北武夷山隧道岩爆判定与施工控制

黄维锋



北武夷山隧道岩爆判定与施工控制

黄维锋

中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司

通过对京福高铁北武夷山隧道岩层应力和结构分析，结合以往岩爆理论和控制经验，对隧道实际开挖时岩爆发生情况，制定隧道岩爆的预防和施工措施，在开挖过程中逐步修正，保证了隧道开挖时岩爆的预防和安全控制，满足了隧道开挖支护的安全性和有效性。

隧道 岩爆判定 措施方案 控制

1 工程概况

北武夷山隧道位于福建省武夷山市北侧约29km处，进口位于江西省上饶县，穿越福建与江西交界分水岭——武夷山脉，出口位于福建省武夷山市，是京福高铁的控制性工程之一。隧道进出口里程分别为：DK520+283.91、DK534+913，全长14629.09m，最大埋深1100m，开挖最大断面为宽14.1m、高10.6m，断面开挖面积为125.47m2，为双向列车隧道。

2 北武夷山隧道发生岩爆的地质特征

发生岩爆的位置主要在正洞DK525+810～DK529+580段，属极高应力区，按岩石的坚固性分级为Ⅱ级围岩，开挖过程中发生大小不等岩爆。其地质特征：J3n流纹质晶屑凝灰熔岩及花岗岩，岩质坚硬，岩体完整，凝灰熔岩单轴饱和抗压强度Rc=74.86MPa，γ=28kN/m3，花岗岩单轴饱和抗压强度Rc=70.9MPa，γ=28kN/m3。

2.1 岩爆发生特征

在隧道开挖爆破后，发生岩爆没有明显的预兆，通过找顶作业后没有岩裂响声。在认为不会发生岩石掉块时，一些部位突然岩石爆裂，石块有时应声而下或松动挂在洞壁上，岩爆崩石弹力较大，在没有支护的情况下，对施工安全威胁极大。

岩爆发生地段围岩较硬，洞内非常干燥、无水，围岩较多为片层状和大块状锤击声脆。岩爆时，一般石块由母岩弹出，呈现中间厚、周边薄、不规则的片状。

岩爆发生的地点：一般在掌子面附近，由于开挖时，洞内温度较高、干燥，没来得及支护，发生岩爆，主要是松动、剥离。也有个别发生在距开挖工作面较远处，一般发生在爆破后2～3h内；有的部位还可产生二次岩爆，一般在爆破后10～12h内。

依据岩爆发生的时间，隧道岩爆可分为瞬时岩爆和滞时岩爆。隧道爆破开挖后3～20h的时间内最为活跃，滞时岩爆可能推进到数天或数月后发生，支护的部位可能再次剥落。

2.2 岩爆剥落的位置

针对北武夷山隧道高应力岩爆发生情况进行统计（按500m试验段），岩爆发生剥落弹射的部位大致分布如下几个：

北武夷山隧道岩爆掉块最多的是拱顶线左右4m圆弧范围，围岩以片层状，掉块，没明显症状（见图1）。

在边墙与拱顶圆弧交接线左右容易发生石块弹射，发生时洞壁轻微石裂响声，弹射力较大，给施工作业带来较大安全隐患（见图2）。

在滑层或大块石断层等地段容易发生岩爆，以掉块以主，往往滑层位置有大块石下坠或慢慢下滑（见图3）。

图1 拱顶岩爆

图3 滑层岩爆掉块

3 北武夷山隧道岩爆的分析和等级划分

3.1 岩爆的强度分析

对武夷山深埋隧道岩爆发生时间情况分为瞬时岩爆（最大应力水平远远大于岩体强度）、滞后岩爆（最大应力水平接近于岩体强度），两者都要经历岩爆应力和板裂结构演化过程。演化图如图4、图5所示。

图4 岩爆应力演化过程图

图5 岩爆板裂结构演化过程图

由于隧道开挖后，对原状态的围岩造成破化，应力发生变化，整个空间结构发生变化，特别是高应力区的围岩，隧道内开挖往往发生等级不同的岩爆。根据北武夷山隧道高应力的地质情况，围岩为Ⅱ级围岩花岗岩，利用围岩强度应力比Rb/Óm值、隧道临界埋深《水利水电工程地质勘察规范（50287-2006）》判定为依据，汇总列于表1。

表1 不同等级的岩爆判别表

表2 几种岩石的泊松比值表

其中：临界埋深Hcr根据下式计算：

Hcr=0.318 Rb(1-μ)/(3-4μ)γ

式中：Hcr为临界埋深、Rb 为岩石饱和单轴抗压强度、μ为岩石泊松比、γ为岩石重力密度（kN/m3）。北武夷山隧道围岩中，Rb=70.9MPa、γ=28 kN/m3，故Hcr计算所知，在北武夷山隧道埋深远远超过临界埋深300m。

3.2 确定岩爆的等级

按岩爆等级表及隧道内发生岩爆的特点对照，北武夷山隧道岩爆主要以轻微岩爆(Ⅰ级)为主，部分发生中等岩爆(Ⅱ级)，预防强烈岩爆（Ⅲ级）。

4 制定北武夷山隧道岩爆的预防和施工措施

隧道岩爆是施工过程中的控制难点，直接影响到施工的安全和工期，处理岩爆的基本原则：以防为主、防治结合，先防后治。根据影响岩爆的因素：地应力条件（重力、构造应力、工程扰动应力等），岩体强度和结构，工程断面尺寸效应和形状效应，开挖方式与开挖速度，支护类型与施工质量，确定防治岩爆发生的主要措施为弱化围岩和强化围岩。

4.1 岩爆弱化围岩措施

采用全断面爆破开挖，以“短进尺、弱爆破”的施工方式，切实提高光爆效果，保证洞室轮廓规则圆顺，同时严格控制爆破的炸药用量，尽可能减少对围岩的影响，避免应力集中。

爆破开挖后，采用高压水枪立即对开挖面周围高压冲水，降低洞室的温度，软化岩面，减弱岩爆的强度。同时对开挖面的找顶作业，清除危石。

对岩爆集中区或中等强度的可以采用锚杆和钻孔压力注水，及时用水胀式锚杆加固岩体，改善围岩应力。也可以采用超前钻孔，用高压水枪向孔内注水，缓解应力集中。

采用应力释放法，在施工中可采用松动爆破法、超前钻孔预爆、超前小导坑掘进法、打应力释放孔等方法，将岩石原始应力提前释放。

4.2 岩爆强化围岩措施

岩爆强化围岩的措施主要是对不同等级的岩爆采用不同岩面加固措施。一般是在开挖后找顶作业完实施，主要用喷射混凝土或喷钢纤维混凝土、打锚杆或锚杆网与钢筋网联合喷浆支护、加设钢拱架（严重时采用）等措施对围岩面进行封闭，使围岩的应力改变，延缓或抑制岩爆的发生。

4.3 北武夷山隧道岩爆的防治措施

根据对岩爆的强、弱化围岩措施，结合现场实际开挖岩爆防治试验，制定了北武夷山隧道岩爆的防治措施：

4.3.1 轻微岩爆（Ⅰ级）、中等岩爆（Ⅱ级）防治措施

（1）采用全断面光面爆破开挖，将深孔改为浅孔爆破，严格断面炮眼的距离，控制一次性爆破炸药量，拉大不同部位炮眼的雷管段位间隔，延长爆破时间，以减轻爆破对围岩应力的影响。

（2）控制开挖进尺距离，一般为2～3m，尽可能一次性全断面成形，以减少围岩应力平衡状态的破坏。

（3）爆破开挖后采用高压水枪及时在作业面喷水，尽量使岩面湿润，同时采用机械找顶，清理危石。

（4）对轻微岩爆（Ⅰ级）部位采用初喷5cm厚的CF30钢纤维混凝土，防止洞内围岩表面的剥离，对岩爆掉块较大、滑层或断层位置采用锚杆加钢筋网喷CF30钢纤维混凝土封闭，对存在二次岩爆的部位，二次喷射混凝土厚8cm。

（5）中等岩爆（Ⅱ级）集中段，可采用超前钻孔应力解除法释放部分应力，在靠掌子面5m范围的拱顶和拱腰部位打径向应力释放孔。应力释放孔为不装锚杆Ø42mm空孔，孔深2m，间距2～3m，数量根据实际需求布置。对一些岩爆连续发生段，在施工后可以进行待避，等高峰期过后再进行作业（见图6）。

图6 岩爆处理示意图

（6）中等岩爆（Ⅱ级）的岩面，边拱顶采用锚喷支护法：喷厚7cm的CF30钢纤维混凝土(或纳米混凝土)+挂网Ø6.5@15×15cm，锚杆采用Ø25、L=3.5m长涨壳式预应力锚杆或水胀式锚杆，间距按1.5m×1.5m布置。后期边拱顶范围，二次喷混凝土C25厚8cm。

4.3.2 强烈岩爆（Ⅲ级）预防措施

对强烈岩爆（Ⅲ级）也必须制定防治措施，避免在开挖施工中出现强烈岩爆无措施可行，造成不必要的损失。

（1）开挖采用光面爆破为主，在岩爆烈度大、连续距离长的地段采用预裂爆破，局部采用应力解除，多循环作业。在打钻的同时对岩爆多发的起拱线部位，在掌子面相邻两周边眼中间沿隧道纵向打应力释放孔，孔深4.5～5m，（间距40～50cm，外插角25°～35°），炮眼间隔装药（见图7）。

图7 应力解除法

（2）开挖进尺控制在2m以下，采用打超前钻孔，提前释放应力，降低围岩面的能量。作业台车及装渣机械、运输车辆顶部加装防护钢板，避免岩爆时危石弹射砸坏机械和砸伤作业人员。

（3）爆破作业后，及时用高压水枪对掌子面和洞壁均匀喷水，以降低岩体的强度，也可以钻超前注水孔，超前注水孔布置在边墙及拱部开挖断面轮廓线外10～15cm范围内，并向孔内灌注高压水，软化围岩，加快围岩内的应力释放。

（4）采用边拱顶网锚喷支护法，喷厚7cm的CF30钢纤维混凝土(或纳米混凝土) +挂网Ø8@15×15cm，锚杆采用Ø32、L=4.5m长涨壳式预应力锚杆或水胀式锚杆，间距按1.0m×1.0m布置。视岩爆强度随机增设钢筋拱肋。后期边拱顶范围，二次喷混凝土C25厚8cm。

5 北武夷山隧道岩爆防治措施现场实施情况

根据隧道开挖方法及发生岩爆的可能性分析，本隧道围岩为Ⅱ级，采用全断面光面爆破，全断面共布置了31把风钻，断面爆破设计256个炮眼，炮眼间距在40～50cm之间，平均每平方米2.04个炮眼。每循环开挖进尺为3.0m左右，爆破方量约375m3，装药量为473.5kg，平均单耗药量1.26kg/m3（见图8）。

图8 炮眼布置图

对开挖台车、喷浆台车及作业车辆顶部加装防护钢板，在发生岩爆时避免危石弹射或掉落的破坏。

每一个作业循环必须做到：爆破后立即向工作面及工作面后方20m范围内的岩面，用高压水枪喷水以降低岩石的脆性，减弱岩爆的强度，洒水工作不间断，保持洞室内的湿度。

认真做好开挖的围岩观察，加强现场岩爆监测、警戒。爆破1h后等围岩稳定，再进行掌子面的找顶作业，必须用机械臂来回找顶，保证危石清理彻底，才能进行下一工序作业。找顶时，围岩内部如有闷响，必须停止作业及时撤离到安全地点内，查明情况后再决定是否继续进作业。

对掌子面周围进行喷钢纤维混凝土作业，厚5cm进行岩面封闭，对岩爆后拱顶弹射的坑槽、滑层、断层的交界岩面打锚杆+钢筋网固定，喷射钢纤维混凝土封闭。

现场如发生中等岩爆，边拱顶采用锚喷支护法：喷厚7cm的CF30钢纤维混凝土+挂网Ø6.5@15×15cm，锚杆采用Ø25、L=3.5m长涨壳式预应力锚杆，间距按1.5m×1.5m布置。后期边拱顶范围，二次喷混凝土C25厚8cm。

作业工艺流程图如图9所示。

图9 作业工艺流程图

6 结语

依据对北武夷山隧道岩爆的分析和等级判定，结合相关规范要求，确定了岩爆的防治方案，在发生轻微岩爆（Ⅰ级）和中等岩爆（Ⅱ级）时，采用强化围岩和弱化围岩的措施，能够有效维持围岩的完整性和稳定性，防止或延缓岩爆的发生，保证了隧道施工的安全和质量要求，对隧道爆破岩爆防治类似工程有一定借鉴意义。

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