公路隧道项目层状岩体的岩爆机理及防控探讨

任开富

摘要 隧道岩体结构面的存在，对岩体力学特性产生了直接影响，使其结构完整性、岩体强度明显降低，并与岩爆产生有密切关系。某山岭隧道围岩有大量产状近水平的结构面，受地应力影响岩爆多发。基于此，文章以子母岩隧道工程的岩爆案例为依托，提出了层状岩体脆断失稳临界应力计算公式，并借助能量理论对层状岩体岩爆产生的力学机制加以分析，并结合诱因采取了积极的解决方案。

关键词 隧道工程项目；层状岩体；岩爆机理；岩爆防控措施

中图分类号 U451.2文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）11-0149-03

0 引言

充分认识岩爆产生机理，了解岩体结构面与岩爆内在关联，结合诱因采取合理控制措施，以提高隧道施工质量及安全。岩爆力学机制复杂，一般认为高地应力围岩在隧道施工过程中应力蓄积至一定水平后，突然爆发应力能为主要诱因。该文基于子母岩隧道拱顶岩层岩爆实例，对隧道岩爆力学机制加以分析，以能量理论为基础对岩爆防控措施进行了深入研究。

1 工程概况

子母岩隧道位于道真县洛龙镇境内。为分离式特长隧道，起点桩号为ZK29+240（YK29+223），终点桩号为ZK42+635（YK42+596）全长7 390 m（7 407 m）。分为重庆段及贵州段，贵州段起点桩号为ZK37+287（YK37+203），终点桩号为ZK42+635（YK42+596）长5 348 m（5 393 m）。隧道左幅进口端平面线形位于曲线上，圆曲线半径为R=961 m，渝黔交接处为直线，出口端平面线形位于直线上。右幅进口端平面线形位于曲线上，圆曲线半径为R=959 m，渝黔交接处位于直线上，出口端平面线形位于直线上。隧道左右幅均为单面坡，左幅纵坡为1.77%，右幅纵坡1.75%。左洞超过500 m上埋深段落长度923 m，顶板最大埋深694.9 m。右洞超过500 m上埋深段落长度897 m，顶板最大埋深701.7 m。

现场实测钻孔395.19～516.78深度范围内最大水平主应力为14.08～17.71 MPa，最小水平主应力为9.15～10.89 MPa，垂直主应力范围8.72～11.38 MPa，以水平主应力为主。现场实际施工在200 m埋深时便发生了岩爆，如图1所示。

2 层状岩体岩爆机理分析

以隧址区地质条件为基础，结合岩爆区域、岩体力学指标，隧址钻孔实测结果显示，最大主应力为水平主应力P1，最小主应力为竖向应力值P3，两者关系如图2所示。

隧道地应力环境下开挖隧道的洞壁径向应力值σr和剪切力τ均为0，切向应力值σθ在岩体不同断面水平有所差异[1]。如图2所示A点为洞壁拱顶即洞壁最大切向应力P1出现点，最大主应力值P1与最小主应力P3平行，拱顶和边墙的切向应力分别用下式表示：

水平方向地应力水平大于竖向地应力值，隧道开挖过程中地应力作用下拱顶切向应力水平最大，导致拱部易出现岩爆现象。拱顶部位层状岩体平均厚度为t，厚度极限值为Et，层面产状接近于水平，导致隧道开挖过程中拱顶岩体部分虚空，无支撑段的长度为l，详见图3。为便于计算，对岩层受力情况加以简化，厚度记为t，无支撑段的岩层水平应力为P，则由于层状薄板厚度小，较高水平应力值P影响下，无支撑段岩层易出现断裂崩落。根据弹性力学理论推算层状岩体失稳状态下的临界应力σcr计算公式如下：

现场调研结果显示岩层岩爆崩落岩板长度和宽度水平基本相同，结合上述公式可知：

由上述公式可知随着岩板厚度t值和泊松比v的增大，岩板脆断失稳的临界应力σcr增大，随着无支撑段长度l值增大岩板脆断失稳的临界应力σcr减小。分析岩爆过程可知，水平应力作用下围岩竖向黏合力逐渐被抵消并导致拱顶围岩逐步分离。

3 层状岩体岩爆防控技术

3.1 总体施工方案

采用多种措施加强超前地质预报，探明掌子面前方地质情况，根据隧址地质资料及现场实际地质情况，对隧道岩爆等级进行评估，借鉴该隧道及其他隧道岩爆处理经验采取有效处理措施。该隧道岩爆处理措施主要包括：在爆破钻孔作业时，加密隧道轮廓线位置炮眼，同时间隔加深炮孔，加深部分不装炸药，提高光面爆破质量，保证岩壁光滑，同时提前释放地应力。变更加强隧道初期支护，保证岩爆崩落岩体不破坏初期支护，确保已施工段落下方施工人员安全。爆破后等待1～2 h，然后采用高压水喷洒掌子面岩壁，充分释放岩爆应力，设置防护台架对施工人员及机具进行保护，保证后续施工安全。

3.2 超前地质预报

采用TRT隧道地质预报系统进行长距离地质预报，采用地质雷达进行短距离预报，结合掌子面超前探孔多种手段探明掌子面前方地质情况。采用微震监测系统对岩爆隧道段进岩爆监测预警，结合地质预报结论，提前预测岩爆发生位置及时间。施工人员及机械设备在岩爆发生前提前撤离，避免岩爆产生安全事故，最大限度地降低经济损失[2]。

3.3 光面爆破

（1）控制掌子面周边眼间距在30 cm以内，采用不耦合装药，减小爆破能量对岩层的破坏，保证开挖轮廓线圆顺，避免开挖面应力集中，控制岩爆产生的危害程度。

（2）优化爆破方案，缩短隧道开挖每循环进尺在2 m左右，减少每次炸药总用量。采用电子数码雷管，精确控制每炮爆破时间间隔，控制爆破时间满足实际地质要求，避免爆破能量集中叠加诱发岩爆。

（3）在掌子面拱顶钻一些空炮眼，不装炸药，提前释放围岩地应力。

3.4 加强初期支护

3.4.1 轻微岩爆区

隧道掌子面爆破后，等待2 h待岩爆减弱后，在安全地带用高压水对开挖面洞壁进行喷水，充分淋湿开挖面，再进行危石排除，然后进行初期支护施工作业。初支作业时，设专人观察拱顶围岩及掌子面情况，发现异常情况及岩爆情况时，及时通知施工作业人员撤离至安全区域，待围岩稳定，不发生岩爆，确认安全后再继续施工[3]。

3.4.2 中等岩爆区

针对中等岩爆区，先按轻微岩爆区处理措施实施喷水后，喷射5 cm厚C20早强混凝土封闭掌子面，采用双臂凿岩台车在掌子面按图4钻应力释放孔，孔径?70 mm，深6 m，环向及径向间距1 m，封闭孔口，高压注水，加快释放地应力。待围岩应力充分释放后再施工初期支护，根据实际情况，调整初期支护型钢拱架間距、大小、超前支护小导管等参数加强初期支护。

4 岩爆防护措施

根据岩爆地段实际情况在隧道初期支护，炮眼钻孔作业时设置临时防护台架（详见图5所示）。防护台架采用开挖台车改装，增加纵向滑道、顶升系统及拱顶弧形防护棚[4]。防护台架对施工人员和设备进行有效防护，防止岩爆飞石伤人和砸坏机具，以保证施工安全。

5 结论

综上所述，薄层岩层脆性断裂是引发公路隧道岩爆的主要诱因，基于力学机制分析，拱顶围岩破裂形成的岩板厚度与岩爆剧烈程度关系密切，且地应力水平保持不变的情况下，结构面间距与岩爆强度之间关系密切。基于项目实际地质特征，可采取光面爆破、加强初期支护、钻应力释放孔及设置防护台架等处理措施，有效控制岩爆发生频率，降低其危害程度，被动防护，保证隧道施工安全。

参考文献

[1]王登科， 骆建军， 文绍全， 等. 岩层倾角对层状偏压隧道围岩稳定性影响分析[J]. 北京交通大学学报， 2022（3）： 95-102.

[2]沙鹏， 赵逸文， 高书宇， 等. 隧道层状岩体质量评价的BQ分级改进[J]. 工程地质学报， 2020（5）： 942-950.

[3]姚锡伟， 周辀， 陶盛宇. 双弱面层状岩体本构模型及其工程应用[J]. 公路交通科技， 2020（8）： 81-89.

[4]唐勇， 孙智慧. 层状软岩隧道开挖稳定性及锚杆非对称支护方式研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）， 2020（4）： 52-60.