超深埋隧道高(极高)地应力地段岩爆施工工法讲义讲稿

中铁XX局集团有限公司2013年3月30日,超深埋隧道高（极高）地应力地段岩爆施工工法,1.工法产生背景1.1工程背景新建xx高速公路为国高网xx至xx高速公路（G5）在四川省境内的重要路段，项目位于四川省西南部，全长244公里，投资估算134亿。xx路全线关键控制性工程xxx特长公路隧道位于四川省汉源县境内，设计为双线分离式隧道，设计车速80km/h。隧道左线全长9962米，右线全长10007米，单口掘进5130米，为国内单口掘进长度最长的隧道，隧道最大埋深1648米，为国内之最； 项目开工日期为2007年9月21日，工期48个月，项目总投资6.17亿。,1.2技术背景世界各国对岩爆的研究由来已久，在岩爆的发生机理、岩爆类型和烈度分级、岩爆预报预测方法和岩爆的工程治理等方面都取得了长足的进展，但是，岩石本身性质的复杂性和工程地质条件的多样性等原因决定了岩爆问题研究具有相当大的难度，对岩爆的预测预防方法还很不完善。岩爆是一种具有实际工程背景的岩石力学问题，所以，岩爆的工程研究方法是岩爆研究的另一个主要方面。在实际工程中，工程研究方法主要集中在岩爆的类型和烈度分级研究、岩爆的预报预测研究和岩爆防治的工程措施等几个方面。大相岭xxx隧道属于超深埋高（极高）地应力特长公路隧道，地应力高，极易发生岩爆，自2009年9月份开始陆续出现岩爆现象， 2011年8月7日，隧道右线已完初期支护纵向40米范围发生大面积高烈度岩爆，对施工生产带来极大的安全隐患，施工中通过对岩爆的研究，“防、治”结合，总结形成本工法。,2011年8月7日， YK59+402-339发生高烈度岩爆地质灾害现场,2011年8月10日，业主组织相关专家召开岩爆处治研讨会,1.3技术水平2011年8月，该工法关键技术所属成果通过了山西省科技厅组织的专家鉴定，总体水平达到国际先进，且获2011年度中国铁道建筑总公司科技进步一等奖。,2.工法特点2.1质量、安全方面通过超前钻孔进行应力解除，降低了岩爆可能造成危害的程度，保证了施工安全。采用胀壳式锚杆支护，使锚杆与不规则钻孔面密贴，达到了高地应力地段彻底锁定围岩的目的。2.2工期、进度方面通过对岩爆烈度进行预测预报，针对不同烈度岩爆合理确定支护参数，缩短了工序时间，加快了施工进度。2.3节约成本、经济效益方面隧道岩爆较严重地段，岩爆发生剧烈时，可能会造成已施作的初期支护爆裂，形成掉块等，需重新喷射混凝土进行支护，造成人力、机械及混凝土等资源浪费，施工进度滞后等。采用本工法施工，有效避免了因岩爆造成的工序返工，节约了大量人力物力及施工材料。,通过打设超前锚杆锁定围岩、超前钻孔进行应力解除、加强光爆控制、喷洒高压水软化岩面、缩短循环进尺、增设钢架、打设胀壳式锚杆和柔性钢筋网，在喷射混凝土中外掺超细沸石粉和速凝剂等新型有效的综合技术应对措施，与传统施工工艺相比（如单一采用全断面开挖，采用药包锚杆，喷射钢纤维混凝土，在相同的爆破设计前提下），节约投资50万元。,3.工艺原理施工中对岩爆的防治目前大多数是从弱化围岩及改善围岩的应力条件等方面进行阐述，在这里我们借助医学的角度从“防”岩爆及“治”岩爆的角度进行划分，而“防”又可以细分为“积极的防”和“被动的防两种。“防”岩爆的方法主要有：采用短台阶、超前小导洞开挖法；施工爆破中优化爆破设计；隧道掌子面和洞壁喷水或钻孔注水；提前释放高地应力；喷射钢纤维混凝土等施工方法。“治”岩爆的方法主要有：采用新型退火钢丝网；边墙应力释放；局部打设胀壳式锚杆等施工方法。,4.关键技术创新点与操作要点4.1关键技术创新点对高地应力环境下围岩的地应力及岩体强度检测，对不同埋深条件下地应力分布进行统计分析，对岩爆烈度进行预测。采用胀壳式锚杆支护，使锚杆与不规则钻孔面密贴，可以彻底锁定围岩。在喷射混凝土中外掺超细沸石粉，使混凝土在快速终凝，起到早强支护效果。将岩爆地段划分为四个时间区段，针对不同时间区段采取有效防治措施。,4.2操作要点4.2.1 操作要点施工中应对岩爆进行认真研究，分析其发生和发展的规律，确定合理的“防”、“治”措施。4.2.2施工中所采取“防”岩爆的方法1、对岩爆的“防：台阶法(两台阶、三台阶等)、超前导洞法；根据弹性理论计算因开挖产生的高应力在围岩中的影响是有限的。围岩中的应力集中最严重的区域为r/ro15(ro为隧道开挖半径)。分步开挖时，ro减小则影响区域减少，由此使围岩中释放弹性能的区域也相应减小，有利于抑制岩爆和降低其程度。且无论在理论上还是实践上均验证分部开挖及超前导洞法对于中等岩爆及轻微岩爆有一定的抑制作用，尤其对于轻微岩爆的防治效果非常明显。,2、光面爆破技术中的“防”： 优化爆破设计，减少周边孔间距，使炮眼间距不大于50cm，采用20小药卷不偶合装药，增加起爆雷管数以减少同段起爆药量，提高光爆效果，尽量减少诱发岩爆的因素。加强对开挖作业人员的培训，提高业务素质，使隧道开挖周边圆顺，减少局部的应力集中。需要特别指出的是由于目前我国的生产力水平较低且人工费廉价，造成我国几乎所有隧道的钻眼、放炮都采用人工作业，其职业素质将直接影响光面爆破效果，由此加强隧道施工工人的作业素质是十分必要的。3、在隧道掌子面和洞壁喷水或钻孔注水：对已开挖成形的边墙、顶拱和开挖成形掌子面及时进行喷水，降低脆性，又可除尘，以增强抵抗地应力引起变形的能力，从而减少岩爆的发生。此外，由于岩体是由含有大量节理的非连续介质构成的，而节理面是结构弱面的一种，那么钻孔高压注水可以使水顺着节理面向岩体的各个方向渗入，提前释,放弹性应变能并将洞壁围岩最大切向应力向围岩深处转移，同时劈裂注水可产生新的张裂隙并使原有裂隙继续扩展，从而降低岩体储存弹性应变能的能力。4、超前应力解除爆破：在岩爆强烈发生地带可采取应力释放措施。即在施工过程中，一边应力解除，一边掘进，在洞室未开挖之前使岩体原始应力得以释放，以减缓开挖后的围岩应力。其施工方法：从掌子面起沿拱部周边向前方打超前斜孔，在孔底装药爆破形成一定厚度的人工破碎带，且洞壁保持一定厚度的完整岩层作为安全距离。对岩爆特别剧烈地段，喷水或钻孔注水促进围岩软化，缓释围岩应力，降低剧烈岩爆的危险性。5、喷射混凝土或喷射纤维混凝土：该做法的出发点是给围岩一定的径向约束，使洞室周边的围岩状态较快的从平面应力转向三维应力状态，以达到抑制或延缓岩爆发生的,目的。6、待避：使用的岩爆预防措施没有达到预计的效果，当岩爆发生时，应彻底停机、待避，补充工作面的观察并记录岩爆，对掌子面、边墙及拱项进行仔细检查，并选取合理的支护加固措施。7、作业范围内人员的安全防护：危险期作业人员穿防砸背心，防砸鞋，可以有效的预防由于岩爆产生的较小石块的击伤，并派有经验的人员进行监护，发生异常时及时撤离作业人员。4.2.3 施工中所采取“治”岩爆的方法1、新型退火钢丝网：在一定条件下，对于采用了“防”的办法没有达到预期的效果亦可以采用新型退火钢丝网进行治理，当岩爆影响的深度较深，可以采用悬挂新型退火钢丝网及喷射超细沸石粉混凝土相结合的方式进行治理。,2、边墙应力释放孔：通过其他岩爆防治手段不能达到岩爆防治的要求时，可以采用在边墙打设应力释放孔的办法进行治理，且该方法无论是在理论上还是实践上均得到了验证，能够有效的治理岩爆；3、部打设胀壳式锚杆：岩爆段存在危石的部位，可以采用胀壳式锚杆进行加固，对围岩进行膨胀锁定，防止由于岩爆产生振动造成危石的掉落，降低由于岩爆而产生的附属影响。,5.工程应用情况本工法在大相岭xxx特长公路隧道约300米高地应力岩爆区段应用，有效地避免了工序返工的发生，降低了安全隐患，隧道施工进度大大提高，降低了施工成本，提高了工程质量，并节约大量投资，实现了安全、快速施工，创造了良好的经济效益、社会效益及环保效益。,6.社会经济效益6.1直接经济效益使用本工法与传统施工工艺相比（如单一采用全断面开挖，采用药包锚杆，喷射钢纤维混凝土，在相同的爆破设计前提下），节约投资50万元,见表6.1。表6.1 节约工程投