山岭隧道高地应力岩爆处置分析

袁威

摘 要：目前，国内外山岭隧道高地应力岩爆的研究还存在部分不足，特别是高地应力的划分方式和方法，各个国家之间尚未有明确的规定，部分专家学者虽然进行了相关的研究，但对于不同地形地势的围岩应力研究较为复杂，本文通过文献调研总结山岭隧道高地应力岩爆处置分析，为隧道开挖灾害防治提供帮助。

关键词：山岭隧道;高地应力;岩爆

0 引言

近20多年来，我国山岭隧道施工饱受岩爆侵害，其中由中铁十二局二公司承建的川藏铁路拉萨到林芝地段为一级高风险隧道，与此同时巴玉隧道目前是世界上岩爆最强掘进距离最长埋深最大的高原铁路隧道。隧道内岩爆的强度和频率很高，爆炸时间一般为2至6小时，最长持续时间为一周以上，甚至岩爆后几个月还会出现二次岩爆。因此，隧道施工必须防患于未然，爆破破坏的石块可能会松动，从主岩中投掷不同的石块，直接威胁到施工人员、设备和地下工程的安全，严重影响工程进度。为保证隧道工程的长期稳定、安全、正常运行，在施工过程中提前确定高地应力和预测有十分重要的意义。

1 高地应力定义

高地应力界定是针对初始地应力场而言，岩体高地应力问题是工程岩体安全的主导因素[1]，岩体的初始地面应力状态与岩体在施工过程中的变形和破坏特性有关，地下工程的地面应力水平可以通过三种方式确定：根据埋深、经验公式或地下工程所在的构造环境，初步确定近似应力水平;基于勘探或施工过程中周围岩石的物理现象、变形或破坏的定性评价;根据工程或工程部位的地应力实测资料定量评判。

存在高地应力状态的地质标志：圍岩产生岩爆脱落现象;围岩收敛变形大;软弱夹层挤出;钻孔出现饼状岩芯;开挖无渗水现象;开挖过程有瓦斯突出。除此之外高地应力也还有一些定性判断，其中包括岩体结构致密、渗透性极差、岩体弹性模量约等于岩体弹性模量的实验值、岩石新鲜无风化等。

2 山岭隧道高地应力岩爆现象及分类

2.1 岩爆发生的现象

伴随有地震发生并以突然或猛烈发声方式对地下开挖的破坏;只要岩体破坏时有声响，产生片帮、爆裂剥落甚至弹射等现象[2];产生弹射、抛掷性破坏称为岩爆，无动力弹射现象的破裂归属于静态下的脆性破坏;围岩坚硬、质脆，岩爆岩石单轴抗压强度Rb大于50 kPa[3];岩爆洞段岩体表面较为干燥，有地下水存在或断裂部位不发生岩爆;岩爆洞段的埋深可大可小，埋深不是判定岩爆发生的重要依据。

2.2 岩爆的分类

微弱岩爆是一种微弱的、无声的或在周围岩石表面看不见变化的现象，它通常规模较小，不易察觉，表现为岩坑较浅，通常对施工影响较小。中等岩爆与微弱岩爆相比现象更为明显，是一种肉眼可见的爆裂脱落岩石剥离的危害，在围岩脱落的过程中碎石弹出，同时伴随着清脆响声，爆坑较大，坑径深一般不超过2 m，岩石下落规模较大。强烈岩爆发生时具有锐利的岩石和碎片不断地飞出，岩爆产生的爆坑在围岩上连续的分布，坑深2 m以上，爆裂脱落碎石尺寸较大数量多，严重时将使围岩大面积的开裂使其丧失其稳定性。剧烈岩爆可能发生爆炸以及岩石的弹射性破坏，在爆炸发生的同时伴随巨响，剧烈岩爆发生迅速，并逐渐向更深处传递，影响深度可超过2 m以上，情况严重时可能摧毁工程，剧烈岩爆产生并释放的能量相当于200多吨TNT炸药，目前我国已经发现的岩爆像小地震一样，当其岩爆发生后可在发源地以外的100多公里测到，最大震级为4.6级，影响及其严重。

3 岩爆的影响因素

国内外的调查结果表明，产生岩爆的原因很多，其影响因素有岩石岩性、隧道初始应力状态、埋深、地表地形、开挖断面形式及开挖方式等，但在诸多因素中，地层的岩性条件和地应力的大小是产生岩爆与否的两个决定性因素。岩爆是岩体内积聚的弹性应变能的突然释放。影响因素包括地应力、岩性、岩体结构、埋深与地形、人为开挖[4]。

一般情况下，在隧道开挖后岩爆陆续出现，大量岩爆在24小时内最为明显，在开挖后十小时内岩爆次数最多，这种现象通常延续1～2个月，有的延长一年以上[5]。如二郎山隧道岩爆多发生在放炮后2～8小时内，也有滞后1～2天的，有些段滞后1～2个月或几个月后发生，较严重的岩爆段在第一次开挖锚喷支护达到稳定并经过两年后处理大规模欠挖时仍时有岩爆发生[6]。

岩爆发生的次数与掌子面的距离有很大的关系，在洞轴线上分为岩爆洞段和无岩爆洞段。岩洞的横截面是指岩洞的岩石分布，岩爆频率和到掌子面的距离之间存在一定的关系。以二郎山隧道为例，当岩爆与掌子面相距为20 m之内时，通常情况下岩爆次数最高可达40余次，岩爆发生的部位多数位于起拱线以上和边墙靠近低部区域。岩爆在横断面上的分布具有对称性，如福堂水电站引水隧洞施工中岩爆均发生在圆形洞室拱顶偏河床侧10°～70°范围内和洞室断面下部靠山侧，与之对称的部位[7]。

4 岩爆的预防及处置

4.1 微弱岩爆处置

微弱岩爆指岩石个别有松脱和破裂的岩爆，主要集中在隧道壁面附近的浅层部位，厚度通常小于20 cm[8]。损害很小，可以采取以下措施降低破坏影响：

开挖后采用5L/S的水枪对掌子面和洞壁进行喷水2 min，冷却软化周围岩石，改善围岩的稳定性;由于岩爆产生的岩石破裂，拱顶顶部脱落松散的石块要及时的清理，对岩爆坑采用混凝土喷射覆盖，同时用3 cm～5 cm的混凝土喷射掌子面;打设两倍循环进尺深度长的膨胀锚杆，对下一循环岩体进行预加固。

4.2 中等岩爆处置

中等岩爆表现为岩石板的松脱和弹射现象，周围的岩体出现变形并有发展迹象，岩体有可能出现强烈的爆裂，主要破坏位置集中在围岩20 cm～70 cm的松弛区域，空洞本身较稳定。施工时可采取以下措施：

在施工过程中减小掘进深度，控制在1.5 m范围内;在掌子面和洞壁对角线位置打上斜孔，同时在斜孔内高压注水10 min～30 min，缓解压力，改变围岩的性质;最初，采用钢纤维混凝土，钢筋纤维混凝土足够灵活，可以承受更强的变形而不破坏表面;布置系统屈服膨胀锚杆，掌子面锚杆长度为锚的两倍，在锚基座和岩面之间建立一个模板，以吸收围岩偏移。

5 总结与体会

突破传统认识误区，转换岩爆防治思想;进行超前“预爆”，确保施工安全;加强监控量测，指导工程实施。

参考文献：

[1]徐林生，唐伯明，慕长春，等.高地应力与岩爆有关问题的研究现状[J].公路交通技术，2002（4）：48-51.

[2]王成虎，郭放良，丁立丰，等.工程区高地应力判据研究及实例分析[J].岩土力学，2009，30（8）：2359-2364.

[3]邓建辉，陈菲，魏进兵，等.略论国内外地应力分级方案的适用性[C].流域水电开发重大技术问题及主要进展——雅砻江虚拟研究中心2014年度学术年会论文集，郑州：黄河水利出版社，2014.

[4]薛玺成，郭怀志，马启超.岩体高地应力及其分析[J].水利学报，1987（3）：52-58.

[5]中华人民共和国国家标准.GB50021-94岩土工程勘察规范[S].北京：中国建筑工业出版社，1995.

[6]中华人民共和国行业标准.DL/T5368-2007水电水利工程岩石试验规程[S].北京：中国水利水电出版社，2007：215.

[7]白世伟，李光煜.二滩水电站坝区岩体地应力场研究[J].岩石力学与工程学报，1982，1（1）：45-56.

[8]孙广忠.工程地质与地质工程[M].北京：地震出版社，

1993.