中天山隧道岩爆段开挖处理技术

庞建康

一、工程概况

中天山特长隧道位于托克逊、和硕间中天山东段的岭脊地区，穿越中天山北支博尔托乌山中山山地，平均海拔1100-2950米，最高海拔为2951.6米。山岭南北两侧地形切割剧烈，山高坡陡，基岩裸露，沟壑纵横，地形复杂，植被稀疏，相对高差800～1200m。隧道左线起讫里程为DK141+590～DK164+042，全长22452m。

该隧道穿过多个褶皱、断裂构造发育带，隧道通过埋深＞1500m段落十余公里，最大埋深达1700m以上。根据地应力测试结果对隧道围岩稳定性进行的分析，初步判定本隧道存在高地应力甚至极高地应力的影响，地应力状态复杂。近期施工中天山隧道的岩爆主要分布在DK156+700—K156+850的混合片麻岩段，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。该段岩层走向为北偏西80°，倾角为55°，向北倾斜，中薄层状，隧道埋深约1500m，掌子面干燥、无水，围岩整体性较好。

二、存在的问题

2010年10月26日经过洞内现场观察,该段岩爆一般具有以下特点： 1、在岩爆未发生前，并无明显的征兆，虽经过仔细寻找，并无空响声，一般认为不会掉落石块的地方，也会突然发生岩石爆裂声响，石块有时应声而下，有时暂不坠下。 2、岩爆发生的地点多在新开挖的工作面附近，个别的也有距新开挖工作面较远，常见的岩爆部位以拱顶或拱腰部位为多；岩爆在开挖后陆续出现，多在爆破后的2～3小时，24小时内最为明显。 3、岩爆围岩的破坏过程，一般新鲜坚硬岩体均先产生声响，伴随片状剥落的裂隙出现，裂隙一旦贯通就产生剥落或弹出，属于表部岩爆，一般在新开挖的掌子面。4、该段岩爆时围岩破坏的规模为以下三类：

1）剥落型：围岩呈块、片状爆裂，爆裂声微弱。爆裂的岩块需经过一段时间后才从母岩表面弹射下来，弹射距离较小。弹射速度一般小于2m/s，部分岩块是自上而下的坠落；为微弱的岩爆，但因其规模大、持续时间长，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。

2）爆裂弹射型：岩片的弹射及岩粉的喷射，爆裂声响如同鞭炮，爆出的岩块成片状弹射或剥离，射出来的岩块多为中间厚、周边薄的鳞片，其较大的块体达到直径D=0.2～0.6m、厚度h＝0.1～0.4m，岩片弹射的速度一般约为2.0～7.0m/s，发生的部位一般在新开挖的工作面及其附近的拱部。岩爆发生前连续发生有如破竹般的劈啪声，发生后有岩粉尾随出现。发生岩爆的洞壁岩面一般光滑平整。此类型为中等岩爆，此种类型岩爆无明显预兆，持续时间短（一般在开挖后6～12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。

3）爆炸抛射型：巨石抛射，声响如炮弹爆炸，“砰”的一声抛石体积有数立方米，抛射距离5.0～10.0m。弹射的速度一般大于5m/s，岩爆部位集中于爆破后的开挖面。岩爆发生也在爆破后6-12小时内，并很快趋于平稳，此类型为强烈岩爆，具有一定规模，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。

4）掌子面5～60m范围拱部设计为局部挂网，拱部虽然喷射了8cm混凝土，但受高应力影响，多处发生掉块现象，属于二次岩爆，尤其2010年10月26日，掌子面20m ，DK156+840处发生突发性二次岩爆，抛石体积近四立方米，这种类型的岩爆持续的时间长，对机械设备、施工人员作业有很大的影响。

三、现场调查

根据我单位多年来修建公路、铁路隧道工程的施工经验，针对现状通过深入调查和认真分析，产生岩爆主要有以下5个方面的条件：(1) 岩石的强度Rb≥80MPa；(2) 岩层中的原始初应力σ0≥(0.15～0.2)Rb；(3) 围岩的级别：Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ级；(4) 隧道的埋深H≥50m；(5) 岩石干燥无水，呈脆性，节理基本不发育。式中 σ0为原始最大主应力；Rb为岩石的单轴抗压强度。

DK156+700—K156+850段设计为Ⅲ级围岩，开挖段隧道埋深约1500m，最大水平应力值σ0=18.65MPA，掌子面为片麻岩Rb=92MPa，该段岩层走向为北偏西80°，倾角为55°，向北倾斜，中薄层状，掌子面干燥、无水，围岩整体性较好。一般来说，发生岩爆的隧道基本上能同时满足这5个条件。但是，也有极少数的隧道，在并未完全满足这5个条件的情况下，也出现了岩爆，且有的岩爆的强度还不低。因此，为了更具普遍性，只要满足其中任意三项指标时，即可判定岩爆的存在。

四、施工处理措施

一般情况下，对隧道岩爆应采用行之有效的预防措施，降低岩爆的发生机率，减小岩爆强度。对于岩爆较严重的部位，要先处理后施工，确保施工安全。

1、岩爆预测。在岩爆隧道施工过程中，采用以超前探孔为主进行地质预报，并在开挖面及其附近的观察预报，通过地质的观察、素描，分析岩石的“动态特性”，主要包括岩体内部发生的各种声响和局部岩体表面的剥落等。

2、岩爆预防措施。根据预测岩爆强度大小对其进行严格分级，针对不同的岩爆级别采取下列技术措施：

1）切实提高光面爆破效果，保证洞室轮廓规则圆顺，避免应力集中；并严格控制装药量，以尽可能减少爆破对围岩的影响。

2）微弱岩爆地段，爆破后立即对围岩喷洒高压水，软化表层，促使应力释放和调整，减弱岩爆强度。

3）中等岩爆地段，在隧道开挖断面轮廓线外10～15cm范围内，在侧壁及拱部，打设注水孔，并向孔内喷灌高压水，软化围岩，加快围岩内部的应力释放。

4）加强机械找顶和人工来回找顶。

5）选用预先释放部分能量的办法，在靠近掌子面的5m范围的拱顶和拱腰部位打径向应力释放孔，加快围岩内部的应力释放。应力释放孔为不装锚杆的Φ42空孔，孔深2m，间距2~3m，按实际需求布置。

3、岩爆处理措施。隧道施工中，一旦发生岩爆，应立即采取下列应急处理措施：

1） 停机待避，同时进行工作面的观察记录，如岩爆的位置、强度、类型、数量以及山鸣等。

2）加强光面爆破，保证洞室轮廓规则圆顺，避免应力集中；并严格控制装药量，以尽可能减少爆破对围岩的影响。在中等岩爆、强烈岩爆地段采取短进尺（每循环进尺2.5m）、多循环、弱爆破措施。

3）爆破后立即向工作面及工作面后方10m范围的隧道洞壁，用高压水进行喷洒以降低岩石的脆性从而减弱岩爆强度，洒水工作不间断的连续进行，必须经常保持洞壁的湿润。

4）爆破后至少0.5h才可进行出碴，出碴车停在掌子面30m范围外。

5）加强掌子面的找顶工作，在侧壁和拱部，每一循环内进行2～3次找顶、排险。找顶彻底后，展开下道工序的施工。找顶应特别注意安全，听到围岩内部有闷响时，人员必须及时撤离到安全地点。

6）对于岩爆特别严重的部位，在最短的时间内对围岩进行锚喷网支护，防止作业时落石伤人，在拱顶和拱腰打设L=2.5m系统锚杆，锚杆间距1.2*1.2m（环*纵），按梅花形布置，同时在靠近掌子面的5m范围的拱顶和线路右侧拱腰部位打径向应力释放孔。应力释放孔为不装锚杆的Φ42空孔，孔深2m，间距2m，特别是在线路右侧拱腰的部位。并安装钢筋网，网格间距25cm，挂网后在锚杆外露端头横焊Φ22的钢筋，加固后再对底部3m以上的范围进行二次喷射混凝土施工。

五、结束语

2010年11月16日，现场检查支护质量，经检查：通过对岩爆研究、分析及处理，采取定人、定岗施工及监控等有效措施后，较好地通过了85m岩爆段，所喷的混凝土个别处发生开裂、剥落；围岩收敛变形基本稳定，对岩爆段的处理是比较成功的；虽然施工进度减慢了，但保障了施工安全，质量也满足了设计要求，没有发生人员伤亡事故。

由于中天山隧道地质复杂，且是南疆施工的最长的隧道，因此对该隧道质量管理特别严。通过本次小组活动，提高了全体成员解决现场实际问题的能力，积累了长大隧道岩爆地段的施工经验，得出了一些行之有效的施工参数和施工方法，为今后施工提供了技术保证。同时，我们将在今后的工作中长期开展质量管理活动，发现新情况，解决新问题，掌握新工艺，不断提高产品质量，为企业争得良好的信誉。