高 曉 雷

(中鐵十七局集團第二工程有限公司，陜西 西安 710043)

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秦嶺7號洞主洞巖爆區(qū)施工技術(shù)

高 曉 雷

(中鐵十七局集團第二工程有限公司，陜西 西安 710043)

摘要：結(jié)合引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞7號洞主洞開挖過程中發(fā)生的巖爆現(xiàn)象，從開挖方法、初期支護、轉(zhuǎn)移圍巖應(yīng)力釋放等方面著手，闡述該隧洞巖爆防治的具體施工措施及取得的效果。

關(guān)鍵詞：隧洞；巖爆；防治；施工措施

0引言

巖爆是深埋地下工程在施工過程中常見的動力破壞現(xiàn)象，當巖體中聚積的高彈性應(yīng)變能大于巖石破壞所消耗的能量時，破壞了巖體結(jié)構(gòu)的平衡，多余的能量導(dǎo)致巖石爆裂，使巖石碎片從巖體中剝離、崩出。發(fā)生巖爆的原因是巖體中有較高的地應(yīng)力，并且超過了巖石本身的強度，同時巖石具有較高的脆性度和彈性。這時一旦地下工程破壞了巖體的平衡，強大的能量把巖石破壞，并將破碎巖石拋出[1]。

巖爆往往造成開挖工作面的嚴重破壞、設(shè)備損壞和人員傷亡，成為巖石地下工程和巖石力學(xué)領(lǐng)域的世界性難題之一[2]。本文結(jié)合引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞(越嶺段)7號洞主洞K69+536—K69+400段巖爆的具體特征，分析了巖爆產(chǎn)生的原因，并根據(jù)現(xiàn)場實際針對性地提出并成功應(yīng)用了相關(guān)的巖爆防治措施。

1工程概述

引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞(越嶺段)7號洞主洞全長8 122m，比降1/2 530，其中，向上游延伸3 569m，向下游延伸4 553m；7號斜井總長1 877m，比降5.73%。主洞斷面尺寸6.76m×6.76m，曲墻平底斷面。主洞工區(qū)位于秦嶺嶺北中低山區(qū)，多為V字型峽谷，山高坡陡，高程范圍750—1 750m，洞室最大埋深約1 230m。工區(qū)范圍內(nèi)主要涉及地層為三疊系及石炭系變砂巖、下古生界變砂巖、千枚巖及角閃石英片巖，中下元古界云母片巖、綠泥片巖、炭質(zhì)片巖及片麻巖，燕山期花崗閃長巖，加里東晚期花崗巖、花崗閃長巖、花崗斑巖，及斷層帶物質(zhì)。

上游K69+536—K69+180段，埋深約975—1 035m，開挖巖性為加里東期花崗巖。本段受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整，地下水不發(fā)育。開挖完成8—10h后，邊墻及拱部零星發(fā)生巖爆，導(dǎo)致邊墻及拱部圍巖開裂、剝落，并間斷伴隨清脆聲，應(yīng)力釋放后，邊墻發(fā)育長大節(jié)理閉合狀態(tài)由密閉逐漸發(fā)育至張開，隨后有大塊巖石剝落，可見厚約1m長約5m的巨石。K69+536—K69+470段巖爆主要集中在邊墻，K69+470—K69+400段逐漸發(fā)展至拱部，K69+400往小里程方向巖石剝落、掉塊現(xiàn)象增強。

2秦嶺7號洞主洞巖爆的特點

根據(jù)現(xiàn)場觀察及施工記錄，從巖爆發(fā)生前、發(fā)生過程中以及巖爆后的情況分析，秦嶺7號洞主洞K69+536—K69+180段的巖爆具有以下主要特點：

(1)巖石以花崗巖為主，干燥無水，巖層相對較完整、堅硬。在未發(fā)生前，無明顯的征兆，爆破后雖然經(jīng)過仔細找頂,并無空響聲，一般認為不會掉落石塊的地方，會突然發(fā)生巖石爆裂聲響，石塊一般應(yīng)聲而下。

(2)巖爆發(fā)生地點多在新開挖的掌子面及其附近，有的距掌子面較遠,初期支護之后仍然發(fā)生，以拱部或邊墻部位居多。巖爆在開挖后陸續(xù)出現(xiàn)，多在爆破后的5—10h，24h內(nèi)最為明顯。

(3)巖爆時圍巖破壞的規(guī)模，有體積較大的塊體，也有體積較小的薄片。薄片的形狀呈中間厚、四周薄的貝殼狀，周邊厚度方向參差不齊，厚度一般為5—10cm。塊體的厚度一般在50cm范圍內(nèi)，最厚可達1—2m。

(4)巖爆圍巖的破壞過程，一般新鮮堅硬巖體均先產(chǎn)生聲響，伴隨片狀剝落的裂隙出現(xiàn)，裂隙一旦貫通就產(chǎn)生剝落。

(5)巖爆發(fā)生時的爆裂聲音有強有弱，聲響沉悶的巖爆一般規(guī)模較大,而聲響清脆的規(guī)模較小。絕大多數(shù)巖爆破壞與聲響同步，即使在施工機械設(shè)備聲音的干擾下,也能聽到圍巖內(nèi)部的爆裂聲。

(6)巖爆會重復(fù)發(fā)生，在第一次發(fā)生巖爆后，還能發(fā)生第二次甚至多次巖爆。

3防治巖爆的主要施工措施

在巖爆洞段掘進施工，采取主動防治與被動防治相結(jié)合的方式，即遵循“先預(yù)防、早支護、強支護”的總體施工原則，以最大程度規(guī)避巖爆發(fā)生或降低巖爆發(fā)生等級[3]。采用的主要技術(shù)措施為：

(1)在開挖過程中采用“短進尺、多循環(huán)”，開挖進尺控制在2.5m以內(nèi)。開挖采用光面爆破技術(shù)，提高光爆效果，改善洞壁應(yīng)力條件，控制線裝藥密度及單耗，降低爆破動應(yīng)力場的疊加，盡量減少對圍巖的擾動，改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。

(2)開挖前，在掌子面施工一定數(shù)量的應(yīng)力釋放孔，孔徑50mmm，間距2—3m左右，孔深5m，提前對圍巖應(yīng)力進行調(diào)整，釋放圍巖積蓄的能量。鉆孔以10—15°的角度向外扇形分布，孔底接近但不超過開挖邊界，以避免爆破后對開挖邊界造成破壞，如圖1所示。開挖后，在環(huán)向布置一定數(shù)量的應(yīng)力釋放孔。

(3)爆破后立即向開挖面噴射高壓水，以達到軟化圍巖、增加巖體塑性、降低巖體脆性的目的，并向爆破孔、錨桿孔、應(yīng)力釋放孔等進行高壓注水，以獲得更好的效果。

(4)灑水后及時噴混凝土進行封閉，成拱支持，盡可能減少圍巖暴露時間，并起到了初期支護的作用。

(5)在噴射混凝土封閉完成后，及時進行初期支護，以確保圍巖穩(wěn)定，局部地段增加錨桿支護及鋼支撐支護，達到既改善了掌子面及附近圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，又改善了應(yīng)力的分布的目的。

4巖爆實例分析及具體措施應(yīng)用

4.1K69+470—K69+400段巖爆

K69+470—K69+400段，巖性為加里東期花崗巖，埋深約1 035—999m。本段節(jié)理裂隙不發(fā)育—發(fā)育，主要測得三組節(jié)理，J1產(chǎn)狀：N70°E/60°S，間距0.2—0.5m，延伸大于6m；J2產(chǎn)狀：N50°W/40°S，間距0.3—0.6m，延伸大于6m；J3產(chǎn)狀：N20°E/45°N，間距0.3—0.5m，延伸2—4m，巖體較完整，地下水不發(fā)育。開挖完成8—10h后，邊墻及拱部零星發(fā)生圍巖開裂，呈片狀脫落，脫落面多與巖壁平行，往掘進方向巖爆及巖石剝落、掉塊現(xiàn)象增強。

本段巖爆發(fā)生后，根據(jù)現(xiàn)場勘查，分析后認為其原因如下：

(1)洞內(nèi)開挖一定時間后，由于卸荷圍巖產(chǎn)生松弛變形。

(2)該段內(nèi)發(fā)育有三組傾角節(jié)理，應(yīng)力釋放導(dǎo)致節(jié)理進一步發(fā)育，結(jié)構(gòu)面張開，產(chǎn)生了傾倒或剪切滑移失穩(wěn)，使邊墻失穩(wěn)。

(3)開挖爆破也是誘發(fā)巖爆塌方的原因之一，爆破振動產(chǎn)生的沖擊波，導(dǎo)致本段應(yīng)力重新調(diào)整分布，進一步加大了巖爆發(fā)生的可能性。

巖爆塌方發(fā)生后采取的措施如下：

(1)盡快對塌方部位復(fù)噴C20素混凝土進行封閉，以盡可能減少新鮮圍巖的暴露時間。

(2)巖爆部位拱部120°范圍增加?22砂漿錨桿，長2.5m，間距1m×1m。

(3)增加?8@20cm×20cm鋼筋網(wǎng)，并通過?22網(wǎng)格型鋼筋與系統(tǒng)錨桿焊接進行加固，復(fù)噴8—10cm厚C20混凝土。

(4)開挖進尺控制在2.5m，減少一次用藥量。拉大不同部分炮眼的雷管段位間隔，從而延長爆破時間，減少對圍巖的爆破擾動，減少爆破動應(yīng)力的疊加，控制爆發(fā)裂隙的生成，避免由于爆破誘發(fā)巖爆，從而降低巖爆頻率和強度。

(5)在掌子面布置應(yīng)力釋放孔，爆破后立即向開挖面噴射高壓水。

4.2K69+400—K69+386段巖爆

K69+400—K69+386段，巖性為加里東期花崗巖，埋深約999—975m。本段受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整，圍巖干燥無水。開挖完成5—8h后，邊墻及拱部圍巖開裂、剝落，并間斷伴隨清脆聲，應(yīng)力釋放后，發(fā)育的長大節(jié)理閉合狀態(tài)由密閉逐漸發(fā)育至張開，隨后有大塊巖石剝落，可見厚約1m、長約5m的巨石。

本段巖爆發(fā)生后，根據(jù)現(xiàn)場勘查，分析后認為其原因如下：

(1)本段屬高應(yīng)力區(qū)，洞室開挖應(yīng)力經(jīng)過多次調(diào)整，圍巖卸荷回彈，形成應(yīng)力松弛圈，導(dǎo)致圍巖結(jié)構(gòu)面張開。

(2)雖然開挖后采取了噴射混凝土制止巖爆的措施，但由于趕工期的原因，未及時進行系統(tǒng)錨桿和鋼筋網(wǎng)片的施工，即進一步支護的力度不夠，是導(dǎo)致此次巖爆發(fā)生的另一個原因。

本段巖爆塌方發(fā)生后采取的措施如下：

(1)對此段進行擴挖，循環(huán)進尺1.2m，擴挖寬度26cm，支護結(jié)束后進行下一循環(huán)擴挖。

(2)擴挖后，在確保安全的前提下及時對巖爆塌方部位噴射5cm厚的C20混凝土進行封閉，以盡可能減少圍巖暴露時間。

(3)擴挖復(fù)噴后增加I16型鋼鋼架，間距1.2m；在鋼架的保護下打設(shè)3m長?22砂漿錨桿，間距1.2m×1m；掛設(shè)?8@20cm×20cm鋼筋網(wǎng)，復(fù)噴21cm厚C20混凝土。

(4)嚴格控制擴挖爆破參數(shù)，減少裝藥量。

(5)在施工期加強圍巖觀測和變形觀測，以便及時采取相應(yīng)措施。

4.3K69+245—K69+180段巖爆

K69+245—K69+180段，巖性為加里東期花崗巖，埋深約845—907m。本段節(jié)理裂隙不發(fā)育—較發(fā)育,主要測得三組節(jié)理,J1產(chǎn)狀：N25°W/40°N,間距0.3—0.5m,延伸1—6m;J2產(chǎn)狀：N65°W/25°S，間距0.2—0.4m，延伸大于6m；J3產(chǎn)狀：N30°E/75°N，間距0.1—0.2m，延伸大于5m，巖體較完整，地下水不發(fā)育。該段開挖完成6—8h后，隨圍巖開裂、剝落間斷伴隨清脆聲，應(yīng)力釋放后，發(fā)育的長大節(jié)理閉合狀態(tài)由密閉逐漸發(fā)育至張開，隨后有大塊巖石剝落，K69+210—K69+180段較K69+245—K69+210段巖爆現(xiàn)象嚴重。

本段巖爆發(fā)生后，根據(jù)現(xiàn)場勘查，分析其原因為：該段發(fā)育有J1、J2及J3三組裂隙，應(yīng)力釋放導(dǎo)致裂隙進一步發(fā)育，結(jié)構(gòu)面張開，產(chǎn)生了傾倒或剪切滑移失穩(wěn)，使邊墻失穩(wěn)。

巖爆塌方發(fā)生后，對K69+210—k69+180段采取的措施如下：

(1)盡快對塌方部位復(fù)噴C20素混凝土進行封閉，以盡可能減少新鮮圍巖的暴露時間。

(2)巖爆部位拱部150°范圍增加?22砂漿錨桿，長2.5m，間距1m×1m。

(3)增加?8@20cm×20cm鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)通過?22網(wǎng)格型鋼筋與系統(tǒng)錨桿焊接進行加固，復(fù)噴15cm厚C20混凝土。

(4)開挖進尺控制在2.5m，嚴格控制擴挖爆破參數(shù)，減少裝藥量；開挖后及時封閉圍巖暴露面。

5結(jié)語

對于巖爆這種高危地質(zhì)災(zāi)害，要了解其地質(zhì)特征，針對可能出現(xiàn)巖爆的地段采取積極主動的預(yù)防措施和強有力的支護方案，確保巖爆地段的施工安全，將巖爆發(fā)生的可能性及危害程度降到最低。通過秦嶺7號洞主洞的施工，并經(jīng)過不斷總結(jié)分析，對巖爆有了初步的認識，總結(jié)出了巖爆地段施工中的一些施工經(jīng)驗，為類似工程的施工提供了參考和借鑒。

參考文獻：

[1]葉康.公路隧道巖爆風(fēng)險分析[J].華東公路，2010，(1).

[2]張鏡劍,傅冰駿.巖爆及其判據(jù)和防治[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，(10).

[3]楊更社.我國巖石力學(xué)的研究現(xiàn)狀及其進展[J].西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，1999，(S1).

責(zé)任編輯：尚爾輝

中圖分類號：TU745.9

文獻標志碼：A

文章編號：1674-6341(2016)01-0028-03

作者簡介：高曉雷(1983—)，男，遼寧朝陽人，工程師。研究方向：隧道施工。

收稿日期：2015-12-15

doi:10.3969/j.issn.1674-6341.2016.01.011