大峡谷高速公路隧道内岩爆的特点及施工对策
时间：2023-04-20 20:10:04 来源：千叶帆 本文已影响人
贾益柱
(四川公路桥梁建设集团有限公司机械化施工分公司，四川 成都 610200)
大峡谷隧道位于峨眉至汉源高速公路，大峡谷隧道出口位于乌斯河对面凉山彝族自治州甘洛县乌史大桥乡尔苦滩村边坡上，左线长度为6 169 m、右线长度为6 170 m，最大埋深分别为1 944 m和1 932 m。洞门形式为端墙式，隧道共设车行横通道6个，人行横通道7个。隧道设置一座斜井，斜井桩号为BSK0+000～BSK2+046，长度为2 046 m。隧道近似与区域F15尔古滩断层走向平行，位于F15尔古滩断层的下盘，为冲断层；
进口段穿越F12断层，出口汉源端通风井穿越F15断层；
出口外分布有F14断层。隧道存在断层破碎带、岩溶、岩爆、放射性、高地温、大变形。隧道基本情况如表1所示。
表1 大峡谷隧道出口端基本概况
国内隧道工程施工实例和经验标准，在隧道施工判断岩爆的主要指标有5个，包括岩石强度不低于80 MPa；
初始地应力不低于12～16 MPa；
隧道围岩级别为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级；
隧道埋设超过50 m；
隧道岩石干燥无水，并且呈现出脆弱性和节理基本不发育。一般情况下，产生岩爆的隧道都要同时满足以上5个基本条件，为更好地保证施工的安全性，只要满足其中任意3个指标就可以判断存在岩爆。按照上述指标，再结合大峡谷隧道的实际情况，在背斜核部的灰岩、白云质灰岩等质地比较坚硬的岩体中，因为岩体局部构造发生变化而引起的小范围应力增高，也有发生轻微岩爆的可能。
根据以上指标，同时结合大峡谷隧道的具体情况，在背斜核部的灰岩、白云质灰岩类较硬岩中，因局部构造发生变化而引起的小范围应力增高，可能会产生轻微的岩爆。
在大峡谷高速公路隧道中常见的岩爆可划分为破裂松脱型岩爆、爆裂弹射型岩爆、爆炸抛石型岩爆3大类。这几种岩爆类型，主要体现岩爆发生的程度上，但所具有的特点的相同，主要具有以下特点。
1)岩爆在未发生之前，并没有明显的征兆，普遍认为不会掉块的地方，也会出现岩石爆裂声音。石块有时会应声而落，有时暂时不会掉落。在没有良好支撑的条件下，会对隧道施工中的人员、设备造成严重威胁。岩爆落石和常见的松动落石现象有很大区别。
2)岩爆在发生时，石块通常由母岩弹出，多为中间厚、边缘薄，且不规则的片状。
3)发生岩爆的地点多位于新开挖的工作面或者新开挖工作面的附近。
4)岩爆发生试件，多在爆破之后的2～3 h。
5)含水量大、溶孔多的岩体，通常情况下不会发生岩爆。
3.1 破裂松脱型岩爆施工对策
对破裂松脱型岩爆而言，在具体施工中，为降低岩爆对施工造成的不良影响，可采取以下施工对策。
1)严格坚持“中等进尺”的开挖原则。在隧道施工中开挖进尺深度要控制在3 m以下，尤其是在全断面隧道开挖中，在满足施工进度的要求下，尽量采取台阶法开挖施工技术。
2)光面爆破。如果施工工期短，必须使用爆破施工技术，则要采取爆破振动比较小的光面爆破技术，并选择和岩爆区域硬岩相互匹配的高猛度、高威力水胶炸药。爆破参数需要按照施工爆破效果的要求，采取动态爆破设计，以便不断优化爆破参数，各级围岩光面爆破施工参数如表2所示。
表2 光面爆破参数表
在光面爆破施工中周边眼要采取小直径药卷不耦合间隔装药，通过导爆索来传爆，其他炮眼可采取一般药卷集中装药。但每个装药炮眼都需要用炮泥堵塞严厉，堵塞长度不小于25 cm。同时还要加大对光面爆破施工技术的管理力度，以保证爆破之后轮廓线圆顺光滑，避免表面凹凸不平引起应力集中问题。
3)喷水软化围岩。基于岩爆的特点，通过喷水软化能够调整岩层原始应力的释放，同时降低因为爆破引起的粉尘含量。
4)湿喷混凝土。针对已经开挖形成洞室，需要采取湿喷混凝土工艺，在岩爆围岩之上喷射一层厚度在5 cm左右的混凝土，以便及时封闭围岩和前方的掌子面，以降低岩爆对隧道施工造成的不良影响[1]。
5)搭设锚杆。每次钻爆、排烟之后及时清除危石，针对挖掘机无法达到的位置，不能及时清理掉，但又存在危险性的落石或者其他不稳定的岩体，可采取临时锚杆进行加固处理，最好采取水胀式锚杆进行加固以提升隧道施工的安全性。
3.2 爆裂弹射型岩爆施工对策
爆裂弹射型岩爆属于中等强度的岩爆，在此种岩爆地段施工中，可采取以下施工对策来保证施工的安全性。
1)注重超前地应力解除爆破。主要是通过调整和优化爆孔的布设情况、装药量、主要结构、起爆网络等达到解除岩爆地应力的目的。就案例工程而言，为降低爆裂弹射型岩爆造成的不良影响，炮孔在掌子面上均匀布置，控制炮孔之间的间距在2 m左右，炮孔的深度为单循环进尺深度的3倍左右，炮孔钻孔倾斜度控制在5°～10°。应力解除炮孔要尽量布置在岩石完整的区域，避开破碎带和节理发育带，装药的长度要控制在1.5～2.0 m，以达到岩体致裂，但不破碎的爆破效果。本工程在应力解除中采取了微差爆破技术，爆破时间间隔控制在150 ms以上，为提升爆破效果，在施工条件和施工进度允许的情况下可进行单孔单独爆破，具体的炮孔布置示意图见图1。
图1 微差爆破炮孔布置示意图
当完成岩爆地应力解除爆破之后，岩爆地段中的主要应力会从破裂围岩周边开始，分解为径向用力和切向应力。此外，岩爆地区中的原始的应力集中区也会因为爆破振动而得到调整，围岩的整体应力也会随之得到改善，从而降低岩爆对隧道施工造成的不良影响。
2)控制好进尺的深度。在爆裂弹射型岩爆地段施工中，必须严格控制好隧道开挖进尺的深度。就案例工程而言，为保证施工的安全性，将开挖进尺深度控制在2 m以内，如果采取了全断面开挖方法，则需要采取台阶法开挖[2]。
3)高压喷水。爆裂弹射型岩爆属于中度危险岩爆类型，喷水后可降低岩爆事故发生的概率。因此，当隧道开挖爆破完成后必须及时进行高压喷水处理，控制喷射距离在10 m以上。但本工程在具体施工中，隧道截面积比较大，为提升高压喷水的全面性，在隧道边墙的一定高度范围内，布设2个喷嘴，喷嘴布设高度要以爆破石渣堆积高度1 m以上为最佳，喷嘴和后方高压水管相互连接。爆破施工完成后要及时开展水龙头，及时向掌子面上喷水、洒水，喷水的角度需要以尽量润湿岩面为宜。为降低水对出渣造成的不良影响，喷水10～30 min之后，及时改为雾状喷水。
4)打设注浆小导管。为降低岩爆对隧道施工造成的不良影响，还需要在隧道边墙之上打设注浆小导管，此种方法，既有助于岩爆地段应力的释放，也可以加固围岩，以提升围岩的稳定性，为隧道工程施工营造一个安全稳定的环境。严格按照设计规范的要求布设锚杆，本工程围岩的硬度比较大，手持风钻钻孔难度大，为保证钻孔深度和质量，采取了锚杆台车钻孔的方法成孔，锚杆台车无法达到的位置用凿岩机钻孔，钻孔完成之后及时用高压水进行清孔，清孔后将安装好锚头的中空注浆锚杆插入孔底，安装上止浆塞、垫板、螺母等设备后，连接上注浆管，通过注浆泵向孔内注浆[3]。浆液要采取纯水泥浆液，逐渐压力要控制在0.3～1.0 MPa，按照从下到上的顺序逐根注浆，注浆全部完成后，用止浆塞严密塞堵钻孔后，及时通过速凝水泥封孔，具体的施工示意图见图2。
图2 注浆导管施工示意图
3.3 爆炸抛石型岩爆施工对策
爆炸抛石型岩爆属于危害比较大的岩爆，会对隧道施工造成严重的影响，为降低爆炸抛石型岩爆造成的不良影响，可从以下几个方面同时入手。
1)在隧道围岩之上打设膨胀锚杆，在隧道掌子及掘进方向搭设超前锚杆进行加固处理，为提升加固效果，所选锚杆的长度不能低于爆破进尺深度的2倍。在一个循环爆破施工完成后，依然需要有一部分锚杆存留在岩体中以便更好地加固掌子面。此外，膨胀锚杆自身也具有良好的膨胀效果，会对掌子面产生良好的约束效果，能够更好地加固隧道围岩，又能防止来自掌子面上剧烈岩块的弹射。本工程在掌子面开挖施工中选择用24根长度为4 m锚杆安设在掌子面上，每循环钻爆进尺深度为1.5 m，当锚杆被爆破截断之后，依然有2/3的杆体存留在岩体中有效保证了掌子面的稳定性，而且下一循环的钻眼作业也不会受到爆破的影响，具体的施工示意图如图3所示。
图3 膨胀锚杆施工示意图
2)超前地应力解除爆破。其施工方法和爆裂弹射型岩爆超前地应力解除爆破相同，主要区别在于爆破孔布置不同。在爆炸抛石型岩爆解除地应力爆破施工中，拱顶距离边界线约1.2 m的范围内需要加设外插角为5°的炮孔，此种施工方法能够更加显著地改善围岩整体地应力分布情况，降低整体应力，更好地保证施工质量[4]。
3)短进尺。在爆炸抛石型岩爆地段施工中开挖进尺深度要控制在2 m以下，在发生岩爆概率比较大的地段，需要采取导坑法开挖施工技术，以降低对开挖施工对围堰造成的扰动。
4)湿喷混凝土。在爆炸抛石型岩爆地段湿喷混凝土时，混凝土喷射厚度需要控制在15～20 cm，在配制混凝土时需要加入适量的缓凝剂和沸石粉，以提升混凝土的强度，控制混凝土裂缝。
岩爆对隧道施工的安全性会造成严重影响，因此，在存在岩爆地段的隧道工程施工中，必须采取一系列行之有效的安全措施来保证施工的安全性。在案例工程施工中采取如下措施，可有效保证施工的安全性。
1)针对岩爆发生的难以预测性，在施工中需要遵循“预防为主，防治结合”的原则，在施工前提前做好岩爆预测预报工作，针对开挖面可能发生的岩爆，及时采取施工对策。岩爆发生后，要详细研究岩爆的规律，并制定有效的对策[5]。
2)大峡谷高速公路隧道内岩爆地段施工中，要控制好循环开挖的进尺深度，每循环进尺深度控制在1～2 m。采取爆破效果好，爆破振动可控的光面爆破技术，以降低对围岩造成的扰动和影响。
3)如果在隧道施工中已经出现了岩爆，需要立即停机待避，并用摩擦型锚杆进行支护，并喷射厚度在50～80 mm的钢纤维混凝土。及时采取有效的技术措施，释放围岩内部应力。
本文结合工程实例，分析了大峡谷高速公路隧道内岩爆的特点及施工对策。分析结果表明，岩爆是隧道工程施工中比较常见的不良地质，对隧道施工造成的影响比较大，岩爆类型不同，造成的影响和危害也不相同，需要采取有针对性的对策和措施来处理岩爆，并加强预防和围岩加固，最大限度降低岩爆对隧道施工造成的不良影响，为隧道施工营造一个安全的施工环境，保障施工任务的顺利完成。
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