梅們

摘要 公路隧道內(nèi)巖爆是一種常見的地質(zhì)災害，給施工安全和進度帶來了很大的挑戰(zhàn)。文章從公路隧道內(nèi)巖爆的特點和成因機制入手，對公路隧道內(nèi)巖爆進行了分類，并提出了相應的施工對策。通過降低地應力、提高圍巖穩(wěn)定性、優(yōu)化施工工藝等措施，可以有效降低巖爆發(fā)生的概率和巖爆對工程的影響，為公路隧道施工提供安全保障，研究成果可以為公路隧道施工提供理論指導和實踐借鑒。

關鍵詞 公路工程；公路隧道；巖爆；形成特點；施工對策

中圖分類號 U455.6文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0128-03

0 引言

在公路隧道施工過程中，巖爆的發(fā)生往往與巖石應力、地應力、圍巖穩(wěn)定性等因素密切相關。然而，在公路隧道施工過程中，巖爆作為一種常見的地質(zhì)災害，給工程安全和進度帶來了很大的挑戰(zhàn)。因此，研究公路隧道內(nèi)巖爆的特點及施工對策，對于保障工程安全、提高施工效率具有重要意義。該文旨在探討公路隧道內(nèi)巖爆的特點及其成因機制，提出相應的施工對策，并通過案例分析驗證其有效性。通過該文的研究，希望能為公路隧道施工提供一定的理論指導和實踐借鑒。

1 項目概況

峨漢高速2-7分部大峽谷隧道出口位于甘洛縣境內(nèi)，包含兩條主洞隧道和一條斜井隧道。主洞設計起訖樁號為K80+860～K87+030、ZK80+875～ZK87+045，主洞全長左右共12.34 km；斜井設計起訖樁號為BSK0+000～BSK2+

120，斜井全長共2.12 km（斜井開挖輪廓線與主洞相同）。該段隧道埋深較大，最大埋深1 944 m，主要巖性以白云巖、流紋巖等硬巖為主，巖層傾向近水平狀。其中主洞包含10.61 kmⅢ級圍巖，斜井包含1.36 kmⅢ級圍巖。該項目大峽谷隧道出口段綜合判斷為以中等巖爆為主，低埋深段主要為弱巖爆，高埋深段局部可能出現(xiàn)強烈?guī)r爆。

2 公路隧道內(nèi)巖爆的定義和分類

2.1 巖爆的定義

當隧道或地下工程穿越堅硬圍巖時，如果處于高應力區(qū)域，一旦開挖封閉的巖層，地應力就會突然釋放，導致圍巖突然破壞，并伴隨著巖石彈射、拋擲、聲響等內(nèi)部較大彈性應變能的釋放現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為“巖爆”。

2.2 巖爆的分類

巖爆是一種常見的地質(zhì)災害，其分類方式因研究角度和目的的不同而有所差異。根據(jù)不同的分類標準，可以將巖爆分為以下幾種類型[1]：

按照巖爆發(fā)生的階段和時間順序，可以分為初生型巖爆和再生型巖爆。初生型巖爆發(fā)生在隧道開挖過程中，由于圍巖應力集中、開挖空間形狀突變等因素，導致巖石破裂并噴出隧道口；再生型巖爆則發(fā)生在隧道開挖后一段時間內(nèi)，由于圍巖應力重新分布、巖石蠕變等因素，導致巖石再次破裂并噴出隧道口。

按照巖爆的強度和規(guī)模，可以分為輕微型、中等型和強烈型巖爆。輕微型巖爆主要表現(xiàn)為少量巖石破裂并掉落，對施工安全影響較小；中等型巖爆則表現(xiàn)為大量巖石破裂并噴出隧道口，對施工安全有一定影響；強烈型巖爆則表現(xiàn)為大量巖石破裂并拋射出隧道口，對施工安全和人員生命安全構(gòu)成嚴重威脅。

按照巖爆的成因機制，可以分為應力型巖爆和熱力型巖爆。應力型巖爆是由于圍巖應力集中、開挖空間形狀突變等因素導致的巖石破裂；熱力型巖爆則是由于巖石高溫、高壓等熱力學因素導致的巖石破裂。

按照巖爆的地質(zhì)條件，可以分為脆性巖石巖爆和韌性巖石巖爆。脆性巖石巖爆主要發(fā)生在硬質(zhì)巖石中，由于巖石脆性較大、抗拉強度較低，容易發(fā)生破裂；韌性巖石巖爆則主要發(fā)生在軟質(zhì)巖石中，由于巖石韌性較大、抗拉強度較高，不易發(fā)生破裂。

3 公路隧道內(nèi)巖爆的典型特征

公路隧道內(nèi)巖爆的特征可以從以下幾個方面進行辨別[2]：

（1）弱巖爆：通常出現(xiàn)在地應力較小、巖層整體性較差的巖體中，對施工的危害較小。當圍巖受力后，在軟弱結(jié)構(gòu)面上產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，呈現(xiàn)板狀或塊狀斷裂。開裂時會發(fā)出像冰層破裂的“啪啪”聲，巖塊會松散或剝離。有些巖塊可能不會立即脫落，而是在1～2個月后才從母巖上脫落。偶爾會有巖石彈射現(xiàn)象，但速度較慢，彈射距離有限。隧道底部一般只會出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，巖塊不會移動，而發(fā)生在邊墻的巖爆多為片狀剝落。

（2）中等巖爆：主要危害是巖塊破裂后的彈射傷害，對機械設備的安全和隧道洞室的穩(wěn)定性影響較小。一般發(fā)生在隧道壁部，開挖后可能出現(xiàn)直徑在5～10 cm的巖石片狀物或巖粉從洞壁彈射出來，速度約為2～5 m/s。爆裂時發(fā)出尖銳的聲音，類似槍聲。

（3）強烈?guī)r爆：對人員和機械設備的危害較大，還可能造成大量超挖。一般表現(xiàn)為大面積的爆裂彈射現(xiàn)象，持續(xù)時間長，形成大片的爆坑并且深度較大。嚴重情況下，會立即引發(fā)拋石現(xiàn)象，即巖石從圍巖中迅速拋射出來，拋射的巖石體積較大，速度超過5 m/s，拋射距離較遠。

根據(jù)該項目隧道左洞ZK86+165～ZK86+147段（Ⅲ級圍巖、埋深350 m）、右洞K86+135～K86+111段（Ⅲ級圍巖、埋深370 m）已發(fā)生的掉塊、拱頂局部坍塌、局部石塊彈射情況表明隧道已進入弱～中等巖爆段施工，表明該項目隧道處于強烈的巖爆等級地段。

4 公路隧道內(nèi)巖爆的預防及處治對策

巖爆的處置遵循“一躲、二防、三治”的原則進行。

（1）躲：當遇到巖爆彈射性（中等巖爆）或者爆炸拋石型（強烈?guī)r爆）巖爆時，及時將現(xiàn)場施工人員撤離現(xiàn)場，并設置隔離區(qū)阻斷人員進入。待圍巖穩(wěn)定后再進行“防治”處理。兩人專人輪換值守定人、出現(xiàn)巖爆逐級上報的程序。

（2）防：在巖爆段，在施工中會有預見性和針對性地采取適當?shù)募夹g措施，以防止巖爆的發(fā)生，或者減輕巖爆的強度，延緩巖爆的發(fā)生時間。

（3）治：指在已經(jīng)進行防護的基礎上，采取額外的技術措施或加強已有的措施來控制巖爆，并使其不會對人員造成傷害，從而讓作業(yè)人員完全感到安全。

4.1 公路隧道內(nèi)巖爆的預防措施

巖爆有高地應力、埋深、巖石單軸抗壓強度、巖石脆性、圍巖等級五方面原因綜合產(chǎn)生，具體預防措施包括以下幾個方面[3-4]：

4.1.1 超前預報

對隧道內(nèi)巖爆的預警，最全面的方法是綜合利用理論分析方法、數(shù)值分析方法、微震監(jiān)測方法，但是實際應用方面，主要是利用微震監(jiān)測方法，同時利用數(shù)值分析方法。

（1）監(jiān)測方案。①監(jiān)測：采用24 h無遺漏微震信號采集、分析與預警。②報告：采用每天一報的形式，目的是為第二天的施工作業(yè)提供必要的預警，為采取防范措施提供依據(jù)。

（2）預警信息展示。預警信息包括巖爆的次數(shù)、巖爆的震級，預警信息將在隧道的三維幾何圖中展示，即以時空形式展示。這樣便于與現(xiàn)場施工人員進行交流，也易于理解現(xiàn)階段與下階段發(fā)生巖爆的最大可能位置與能量。

（3）地應力測試。綜合考慮大峽谷隧道的超埋深，計劃每400 m做一次地應力測試，結(jié)合微震監(jiān)測結(jié)果更精確判斷圍巖應力情況。

4.1.2 多臂鑿巖臺車鉆孔開挖法

大峽谷隧道主洞及斜井均為凈寬10.25 m、凈高5 m的主洞尺寸和凈寬13.25 m、凈高5 m的加寬段尺寸及凈寬16 m、凈高5 m的交通轉(zhuǎn)換帶尺寸，施工屬大斷面開挖。在Ⅲ級圍巖中、強巖爆段將采取多臂鑿巖臺車開挖，減少掌子面作業(yè)人員，可確保掌子面至機械操作臺安全距離達10 m以上，有效降低安全風險。

4.1.3 短進尺、弱爆破

為了減小地應力釋放的面積和空間，加快初期支護速度并減少圍巖裸露時間，可以縮短每循環(huán)進尺的距離。此外，采用弱爆破技術也能減少對圍巖的擾動，并避免誘發(fā)地應力二次釋放和巖爆等不良后果。在進行爆破作業(yè)時，需要注意選擇合適的方法和技術，以確保工程安全、高效完成。

4.1.4 提高光面爆破成型效果

（1）爆破設計。該隧道采用乳化炸藥，電雷管起爆，非電毫秒管引爆。起爆順序：起爆器—擊發(fā)筆—導爆管—非電毫秒雷管—炸藥。

通過爆破試驗確定爆破參數(shù)，試驗時見表1。

（2）炮孔布局與起爆網(wǎng)絡。在炮孔布置方面，先布置掏槽眼和周邊眼，再布置輔助眼、底板眼和內(nèi)圈眼，最后布置普通掘進眼。起爆順序為掏槽眼、輔助眼、周邊眼和底板眼。所有炮孔按要求裝入炸藥和非電毫秒雷管，并做好炮孔堵塞。所有傳爆雷管用電雷管聯(lián)結(jié)。

（3）光面爆破施工。在光面爆破施工中，周邊眼的開眼位置在設計斷面輪廓線上允許沿輪廓線調(diào)整其誤差不得大于5 cm。掏槽眼的方向應盡量垂直于巖層層理，并加深20 cm左右。周邊眼嚴格按設計開挖輪廓線布置，在硬巖層中，周邊眼的眼口在斷面設計輪廓線上，眼底超出輪廓線小于10 cm；在軟巖中，周邊眼的眼口在斷面設計輪廓線內(nèi)小于8 cm，眼底落在輪廓線上。

清孔裝藥：采用隔眼裝藥，堵塞炮泥，增加光爆效果，以達到開挖輪廓線圓順，盡量避免凹凸不平造成的地應力集中，以達到減弱巖爆的發(fā)生。

4.1.5 超前應力釋放

（1）超前深孔預爆破。根據(jù)觀察統(tǒng)計，大峽谷隧道出口主線左、右洞及斜井巖爆圍巖應力主要集中在掌子面左側(cè)拱頂。因此，在掌子面左側(cè)拱頂采用ZY880型潛孔鉆預鉆30 mΦ108鉆孔（同洞口管棚），采用PVC塑料軟管10 m/段（每段5節(jié)乳化炸藥）裝藥，炮泥堵塞孔口，提前預爆破松動圍巖，釋放應力。

（2）應力釋放孔。在掌子面鉆掘炮孔的同時，加鉆4個6～6.5 m僅在末端裝炸藥的應力釋放孔（掌子面平均分布），可有效釋放巖爆能量。

4.1.6 孔內(nèi)注水、高壓噴水

根據(jù)設計文件，該項目大峽谷隧道在高埋深段也易出現(xiàn)高地溫現(xiàn)象，而地應力又常與地溫有關。在預爆破的30 mΦ108鉆孔爆破后，在孔口安裝Φ127孔口管及止?jié){閥，注水后堵塞，水跟隨爆破裂隙進而軟化圍巖，加快圍巖內(nèi)部的應力釋放，另外在放炮通風后，出渣之前，采用XMC4PW/120型全地形消防摩托車噴水，可降低溫度和釋放地應力。

4.2 公路隧道內(nèi)巖爆的處治對策

主要采取“錨”“噴”“網(wǎng)”及靈活組合運用，遵循“勤支護、快封閉”的原則及時施作[5]。

4.2.1 超前錨桿

對于巖爆段施工，在掌子面施作超前錨桿，對開挖前方拱部圍巖進行支護，根據(jù)巖爆強度等級的不同，超前錨桿支護參數(shù)如下：

弱巖爆：初支采用1.2 m間距I14型鋼，超前采用22藥卷錨桿錨，長3.6 m，搭接1.2 m，環(huán)向間距40 cm，拱頂90 °范圍施作。

中等巖爆：初支采用1 m間距I16型鋼，超前采用22藥卷錨桿錨，長3.5 m，搭接1.5 m，環(huán)向間距40 cm，拱頂120 °范圍施作。

強烈?guī)r爆：初支采用80 cm間距I18型鋼，超前采用25藥卷錨桿錨，長4 m，搭接1.6 m，環(huán)向間距40 cm，拱頂120 °范圍施作。

4.2.2 隨機錨桿

為了避免掌子面開挖后的巖爆危險，施工人員需要進行多次找頂處理。雖然這樣處理可以降低危險，但仍然難以避免較大危塊的裂而不掉。據(jù)統(tǒng)計，在距掌子面后6～12 m范圍內(nèi)仍是巖爆活躍區(qū)。在掌子面開挖后的5～20 h（最長達65 h），常有不規(guī)則的裂縫出現(xiàn)，警示著存在危險因素。因此，隨機加打若干錨桿對于預防和治理巖爆非常有效。這種錨桿的方向、長度和間距需要由有經(jīng)驗的施工技術人員根據(jù)巖面的裂紋、節(jié)理、裂隙等情況隨機指定。漲殼式錨桿具有即時施作即時生效的搶險性質(zhì)，安裝后即可發(fā)揮作用。

4.2.3 噴混凝土封閉工作面

在出渣、找頂處理危石之后，先對掌子面及洞壁周身快速噴5 cm噴射混凝土（弱巖爆段采用素混凝土，中等巖爆段及中等以上巖爆段采用鋼纖維混凝土）為了迅速封閉掌子面和洞壁周圍的巖面裂縫，并使巖面更加平順，可以使用鋼纖維混凝土。相比傳統(tǒng)的素混凝土，鋼纖維混凝土具有更大的柔性和抗剪能力。這樣能夠有效地加固巖體，并提高其整體的穩(wěn)定性，因此更適合應對巖爆突發(fā)情況，避免以及減少巖爆危害。

4.2.4 加強錨、噴、網(wǎng)聯(lián)合支護

除了常規(guī)的錨噴網(wǎng)工法施工外，還可以采用雙層掛網(wǎng)和混凝土中摻入外加劑的方式進行加固。這樣可以增強混凝土的強度，使其具有早期強度和速凝性，并形成一種既有相當強度又具備柔性的支護體系。這種體系能夠承受來自動態(tài)和靜態(tài)荷載引起的變形，而不會導致表層開裂，它可以有效地抑制巖爆的發(fā)生并減輕巖爆的強度。根據(jù)巖爆強度等級的不同，錨、噴、網(wǎng)聯(lián)合支護參數(shù)如下：

弱巖爆：拱部180 °范圍布設15/16根梅花樁22藥卷錨桿錨（縱×環(huán)：1.2×1.2 m）和單層6.5（25×25 cm）鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土厚20 cm。

中等巖爆：開挖外輪廓全環(huán)范圍布設20/21根梅花樁22藥卷錨桿錨（縱×環(huán)：1.0×1.2 m）和單層8（20×20 cm）鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土厚22 cm并額外摻早強外加劑。

強烈?guī)r爆：開挖外輪廓全環(huán)范圍布設24/25根梅花樁22藥卷錨桿錨（縱×環(huán)：0.8×1.0 m）和雙層8（25×25 cm）鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土厚24 cm并額外摻早強外加劑。

5 結(jié)語

公路隧道內(nèi)巖爆的特點包括難以準確預測、危害嚴重、影響復雜，而相關的施工對策需要綜合考慮地質(zhì)條件、巖層性質(zhì)、地下水情況、隧道施工工藝和支護措施等多方面因素。因此，針對公路隧道內(nèi)巖爆特點，有效的施工對策應當包括但不限于采用合理的爆破參數(shù)、實施綜合的地質(zhì)預報和監(jiān)測、選擇適當?shù)膸r體支護方式等措施。通過綜合應用這些施工對策，有望降低公路隧道工程中巖爆事故的風險，保障隧道施工的安全性和順利進行。

參考文獻

[1]郭春恒， 陳旭東， 李碧涵. 巖爆形成機理及防治措施研究[J]. 科技風， 2023（9）： 75-77.

[2]樊永泰. 西南地區(qū)硬巖隧道巖爆處治技術及應用[J]. 價值工程， 2023（28）： 163-165.

[3]關培山. 高原鐵路隧道巖爆施工技術研究[J]. 鐵道建筑技術， 2023（5）： 180-183+188.

[4]師永翔. 大萬山特長深埋隧道地應力研究與巖爆分析[J]. 山西交通科技， 2022（3）： 82-85.

[5]賈益柱. 大峽谷高速公路隧道內(nèi)巖爆的特點及施工對策[J]. 技術與市場， 2023（2）： 72-75.