超深埋隧道高地应力岩爆地段施工技术

摘要：总结泥巴山特长公路隧道岩爆段施工经验，介绍了在隧道高地应力地段的岩爆处治施工技术，通过对岩爆发生和发展规律的分析，对岩爆烈度进行预测，并从“防”岩爆及“治”岩爆的角度，确定合理的“防”、“治”措施。将岩爆对施工生产所带来的损害降至最低，解决了深埋特长公路隧道高地应力岩爆应对难题，扩展、丰富了隧道施工领域，为今后类似工程提供参考。

关键词：深埋高地应力 隧道 岩爆 施工技术

1 概述

国际社会对岩爆的研究由来已久，各国在岩爆的类型、产生原因、烈度等级、岩爆的工程问题的预测及治理等方面的研究屡创新高。复杂多变的岩体性质和工程地质条件，为岩爆研究带来了诸多不变，对岩爆的预测预防方法还很不完善。岩爆问题是一种具有实际工程背景的岩石力学问题，因此可以说，岩爆工程的研究是岩爆研究的另一个主要方面。在工程建设中，工程研究方法主要集中在岩爆类型及烈度等级研究、岩爆的预报预测研究和岩爆防治的工程措施等几个方面。

2 工程概况

新建雅泸高速公路为国高网北京至昆明高速公路（G5）在四川省境内的重要路段，雅泸路全线控制性泥巴山特长隧道位于四川省汉源县境内，为双线分离式隧道，设计车速80km/h。隧道左线全长9962m，右线全长10007m，单口掘进5130m，为目前国内单口掘进长度最长的隧道，隧道最大埋深1648m，为国内之最。

隧道地质情况极其复杂多变，隧道深埋段极易产生高（极高）地应力，继而引发岩爆地质灾害，对施工人员及生产带来极大的安全隐患。文章中介绍的岩爆段施工技术，有效加快了施工进度，减少了资源浪费，降低了安全隐患。

3 施工技术

3.1 技术原理。现阶段，大部分施工单位主要通过弱化围岩或改善围岩应力条件来防治岩爆。本文将借助医学理论具体探析“防、治”岩爆的方法。

“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。

3.2 技术方案。施工中通过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。

实际操作中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。同时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。具体如下：

施工中对岩爆认真研究，分析其发生和发展的规律，确定合理的“防”、“治”措施。

3.2.1 施工中所采取“防”岩爆的方法

①对岩爆的“防”：目前，大部分施工单位均通过台阶法或超前导洞法来防止岩爆现象产生。按弹性理论计算，因开挖引起的高应力不会过度扰动围岩。围岩中应力最集中的区域是r/ro≈1.5，其中ro代表隧道。分步开挖时，如果严格控制开挖半径ro，就能有效缩减影响区域，进而围岩中释放弹性能的区域也会随之缩减，这对防止岩爆或控制岩爆程度非常有利。分部开挖和超前导洞法能够有效防止严重程度较低的岩爆问题发生，而且大量工程实践证明，该方法对轻微岩爆具有良好的防治作用。

②光面爆破技术中的“防”：按工程要求设计爆破方案，缩短孔间距，将炮眼间距控制在50cm以内，使用Φ20小药卷不偶合装药，起爆雷管数量可适当增多，但要严格控制同段起爆药量，提高光爆效果，实施爆破的过程中，不宜过度扰动围岩。组织参见人员参与事前培训活动，并进行安全技术交底，确保隧道开挖四周圆顺，避免应力高度集中。施工中要注意一点，我国现阶段的生产力水平低，人工费低廉，大部分隧道钻眼和爆破均通过人力完成，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在隧道掌子面及洞壁钻孔注水或直接喷水：掌子面、顶拱、边墙开挖成型后尽快对其喷水养护，既能除掉构件表面的灰尘，也可以降低构件的脆性，提高构件抵御应力变形的能力，防止岩爆。大量节理的非连续介质共同作用才能形成整块岩体，节理面是结构弱面，顺着这些节理钻孔高压注水便能渗进岩体内部，使岩体内部的弹性应力释放出来，同时使洞壁围岩最大切向应力逐步移向岩体深处。劈裂注水可产生新的张裂隙并促使原有裂隙持续向岩体内部延伸，从而对岩体中储存的弹性应变能的总量进行严格的控制。

④超前应力解除爆破：通过采取应力释放来应对烈度较大岩爆问题。应力释放就是在工程建设过程中，在解除应力的同时持续掘进，施工前提前释放岩体中存在的应力能，从而避免施工中岩体内部产生较高的应力，以期在开挖后对围岩应力进行严格的控制。工艺流程是：从掌子面开始向前沿拱部四周打设超前斜孔，实施孔底爆破，使岩体形成人工破碎带，洞壁要保持厚度一定的完整岩层作为安全距离。在一些岩爆烈度较大施工段，可钻孔注水或直接喷水以加速围岩软化，由此控制围岩应力，对岩爆的危险程度实施控制。

⑤喷射混凝土或喷射纤维混凝土：该操作主要是对围岩实施径向约束，使洞室四周的围岩状态由平面应力加速转为三维应力状态，从而有效防止岩爆问题出现。

⑥待避：之前采取一系列防止岩爆发生的施工措施未起到良好的预防作用，一旦有岩爆现象产生，施工人员必须立即执行停机、待避等安全操作，严密监控工作面，同时全面记录岩爆频次等相关情况，认真排查对边墙、拱顶和掌子面的质量问题，并适当加固。

⑦工作面内所有参建人员的安全防护措施：危险期所有参建人员一律穿戴防砸鞋、防砸背心和安全帽，以免被小石块击伤，施工部门要指派现场经验丰富的技术员全程监督施工过程，一旦发现异常情况组织人员撤离工作面。

3.2.2 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，新型退火钢丝网可以代替“防”的办法，进而达到预期的效果，通过悬挂新型退火钢丝网结合喷射超细沸石粉混凝土的方式对岩爆影响的深度较深的情况进行处理。

②边墙应力释放孔：通过采用在边墙打设应力释放孔的方法，解决其他岩爆防治手段不能满足岩爆防治的要求，边墙打设应力释放孔的方法能够有效的治理岩爆，在理论和实践中都得到验证。

③局部打设胀壳式锚杆：对于危石部位存在的岩爆

段，为了防止岩爆产生振动进而造成危石的掉落，加固方式通过采用胀壳式锚杆对围岩进行膨胀锁定，使岩爆产生的附属影响降到最低。

4 施工注意事项

4.1 认真观测并详尽记录每次的岩爆情况，事后进行汇总分析，以准确把握岩爆规律，为其它施工段防治岩爆问题提供参考依据。

4.2 基于岩爆产生的规律，实施爆破后必须在岩爆现象相对稳定后再继续施工。若施工时突发岩爆问题，及时撤离作业人员至安全地段待避，岩爆稳定后，方可进行作业。

4.3 为保护现场施工人员和机械设备，提高隧道作业的安全系数，施工中可将铁丝帷幕挂设在掌子面及其周围的岩爆地段。

4.4 基于安全因素的考虑，现场的机具设备必须安装防护顶棚。

4.5 如果在隧洞内开展施工活动，必须指派专人值班警戒，对人员密集地段或易爆地段实施重点监测，并在岩爆危险地段设立警告牌。

4.6 为准确判断岩爆发生的可能性及其危险程度，放炮时工程人员可在掌子面对岩爆发生前的声响实施监听。

4.7 宜在岩爆危害程度小的地段布设人行道和管线设备。

4.8 施工前，对所有参建人员进行安全技术交底，明确安全操作规程和安全注意事项，确保人员安全。

5 结论及体会

本文结合对泥巴山特长公路隧道高地应力岩爆段的施工处治，证实了本施工技术的可行性，对隧道岩爆易发生段，能有效地避免工序返工的发生，降低安全隐患，提高隧道施工进度，降低施工成本，实现了安全、快速施工。对今后类似工程的处治施工提供参考。

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