公路隧道岩爆预测和防治方法研究

高冯明

【摘 要】在中西部地区，修建特长隧道是实现陆路交通一体化的重要措施。特长隧道的施工方法主要有钻爆法和隧道掘进机法。目前的研究对特长隧道的施工方法中的钻爆法研究比較少，但是应用又比较多，本文以某特长公路隧道为研究对象对公路隧道岩爆预测和防治方法进行研究。

【关键词】特长隧道，公路隧道，岩爆分析

1.公路隧道岩爆预测

某特长公路隧道具有如埋深大、地应力高等特点。其岩性坚硬并且较脆，这就决定了其岩爆的可能性大大增加。在现场勘测的基础上，结合对该特长隧道特点的分析，可以得出岩爆的两个决定性因素包括地应用及岩性。岩性条件指的是储能性能优良的弹脆性岩体，隧道初始应力条件最好是地应力较高。在该项目中，混合片麻岩属极硬岩，各项指标满足上述分析的岩爆条件，因此发生岩爆的可能性较大。

根据施工经验以及本区域其它工程相关研究成果，在本试验段，最大主应力角度近90度，最大主应力的值，地应力较高。最大水平主应力为N34W左右，应力值约12.0MPa～28.0MPa，这一结果和隧道轴线大致相同，这充分说明隧道所受的力主要来自重应力，水平侧压力影响不大。

根据相关的研究成果以及具体的实践经验，可以将该特长公路隧道岩爆发生的临界条件用下式表示：

式中：Rc-岩石的单轴抗压强度，MPa；Rt一岩石的单轴抗拉强度，MPa：Wet磷厂岩石的弹性能量指数，MPa；σt隧道洞壁最大切向应力，MPa，σt=3（σ1～σ3）；kv一岩体的完整性系数。

根据岩体及岩块纵波速计算结果，同时结合有关测试结果，可以得出公路隧道可能发生的岩爆等级在轻微至中等之间。

如果围岩内部发生的爆裂声响较为清脆，岩爆力学机制表现为压致拉裂型破坏类型，多平行洞壁发生且仅涉及表层岩体，岩爆岩块以薄片状、透镜状、板状等形状爆裂剥离下来；如果围岩内部发生的爆裂声响较为沉闷并且浑浊，则岩爆力学机制主要表现为剪切拉裂型破坏，具有新鲜的楔形、弧形断口，它持续时间较长且具有累进性发育特征，破坏性较大。

2.有限元分析

利用数值计算的方法可以对岩爆进行较为精确的预测，可以为实践提供良好的理论指导。在该隧道中，岩性以混合花岗岩、混合片麻岩为主。在隧道开挖中，由于隧道上相关部位的受力更加复杂，同时由于铁路隧道的施工，岩爆发生的可能性大大增加。

为了施工安全，提早作好预防措施。率先施工试验段，从开辟横通道，此处洞身最大埋深1275.0m，VI类混合片麻岩，弹性模量E为5.4～9.9×104Mpa，干容重Y为2.63～2.75t/m3，内摩擦角Ψ为33.9°～38.7°，内聚力C为18.9～25.0MPa。根据弹性力学的理论，选取模型范围为：横通道取35m。采用ANSYS6.1计算软件对隧道正洞和横通道建立模型并进行有限元分析。采用地层与结构模式进行加载计算。试验段20通处为Ⅵ类混合片麻岩，其物理力学性质如表2所示。

（1）计算结果

从上述的计算中，可以看出：

①横通道施工的过程中，在施工至中间时，周围围岩应力变化较小，但随着施工的进行，围岩应力逐渐增加，特别是在横通道拱角向上部位。

②对主洞扩展挖掘时，在横通道边墙与主洞初衬外侧交叉部位的应力较为集中。

③在施工过程中，往西安方向的主洞边墙附近的应力较为集中。

④在施工过程中，往安康方向的拱顶与墙趾附近的应力较为集中。

⑤在开挖工作结束后，Y方向的变形不显著，这一现象的出象和20通W类混合片麻岩的脆硬性质存在一定的联系。另外横通道的水平应力较大，竖直应力也较大，主洞边墙围岩也存在类似的现象。出现这一结果的原因主要是应力重分布导致的。

（2）预测

①在横通道施工时，不会出现岩爆现象。但施工至与主洞交叉部位时，在拱角处可能会产生岩爆。

②在主洞进行扩展挖掘过程中，在交叉位置相近处，横通道边墙与主洞两侧掌子面均可能产生岩爆。

③在施工过程中，分别在边墙及拱顶与强制墙趾处可能产生岩爆。

④在整体开挖工作结束后，横通道产生岩爆的可能性较大。

3.公路隧道岩爆防治方法

根据我国公路隧道的岩爆特征和地下工程岩爆防治的经验，在终南山公路隧道施工实践中提出了与表2中岩爆烈度分级相对应的各级岩爆防治措施。

在表1中，在易发生岩爆部分开挖之后，需要根据实际情况挂网喷锚支护，从而大幅减少岩爆的可能性；同时，换个角度看，如果进行了挂网喷锚支护，如果发生岩爆，实际上该作业即可构成第一道屏障，从而保护了施工人员及施工设备。笔者认为，在初期支护加固围岩和开挖掘进施工时，采取的措施主要包括：

1、可以根据实际情况采取分步循环作业的方式喷C20混凝土。通常，在进行钻爆及排烟作业之后，首先应当进行找顶及找到危石并排除，拱顶先进行一次喷注（混凝土的厚度为5cm）。在初喷完成后，即可进行出碴作业，这一过程构成了完整的循环。二次开挖过程中，首先进行砂浆锚杆作业，再挂钢筋网，随后进行二次喷注（混凝土的厚度依然为5cm），再进行钻爆-排烟-出碴，同时根据情况进行侧边墙的加固作业。如果再次开挖，则根据岩爆的实际情况选择是否进行补喷，补喷时，混凝土的厚度控制在4至5cm；如果岩爆较为严重，则应当对破坏了的钢筋网进行修补或加挂，从而保障施工时的人员及设备安全。

2、在台架安装完毕后，通常即可进行系统锚杆作业。多年的施工经验表明，对于岩爆易发部位，锚杆应当短一点，通常在2至3.5m之间，按梅花型进行布置，相对于普通锚杆密度较大，根据岩爆烈度实际情况确定锚杆的长度及间距。锚杆密度较大的主要原因包括：第一，方便未来挂网施工；第二，能够有效避免岩爆岩石松脱、剥离等情况的出现；第三，与喷网构成有机整体，有效加固围岩。

3、在系统锚杆施工完毕后应当立刻进行钢筋网安装工作。多年的施工经验表明，在实际施工时，可以不采取原设计时的分片状挂网方式，而采取挂"整体网"：也就是利用多个长钢筋与锚杆焊接一起形成骨架，与此同时再将片状挂网焊接在一起从而构成整体，布置时贴近周壁岩石。这一方法的优点包括：由于钢筋网形成了整体，可以有效避免岩爆时发生失效的现象；形成的整体网由于连接更加牢固，对于喷、锚、网均有良好的作用。

4、为了增强光面爆破效果，可以采取导洞超前全断面跟进的方法来进行施工。在选择炸药时，应当选择与硬岩相似的、猛度较高、威力较强的水胶炸药。对于岩爆发生可能性非常低的部位，可以增加周边眼的密度，周边眼采用20小药卷不耦合装药，以便降低爆破产生的影响。另外增强光面爆破技术管理，从而保障开挖轮廓线圆顺，同时降低应力集中的现象。

5、采取一定的方式将部分能量释放。例如，如果岩爆较为轻微，可以用高压水对岩石进行冲洗，从而润湿岩石，释放部分能量。

6、采取短进尺，多循环，弱爆破、强支护的措施，以方便找顶，对危石进行有效处理，如果岩爆较为猛烈，应当进行回避，同时施工过程中需要采取适当措施保障施工设备的安全。

7、在开挖面施工后应当立即进行初期支护施工，具体措施是在爆破后，紧接着即将混凝土喷射至拱部及侧壁，随后需要加锚杆及钢筋网进行初期支护。控制岩层暴露的时间，保障人员及施工设备安全。

参考文献：

[1]徐则民，黄润秋.深埋特长隧道及其施工地质灾害.西南交通大学出版社，2000.5