超深埋隧道高地应力岩爆施工技术分析

韦 猛，李劲锋，童 源

（成都理工大学，四川 成都 610059）

我国建设工程在对岩爆产生的类型、原因、激烈强度、等级、预防治理等都有一定的研究成果。当前在隧道工程施工中，施工方经常会面临复杂多变的工程地质条件和岩体性质，这会对超深埋隧道高地应力岩爆施工造成诸多不便。为此，研究岩爆问题的过程中要基于实际工程背景进行项目研究，此次研究便结合北京—昆明高速公路中的一段隧道施工，系统地探讨了该隧道施工中岩爆的预测研究和岩爆防治工程措施。

1 超深埋隧道高地应力岩爆施工工程概况

该高速公路隧道位于北京—昆明高速路段，为双线分离式隧道，隧道的工程理论设计车速为80km/h，当前隧道的左线总长度为9800m，右线总长度为10007m，隧道在施工过程中可采用单口掘进的方式，向前开拓约5000m。当前该隧道是亚太地区单口掘进长度最长的隧道之一，隧道在施工过程中的最大埋深达到1648m，为中国之最。但在该隧道的施工过程中，施工方发现隧道施工中地质情况极容易产生异变，隧道埋深段在施工中易产生高地应力，这给施工带来了一定的安全隐患。

2 超深埋隧道高地应力岩爆施工技术

2.1 超深埋隧道高地应力岩爆施工技术原理

超深埋隧道高地应力岩爆施工中主要是通过弱化周边围岩应力条件，防止在施工中出现岩爆事件。防止岩爆的主要方法如下：超前小导洞开挖法、短台阶施工法、优化爆破设计、动臂喷水或钻孔注水、提前释放高地岩体应力、隧道内部喷射钢纤维混凝土等。

2.2 超深埋隧道高地应力岩爆施工技术方案

在超深埋隧道高地应力岩爆施工中，施工方首先需要测试高地应力环境下的围岩地应力和岩体的强度，在不同的超深埋隧道高地应力岩埋深条件下进行岩体压力检测，进而预判岩爆的程度。施工方在实际的操作中可以采用胀壳式锚杆支护结构，通过该结构与不规则钻孔面结合施工，将围岩区域彻底锁死。同时在施工中还可以采用喷射混凝土的方式，向岩体喷涂超细沸石粉，使混凝土可以在第一时间快速凝结，进而起到支护作用。

3 超深隧道高地应力岩爆施工中防岩爆方法

3.1 台阶法或超前导洞法

当前在我国轨道交通施工中大部分施工单位均通过台阶法或超前导洞法防止岩爆现象的发生，在施工中采用该方法可以避免隧道开挖引起的高应力，且不会对周边围岩造成影响。根据有关调查数据显示，隧道开发施工中围岩中的应力最集中区域为隧道中心区域，因而在分部开挖的过程中，施工方需要严格控制隧道的开发半径，有效减小开发过程中所影响的围岩区域，同时也可以减小围岩中所释放的弹性性能区域，防止岩爆现象发生。当前大量的工程实践证明，采用超前导洞法对轻微岩爆具有良好的防控作用。

3.2 光面爆破技术

在超深埋隧道高地应力岩爆施工中采用光面爆破技术需要设计科学合理的爆破方案，通过缩短孔间距，将爆破炮眼的间距控制在50cm以下，并将爆破药卷的直径控制在20cm，对于爆破过程中的起爆雷管数量，可以根据工程的实际应用适量增多，严格控制爆破过程中所采用的爆药量，避免在爆破过程中对周边的围岩产生干扰。同时施工方还需要对参与爆破工作的施工人员进行事前培训活动，在培训中需做好安全交底工作，强化隧道施工人员的作业素质。

4 超深隧道高地应力岩爆施工质量控制措施

4.1 改善地层的力学性质

在超深埋隧道高地应力岩爆施工中，施工方想要改变施工区域自然沉积土的某一力学性质，就需要采用灌浆技术来改变施工区域的自然沉积土力学性质。如施工方在超深埋隧道高地应力岩爆的挖掘过程中遭遇了大面积的粉细砂岩地层，而粉细砂岩地层会对施工中的挖掘工作产生不良的影响，不及时处理会造成整体工程的进展滞后。施工方通过灌浆技术改变粉细砂岩的力学性质，在具体的施工中施工方通过分析西单地铁车站的构造结构，推断出粉细砂岩地层的覆盖厚度在5.2～6.7m。若该车站属于繁华商业区施工的超浅埋暗挖车站，施工人员为了保护地铁挖掘过程中地面上方的建筑物不会受到地铁挖掘过程中的影响，避免发生地面沉降的事故，可在地铁挖掘的施工中采用双侧壁施工工艺，通过大管棚和小导管进行超前灌注施工，使施工区域的土层固结度达到0.57～0.82MPa。同时施工方还可在渗透系数为3.1×103～4.4×103cm/s的粉砂地质层注入适量的水玻璃、工业硫酸、水碳酸氢钠混合浆液，通过将这样的浆液注入粉砂地质层，使粉砂地质层在15～45min开始凝固，这样不仅可以有效提升施工区域地质层的强度和硬度，同时还可以将施工区域地面的沉降控制在3～15cm以下。

4.2 对流沙层进行灌浆施工

当超深埋隧道高地应力岩爆施工中出现流沙层时，如施工方不及时处理流沙层，则容易造成超深埋隧道高地应力岩爆开挖洞口的塌陷。为此，在施工过程中，施工方需要对超深埋隧道高地应力岩爆施工中的流沙层进行灌注浆施工，这样可以有效防止流沙层在施工中发生坍塌事故。例如：在我国合肥的地铁2号线施工过程中，位于大东门的地铁站共有上下4层，其中地下的3层与主隧道站台紧紧联系在一起，施工方在施工过程中采用南北斜隧道为单动马蹄形的结构进行开挖。在进行隧道开挖的过程中，由于隧道多为平直断，因此开发过程中没有遇到其他问题，开挖至隧道断面呈上半层时，发现了一条宽为1.7m的细粉沙带地质层。这条地质层中含水量丰富同时与周边的地表水有着密切的联系，在开发过程中一旦将该地质层挖断，就会发生涌砂现象，从而导致地质层整体发生坍塌事故。施工方为了保证施工过程的安全性，需要对该地质层进行灌浆施工。在施工过程中对流沙层采用超前小导管灌浆，在灌浆的过程中现场人员通过将水泥浆与水玻璃进行1.5∶1的比例配合，然后将配置好的浆液灌入流沙层中，该浆液在3～5min便会发生凝结，可以确保在隧道的施工中不会发生涌砂现象，同时通过灌浆技术还可以进一步稳固施工区域的土质，这样可明显提升施工区域中的土层承受地面车辆荷载能力，从而保障超深埋隧道高地应力岩爆施工中的安全性。

4.3 提高锚杆抗拔力

在超深埋隧道高地应力岩爆施工中，通过灌浆施工技术可以有效提高隧道施工中的锚杆抗拔力。目前在国内外工程界为了增大超深埋隧道高地应力岩爆施工中锚杆锚固段的直径，施工方通常会采用爆破扩桩法、机械扩桩法和灌浆法，通常锚杆的固体直径直接取决于灌浆量的大小程度。有关调查显示，灌浆量在0.2m3时，相应的扩散半径可以达到8.4cm，注浆压力为0.25MPa，锚杆抗拔力为375kN；灌浆量在0.25m3时，相应的扩散半径可以达到9.3cm，注浆压力为0.25MPa，锚杆抗拔力为396kN；灌浆量在0.3m3时，相应的扩散半径可以达到10.4cm，注浆压力为0.42MPa，锚杆抗拔力为465kN等。由此可见，超深埋隧道高地应力岩爆施工中锚杆的抗拔力会随着灌注浆量的增大而随之增大，同时随着灌注销量的增大，有效半径的面积也会随之增大。但在实际施工中，靠近灌注泥浆区域的浆液扩散主要以渗透为主，而在浆液扩散较大范围内的地层固结度显著偏低。例如：在我国成都地铁4号线江南西车站出入口进行施工的过程中，施工方为了保证基坑靠近建筑物一侧的边坡具较高的稳定性，施工方在靠近建筑物的边坡附近设置了相应的锚索。其中，在施工过程中设置南站厅基坑维护桩底部直径为5mm，预应力锚索长度为1.5m，该预应力锚索所在施工中的角度为15～30°，锚索的钻孔直径达到130mm。在施工中施工方采用静压注浆法，通过注入大量的水泥砂浆，可将基坑边沿最大地表下沉量控制在8mm以下，进而有效保证地铁站区域大楼的安全。

5 结束语

文章通过研究北京—昆明高速公路区域的超深埋隧道高地应力岩爆施工处置措施，证明了在超深埋隧道高地应力岩爆施工中光面爆破作业、超前导洞法、台阶法在应用中的可行性。此外，通过对隧道岩爆易发生段开展实地调研活动，可以避免在超深埋隧道高地应力岩爆施工中出现工序返工问题，降低在超深埋隧道高地应力岩爆施工中生长的安全风险和施工成本，从而保障隧道施工中超深埋隧道高地应力岩爆施工作业可以安全、高效、快速完成，进而促进我国区域经济的发展。