浅谈公路隧道岩爆施工技术.doc

浅谈公路隧道岩爆施工技术中铁十一局集团第四工程有限公司 刘双庆【摘要】岩爆是高地应力区隧道开挖施工中常见的一类动力失稳地质灾害现象，极大地威胁着现场施工人员和设备的安全。本文通过对西汉高速公路峰堡寨隧道断面开挖时发生岩爆现象的观测，分析其特征和规律，从实践中初步总结出了一套预防和治理岩爆的方法。【关键词】峰堡寨隧道 岩爆 施工技术1 工程及地质概况1.1 工程概况二河国道主干线贯穿我国西部地区，起于二连浩特，止于河口，是沟通华北、西北及西南三大经济区的主要干线。户县经洋县至勉县元墩段是陕西省境内的一段，是沟通陕西关中与陕南地区经济发展的一条重要通道。1.2 地质情况本项目位于秦岭南麓，地势北高南低，山脊呈长梁状或园状，海拔10001500m。因冲刷侵蚀强烈，延展方向变化较大，切割深度小于500m，山坡坡度3560。植被发育。K4+460K7+100段为峰堡寨隧道段，山势陡峻，植被发育，最高点高程1474.40m，为线路区最高点；峰堡寨隧道出口段地质按岩性主要分为两段，发生岩爆地质灾害的地段主要分布在第二段，具体分布如下。第一段岩性以含绿色矿物混合花岗岩为主，间夹蚀变闪长岩、闪长玢岩、伟晶岩及长英岩等岩脉，除蚀变闪长岩外，其余岩石强度高、变形小，岩体受地质构造影响严重，断裂构造发育，有大小断层15层，皆为压性逆断层，岩体节理裂隙较发育发育，地下水局部较发育，主要为渗水、滴水和小股流水。本段围岩主要为类，断层带及蚀变闪长岩发育地段为类，隧道埋深50600m，具中等地应力，主要地质灾害是围岩坍方，局部有轻微的岩爆现象。第二段岩性以混合片麻岩为主，间夹角闪片麻岩、黑云母片岩残留体、长英岩及伟晶岩岩脉等，岩石强度高、变形小，岩体受地质构造影响轻微-较严重，节理裂隙不发育或较发育，断层局部发育，地下水不发育，仅少数地段有渗水、滴水或小股流水。本段围岩主要为类，局部断层带为类，本段全属高应力区，主要地质灾害是岩爆，局部地段有围岩破碎所引起的围岩坍方。2 岩爆的产生岩爆的发生主要由地应力和岩性两个因素决定，岩性条件要求岩石具有良好储能性能的弹脆性岩体，隧道初始应力条件要求达到高应力水平。这样隧道在穿越坚硬围岩且处于高应力地区时，常常由于围岩的应力超过围岩的强度而使围岩发生突然破坏，并伴随产生块体的弹射、抛掷、震动、声响等释放内部较大的弹性应变能的现象称为岩爆。3 岩爆的现象、特征和规律3.1 岩爆的发生条件峰堡寨隧道的岩爆主要发生在混合片麻岩段，混合片麻岩属极硬岩，其弹性能量指数（Wet）和脆性指数（Kr）都高。且围岩埋深大，岩体完整性好，受构造影响轻微，围岩初始地应力及隧道开挖后形成的最大切向应力都较高，最大主应力1=34.05Mpa，属于高地应力水平，满足发生岩爆的条件。根据隧道施工实际调查和岩爆课题组的研究成果，得出秦岭终南山公路隧道岩爆发生的临界条件为： Rc15Rt （1） Wet2.0 （2） 0.3 Rc （3） Kv0.55 （4）其中：Rc岩石的单轴抗压强度，在实验室实测。 Rt岩石的单轴抗拉强度，在实验室实测。 隧道洞壁最大切向应力，=(31-3)。 Kv岩体的完整性系数，由岩体和岩块的纵波速计算得到。3.2 岩爆的类型及特征3.2.1 岩爆类型通过对本隧道施工过程围岩岩爆的观察、分析研究，将围岩岩爆的类型按破裂程度大小特征分为以下4种：（1）弹射型岩爆此种类型岩爆发生在极坚硬、极完整的围岩的岩壁上，呈零星断续出现，一般是在开挖后612小时发生，发生时有清脆的“啪、啪”声响，随即有约510cm大小的中间厚边缘薄的岩片弹出（弹射距离27m）或烟雾状的岩粉喷射出（即所谓“冒烟”）。此种类型岩爆无明显预兆，持续时间短（一般几个小时），对隧道破坏和机械损坏影响不大，但对施工人员的安全威胁较大。（2）爆炸抛射型岩爆此种类型岩爆也是零星断续出现，一般也是在开挖后612小时内发生，发生时首先有“啪、啪”声响，紧接着像放大炮一样“砰”的一声巨响，随着响声可见到大小不一的片状、块状岩块（最大2030cm）和岩粉被抛掷出来，抛掷距离57m。此种类型岩爆持续时间一般也只有几个小时，但有一定规模，也具备一定的偶然性和突然性，对机械和施工人员的安全有较大影响，对隧道的破坏也有一定影响。（3）破裂剥落型岩爆此种岩爆在围岩开挖30分钟即发生，局部地段开挖后一年后还能发生，岩爆发生时有时能听到“啪”或“嘎”，或“啪、啪、啪”或“嘎、嘎、嘎”声响，随即出现岩面开裂，然后发生剥落。岩爆坑规模较大，最大为长宽深达1072.5（m）,剥落的岩块为片状、板状，大小不一，最大为3.03.50.8(m)。此种类型岩爆从出现响声开裂剥落有一个持续过程，但因其规模大、历程长，对隧道的破坏、对机械和施工人员的安全等都有很大的影响。（4）冲击地压型岩爆此种类型岩爆出现在条带状混合片麻岩中含黑云母片岩地段，黑云母片岩厚度为510cm的薄层状、条带状，与缓倾斜的片麻节理产状基本一致。隧道开挖后，线路左侧拱部、边墙出现与开挖面基本一致的塌落边帮，并伴有沉闷的爆落响声。在实际施工中，为了方便施工将岩爆按规模和烈度分为：轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆三种类型。轻微岩爆规模小，一般多为弹射型、冲击地压型岩爆。岩爆坑较浅，厚度一般小于10cm，岩爆坑沿隧道轴向长度小于10m，呈零星分布。中等岩爆多为爆炸抛射型和破裂剥落型岩爆，岩爆坑呈三角形、弧形及梯形，连续分布，规模较大，岩爆坑一般几十厘米深，最大达150cm，沿隧道轴线长1020m，成片分布。强烈岩爆多为破裂剥落性岩爆，岩爆坑连续分布，最深可达4.3m，沿隧道轴线长大于20m。剥落的岩块尺寸大，数量多，生成大量超挖现象，洞形不规则，对正常施工及洞室稳定影响大。3.3.2 岩爆的特征从爆落的岩体看，有体积较大的块体和体积较小的薄片，体积较小俱多，形状呈中间厚四周薄的贝壳状，其长与宽方向尺寸相差不悬殊，但周边厚度方向参差不齐。块体的形状多为有一至两组的平行裂面，其余的一组破裂面呈刀刃状。岩块几何尺寸均较小，一般在40cm50cm(520)cm范围内，弹射程度不等。4 防治岩爆的施工方案及措施根据本隧洞实际情况，所采用的防治岩爆的方法是在施工阶段中进行的，立足于减轻或避免岩爆伤人、毁机及导致围岩大面积失控的目标，按照“安全第一，稳扎稳打，不盲目冒进”的指导思想，遵循“预防为主，防治结合，多种手段，综合治理” 的原则进行施工和防治岩爆，具体方法如下：4.1 岩爆地段的防护措施4.1.1在岩爆段开挖前，注意收集开挖过程中的岩爆地质资料，包括岩爆类型、规模、分布里程与岩爆具体位置，作到事先预报，提前做好岩爆防治的技术准备和施工准备工作。4.1.2给施工人员配戴钢盔、穿防弹背心，主要防止弹射型岩爆伤人。在支护区设专职安全员，随时观察围岩状态。如发现险情，及时向带班干部汇报，作到及时支护或组织人、机暂时躲避。4.1.3在岩爆地段，开挖后及时向掌子面及洞壁进行喷洒高压水，降温除尘，润湿岩面，提高围岩的塑性，这在一定程度可以减轻岩爆的强烈程度。4.1.4对施工打眼台车进行改造，在台车上方及侧面设立钢筋防护网。在进行钻眼施工时必要在掌子面处也设立钢筋防护网，以确保施工人员的安全。4.2 开挖措施（1）加强光面爆破，保证开挖洞室轮廓圆顺，避免造成局部应力集中而加剧岩爆。（2）在中等岩爆、强烈岩爆地段采取短进尺、多循环、弱爆破措施。（3）针对岩爆类型及大小，提前打应力释放孔或超前摩擦锚杆支护。超前摩擦锚杆采用40钢管，长度3 m，安设的位置主要在拱顶及左右边墙的上部，间距11.5 m。并在岩爆地段的洞壁上打应力释放孔以达到减弱岩爆的强度。（4）改变开挖方式，预留岩爆层。施工中采用短进尺循环，预留2m厚的岩爆处理层，岩爆过后再进行二次扩挖爆破、支护，较好地通过强烈了岩爆段。4.3 支护措施为减轻岩爆的危害，很重要一条就是在洞内开挖前和开挖后对围岩进行支护措施，这样做不仅可以改善应力的大小和分布，而且还能使洞室周边的岩体从平面应力状态变为空间三向应力状态，从而达到减轻岩爆危害的目的，并且还能起到防护作用，防止岩石弹射和剥落造成事故。（1）发生轻微岩爆时，仔细对洞壁及掌子面进行危岩清撬后，及时喷3cm厚混凝土进行封闭围岩。初喷完后进行锚杆挂网支护，锚杆为22，长度2.5m，间距0.81.5m。在拱部挂钢筋网（8钢筋，间距25 cm），后进行二次喷射混凝土，厚度9cm。（2）发生中等岩爆时，支护与发生轻微岩爆时处理措施类似，不同点是挂网后在锚杆外露端头进行横焊22的钢筋加固后再进行二次喷射混凝土施工。（3）强烈岩爆对施工人员及施工设备的威胁最大，必要时进行避让，等岩爆强度基本平静下来再进行支护。对强烈岩爆区域必须进行钢拱架支撑、锚喷挂钢筋网进行支护，钢拱架1榀/m，与喷锚网形成联合支护体系。5 结束语通过对西汉高速公路峰堡寨隧道的岩爆研究、分析及处理，较好地通过了岩爆段，没有发生人员伤亡事故。经施工过后对岩爆段进行的观察，洞壁未再产生各种类型的岩爆，所喷的混凝土未发生开裂、剥落，钢拱架也未产生明显的变形，围岩收敛变形基本稳定，对岩爆段