雅安市乌斯河隧道岩爆的施工及质量控制措施

0引言乌斯河隧道位于四川省雅安市汉源县乌斯河镇境内，属于山区。它位于四川盆地西部边缘，是盆地向东过渡的青藏高原地带。隧道穿越的山体浑厚，山势陡峻，峡谷纵横，大渡河在路线左侧由西向东流过。该隧道横贯的山区地形特征显著，其最高点海拔为2584m，而隧道的入口处，即大渡河附近，海拔则大约为657m。两者之间的相对高差达到了惊人的1927m，展现了该地区典型的高中山峡谷地貌特征。隧道全长6027m，最大埋深1479m，本段隧道埋深较大，且以硬岩为主，隧道在完整性较好且局部地下水贫乏闪长岩段，岩石坚硬且埋深较大，地应力较高时，具备岩爆发生的条件。施工中发生弱～中等岩爆。1岩爆概述岩爆现象通常发生在高地应力环境下的地下工程挖掘作业中。在这种条件下，坚硬而脆弱的岩石围岩因为挖掘作业而释放原有的负荷，导致洞壁承受的应力出现差异。这种差异使得岩石中累积的弹性潜能得到迅速释放，引发了一系列如岩石爆裂、脱落、弹出甚至被抛出的动态地质事件，这些现象统称为岩爆，是一种由动力失衡引起的地质灾害[1]。当岩爆发生时，通常会伴随着响声和震动。一部分的潜能在释放过程中被消耗，而剩余的能量则转化为动能。岩石围岩由原本的静态平衡状态转变为动态失衡，导致岩石块体从岩体中分离，有时甚至以剧烈的方式向空间方向抛射，这一过程包括了岩石劈裂、剪断和弹射3个连续的阶段[2]。在高地应力的硬岩环境中开挖地下洞室时，施工活动会干扰原有的地应力状态，为地应力的重新分布创造了条件。当高地应力作用于洞室的岩石壁面时，常常会诱发岩石的脱落、弹出和抛射等现象，这些现象通常伴随着声响，形成了岩爆。岩爆的出现对施工人员和设备构成了严重的安全威胁。在面对高地应力硬岩环境下的地下洞室施工时，常见的做法是结合被动防护和主动避让策略。这包括施工人员穿戴专门的防护装备，施工机械装备防护板，以及在开挖完成后等待岩爆活动结束再继续后续工序。这些措施虽然能够让岩爆自然发生并采取一定的防护措施，但仍然存在较大的安全风险，并且由于等待时间的不确定性，施工进度也难以控制。2岩爆安全施工措施2.1开挖方法在挖掘作业中，采用“短进尺，多循环”的策略，并结合光面爆破技术，缩短周边眼间距，严格管制药量，以尽可能降低爆破对周围岩石的冲击，尽可能使开挖断面规整，简言之就是采用光面爆破技术，以达到对围岩少扰动、周围圆滑为原则，缩小出现局部应力集中的可能性。在岩爆地段的开挖进尺严格控制在2.5m以内，周边眼间距40cm，尽量缩小对围岩的爆破扰动。假如进一步加剧岩爆，现场准备采用台阶法开挖，以进一步降低开挖爆破对围岩形成的扰动。光面爆破施工工艺流程如图1所示。图1光面爆破施工工艺流程2.2洒水降温开挖爆破后，要及时向掌子面喷水，对岩面进行湿润处置。经过喷雾洒水降低掌子面温度，使围岩变软，促使原始应力在岩层释放调节的同时，有效减少爆破过程中空气中产生的粉尘量。岩石浸水后力学特殊性质改变，岩石强度和弹性模量减小，提升塑性变形的性能和增加横向变形的系数能够在一定程度上减轻岩爆的发生。在岩爆发生较为剧烈的区域，通过设置超前孔作为注水点，注入高压水流以软化围岩，并促进其内部应力的快速释放。2.3加强支护为了增强隧道掌子面的稳定性，采取了一系列加固措施，包括使用钢纤维增强的混凝土、ϕ6规格的钢筋网以及ϕ25的岩爆隧道锚杆与钢架的组合来巩固围岩。2.3.1钢纤维混凝土钢纤维的加入显著提升了混凝土的抗剪和抗弯性能，相比普通混凝土更具优势。在开挖作业后，施工团队使用钢纤维混凝土对整个开挖区域（包括掌子面）进行初步封闭，初步喷涂厚度控制在5cm，以预防岩爆时岩石碎片的弹射。在安装完钢支撑和锚杆之后，再进行一次喷涂以达到预定的设计厚度。2.3.2钢筋网施工中使用的钢筋网采用ϕ6钢筋，网格尺寸为25cm×25cm。钢筋网需紧贴围岩铺设，并与锚杆紧密结合，共同作用以减缓和控制岩爆的产生。2.3.3锚杆应用锚杆作为深入岩层的拉力构件，一端与结构物连接，另一端锚固于岩层之中。锚杆分为自由段和锚固段两部分：自由段负责传递锚杆头部的拉力至锚固体，起到施加预应力的作用，对隧道的稳定支撑至关重要[3]。在遇到强烈岩爆的区域时，采用4m长的ϕ25涨壳式中空预应力锚杆进行围岩加固。这种中空预应力锚杆能够迅速为围岩提供支撑力，克服了传统砂浆锚杆强度增长缓慢的问题。在钢纤维混凝土喷涂完成掌子面封闭后，现场施工人员会安装ϕ25锚杆以固定掌子面围岩，防止岩爆时的碎片迸射。现场研制使用快速安装的岩爆隧道锚杆，内部中空，外部连接有活动连接器和拱形垫板，以及固定连接的套体。所有锚杆尾部均装有尺寸为150mm×150mm×6mm的垫板。可快速安装ϕ25岩爆隧道锚杆如图2所示。图2可快速安装ϕ25岩爆隧道锚杆2.3.4钢架乌斯河隧道常见岩爆类型为弱～微岩爆，岩爆声响为清脆爆裂声，剥离现象严重，少量弹射，岩爆持续较长，断口呈弧形凹腔，岩板呈棱板状，为了应对格栅钢架可能出现的较大形变，通常需要采取更换拱形结构或增加拱形支撑的措施。鉴于此，施工现场选择使用型钢钢架来提供加固支撑，根据不同的岩爆强度，微岩爆采用锚喷支护，弱、中岩爆分别采用I12.6工字钢间距120cm和I14工字钢间距100cm布置。工地岩爆的初期支护方法，除了要提供足够高的支撑力以抵挡周围潜在的围岩压力外，还需要在这种破坏方式下抵挡冲击变形，也就是要有能量的吸收能力。因此，采用锚网喷射系统支护的系统性和联合承载力，保证钢筋网、锚杆和喷射混凝土形成一个避免相互独立作业的完整结构系统。通过这种方式，不仅能有效避免因劈裂导致的岩爆风险，还能为围岩提供必要的支撑力。这使得围岩在三轴压缩应力状态下保持稳定，从而降低了因剪切破坏引发的岩爆风险。2.4超前锚杆以该隧道项目为例：实施了ϕ32的超前锚杆来固定掌子面前端的围岩，锚杆长度设定为4.5m，外插角10°～14°，拱部90°范围内布置，循环进尺3m，根据现场岩爆实际情况进行调整。保证在一个循环爆破后，仍有一部分锚杆留在岩体内，对岩体起到加固作用。预防拱顶围岩因岩爆掉落。超前锚杆布置方法如图3所示。图3超前锚杆布置2.5超前应力释放孔预应力释放孔的设计宗旨在于积极为岩体创造变形条件，以便释放其内部累积的高应力[4]。在地下洞室的开挖进程中，爆破开挖形成的临空面会改变洞室周围的初始地应力状态。在地下洞室开挖前，施工团队在掌子面后1m处的洞壁上，沿洞室径向钻设应力释放孔。这些孔在洞壁与开挖面交汇点以45°和60°的角度向前斜打，孔的深度达到隧道径向的3m位置。在每个预定点，分别在水平方向、向下45°和向上45°的方向钻设3个孔。在这些孔的底部，安装100g的2号岩石乳化炸药和雷管，然后在孔口部分用黏土炮泥堵塞0.4m，通过这种方式进行预先爆破，旨在释放应力，使孔周围的岩石产生微裂缝。这一过程使得岩石中积累的弹性潜能区域向远离洞室主体的方向延伸，同时将最大应力转移到围岩的更深层。这样，在随后的开挖循环中，洞壁的临空围岩就不太可能因受拉而破坏，有效避免了岩爆的发生[5]。应力释放孔布置如图4所示。图4应力释放孔布置具有高初始地应力的硬岩开挖爆破后，由于应力重分布，在洞周产生应力集中区，当作用在围岩上的应力大于围岩抗拉强度时，会产生岩石剥落、弹射、抛掷等现象，并伴随显著声响，造成岩爆。岩爆的发生对施工人员和设备构成严重的安全威胁，处置不当会造成人员伤亡及机械的损坏。因此，该方法可从源头上解决地下洞室开挖后的岩爆问题。乌斯河隧道现场实际施工工程中，采用多功能钻机钻设泄压孔，既能提高钻孔效率又能起到机械化减人的目的。平均每孔钻设时间缩短3min，整体时间减少54min。同时，多功能钻机可使用遥控器控制，操作人员距掌子面较远，更能保证人员安全。3质量控制措施（1）对掌子面、拱部和两侧边墙进行2～3次精确的找平。严格执行现场监控制度，杜绝冒险操作。（2）运用光面爆破技术，严格控制炸药用量，以减少对围岩的冲击。（3）精心调配钢纤维喷射混凝土的配比，并通过工艺试验确保工程质量。（4）强化支护措施，爆破后迅速对拱部和侧壁进行喷射混凝土，初步喷涂厚度为5cm，随后安装锚杆和网片，并及时施工能有效承载的摩擦型锚杆作为施工支撑。（5）在强烈岩爆区域的二次衬砌完成后，加强对衬砌变形的监测，必要时提升二次衬砌混凝土等级至钢筋混凝土。（6）基于过往施工经验，记录并总结现场岩爆的特点，以便更好地指导施工。4安全防护措施岩爆可能在爆破后立即发生，或有延迟。延迟的岩爆通常是深层岩体应力释放的结果，岩石在应力释放过程中沿节理面进一步松弛，有时沿节理面掉落，这种灾害更隐蔽，难以预防。为此，采取以下措施。（1）岩爆后立即停止作业并避险，记录岩爆的详细情况，包括位置、落石数量、弹射速度和距离等，并评估岩爆强度。（2）为施工人员提供头盔和防弹衣，为关键施工设备安装防护钢板，在掌子面设置移动防护架，保护人员和设备免受飞石伤害。在台车上作业时，前方可设置拦截网，降低飞石伤害风险。（3）在岩爆施工区域设置警示标志，配备安全防护用品箱，提醒进洞人员佩戴防护装备。（4）加强现场监测、警戒和定期检查，必要时及时避让。（5）加强施工人员防冲击培训；强化操作员安全纪律和爆破、防护知识学习；严格执行技术和安全规程；在危险区域增设照明和醒目标志。（6）加强监测，中等岩爆区域每10m、强烈岩爆区域每5m设置监测点，按规范执行测量频率，及时处理数据，指导