高速公路隧道施工岩爆的防治技术

高速公路隧道施工岩爆的防治技术

刘智

重庆中环建设有限公司 重庆市401120

摘要：岩爆是高地应力地段隧道施工中较为严重的现象，具有破坏性强、持续时间长、影响范围广等特点。为有效处治岩爆，必须从源头防控做起，遵循因地制宜的原则，根据现场地质条件制定合理的预防和控制方案，并在施工期间加强安全防护，及时排除险情，保证隧道施工安全。

关键词：隧道施工；岩爆；防治

1岩爆的概述

1.1岩爆的主要特点

（1）岩爆和围岩岩性有关。岩爆通常发生于质地硬脆、有较好整体性及级别相对较高的围岩，比如石英岩、花岗岩和石灰岩都是岩爆发生概率较高的围岩类型。

（2）岩爆和围岩含水情况也有一定关系。当隧道埋深、围岩岩性及构造完全相同时，较为干燥的围岩更容易发生岩爆，有地下水存在的段落其围岩基本不会岩爆。

（3）主要集中在新开挖工作面的周边，尤为常见的是拱部以及拱腰部，两处的发生概率较大。

（4）发生于开挖期间或开挖后，以爆破后的2～3h最为特殊，属于岩爆的高发时间段，延续时间较长，普遍达到1～2个月，特殊情况下甚至可达到1年以上。

（5）发生前无明显征兆，存在不可预见性。在现场检查过程中，即便认为某区域无石块掉落的风险，但后续也有可能发生岩石爆裂，令工程人员措手不及。

（6）岩爆的规模可大可小，石块由母岩弹出，主要呈现出周边薄、中间厚的形态特点，并以片状为主。

（7）岩爆往往伴有爆裂声响：如果发出撕裂声，则说明发生了因压致拉的岩爆，由于这一岩爆只能发生在围岩表面，所以声响清脆，因岩爆产生的裂缝与岩壁保持平行，岩爆结束后，岩块将呈现片状；如果发出沉闷声，则说明发生了因压致剪切拉裂的岩爆，该岩爆结束后会岩块呈现块状，在岩石表面能看到很多弧状裂缝，且裂缝中还伴有擦痕。通常情况下，前一种岩爆持续时间不长，破坏性不大，而后一种则持续时间相对较长，可能造成较严重的破坏。

1.2岩爆的分类

根据烈度的不同，岩爆可分为以下3类：

（1）弱型岩爆：表现为声响较小，岩爆后产生的岩块粒径不大，数量很少，产生形式以掉落为主。

（2）中强型岩爆：表现为内部发出类似于放鞭炮的声响，岩爆后产生的岩坑直径可以达1～2m，伴有大量岩块，产生形式以弹出为主。

（3）较强型岩爆：表现为内部发出剧烈声响，岩爆后产生的岩坑直径超过2m，并伴有飞快弹出的大石块。

2高速公路隧道施工岩爆的防治技术

2.1岩爆综合监测与超前预警

（1）不良地质体超前地质预报

利用地震探测技术加强对地下水和断层、破碎带等构造以及裂隙等不良地质的超前预报。通过在隧道掌子面后方设置传感器，并通过锤击岩体产生主动震源而获取隧道反馈回的地震波的成像图。在此基础上分析反射波的阻抗变化，以超前探测断层、破碎带。当掌子面前方发育有断层或刚性断裂时，岩爆风险会升高。此外，在岩性的“软”“弱”交界面附近的岩爆风险一般高于其他位置。因此，通过探测围岩和不良地质变化情况，对岩爆风险进行初判。

（2）微震监测

隧道岩爆孕育过程会产生一系列岩体破裂事件，这些岩体发生破裂后产生的震动波沿周围的介质向外传播。微震传感器可以接收到此类微震信号，并计算震源的位置、能量、震级等参数。通过分析微震参数时空演化特征，可对隧道开挖过程潜在的岩爆风险进行动态预警。例如监测团队采用SSS微震监测系统对隧道开挖过程中的岩爆风险进行监测与动态预警。

（3）岩爆超前预警

隧洞开挖过程中的岩爆超前预警是指在岩爆孕育过程中根据岩爆微震监测信息，预判潜在岩爆的位置及其岩爆等级和发生概率。岩爆预警区域为掌子面前方10m到后方25m。预警区域随隧道掌子面而发生动态移动，预警区域的尺寸确定后保持不变。基于预警区域内的微震事件数、微震释放能、微震视体积等参数，利用岩爆定量预警公式，对潜在岩爆的位置及其岩爆等级和发生概率进行计算。

2.2改善围岩应力条件

根据目前国内施工实践经验，岩爆地段采用钻爆法施工时，应采用短进尺掘进，减小药量，控制光爆效果，以减少围岩表层应力集中现象。轻微、中等岩爆段尽可能采用全断面一次开挖成型的施工方法，以减少对围岩的扰动。强烈岩爆段，必要时采用分部开挖的方法，以降低岩爆的破坏程度。在中等～强烈和以上烈度的岩爆地段还应结合采取超前钻孔应力解除、松动爆破或振动爆破等方法，使岩体应力降低，能量在开挖前释放。

2.3采取超前支护措施

为给隧道施工创设良好的条件，先采取超前支护措施。拱部120°范围内设长度为4.5m的Φ42mm超前小导管，环向间距40cm，排距2.4m，每排数量为37支；在小导管的四周设Φ6mm压浆孔（尾部1m不做此操作）用于注浆施工；钢管搭接长度1.5m或适当增加。注浆压力控制在0.5～1.5MPa，根据浆液性能以及实际注浆情况灵活调整。

2.4岩爆分等级处治

根据掌握的信息，对隧道可能出现的岩爆现象进行分级，进而采取合适的处治方法，具体如下：

（1）微弱岩爆（I级）：向掌子面和洞壁两处洒水，按照特定的间距打孔，起到释放应力的作用。

（2）中等岩爆（II级）：向掌子面和洞壁两处洒水；喷射混凝土，有效封闭掌子面，厚度为15cm；打孔，用于释放围岩的应力。

（3）强烈岩爆（Ⅲ级）：向掌子面和洞壁两处洒水；喷射混凝土，有效封闭掌子面，厚度为15cm；打孔，用于释放围岩的应力；掌子面超前加固，材料选用Φ40mm的超前管缝式锚杆，间距2m×2m，梅花形布置。

2.5施工安全防护措施

（1）考虑到爆破开始后的最初3h，岩爆发生概率最大，故在这一时段暂停施工，以减轻或避免岩爆造成的危害。

（2）施工人员应规范作业，密切关注所在区域上方以及周边围岩的实际状况，一旦发现异常立即采取处理措施，从源头上规避问题。对发生岩爆的围岩段进行施工时，需在掌子面处安排专门的安全人员，对岩爆的实际情况进行观察和记录，并负责监听岩爆声响，掌握围岩拱部及边墙情况，一旦发现险情，应立即示警，组织所有施工人员有序、快速地撤离。岩爆剧烈且持续时间较长时应暂停施工，安排施工人员撤离至安全区域，待现场恢复正常后继续施工。

（3）对发生弱型或中强型岩爆的围岩段进行施工时，需酌情采取如下防护措施：①为钻孔台车及运输车等机械安装专门防止飞石打击的钢板；②在围岩拱部与边墙上部设置临时锚杆，同时挂设钢筋网；③借助喷射机械对容易发生岩爆的围岩拱部进行混凝土喷射。

（4）在发生较强型岩爆的围岩段进行施工时，除了做好下导坑开挖，还需在下导坑设置楔管式锚杆，并挂设钢筋网，以免飞石崩出造成事故。另外，在必要的情况下还应做好超前支护，通过设置钢架支撑来降低岩爆危害。

（5）定期清理岩爆段的浮石、危石，以免松动滑落引发安全事故。

3结语

综上所述，岩爆是在开挖或其他外界扰动下，地下工程岩体中聚积的弹性变形势能突然释放，导致围岩爆裂、弹射的地质灾害现象。岩爆的孕育及发生受地应力、地质条件、开挖方式等多种因素的影响，其特征也呈现出多样性。为解决高速公路隧道施工中可能发生的岩爆问题，要基于岩爆发生的规律和分类，结合某高速公路隧道工程实际情况，在明确其岩爆情况及特点的基础上，制定有针对性的防治措施，做好岩爆综合监测与超前预警,改善围岩应力条件,采取超前支护措施,分等级处治围岩问题,做好施工安全防护，以充分保证隧道施工的安全性。

参考文献

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