高馮明

【摘 要】在中西部地區(qū)，修建特長(zhǎng)隧道是實(shí)現(xiàn)陸路交通一體化的重要措施。特長(zhǎng)隧道的施工方法主要有鉆爆法和隧道掘進(jìn)機(jī)法。目前的研究對(duì)特長(zhǎng)隧道的施工方法中的鉆爆法研究比較少，但是應(yīng)用又比較多，本文以某特長(zhǎng)公路隧道為研究對(duì)象對(duì)公路隧道巖爆預(yù)測(cè)和防治方法進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】特長(zhǎng)隧道，公路隧道，巖爆分析

1.公路隧道巖爆預(yù)測(cè)

某特長(zhǎng)公路隧道具有如埋深大、地應(yīng)力高等特點(diǎn)。其巖性堅(jiān)硬并且較脆，這就決定了其巖爆的可能性大大增加。在現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)該特長(zhǎng)隧道特點(diǎn)的分析，可以得出巖爆的兩個(gè)決定性因素包括地應(yīng)用及巖性。巖性條件指的是儲(chǔ)能性能優(yōu)良的彈脆性巖體，隧道初始應(yīng)力條件最好是地應(yīng)力較高。在該項(xiàng)目中，混合片麻巖屬極硬巖，各項(xiàng)指標(biāo)滿足上述分析的巖爆條件，因此發(fā)生巖爆的可能性較大。

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)以及本區(qū)域其它工程相關(guān)研究成果，在本試驗(yàn)段，最大主應(yīng)力角度近90度，最大主應(yīng)力的值，地應(yīng)力較高。最大水平主應(yīng)力為N34W左右，應(yīng)力值約12.0MPa～28.0MPa，這一結(jié)果和隧道軸線大致相同，這充分說(shuō)明隧道所受的力主要來(lái)自重應(yīng)力，水平側(cè)壓力影響不大。

根據(jù)相關(guān)的研究成果以及具體的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以將該特長(zhǎng)公路隧道巖爆發(fā)生的臨界條件用下式表示：

式中：Rc-巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；Rt一巖石的單軸抗拉強(qiáng)度，MPa：Wet磷廠巖石的彈性能量指數(shù)，MPa；σt隧道洞壁最大切向應(yīng)力，MPa，σt=3（σ1～σ3）；kv一巖體的完整性系數(shù)。

根據(jù)巖體及巖塊縱波速計(jì)算結(jié)果，同時(shí)結(jié)合有關(guān)測(cè)試結(jié)果，可以得出公路隧道可能發(fā)生的巖爆等級(jí)在輕微至中等之間。

如果圍巖內(nèi)部發(fā)生的爆裂聲響較為清脆，巖爆力學(xué)機(jī)制表現(xiàn)為壓致拉裂型破壞類型，多平行洞壁發(fā)生且僅涉及表層巖體，巖爆巖塊以薄片狀、透鏡狀、板狀等形狀爆裂剝離下來(lái)；如果圍巖內(nèi)部發(fā)生的爆裂聲響較為沉悶并且渾濁，則巖爆力學(xué)機(jī)制主要表現(xiàn)為剪切拉裂型破壞，具有新鮮的楔形、弧形斷口，它持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)且具有累進(jìn)性發(fā)育特征，破壞性較大。

2.有限元分析

利用數(shù)值計(jì)算的方法可以對(duì)巖爆進(jìn)行較為精確的預(yù)測(cè)，可以為實(shí)踐提供良好的理論指導(dǎo)。在該隧道中，巖性以混合花崗巖、混合片麻巖為主。在隧道開(kāi)挖中，由于隧道上相關(guān)部位的受力更加復(fù)雜，同時(shí)由于鐵路隧道的施工，巖爆發(fā)生的可能性大大增加。

為了施工安全，提早作好預(yù)防措施。率先施工試驗(yàn)段，從開(kāi)辟橫通道，此處洞身最大埋深1275.0m，VI類混合片麻巖，彈性模量E為5.4～9.9×104Mpa，干容重Y為2.63～2.75t/m3，內(nèi)摩擦角Ψ為33.9°～38.7°，內(nèi)聚力C為18.9～25.0MPa。根據(jù)彈性力學(xué)的理論，選取模型范圍為：橫通道取35m。采用ANSYS6.1計(jì)算軟件對(duì)隧道正洞和橫通道建立模型并進(jìn)行有限元分析。采用地層與結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行加載計(jì)算。試驗(yàn)段20通處為Ⅵ類混合片麻巖，其物理力學(xué)性質(zhì)如表2所示。

（1）計(jì)算結(jié)果

從上述的計(jì)算中，可以看出：

①橫通道施工的過(guò)程中，在施工至中間時(shí)，周圍圍巖應(yīng)力變化較小，但隨著施工的進(jìn)行，圍巖應(yīng)力逐漸增加，特別是在橫通道拱角向上部位。

②對(duì)主洞擴(kuò)展挖掘時(shí)，在橫通道邊墻與主洞初襯外側(cè)交叉部位的應(yīng)力較為集中。

③在施工過(guò)程中，往西安方向的主洞邊墻附近的應(yīng)力較為集中。

④在施工過(guò)程中，往安康方向的拱頂與墻趾附近的應(yīng)力較為集中。

⑤在開(kāi)挖工作結(jié)束后，Y方向的變形不顯著，這一現(xiàn)象的出象和20通W類混合片麻巖的脆硬性質(zhì)存在一定的聯(lián)系。另外橫通道的水平應(yīng)力較大，豎直應(yīng)力也較大，主洞邊墻圍巖也存在類似的現(xiàn)象。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因主要是應(yīng)力重分布導(dǎo)致的。

（2）預(yù)測(cè)

①在橫通道施工時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。但施工至與主洞交叉部位時(shí)，在拱角處可能會(huì)產(chǎn)生巖爆。

②在主洞進(jìn)行擴(kuò)展挖掘過(guò)程中，在交叉位置相近處，橫通道邊墻與主洞兩側(cè)掌子面均可能產(chǎn)生巖爆。

③在施工過(guò)程中，分別在邊墻及拱頂與強(qiáng)制墻趾處可能產(chǎn)生巖爆。

④在整體開(kāi)挖工作結(jié)束后，橫通道產(chǎn)生巖爆的可能性較大。

3.公路隧道巖爆防治方法

根據(jù)我國(guó)公路隧道的巖爆特征和地下工程巖爆防治的經(jīng)驗(yàn)，在終南山公路隧道施工實(shí)踐中提出了與表2中巖爆烈度分級(jí)相對(duì)應(yīng)的各級(jí)巖爆防治措施。

在表1中，在易發(fā)生巖爆部分開(kāi)挖之后，需要根據(jù)實(shí)際情況掛網(wǎng)噴錨支護(hù)，從而大幅減少巖爆的可能性；同時(shí)，換個(gè)角度看，如果進(jìn)行了掛網(wǎng)噴錨支護(hù)，如果發(fā)生巖爆，實(shí)際上該作業(yè)即可構(gòu)成第一道屏障，從而保護(hù)了施工人員及施工設(shè)備。筆者認(rèn)為，在初期支護(hù)加固圍巖和開(kāi)挖掘進(jìn)施工時(shí)，采取的措施主要包括：

1、可以根據(jù)實(shí)際情況采取分步循環(huán)作業(yè)的方式噴C20混凝土。通常，在進(jìn)行鉆爆及排煙作業(yè)之后，首先應(yīng)當(dāng)進(jìn)行找頂及找到危石并排除，拱頂先進(jìn)行一次噴注（混凝土的厚度為5cm）。在初噴完成后，即可進(jìn)行出碴作業(yè)，這一過(guò)程構(gòu)成了完整的循環(huán)。二次開(kāi)挖過(guò)程中，首先進(jìn)行砂漿錨桿作業(yè)，再掛鋼筋網(wǎng)，隨后進(jìn)行二次噴注（混凝土的厚度依然為5cm），再進(jìn)行鉆爆-排煙-出碴，同時(shí)根據(jù)情況進(jìn)行側(cè)邊墻的加固作業(yè)。如果再次開(kāi)挖，則根據(jù)巖爆的實(shí)際情況選擇是否進(jìn)行補(bǔ)噴，補(bǔ)噴時(shí)，混凝土的厚度控制在4至5cm；如果巖爆較為嚴(yán)重，則應(yīng)當(dāng)對(duì)破壞了的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行修補(bǔ)或加掛，從而保障施工時(shí)的人員及設(shè)備安全。

2、在臺(tái)架安裝完畢后，通常即可進(jìn)行系統(tǒng)錨桿作業(yè)。多年的施工經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于巖爆易發(fā)部位，錨桿應(yīng)當(dāng)短一點(diǎn)，通常在2至3.5m之間，按梅花型進(jìn)行布置，相對(duì)于普通錨桿密度較大，根據(jù)巖爆烈度實(shí)際情況確定錨桿的長(zhǎng)度及間距。錨桿密度較大的主要原因包括：第一，方便未來(lái)掛網(wǎng)施工；第二，能夠有效避免巖爆巖石松脫、剝離等情況的出現(xiàn)；第三，與噴網(wǎng)構(gòu)成有機(jī)整體，有效加固圍巖。

3、在系統(tǒng)錨桿施工完畢后應(yīng)當(dāng)立刻進(jìn)行鋼筋網(wǎng)安裝工作。多年的施工經(jīng)驗(yàn)表明，在實(shí)際施工時(shí)，可以不采取原設(shè)計(jì)時(shí)的分片狀掛網(wǎng)方式，而采取掛"整體網(wǎng)"：也就是利用多個(gè)長(zhǎng)鋼筋與錨桿焊接一起形成骨架，與此同時(shí)再將片狀掛網(wǎng)焊接在一起從而構(gòu)成整體，布置時(shí)貼近周壁巖石。這一方法的優(yōu)點(diǎn)包括：由于鋼筋網(wǎng)形成了整體，可以有效避免巖爆時(shí)發(fā)生失效的現(xiàn)象；形成的整體網(wǎng)由于連接更加牢固，對(duì)于噴、錨、網(wǎng)均有良好的作用。

4、為了增強(qiáng)光面爆破效果，可以采取導(dǎo)洞超前全斷面跟進(jìn)的方法來(lái)進(jìn)行施工。在選擇炸藥時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇與硬巖相似的、猛度較高、威力較強(qiáng)的水膠炸藥。對(duì)于巖爆發(fā)生可能性非常低的部位，可以增加周邊眼的密度，周邊眼采用20小藥卷不耦合裝藥，以便降低爆破產(chǎn)生的影響。另外增強(qiáng)光面爆破技術(shù)管理，從而保障開(kāi)挖輪廓線圓順，同時(shí)降低應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

5、采取一定的方式將部分能量釋放。例如，如果巖爆較為輕微，可以用高壓水對(duì)巖石進(jìn)行沖洗，從而潤(rùn)濕巖石，釋放部分能量。

6、采取短進(jìn)尺，多循環(huán)，弱爆破、強(qiáng)支護(hù)的措施，以方便找頂，對(duì)危石進(jìn)行有效處理，如果巖爆較為猛烈，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行回避，同時(shí)施工過(guò)程中需要采取適當(dāng)措施保障施工設(shè)備的安全。

7、在開(kāi)挖面施工后應(yīng)當(dāng)立即進(jìn)行初期支護(hù)施工，具體措施是在爆破后，緊接著即將混凝土噴射至拱部及側(cè)壁，隨后需要加錨桿及鋼筋網(wǎng)進(jìn)行初期支護(hù)?？刂茙r層暴露的時(shí)間，保障人員及施工設(shè)備安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐則民，黃潤(rùn)秋.深埋特長(zhǎng)隧道及其施工地質(zhì)災(zāi)害.西南交通大學(xué)出版社，2000.5