深埋特长隧道岩爆地段预防及施工技术处理措施

张王川 陈远慧

（中交二航局西藏建设有限公司，西藏拉萨 850000）

1 工程概况

在阿尔金山东部的巴什库尔干二号隧道，其隧道左线起讫桩号ZK96+719～ZK101+381，长4662m，洞身开挖4627m，隧道最大埋深约241m；右线起讫桩号为YK96+620～YK101+356，长4736m，洞身开挖4701m，隧道最大埋深约235m。隧道进口高程约2720.633m，出口高程约2617.245m。本隧道属特长隧道。

根据设计相关资料，隧址区内出露地层主要为寒武纪（∈δ）闪长岩δ、寒武纪（∈ηγ）花岗岩。隧道围岩级别属III-IV，围岩较坚硬，裂隙发育。

2 深埋隧道岩爆防治应对措施

2.1 岩爆分析

深埋特长隧道岩爆分析：

2.1.1 判定隧道岩体是否具有岩爆倾向，可通过对岩体的变性指数Wef、冲击指数Kef、强度、弹性模量进行测定，从而判断得出。当变性指数以及冲击指数均大于2，且强度超过50MPa时，岩体则具有岩爆倾向；

2.1.2 岩爆产生的可能性也可以通过测试岩体的完整性进行分析得出结论。当岩体完整性系数大于0.75 时，岩石质量指标大于0.6 时，岩体具有冲击性；

2.1.3 发生岩爆的可能性通过测试地应力、岩层的变形量、岩石的弹性模量也能够得到结论。当地应力测试结论大于0.12时，岩石会发生较大程度的岩爆。工程队在施工前，通过利用上述的几种方法，以及结合隧道系统资料以及特别设计出的围岩资料，进行详细的分析与判断，从而预测岩石是否有发生岩爆的可能性。

2.2 对岩爆的预防措施

防止岩爆发生的措施主要有：

2.2.1 超前地质预报。工程队在对隧道主体施工前，需要挖掘出平行导坑，并根据平行导坑施工过程中搜集到的地质弹性、薄弱、强度等数据预测隧道主体是否具有岩爆发生的可能性，确保主体隧道施工的安全。本隧道的平行导坑与主体隧道的距离相差30m，其距离越近，预测结果越准确，从而根据平行导坑的地质预测隧道主体的地质情况得到了进一步的验证和纠正。

进入到施工阶段时，安全起见，要采取预防措施，避免发生意外情况。比如结合岩体结构面发育状况、变质程度、强度、破碎程度以及地质应力等等，从而判断掌子面的完整性系数以及岩体的条件，为施工预防提供数据安全性指导，见图1。

图1 岩爆预防施工工艺流程图

2.2.2 爆破法地应力超前释放。在隧道施工中，为了做好超前释放地应力，要按照曝光设计进行施工。掌子面炮眼均匀布置，炮眼间距控制在2m 左右，钻孔以5°～10°的角度控制在单循环进尺的3 倍深度左右，炮眼布置在完整岩面上，炸药布置深度控制在1.5～2.0m，爆破施工中要能够以爆破能使岩体致裂，避免岩体破碎，且优先地应力释放的炮眼爆破，爆破采用时间间隔＞150ms 的微差法实现，要能够确保地应力的超前释放。地应力超前释放炮眼布置见图2。

图2 超前应力调整爆破炮孔布置示意图（单位：m）

为了避免岩爆发生后对施工人员产生较大的灾难，必须在地应力爆破解除后将围岩主应力利用周边发生的破裂围岩分解为径向和切向应力，从而使得原本的集中应力区因爆破振波的影响得到减弱，有效的降低了整体地应力的分布，以防止出现大规模岩爆。

2.2.3 改善施工方法。实施台阶法掘进施工，必要时可采取正台阶法施工，利用短进尺将开挖进尺控制在2m 左右，使应力逐步释放。

2.2.4 采取光面爆破。炸药采用具有高猛度，高威力，能够将坚硬围岩爆破的水胶炸药，其中岩爆岩面周边眼间距较正常段适当加密，周边眼装药采用φ20 小药卷不耦合法装药，并加强爆破技术措施管理，以减少爆破对周边围岩的影响，能够使开挖面周边轮廓线光滑圆顺，避免掌子面不平整造成应力集中的现象。

2.2.5 湿润岩面。采取高压喷水方法，在上台阶开挖到位后对岩面进行喷水湿润，并对锚杆孔、超前导管孔在埋设前注入高压水浸润深部岩层，喷水距离大于10m，喷水时间控制在10～30min，喷头采用雾状喷水。掌子面喷水、洒水角度尽量侵湿岩面，且不对出渣造成影响，以达到释放部分能量。

2.2.6 初支喷射混凝土。喷射混凝土采用潮喷法，喷射混凝土添加速凝剂和沸石粉，必要时采用钢纤维混凝土，初喷射厚度控制在10～15cm。

乌兰察布市地处内蒙古自治区中部，2009年被国家食品药品监督管理局确定为“全国十个地级食品安全示范市”之一；2013年被中国城市竞争力研究会评为“中国十佳食品安全城市”；2014～2015年连续两年被自治区食品安全委员会评为“食品药品安全工作优秀盟市”；2016年，被国务院食品安全委员会列为全国创建食品安全城市试点地区。

2.2.7 临时锚杆加固围岩。在爆破排除危险后，对存在不稳定的围岩采取水胀式锚杆临时加固，确保掌子面安全施工。

2.2.8 初支支护系统及时实施。隧道掌子面断面经检验合格后，严格按照设计要求及时进行立拱架、挂设钢筋网片、复喷混凝土至设计厚度并钻设系统锚杆以加固围岩。

2.2.9 边墙开挖前采取超前钻孔来释放地应力。隧道掌子面在上一循环开挖爆破及喷锚支护作业完成后，对掌子面边墙位置进行超前钻孔，用以释放应力。钻孔的深度控制在4～5m，钻孔的间距按主应力为70cm，次应力为60cm。

3 深埋隧道岩爆采取的处理措施

3.1 岩爆处理的主要方法

3.1.1 临时防护措施：要避免施工中的飞石伤到人或者砸坏设备，在掌子面开挖及出渣完成后要在施工地段的周围设置临时防护网。

3.1.2 危险排除及紧急避险：当掌子面围岩出现岩爆后及时避险，待掌子面平静以后再施工。另外，对于隧道内松动的石头要及时清除，避免落石伤人。

3.1.3 围岩射水降低应力：要降低应力，可等待岩爆发生后，利用喷雾或者高压水枪快速向掌子面以及其10m 位置的隧道喷水，每间隔5 分钟喷一次，至少喷3 次，利用水的冲击力和侵蚀性降低岩石内部应力以及其脆性，从而释放出围岩的应力能量，使得掌子面的围岩相对平衡。

3.1.5 降低岩爆带来的灾难，可通过降低岩爆的强度得以实现，而降低其强度则需要利用岩壁切槽的方法释放应力，从而控制岩爆的强度。

3.1.6 在施工阶段，凡是进入施工范围的人员和设备，都必须进行搭配配套的防护，保证人员和设备的安全。

3.1.7 在施工中，要不断地搜集围岩相关数据，并结合进程中实际遇到的问题不断地调整、优化施工的方案，确保在高应力地段减少发生岩爆灾难的可能性。施工进入到高应力地段时，及时将监控量测点布置好，每隔5m 就需要设置测量断面，并在路面每间隔5m 设置水平测线，尽可能提前准确地获得一手测量资料，辅助施工顺利进行，见图3-4。

图3 岩爆防护台架纵断面图

图4 岩爆防护台架横断面图

3.2 安全防护措施

3.2.1 监控围岩动态：在隧道工程中，要安排专职的人员利用相关技术设备对围岩的动态进行监控、检测，一旦出现危险征兆，立即组织人员快速撤离。

3.2.2 设置防护网：为了避免岩爆发生后，损坏机器，伤及人员，在岩爆易发生的地段要加固铁丝网，并在施工技术设备上安装防护网、排架，以免昂贵的机械设备受到巨大损失。

3.2.3 严格作业标准：要削弱岩爆的影响力，就需要从施工环节的细节做起，严格作业标准，精准施工。比如钻孔作业，精确爆破的微差，既能够节省了爆炸用药量，也能够控制好爆破对围岩的破坏，还能够释放一定的围岩应力。

3.2.4 实施超前应力释放：要减少隧道开挖时发生岩爆的可能性，就需要超前释放围岩应力。要降低围岩的应力，可通过对洞壁进行钻孔，在洞壁上形成应力释放圈而达到释放围岩应力的目的。

3.2.5 岩爆防护开挖台架：为了避免拱顶落石砸伤人员，在掌子面开展钻孔装药、初期支护工作时，可利用设计的特殊开挖台架进行作业，降低岩爆发生时落石对人员的伤害。

4 安全保障措施

4.1 隧道洞口设置危险源标识牌及隧道风险标识牌，隧道岩爆地段要设置警示牌。

4.2 岩爆地段加强施工人员安全防护意识的学习，增强自我防护意识。

4.3 施工班组设置专门安全观察员，施工作业过程中认真对掌子面巡视，观察掌子面岩爆地段洞身情况，发现危险源及时发出警报。

4.4 岩爆地段施工班组配备钢制头盔，掌子面开挖台车与围岩接触面设置钢筋网，防止周围岩面崩落的飞石。

4.5 严格按照岩爆地段施工方案实施，掌子面爆破出渣后及时清理危险源并对岩面再次喷水，排除危险后，确认掌子面相对安全的情况下再进行施工。

5 结论

针对深埋特长隧道岩爆地段，开挖时采取全断面开挖法，提前应力孔爆破释放，短进尺，减少爆破频率及用药量，掌子面高压喷水，钢纤维混凝土喷射、围岩采取水胀式锚杆以及辅助其他工法进行超前支护等方法，以降低岩爆的发生及强度。并采取超前地质预报的方法及加强监控测量的管理，增强安全风险防范，提供必要的施工技术安全保障措施，有效的避免和降低岩爆的发生，确保深埋特长高应力硬岩隧道的施工安全。