°W～N29°W，主应力随埋深大致呈线性关系。根据式(1)得到陶振宇判据预测结果如表2所示。

米仓山隧道埋深超过300 m的区段，5.5

3.2.2 Turchaninov判据

苏联学者Turchaninov根据科拉半岛希宾地块的矿井经验，提出了根据岩爆活动与洞室法向应力、切向应力之和与岩石单轴抗压强度之比进行岩爆判定的方法[18]。

(2)

利用有限差分软件FLAC3D对米仓山隧道的开挖过程进行模拟，共划分1 653 254个节点，1 618 560个单元，模型尺寸为100 m(横向)×60 m(纵向)×107.2 m(竖向)。有限元模型如图7所示。围岩材料模型采用Mohr-Coulomb屈服准则，围岩基本力学参数通过地应力测试及室内试验获得，各物理力学参数见表3。模拟时考虑了构造应力，采用应力边界，得到隧道不同埋深处洞壁切向应力、径向应力的分布特征以及弹性应变能的累积情况，进而对隧道不同区段进行岩爆强度等级预测。

根据米仓山隧道实际埋深(300～1 000 m)将本次模拟工况分为8组(S1—S8)，模型初始地应力情况见表4。对不同埋深的硬岩隧道围岩开挖扰动进行对比分析，并根据Turchaninov判据对岩爆等级进行划分，得到岩爆预测结果： 1)当埋深小于300 m时，(σθ+σr)/σc≤0.3，无岩爆； 2)当埋深为300～500 m时，0.3<(σθ+σr)/σc≤0.5，有岩爆可能； 3)当埋深为500～800 m时，0.5<(σθ+σr)/σc≤0.8，肯定会发生岩爆； 4)当埋深大于800 m时，(σθ+σr)/σc>0.8，有严重岩爆。结合现场实际可知，在埋深为300～500 m的区段，以轻微岩爆为主，主要发生在墙脚与拱肩区域； 在埋深为500～800 m区段，以中级岩爆为主，墙脚与拱肩依然是危险区域。

表2 米仓山隧道陶振宇判据岩爆预测结果

(a) 立体图

(b) 侧面图

图7基于Turchaninov判据的有限元模型

Fig. 7 Finite element model based on Turchaninov criterion

3.2.3 综合对比

通过对陶振宇判据和Turchaninov判据2种不同岩爆等级预测结果的分析对比，得到米仓山隧道岩爆等级预测综合结果，如表5所示。整个米仓山隧道岩爆强度区域划分示意图如图8所示。分别将埋深小于400 m区段、400～700 m区段、700～1 000 m区段和大于1 000 m区段划分为无岩爆区域、轻微岩爆区域、中等岩爆区域和强烈岩爆区域。通过对隧道掘进到不同埋深区段时每小时爆裂声进行实测并记录，对本文的岩爆等级预测方法的有效性进行了验证。爆裂声分布如图9所示。

表3 米仓山隧道围岩物理力学参数

表4 米仓山隧道初始地应力状态

表5 米仓山隧道岩爆等级预测综合结果

图8 米仓山隧道岩爆等级区域划分

图9 爆裂声分布

3.3 松动圈测试

深埋隧道开挖卸荷，围岩应力重分布过程会随着洞周一定范围内岩体的破裂扩展，微裂隙完全形成破裂面的围岩区域，称为围岩松动圈[19]。本文采用的RSM-RCT(B)声波测试仪(如图10所示)利用超声波在不同密度岩体介质中传播波速不同这一特性，通过声波接收器接收信号的时间差自动计算声波在某一深度钻孔内的连续波速，进而对声波这一深度范围内的波速变化进行分析，判断围岩破裂区域的深度，即围岩松动圈范围，进而确定柔性防护体系中锚杆的长度参数。

在米仓山隧道主洞拱顶、拱肩、拱腰和边墙4个部位共做9组松动圈测试，通过超声波波速的突变确定破裂围岩和内部较完整岩体的交界面深度为1.4～1.8 m，其中，拱顶位置损伤深度稍大于边墙和拱肩。测试结果如图11所示。为达到更好的围岩支护效果，锚杆端头应当穿过破碎岩体锚固在内部较完整岩体内，因此，在围岩松动圈测试的基础上，选用φ32 mm机械涨壳式预应力锚杆，锚杆长度为2 m。

3.4 网参数

基于中等岩爆弹射少、持续时间长的特点，在米仓山隧道岩爆区段柔性防护网快速施工方法中，选用直径为6 mm的钢丝绳，网孔规格为10 cm×10 cm的柔性网。由于岩爆区段围岩常发生岩体层裂剥离，导致锚杆托板悬空而失去支护效果，因此，需要进行柔性网的韧性和强度测试。在实验室对钢丝绳网进行顶破试验，试验过程中逐级增加荷载，钢丝绳在韧性作用下能够产生较大的弹性形变； 采用LS-DYNA动力软件对钢丝绳网进行动荷载的数值模拟试验，结果显示钢丝绳网能承受的最大顶推力为70 kN，认为其符合施工要求。

(a) 声波测试仪

(b) 声波测试仪原理图

图11 松动圈测试结果

3.5 效果分析

根据米仓山隧道施工实践，采用喷射混凝土+涨壳式预应力锚杆+柔性防护网的快速支护技术(如图12所示)，与原设计的钢拱架+锚杆+钢筋网+喷射混凝土的传统支护技术相比，每循环节约用时约4 h，施工速度提高了30%～40%。在时间效益方面，米仓山隧道岩爆段独头掘进最大月进尺达210 m，米仓山隧道巴中端预测中等岩爆段约1 200 m，按快速施工方法可节省工期50 d；在经济效益方面，采用柔性防护网支护区段，取消了钢拱架和焊接钢筋网，预制化、机械化程度高，减少了人工投入，工程造价相对降低，并且作为巴陕高速的控制性工程，工期的缩短可为企业带来巨大的经济效益。每循环各工序耗时如表6所示。

图12 米仓山隧道柔性防护网

Fig. 12 Test section of flexible protection net of Micangshan Tunnel

表6 每循环各工序耗时

4 结论与建议

本文提出了一种针对硬岩隧道岩爆段的快速施工支护技术，首先通过岩爆综合预测划分岩爆强弱区段，然后通过松动圈测试确定锚杆长度，并采用柔性网试验确定柔性网的参数，最后利用喷射混凝土、预应力锚杆和柔性防护网快速支护岩爆段围岩，特别是中等岩爆区段。

1)通过陶振宇判据和Turchaninov判据可以较准确地进行岩爆预测及强度区域划分。本文针对米仓山隧道分别将埋深小于400 m区段、400～700 m区段、700～1 000 m区段和大于1 000 m区段划分为无岩爆区域、轻微岩爆区域、中等岩爆区域和强烈岩爆区域。

2)利用松动圈测试结果能大致判断围岩破裂区域的深度。本文利用RSM-RCT(B)声波测试仪，通过超声波波速的突变确定米仓山隧道围岩松动圈深度为1.4～1.8 m，其中拱顶位置损伤深度稍大于边墙和拱肩。

3)采用喷射混凝土+涨壳式预应力锚杆+柔性防护网的快速支护技术，施工速度快，预制化、机械化程度高，可为企业、社会带来明显的经济效益和社会效益。

4)本文提出的柔性支护快速施工技术多限于理论层面，目前并未得到大规模推广使用，实践验证方面有所欠缺。下一步的研究重点将转向工程领域的应用研究，例如“柔性支护技术对岩爆灾害的防护效果”、“柔性支护技术的支护强度和耐久性”以及“柔性支护技术对于不同围岩岩爆隧道的适用性”，并应对柔性网与喷射混凝土组成的复合材料的力学性能与防护效果进行进一步研究。